【懋式百科全书】光子计数CT技术解析-器械之心

最近几年CT发展也是相当快的，从光谱CT开始，一切扫描皆能量，CT也从单参数成像逐渐过渡为多参数多功能CT。而光子计数CT（Photon-Counting CT, PCCT）又是不得不提的。分享一篇飞利浦科学家的文章来了解一下PCCT。

“在1972年的RSNA上，EMI公司展示了第一台CT机，随后RSNA也见证了CT持续发展；

如今，由于其速度快、解剖结构精确，CT已成为放射诊断的支柱。CT的范围逐渐从纯粹的形态学成像技术扩展到提供多功能参数成像。在2021年RSNA上，光子计数CT（Photon-counting Computed Tomography，PCCT）首次推出后并逐渐应用于临床实践中，其在空间分辨率、密度分辨率、图像质量方面的进步令人印象深刻，然而光子技术CT目前仍处于发展阶段，尚面临一些挑战，如技术成本、设备可用性和医学专家的接受度等。相信随着技术的成熟和研究的进展，光子计数CT有望成为医学影像领域的又一重要创新之一”

光子计数CT与传统CT的区别与优势

Photon-Counting Computed Tomography

光子计数CT与现有CT最大的区别是，可以实现对单个X线光子进行检测，并分析得到其对应的能量范围。现有CT是通过一束X线（多个光子）穿过被照体，检测其衰减信息进行成像，反映的是平均衰减特征，这一过程中部分能量信息丢失，这种探测器技术也被称为能量整合探测器（Energy-Integrating Detectors, EIDs）。现有被广泛使用的双能量CT也是采用能量整合探测器，它是检测两束不同能量X线（双源技术、管电压快速切换技术），或是一束X线两个不同能量段（双层探测器技术）。与现有CT不同的是，光子计数CT可以实现单个X线光子检测，并对记录的脉冲信号进行分析，可以获知X线光子的能量范围，其检测灵敏度较EID有大幅提高，这种探测器称为光子计数探测器（Photon-Counting Detectors，PCDs）。为了实现单个光子检测的目的，光子计数CT的探测器材质、数据采集和重建算法等均与现有CT有很大的不同。

目前，在工业CT系统中最常用的是闪烁体探测器，X射线将能量沉积在闪烁体中的并转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟/数字转换器转为数字信号，输入计算机处理。基于半导体的光子计数探测器，如碲化镉（CdTe）或碲化镉锌（CZT）直接将X射线转换成电信号。吸收的X射线产生电子-空穴对，在探测器顶部和底部的阴极和像素化阳极电极之间的强电场（电压~106 V/m）中分离。移动电子产生短电压脉冲，脉冲高度与X射线能量E近似成正比，一旦超过给定的能量阈值，就单独计算，因此实现对X射线能量的单光子检测（图1）^[1]。闪烁体探测器对X射线的检测是两步转换，光子计数探测器对X射线的检测是一步转换。

图1.闪烁体探测器和光子计数探测器的X线检测

PCD探测器检测到X线光子信号采集系统会形成一个脉冲信号，其高度与该光子的能量成正比（图2）。信号超过预设阈值水平会被计数。通过阈值的合理设置可以剔除电子噪声。通过将每个脉冲与几个阈值水平进行比较，可以判断该脉冲对应的光子所属的能量范围，从而将检测的光子对应到多个能量仓（Bin，Bin通常为2到8个）中。因此，电子噪声被有效地从光子和/或脉冲计数中排除（尽管电子噪声仍然影响脉冲高度，从而影响测量的光子能量）。另一方面，EID测量并积分测量间隔期间沉积的总能量，包括电子噪声。这对应于图2中信号曲线下的总面积，与PCD相比，其提供的详细信息较少。

图2.光子计数探测器单光子检测并进行能量区分示意图

光子计数CT在空间分辨率、密度分辨率、图像噪声和物质分离能力方面，均有其优势^[2]。

在空间分辨率方面，PCCT较现有CT有大幅提升。CT可实现的空间分辨率主要取决于其探测器元件尺寸，当前系统接近1X1mm2。由于X射线束发散，成像的isocenter处可实现的近似分辨率是通过将探测器元件的尺寸除以几何放大系数（通常为1.5–2）获得的，从而获得接近0.5X0.5mm2的重建图像分辨率。EID的探测器元件尺寸在过去20年中没有发生显著变化。这是因为EID的探测器元件必须通过薄的、高反射率的隔膜彼此分开，以避免闪烁体中产生的二次光子之间的串扰。较小的探测器元件面积使得探测器越来越难以制造。此外，由光学隔离隔片覆盖的检测器面积的总体增加导致辐射剂量效率降低。而PCD没有单独的闪烁体元件和隔片，因此可以使用更小的探测器元件来制造（图3）。

图3. EID和PCD探测器的结构示意图。

A，EID探测器侧面观；

B，EID探测器的顶面观；

C，PCD探测器侧面观；

D，PCD探测器的顶面观；

除了在空间分辨率的提升以外，在图像噪声方面，PCD可以通过最低阈值有效去除图像的电子噪声，提升图像质量。在密度分辨率方面，PCD中，每一个光子被单独计数，并进行区分对应到不同的能量仓中，这就可以使得将更大的权重分配给低能量的光子，从而图像的对比度。在物质分离方面的优势，PCD允许在多个能量仓（bin）进行信号采集，可以利用采用多bin模式采集，并进行多物质分解。

总之，由于探测器技术的巨大革新，使光子计数CT的X线利用效率更高，图像的空间分辨率、密度分辨率更高，也有更好的物质分离能力。在现阶段，光子计数技术技术层面也依然存在信号堆叠（pile up）和电荷共享（charge sharing）等问题的影响，应用层面也存在其重建速度较慢、数据存储负荷较大等问题，其对疾病诊疗的价值有待于进一步观察。

Reference

Photon-Counting Computed Tomography

Willemink MJ, Persson M, Pourmorteza A, Pelc NJ, Fleischmann D. Photon-counting CT: Technical Principles and Clinical Prospects. Radiology. 2018;289(2):293-312.
Esquivel A, Ferrero A, Mileto A, Baffour F, Horst K, Rajiah PS, et al. Photon-Counting Detector CT: Key Points Radiologists Should Know. Korean J Radiol. 2022;23(9):854-65.