CT的第三次革命：光子計數(shù)探測器引領(lǐng)“巨頭爭霸” | 核能

探測器是CT最重要最神奇的部件

我們知道，CT的原理即電子計算機斷層掃描，它是利用精確準(zhǔn)直的X線束、γ射線、超聲波等，與靈敏度極高的探測器一同圍繞人體某部一定厚度的層面進行掃描，由探測器接收透過該層面的X射線，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽夂螅晒怆娹D(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘枺俳?jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字，輸入計算機處理。在X射線CT系統(tǒng)中，探測器技術(shù)是較為關(guān)鍵的技術(shù)之一。其中探測器是CT系統(tǒng)中的重要組成部分。

目前在CT系統(tǒng)中主要使用的探測器有3中，包括氣體探測器，閃爍體探測器和半導(dǎo)體探測器。目前，在工業(yè)CT系統(tǒng)中最常用的是閃爍體探測器，X射線將能量沉積在閃爍體中的并放出閃爍光子，通過光電倍增管進行轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電信號并被后續(xù)電子學(xué)系統(tǒng)接收和處理。

▍▍1.固體閃爍探測器

當(dāng)今醫(yī)學(xué)CT系統(tǒng)中使用的固體閃爍探測器將x光轉(zhuǎn)換為可見光，可見光由與閃爍體耦合的光電二極管檢測。每個吸收的x射線量子產(chǎn)生的光強度，以及因此每個吸收的x射線量子產(chǎn)生的電信號，與x射線能量E成正比。能量積分檢測器中的信號Sint是來自所有吸收的x射線通量N（E）的信號在所有能量E上的積分，權(quán)重因子與E成正比。

固體閃爍探測器不提供能量分辨信號。因此，攜帶物體（特別是含碘組織）大部分低對比度信息的低能x射線量子比集成信號中的高能量子的重量小。基于半導(dǎo)體的光子計數(shù)探測器，如碲化鎘（CdTe）或碲化鎘鋅（CZT）直接將x射線轉(zhuǎn)換成電信號。吸收的x射線產(chǎn)生電子-空穴對，在探測器頂部和底部的陰極和像素化陽極電極之間的強電場（電壓~106 V/m）中分離。移動電子產(chǎn)生短電壓脈沖，脈沖高度與x射線能量E近似成正比，一旦超過給定的能量閾值，就單獨計算。

▍▍2.光子計數(shù)探測器

在基本工作模式下，僅使用一個能量閾值E1，該閾值能量以上的所有x射線量子都以相同的權(quán)重計數(shù)，從而產(chǎn)生檢測器信號。低能量x射線量子信號的低加權(quán)不存在可以提高結(jié)果圖像的對比度噪聲比（CNR），特別是在使用碘化造影劑的CT掃描中。由于只檢測到高于能量閾值的信號，因此低于閾值的低水平電子噪聲不會影響光子計數(shù)探測器的計數(shù)率。這是與傳統(tǒng)能量積分探測器的一個主要區(qū)別，它可以減少圖像噪聲，降低肥胖患者或極低輻射劑量掃描的劑量。

不同的能量閾值允許區(qū)分光子能量。光子計數(shù)探測器可以同時提供具有不同低能量閾值E1、E2的CT數(shù)據(jù)，用于光譜分辨測量。在物理上，閾值是通過輸入脈沖高度比較器電路的不同電壓來實現(xiàn)的。從探測器獲得的脈沖高度幾乎與探測到的x射線光子的能量成正比。到目前為止，在原型設(shè)置中使用了多達六個不同的閾值。

光子計數(shù)的概念從20世紀(jì)80年代提出以來，在弱光和微光的探測領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，它可以直接將X光衰減轉(zhuǎn)換為電信號，從而獲得更清晰的圖像。光子計數(shù)CT是目前業(yè)界認(rèn)可的下一代CT技術(shù)，它拓展了傳統(tǒng)CT的臨床功能，在腫瘤學(xué)、心臟病學(xué)和神經(jīng)學(xué)等領(lǐng)域具有診斷優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)器官結(jié)構(gòu)細(xì)微細(xì)節(jié)的可視化，改善組織特征，提供更精確的物質(zhì)密度測量(或量化)。它具有很高的空間分辨率和對比度，有助于對小血管和血管病變進行成像，并能夠在早期階段監(jiān)測癌癥的變化，而且輻射劑量將大幅降低。在世界范圍內(nèi)，目前已吸引眾多醫(yī)療巨頭公司對這一技術(shù)進行研究應(yīng)用。

▍▍2.提高成像質(zhì)量和信噪比

光子計數(shù)探測器應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)，可以有效地提高成像質(zhì)量和信噪比。在使用電荷積分探測器的CT成像系統(tǒng)中，高能光子對于投影數(shù)據(jù)貢獻較大，但其導(dǎo)致的圖像對比度較小，不利于區(qū)分密度差異較小的組織。使用光子計數(shù)探測器，可以對不同能量的光子賦予不同的權(quán)重，從而有效地提高圖像對比度。另外，可以設(shè)定探測的能量閥值，從而對噪聲進行有效地甄別和去除。與之相適應(yīng)的成像方法被稱之為能量權(quán)重。該方法在醫(yī)療成像中對于圖像質(zhì)量的改善發(fā)揮了重要作用。

▍▍3.具有能譜分辨能力

光子計數(shù)探測器具有能譜分辨能力，它可以將X光機產(chǎn)生的能譜進行分段計數(shù)，同時得到不同光子能量下的投影數(shù)據(jù)。目前，我們已經(jīng)對于光子計數(shù)探測器多能譜X射線能譜分別進行計數(shù)，同時得到三個能量段X射線下的圖像。根據(jù)傳統(tǒng)的雙能CT一般采用兩塊探測器，之間采用濾波片將高能射線整形為低能射線分別探測，從而得到高低能數(shù)據(jù)進行雙能CT重建。此種方法高低能譜差異不大，因此雙能重建精度不高。而使用上述的光子計數(shù)探測器，我們可以直接得到不同X射線能量區(qū)域的成像結(jié)果，選取合適的能區(qū)進行雙能重建。

▍▍4.減少輻射和造影劑量

此外，光子計數(shù)探測器CT有可能減少輻射和造影劑量。光子計數(shù)探測器由于探測器元件和放大系數(shù)較小，CT掃描的空間分辨率高達0.07x0.07 mm3。高空間分辨率有助于評估小血管結(jié)構(gòu)及其疾病，如血管炎等。高空間分辨率和材料分解能力也有可能減少鈣暈，提供管腔狹窄嚴(yán)重程度的準(zhǔn)確估計，從而提高CT的特異性。這種電壓對于評估膝關(guān)節(jié)以下鈣化嚴(yán)重動脈的危重肢體缺血患者尤為重要。其他偽影，如線束硬化和金屬偽影，也可以通過使用高能量箱來減少。

盡管光子計數(shù)探測器有著諸多優(yōu)勢，目前仍有一些問題需要解決，例如電荷共享、電荷堆積等。未來，隨著制造工藝和電子工藝的進步，光子計數(shù)探測器的性能將進一步完善，CT設(shè)備的整體表現(xiàn)將會更上一個臺階。

▍▍GE醫(yī)療 

GE自1993年開始研究PCCT，并于2006年發(fā)布了世界上第一臺使用鎘基(cadmium-based)探測器的PCCT原型機。不過，鎘基探測器的晶體結(jié)構(gòu)不夠完美，同時還存在污染問題，因此作為X射線檢測器材料受到限制。相比之下，硅是用于探測器的最純凈的材料。

2019年，GE醫(yī)療以33.15%的市場份額獨占鰲頭，幾乎與西門子和飛利浦的總和持平。GE在高端智能影像設(shè)備方面最讓人驚嘆的，為全球首個獲得美國FDA審核認(rèn)證的基于深度學(xué)習(xí)重建算法的人工智能CT系統(tǒng)——APEX CT，被譽為“CT屆的二次發(fā)明”。

這款全新的CT系統(tǒng)突破以往十年來CT影像重建算法的桎梏，采用創(chuàng)新的基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)技術(shù)的重建算法，同時配合GE獨有的全數(shù)控QUANTIXTM高能球管、16厘米寬體探測器等領(lǐng)先的硬件技術(shù)，獲得更為高清和真實的影像，為醫(yī)生更精準(zhǔn)診治提供更有效的影像信息。

與此同時，去年11月，GE醫(yī)療收購擁有深硅探測器技術(shù)的瑞典公司Prismatic sensors AB。

GE醫(yī)療全球CEO Kieran Murphy表示：“我們相信，這項技術(shù)有可能成為CT發(fā)展的重要一步，建立起新的護理標(biāo)準(zhǔn)，并最終改善全球數(shù)百萬患者的臨床療效。從第一臺X射線機到第一臺光子計數(shù)CT樣機，GE醫(yī)療致力于開拓下一代技術(shù)，實現(xiàn)精準(zhǔn)護理，改善生活。我們對采用Deep Silicon這種前沿方法及其帶來的臨床潛力感到興奮。”

▍▍西門子醫(yī)療 

2003年，西門子醫(yī)療初探光子計數(shù)技術(shù)原理，2014年，進行臨床驗證；截至目前，已有近百篇相關(guān)科研成果的論文。

去年9月份，有媒體曾報道過，西門子醫(yī)療的光子計數(shù)探測器采用碲化鎘（CdTe）材料，美國梅奧診所的研究人員已將西門子醫(yī)療裝載了光子計數(shù)探測器模塊的CT應(yīng)用于模體（phantoms）、尸體（cadavers）、動物和人類，并生成了300多名患者的圖像。梅奧診所研究小組發(fā)表的論文顯示，采用光子計數(shù)探測器之后，CT的空間分辨率得到了提高，輻射和碘造影劑的劑量要求降低了，圖像噪聲和偽影水平也得以降低。

近日，西門子醫(yī)療的全身型PET/CT產(chǎn)品——Biograph Vision Quadra獲得FDA批準(zhǔn)。Biograph Vision Quadra的孔徑達78cm，其最大特點是具有106cm軸向視野(FoV)，是西門子醫(yī)療另一款PET/CT產(chǎn)品“追光者”Biograph Vision①的四倍之多，實現(xiàn)了從頭頂?shù)酱笸韧瑫r全身成像，可以用于臨床和科研。

▍▍飛利浦 

2017年，飛利浦推出IQon光譜CT，以“雙層”立體探測器為核心 ，將能量成像推向了常規(guī)臨床應(yīng)用。作為飛利浦全球首款基于探測器的光譜技術(shù)，飛利浦 IQon 光譜 CT 能提供多層光譜數(shù)據(jù)的能量解決方案。IQon 提供了準(zhǔn)確的決策信息、創(chuàng)新的分析方法和高效的工作流程，對患者管理和經(jīng)濟效益帶來更多幫助。

與傳統(tǒng)CT不同，除CT值以外，光譜CT還可以通過多種不同keV、有效原子序數(shù)、碘密度圖、碘定量圖、光譜曲線等多種不同參數(shù)對于病灶進行定量、定性診斷。IQon的出現(xiàn)宣告了黑白CT影像時代的結(jié)束，彩色CT圖像更準(zhǔn)確地診斷疾病，減少近45%的重復(fù)的影像學(xué)檢查。

▍▍日立醫(yī)療 

2016年3月，日立公司（TSE：6501）的子公司日立醫(yī)療公司與加拿Redlen技術(shù)公司宣布共同開發(fā)直接轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體所需的新光子計數(shù)計算機斷層攝影系統(tǒng)（PCCT）。

日立一直專注于醫(yī)療保健領(lǐng)域的社會創(chuàng)新業(yè)務(wù)之一，并在醫(yī)療整體解決方案，其中包括醫(yī)療診斷和臨床設(shè)備，如CT，MRI，粒子束治療系統(tǒng)，并且還信息學(xué)，包括醫(yī)療服務(wù)和平臺豐富的專業(yè)知識。Redlen是在醫(yī)療成像，安全和無損檢測等領(lǐng)域使用的高分辨率碲鋅鎘（CZT）半導(dǎo)體輻射探測器的領(lǐng)先制造商。

根據(jù)這項協(xié)議，日立和Redlen將合作開發(fā)一種新的多能源PCCT半導(dǎo)體探測器模塊。  PCCT系統(tǒng)為通過新功能，其中包括材料歧視，更高的圖像分辨率，增加功能成像，并進一步輻射劑量減少診斷CT成像性能的突破進展的潛力。

中國科學(xué)院高能物理研究所依托大科學(xué)裝置產(chǎn)生的先進技術(shù)，成功研制出國際領(lǐng)先、國內(nèi)首款混合像素型結(jié)構(gòu)的四閾值光子計數(shù)探測器

晶圓級倒裝焊工藝