光子计数计算机断层扫描（PCCT）是一种先进的医学成像技术，与传统X射线CT的区别在于它能够区分单个探测光子的能量。PCCT比传统CT提供更高的空间、光谱和对比度分辨率，可为疾病表征带来显著优势，并实现新的诊断方法。
传统CT测量X射线穿过人体后的衰减，使临床医生能够监测正常和异常解剖结构，为疾病的诊断和治疗提供有价值的信息。PCCT所承诺的优势主要源于探测器的不同特性：传统CT扫描仪使用能量积分探测器（EID），而PCCT则采用光子计数半导体探测器。
诊断CT程序的有效剂量估计在1–10 mSv范围内，但根据患者体型、CT扫描类型、CT系统和操作技术，该值可能相差10倍以上。PCCT系统比传统CT具有更好的剂量效率，并利用能量阈值消除背景电噪声。因此，PCCT所需的辐射剂量低于标准CT，从而降低了被扫描者的风险。
探测器特性：局限性与优势
传统CT系统使用EID收集所有入射X射线光子的总能量。EID通常由硫氧化钆（Gd₂O₂S）或钨酸镉（CdWO₄）组成，包含两层：固态闪烁体置于光电二极管阵列之上。探测机制是一个两步间接过程：入射光子击中闪烁层，产生可见光闪光；当光电二极管吸收该光时，将其转换为电信号。
光电二极管阵列由单个探测器元件组成，这些元件被不透明的反射壁（称为隔栅）隔开。这种设计防止了光散射产生的光学串扰（信号在相邻通道间转移并降低图像质量）。然而，隔栅的存在在探测器表面造成了“死区”，既浪费了X射线剂量，也限制了空间分辨率，因为它在物理上限制了探测器尺寸。
由于EID收集所有入射光子的总能量，不同能量光子的信号被混合在一起。高能光子产生的光强度高于低能光子，因此会产生更强的电信号。这意味着最终输出信号将由高能光子主导，而低估了低能光子提供的有价值对比信息。这也使得无法区分电噪声和真正的低能光子，进一步影响可实现的对比度。
PCCT扫描仪则采用光子计数探测器，直接将光子能量转换为电信号。这些探测器由半导体层构成，位于上方的阴极和下方的阳极之间。阳极被像素化以增加空间分辨率，每个像素置于ASIC之上。
该探测器使用直接转换过程：在半导体上施加高偏置电压，当入射光子撞击时产生电子-空穴对。强电场将这些电荷云拉向阳极电极，产生电流。ASIC立即处理该电流并将其转换为电压脉冲，脉冲高度与入射光子的能量成正比。比较器和计数器根据阈值将光子分类到能量仓中，这一过程还可以滤除电子噪声并实现光谱成像。
光子计数探测器中使用的半导体材料通常是碲化镉（CdTe）、碲锌镉（CZT）或硅。镉基探测器因其高原子序数而具有高阻止能力，通过光电效应高效吸收X射线，从而实现高空间分辨率。CZT和CdTe探测器的另一个优点是半导体可以相对较薄（约2毫米），从而允许探测器垂直于入射X射线方向放置。
先进的光谱能力
传统CT依赖后处理软件来增强图像分辨率并减少其物理硬件固有的电子噪声。但传统用于图像重建的算法——包括反投影、滤波反投影和迭代重建算法——会降低空间分辨率并导致模糊。
而深度学习重建则可能引入伪影（例如生成不存在的物体或去除真实的小解剖结构），尤其是在训练数据有限的低剂量场景中。为了在传统CT中实现高分辨率，需要在X射线束中引入低能量滤波器，这增加了所需的辐射剂量。
PCCT探测器设计具有小像素尺寸和无反射隔栅的特点，使其成为天然的高分辨率技术。使用量子迭代重建等算法可以进一步改善图像质量，已证明可将图像噪声降低高达34.5%。需要锐利的卷积核（用于优化噪声与锐度之间的平衡）来确保生成的图像保持探测器提供的高分辨率。
PCCT区分光子能量的能力还允许进行材料分解，从而生成一系列高级图像。这包括在单一能量水平重建的虚拟单能量图像，以在不降低剂量的情况下增强对比剂；以及虚拟非对比图像，允许在无需额外扫描的情况下对特定材料进行数字减影。PCCT还可用于K-edge成像，其中对比剂可以根据其K-edge能量被隔离。
临床应用
PCCT的技术优势显著改善了CT在众多医学学科中的诊断应用。
例如，一项针对200名同时接受PCCT和EID CT的肺癌成人的前瞻性研究表明，PCCT在肺癌管理方面优于传统CT。关键发现是：PCCT的有效辐射剂量较低（1.36 mSv），而EID为4.04 mSv；碘（用于增加图像对比度的染料）暴露量更低，PCCT的碘负荷为20.6 mSv（EID CT为28.1 mSv）；对增强相关恶性特征的检测和诊断置信度更高。
同样，在CT肺血管造影研究中，与EID CT相比，PCCT将总碘负荷降低了26.7%，CT剂量指数体积降低了24.4%。这潜在降低了患者风险，并带来了环境和经济效益。
光子计数探测器降低CT血管造影中的对比剂相关风险
在冠状动脉成像中，PCCT能够表征冠状动脉疾病和斑块，并在冠状动脉钙化定量方面显示出前景，可减少晕状伪影（小的高密度结构如钙化看起来比实际尺寸大）。PCCT还可提供管腔的高分辨率成像，用于评估冠脉支架以及心肌组织和灌注的评估。
PCCT更高的剂量效率使其在儿科应用中特别有效，因为儿童对辐射的敏感性高于成人。儿童的器官也更小，使得PCCT提供的超高分辨率尤其有用，例如在新生儿和婴儿中检测微小的复杂心脏缺陷。
截至2025年初，临床使用中有两个美国食品药品监督管理局（FDA）批准的PCCT系统：西门子医疗的NAEOTOM Alpha和三星医疗的OmniTom Elite。就在上个月，MARS Bioimaging的肢体扫描系统和GE医疗的Photonova Spectra光子计数CT均获得了FDA批准。其他临床原型包括佳能医疗系统和飞利浦医疗的系统。
持续挑战
与任何新兴技术一样，仍有挑战需要解决。对于光子计数探测器，这些挑战包括脉冲堆积、电荷共享、K-escape和康普顿散射效应。
脉冲堆积发生在两个或多个光子同时到达探测器时，可能导致探测器将其记录为单个光子。这会导致探测器接收到的能量计算和光子数量确定出现误差。如果单个光子击中两个像素之间的边界附近，它可能被检测为具有比实际更低的能量。这种称为电荷共享的效应会降低CT图像的光谱和空间分辨率。
由于其高原子序数，镉探测器还容易受到“K-escape”效应的影响，即入射X射线产生的荧光被检测为单独事件。康普顿散射发生在半导体材料中产生的次级光子被记录为单独事件时，从而低估了真实能量值。
最后，用于PCCT的半导体材料制造成本高昂——PCCT扫描仪的成本可能超过200万英镑。而且多能量扫描生成的大数据集需要大量的计算能力和时间进行处理和重建。
未来影响
PCCT是一项极具前景的技术，它用半导体材料的直接探测取代了传统的间接探测机制。PCCT由于更高的空间和光谱分辨率、更高的剂量效率以及进行定量成像的能力，提供了卓越的图像质量。PCCT的多能量能力使图像从纯粹提供结构信息转变为同时包含功能信息。
目前临床使用主要受限于成本而非诊断能力，缺乏临床研究使得高成本难以合理化。然而，对优化医疗保健的潜在影响可能是巨大的。随着技术的发展成本下降，PCCT的临床使用未来将超越传统CT，并成为标准CT技术，这或许是不可避免的。
Sophie O’Neill 正在贝尔法斯特女王大学攻读应用数学与物理学的MSci学位。
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