放射学中的光子计数CT

原创 赵喜同学 XI区

在光子计数探测器计算机断层成像（PCD-CT）设备中，CT探测器接收到的X射线信号通过软件转换成图像。能量积分探测器将X射线间接转换成电信号，过程分为两个阶段。相对于能量积分探测器的两步成像（首先，X射线通过上层的闪烁体转换成可见光。接着，光被光电二极管层吸收并转换为电荷。每个像素的电荷被探测器底部的读出电路读取，生成数字数据。然后，这些数据被处理，在显示器上生成数字图像），PCD则直接通过半导体二极管将X射线转换为电信号，无需中介介质。本文综述了PCD-CT系统的优缺点。

光子计数探测器技术

PCD的特性

根据材料的不同，光子计数探测器的厚度可能在1.6至30mm之间变化。高电压作用于半导体，当其吸收X射线光子时，迅速产生正负电荷分离。电子读出电路记录电脉冲。PCD中的半导体探测材料在接收到X射线光子时立即将其转换为电子-空穴对。PCD生成的能量脉冲与击中探测器元件的光子能量成比例。

噪声降低与对比噪声比的提高

理想的PCD相比理想的能量积分探测器（EID）可能产生更少的噪声。PCD中不同能量的光子具有不同的权重。然而，即便如此，也无法获得理想的对比噪声比（CNR）。高能量下组织对比度下降是原因之一。为最大化图像的CNR，高权重能量可能被转移到低能量，从而提高CNR。

低能量扫描的一个缺点是伪影增多。在PCD-CT人脑平扫中，灰质-白质的CNR较传统CT技术提高了约30%。头颈部CT血管造影显示，图像噪声比之前的CT扫描减少了9%。

PCD的优势在迄今为止的研究中有所体现。首先，由于低能量下（如钙或碘）的高衰减，理想的能量加权可以实现。其次，在低剂量成像中，PCD相比EID能更好地消除电子噪声。在高X射线强度下，电子噪声对EID影响较小，但在低剂量成像中可能严重影响图像。在PCD-CT中，人类肺部图像噪声降低了约20%。

分辨率

空间分辨率与探测器元件的尺寸有关。在EID系统中约为1×1 mm⊃2;。由于EID技术中探测器元件之间需要隔板，进一步降低空间分辨率较为困难。PCD中没有这样的隔板，探测器元件的尺寸可以缩小。PCD-CT的探测器元件尺寸范围从0.11×0.11 mm⊃2;到0.5×0.5 mm⊃2;。较小的探测器像素尺寸使细节呈现更清晰，噪声减少。影响探测器质量的因素包括电荷共享和X射线反射，这些因素会由于荧光逃逸而降低效率。

材料分解

在PCT技术中，可以处理虚拟单色图像（VMI），以创建虚拟平扫或彩色图像。重建所需能量水平的图像需要两个或更多方程。通过更多的能量测量，可以生成更少噪声的图像。对比材料、晶体或结石的精确测量对材料分离非常重要。通过测量三种不同材料（如水、钙和对比剂），实现了对比剂的区分。通过三个或更多能量水平的测量，可以准确地测量这些成分。EID和PCD单元在许多影响质量的因素上可以进行比较。

传统能量积分探测器（EID）与光子计数探测器（PCD）的比较

EID

PCD

探测器材料

钨酸镉、氧化钆、氧化硫化钆。

碲化镉、碲锌镉、硅、砷化镓、铬补偿的砷化镓。

探测机制

能量通过包含X射线闪烁体和光电二极管的两步过程进行积分。X射线闪烁体将X射线转化为可见光，光电二极管将可见光转化为电信号。

能量通过包含半导体和直接将X射线转化为电信号的单步过程来解析。

能谱能力

由于电荷积分，本质上没有X射线能量分辨能力。

光子被计数并在具有用户定义能量阈值的数字计数器中分类。

能量分辨机制

X射线转换为可见光子，可见光子再转换为电子信号。在此过程中，光子能量信息丢失。

X射线光子在半导体层中产生电荷云（电子-空穴对），生成与光子能量成正比的信号。

空间分辨率

由于探测器像素之间需要有限宽度的隔膜，小的探测器像素降低了剂量效率。

探测器像素之间无需隔膜，因此可以实现更小的探测器像素尺寸。

电子噪声

在低剂量扫描肥胖患者时，常规CT图像上明显可见。

可以通过选择高于电子噪声水平的能量阈值来从测量信号中排除电子噪声。

光子加权

高能X射线比低能X射线权重更高，从而降低了软组织和碘化对比剂之间的对比度。

所有光子能量级均匀加权，从而提高了软组织和碘化对比剂之间的对比度。

硬化伪影和金属伪影的减少

可以使用金属伪影减少算法来缓解这些伪影。

高能区间图像受这些伪影的影响较小。可以使用算法减少任何剩余的伪影。

多能量成像

需要双源、双管电压、两次采集、双层探测器或双光束等以获取必要的双能量数据。

单源、单管电压、单次采集、单探测器层、单光束即可实现同时多能量采集。

高分辨率成像

由于梳状或栅状卷积核、或额外隔膜需求导致的探测器填充因子下降，辐射剂量效率较低。

由于探测器像素本身较小，实现了辐射剂量效率高的高空间分辨率成像。

能量选择性成像

由于缺乏能量分辨，选择性成像的选项有限。

能量分箱支持K-edge成像，可针对钆、金、铋、镱及其他高Z对比剂进行定制。

实验研究

在PCD-CT技术中观察到了显著的优势，例如剂量减少、空间/几何分辨率提高以及伪影/碘剂减少。尽管噪声水平相似，与EID技术相比，使用PCD拍摄的图像剂量减少了32%。研究发现，通过较少的光子即可获得相同的图像，从而减少60%的剂量。在PCD中，通过使用较小的探测器元件可以获得更多的数据点。虽然这会增加每个探测器的噪声，但在重建算法后，噪声水平显著下降。在最近的一项研究中，PCD的0.25mm探测器模式在体模、动物和人类扫描中显示出19%的图像噪声减少。

研究表明，乳腺PCD-CT能提供高质量图像，有潜力用于乳腺癌筛查，并且对患者的痛苦较小。另一项涉及300名女性的单计数器PCD-CT研究得出结论，乳腺PCD-CT提供高质量图像，适合不希望在乳腺X线检查中受到压迫的女性。

PCD-CT显著提高了对小于1cm的肝脏/胰腺病变、肿瘤侵袭或肝脏脂肪变性的检测能力，即使在铁过载的情况下也是如此。利用低keV的虚拟单色成像（VMI），PCD-CT在动脉期肿瘤影像的客观和主观质量上显著优于EID-CT。PCD-CT能够检测到更多的胰腺囊肿，比传统EID-CT更具优势，可能有助于准确评估如强化壁结节等小结构。

对于颞骨成像来说，高分辨率至关重要。在低分辨率下，无法准确诊断小结构。相比在前方放置了梳状卷积核的PCD-CT和高空间分辨率EID探测器，PCD-CT能够减少辐射剂量，同时清晰显示中耳骨结构。Leng等在肺部成像中使用PCD-CT系统获得了更好的图像质量。在另一项研究中，研究人员评估了肺结节和肾结石的图像，发现PCD-CT显示出更高的分辨率，但也伴随了更高的噪声。另一项研究得出结论，PCD-CT在肺结节的精确表征方面优于传统CT。

CT血管造影（CTA）已取代数字减影血管造影（DSA）成为常规临床实践中的一线血管成像方法。在CTA中，快速的3D等距数据和高分辨率采集非常重要。PCD-CT在血管成像和血栓检测中非常有用，并且剂量最优。由于常规CT扫描的空间分辨率不足，无法对下肢缺血和膝下动脉钙化进行最佳评估。PCD-CT利用其多能量特性，减少条状伪影并提高信号均匀性，克服了这些问题。

图1 PCCT颅内动脉和轻度动脉粥样硬化的颈动脉血管造影示例。图中显示了内耳段的颈内动脉（A、B），并沿中心腔线进行了多平面重建；图C和图D分别显示了颈动脉双侧分叉。扫描使用NAEOTOM Alpha（西门子医疗，德国福希海姆）全身双源光子计数CT扫描仪完成，层厚为0.2mm，重建增量为0.1mm，视野（FOV）为140mm。图像在轴位重建上的显示分辨率为1024×1024像素，使用Bv60卷积核以及最大强度的量子迭代重建（QIR 4）。实际显示的分辨率为0.1mm（100μm）。

图2 PCCT能谱血管造影的颈动脉轻度动脉粥样硬化示例。图显示了颈动脉在分叉水平的多能量轴向重建，可以在标准采集的图像中直接看到增加KeV的效果。扫描使用NAEOTOM Alpha（西门子医疗，德国福希海姆）全身双源光子计数CT扫描仪完成，层厚为0.4mm，重建增量为0.2mm，视野为140mm。图像在轴位重建上的显示分辨率为1024×1024像素，使用Bv56卷积核以及最大强度的量子迭代重建（QIR 4）。

自发性颅内低压（SIH）的主要原因是脑脊液（CSF）泄漏。大多数脑脊液瘘管通常直径为1-2mm。检测小瘘管具有挑战性。PCD-CT可以比标准临床成像更有效地检测CSF瘘管。

区分肿瘤侵袭对喉癌和下咽癌的肿瘤分期至关重要。然而，在常规CT扫描中，未骨化的喉软骨密度与肿瘤结构相似，因此难以区分。在这种情况下，PCD-CT有助于诊断。此外，PCD-CT可更好地描绘骨和软骨的骨折、水肿、恶性病变和/或退行性变化。

图3 PCCT在神经应用中的示例。图中显示了矢状（A）和冠状（B）平面中的下丘脑（**）、垂体柄和垂体（*；前垂体）；C和D中为严重退变的齿状突的矢状和冠状视图。扫描使用NAEOTOM Alpha（西门子医疗，德国福希海姆）全身双源光子计数CT扫描仪完成，层厚为0.2mm，重建增量为0.1mm，视野为140mm。图像在轴位重建上的显示分辨率为1024×1024像素，使用Bv60-80卷积核以及最大强度的量子迭代重建（QIR 4）。实际显示的分辨率为0.1mm（100μm）。

伪影和质量因素

图像质量越高，失真越少。伪影是降低图像质量的因素之一。通过各种情况和系统分析伪影对图像的影响。碘的对比噪声比（CNR）在120 kV的EID和140 kV的PCD扫描中相似。PCD-CT消除了xian线束硬化伪影。通过获得虚拟单色图（VMI），可以获得最佳的CNR和碘浓度图。这些数据用于区分颈动脉中血管内对比剂和钙化斑块。在钙化斑块、金属植入物、夹子和/或线圈患者中，伪影可能会影响CT成像。金属伪影去除算法和虚拟单色图提高了PCD-CT的图像质量。这在评估由高衰减材料制成的小支架时尤为重要。最新研究表明，PCD-CT可以提高冠状病变的可视性和分辨率。与EID-CT相比，PCD-CT获取的图像显示了显著的金属伪影减少和剂量效率提高。此外，PCD设备中观察到的条纹伪影较少。

图4心脏/冠状动脉PCCT示例：带有冠状动脉支架的冠状动脉病变。电影渲染（A）和近端左前降支（pLAD）和中段左前降支（支架）的CPR（B）。扫描使用NAEOTOM Alpha（西门子医疗，德国福希海姆）全身双源光子计数CT扫描仪完成，层厚为0.2mm，重建增量为0.1mm，视野（FOV）为140mm；使用心电门控的管电流调制进行扫描。在本例中，pLAD显示出严重的非阻塞性病变，存在未钙化和钙化成分至冠状动脉支架近端边缘；支架完全通畅且可见；支架支柱完全清晰易见，可以轻松评估支架外周轮廓的近端钙化，对支架内腔评估没有影响。图像显示在1024×1024像素分辨率矩阵上，轴位重建采用Bv76卷积核，并具有最高强度的量子迭代重建（QIR 4）。实际显示的分辨率为0.1mm（100μm）。

对比剂

PCD-CT血管造影可以更好地显示超血管性病变、动静脉畸形、血管瘤和肿瘤的微小血管。它还可以提高CNR，减少碘负荷。PCD-CT的优点之一是可以使用非碘和多种对比剂。PCD-CT可以去除碘，从而类似于双能量CT创建虚拟非对比图像。

在肾功能不全的患者中，减少碘剂量至关重要。双能量CT的低单色图像和常规CT的低管电压是减少碘负荷的两种技术。PCD-CT通过能量分辨检测生成单能重建，比常规CT检测碘基对比剂更有效。碘特异性应用可能会提高冠状动脉成像质量。定量指标显示40-60 keV的VMI最适合检测肺栓塞。60-70 keV的VMI在血管对比度方面提供了更好的图像质量。

图5轻度冠状动脉病变的心脏/冠状动脉PCCT示例。3D电影渲染（A）、沿近端左前降支（pLAD）的CPR重建（B）、同一血管的MPR轴向/横截面视图（C）和CPR视图。扫描使用NAEOTOM Alpha（西门子医疗，德国福希海姆）全身双源光子计数CT扫描仪完成，层厚为0.2mm，重建增量为0.1mm，矩阵1024×1024，核Bv60，FOV 140mm；扫描通过心电门控的管电流调制进行。在本例中，冠状动脉段显示出近端左前降支（pLAD）上一个大且偏心的钙化，但未影响管腔通畅性（无管腔直径或面积减少），以1024×1024像素分辨率矩阵显示，轴位重建采用Bv60卷积核过滤，并具有最高强度的量子迭代重建（QIR 4）。实际显示的分辨率为0.1mm（100μm）。

尽管双能量CT的光谱分离较差，使其难以使用其他对比剂，但它确实允许多种对比剂的应用。除了碘和钡外，PCD-CT还可以利用钆和高原子序数元素作为对比剂。可用于PCD-CT的材料包括金、铂、氙、铋、镥、钨、银和镱。

考虑专门为PCD-CT设计的新型对比剂的潜力非常令人兴奋。许多研究已经探讨了金标记纳米颗粒。这些金属的含量如此之小，以至于传统CT无法检测到。K-edge成像和PCD-CT可用于识别和测量金纳米颗粒。即使存在其他对比剂（如碘），它们仍然可以区分。

分子CT成像需要解决安全性问题，包括毒性、稳定性和通透性，此外还需考虑颗粒浓度和大小一致性等功能问题。颗粒和对比材料的分布可以帮助早期癌症诊断。此外，该方法还可以增强动脉粥样硬化斑块组成的表征。通过PCD-CT，可以更轻松地区分碘和钙化物等具有显著有效原子数差异的材料。双能量CT在区分纤维组织和脂肪组织方面面临挑战，因为它们的有效原子数差异较小。PCD-CT设备可以用来解决这一问题。PCD-CT的优势包括更好的材料分离、增强的空间和时间分辨率以及靶向对比剂的使用。

由于PCD-CT能够区分不同的对比剂，K-edge成像可以同时显示不同的对比材料。因此，可能同时应用多种对比剂，并显示它们各自的分布。靶向纳米颗粒和对比剂（如碘或钆）可以同时注入。可以同时注入几种靶向不同组织类型的纳米颗粒。此外，可以同时进行成像，并在不同时间点应用多种对比剂。通过去除图像中的对比剂，可以重建无对比材料增强的重组图像。PCD-CT可以在体内同时有效分离多种对比剂。此外，还可以使用虚拟非钙图像检测骨髓病变或水肿。这种方法减少了辐射剂量，并且无需多相CT扫描。

PCD-CT系统也存在一些局限性。这些局限性包括成本增加、需要更大的计算、操作或维护能力、对新获取/重建算法和分析工具的需求等。虽然存在许多困难和挑战，但PCD-CT具有很大的潜力，可以使CT在医学成像中更加多样化。

与传统CT技术相比，PCD-CT在各个方面都显示出改进，包括成像质量、剂量效率、伪影减少和对比剂的优化。PCD-CT正在变得越来越流行，许多不同领域都开始认可其价值。在临床应用中，它可能成为重要的成像工具。虽然这项技术仍处于相对较早的阶段，但已经显露出在未来医疗领域的巨大潜力。随着技术的不断发展，PCD-CT可能会成为提高成像质量、减少辐射剂量和优化对比剂使用的重要手段。

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文献原文：Algin O, Tokgoz N, Cademartiri F. Photon-counting computed tomography in radiology. Pol J Radiol. 2024 Sep 11;89:e433-e442. doi: 10.5114/pjr/191743.仅供专业人士交流目的，不用于商业用途。

2024年12月13日

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