作者：张挽时
通信作者：张挽时，Email：2816611972@qq.com
摘要光子计数CT是近十年来CT成像领域的重大技术突破，改进了传统CT的成像方式。以半导体探测器为特征的光子计数CT优点突出，可去除电子（本底）噪声，提高X线光子的利用效率，增强碘信号的强度，去除探测器前用于防止荧光串扰（cross-talk）的隔膜（septa），像素可以更小，空间分辨率更高；特别是X线光子可以被计数，可以分成4个或以上单独的能量级别“箱”（bin），实现了真正意义上的多能谱成像，使CT检查更准确、更安全，拓宽了CT临床应用。已有研究显示光子计数CT可提高多个系统的诊断性能和准确性。
早在20世纪50年代，艾伦·科马克（诺贝尔奖获得者，CT共同发明人之一）在南非使用光子计数探测器率先完成了光子计数CT（photon counting CT，PCCT）成像的实验研究［ 1 ］。但受当时实验装置的限制，光通过量较小，而临床应用CT的高光通过量会带来脉冲堆，即两个连续产生光子的平均间隔时间（间隔≤20 ns）比探测器的响应时间更短，导致了脉冲积压、堆叠，特别是受半导体材料和工艺局限等，PCCT未进入临床应用。多年来，研究者不断对光子计数探测器进行探索，包括气体材料直接转化、闪烁体材料间接转化、半导体材料直接转化等［ 2 ］，其中半导体材料制成的光子计数探测器，如碲化镉（CdTe）、碲锌镉（CZT）或硅（Silicon）半导体材料等［ 3 , 4 ］，具有高分辨率、快速响应和携带丰富能量信息的优势，为PCCT进入临床提供了坚实的基础［ 5 ］。与传统CT相比，PCCT的X线光子的转化效率由以前的约60%提高到90%以上，同时大幅降低辐射剂量达50%［ 6 ］，空间分辨率可由20 lp/cm提高至40 lp/cm［ 7 ］。
一、PCCT的技术特点
1.光子计数CT省去了光电转换的步骤，探测器的上层（表层）是阴极电极，偏下方的底层是像素化的阳极电极，阴、阳极之间加载了800~1 000 V的高电压，形成了一个强电场层。在X线通过受检者后，在表层内被吸收并产生电荷云（电子空穴对）。当电子向阳极移动时产生一束短电流脉冲，然后由脉冲形成电路将电流脉冲转换成电压脉冲，电压脉冲的最大信号半宽是10~15 ns［ 2 ］，并且电压脉冲的幅度与吸收能成正比。当电压脉冲的幅度达到设定阈值时，该脉冲被电子计数器记录，光子计数探测器可通过设置不同的阈值使几个计数器同时读取数据，并识别和解析多个阈值的电压脉冲［ 4 ］。
2.在以能量积分探测器（energy integrated detector，EID）为代表的传统CT中，X线到达荧光闪烁层后，首先被转换成可见光，再被转换为电信号。为了避免相邻探测器像素单元之间产生荧光“交叠效应”（cross-talk）使X线光子产生“误读”（misdetection），EID-CT需在单个像素单元之间设置物理隔膜（septa）以防止荧光的串扰，但物理隔膜同时也限制了闪烁层面的有效检测面积，另外由于需设置物理隔膜，每个像素单元也不能太小。光子计数CT不需要在像素单元之间设置物理隔膜，使每一个探测器像素单元上不再有成像“死角”。由于去除物理隔膜增加了成像的有用区域，使探测器的成像检测效率提高，因此在保持成像质量不变的情况下，可减少CT检查的辐射剂量［ 8 ］。
二、PCCT拓展CT的临床价值
PCCT是一项创新技术，美国FDA批准其进入临床后，还指出了PC CT对医学成像的重要性［ 9 ］。PCCT应用的初步研究结果已显示出其对提升人体多个系统的诊断效能具有积极的影响［ 10 , 11 , 12 , 13 , 14 ］。已经有研究发现PCCT有助于为动脉粥样硬化的发展提供生物标志物［ 15 ］，还有研究表明PCCT显示的左心室心肌的一些纹理变化可能与Agaston评分预估的冠状动脉钙化程度密切相关［ 16 ］。
1.提升空间分辨率和图像质量：去除EID-CT的物理隔膜后，PCCT探测器上由准直滤线格栅分隔的像素块可由专用集成电路读取，从而分割成更小的亚像素单元（≤0.2 mm×0.2 mm），使平面空间分辨率≥40 lp/cm［ 7 ］。PCCT改善了胸部CT检查中小支气管的显示水平和图像质量，还能发现以往只有在组织病理学中才能发现的微小蜂窝样改变。此外，通过精准显示肺小叶间和小叶内隔膜增厚的网状结构，PCCT提高了诊断间质性肺炎的准确性［ 17 ］。
2.去除电子噪声和减少图像伪影：电子噪声是由产生X线的电器装置生成，在采样信号中电子噪声幅度通常是恒定的。电子噪声在低剂量扫描中更容易被检测到，因此去除电子噪声对低剂量成像或肥胖患者扫描更有临床价值。PCCT可设定阈值来区分脉冲的高低，一般电子噪声在20~25 keV以下，设定的阈值可有效去除电子噪声［ 7 ］。PCCT可以减少金属植入物带来的图像伪影，如支架、弹簧圈、牙科填充物、面部或脊柱植入物等，并提高图像质量［ 17 ］。
3.多能谱成像：对于超过电子噪声临界值的电压脉冲信号，根据测得的脉冲的keV值，被相应地存储于4个能量箱之一，因此在任意扫描速度或时间分辨率下，PCCT都能不受影响地采集到能谱信号［ 18 ］。多能谱成像可以组合能量箱中的高低能量X线光子信号，生成虚拟单能量图（virtual monoenergetic image，VMI）来辅助精确诊断。有研究证明，与相同辐射剂量下的EID-CT相比，PCCT生成50 keV的VMI主观图像质量相同，但对比噪声比更高［ 19 ］。多能谱成像还有望显示不同类型对比剂的图像，如对有严重碘过敏的支架植入受检者，可通过PCCT钆对比剂成像完成了术后复查，填补了CT应用不同对比剂检查的空白。
4.能量的均衡利用与降低辐射剂量：在临床上大多数CT检查需要有低对比度信息的低能射线（即低于碘K缘的射线），但低能射线在EID-CT中只能产生较少的采样信号。PCCT对高、低能光子加权的权重指数相同，因此使原来被弱化的低能光子得到了强化，使图像中碘或低于碘K缘的信号得以增强，从而可减少对比剂用量［ 20 ］。通过在X线管前端设置光子筛，PCCT还可以进一步纯化能谱，滤除散射和低能X线光子，从而进一步降低辐射剂量。在PCCT上儿童胸部CT检查的辐射剂量可降低到与胸部X线平片的辐射剂量相当［ 17 ］。
三、PCCT在全身各系统的临床应用
根据临床前和至今的临床研究，PCCT对人体多个系统和部位显示了其独特的临床应用价值。
1.心血管成像：冠状动脉非钙化斑块成像具有重要意义，PCCT的冠状动脉CTA可以识别容易遗漏的微钙化，超高清重建还能显示钙化上方的纤维帽。Emrich和Hell［ 21 ］首次报道了PCCT冠状动脉CTA与光学相干断层（optical coherence tomography，OCT）对1例纤维帽病变引起的冠状动脉轻度狭窄的诊断相关性，OCT结果证实了PCCT CTA通过大幅提高空间分辨率可以显示微钙化和纤维帽，说明PCCT有望提升无创斑块分析和狭窄判断的精确度。Higashigaito等［ 22 ］在对主动脉CTA的研究中指出，PCCT可减少对比剂用量，在使用了低对比剂用量的扫描方案后，相同辐射剂量下图像质量并未降低。Boccalini等［ 23 ］的研究表明，即使在辐射剂量减少的情况下，PCCT也能改善冠状动脉支架的客观和主观图像质量。
2.胸部成像：间质性肺疾病（interstitial lung disease，ILD）的临床表现缺乏特征性，临床上依靠高分辨胸部CT检查来协助诊断，PCCT提高了空间分辨率，从而提高了对ILD的诊断准确性。在一项纳入了30例ILD患者的研究中，与EID-CT比较，PCCT由于空间分辨率改善，蜂窝状影、磨玻璃和马赛克样病变的显示均有改善，使区分病变的特征性更明显，从而提高了诊断的准确性，并有助于ILD分类［ 10 ］。Yalynska等［ 24 ］研究发现，基于低图像噪声和硬化伪影，VMI在40 keV时具有较高的信噪比，50 keV时可以获得较高的肺栓塞主观评价。Jungblut等［ 25 ］的研究表明，VMI还可用于肺气肿的定量测量，60~70 keV的VMI既可得到较准确的CT值，同时还具有最佳主观图像质量。
3.腹盆部成像：腹盆部成像的PCCT临床研究主要集中在以下3个方面：一是腹盆部增强扫描后解剖细节的可见度；二是肥胖患者的图像质量改善；三是腹部的后处理能谱成像。在客观和主观图像质量比较的临床研究中，与EID-CT比较，PCCT在减少辐射剂量的同时（最大辐射剂量降幅57%），可保持图像质量不变［ 22 ］。Schwartz等［ 26 ］证实了PCCT在腹部成像中的应用价值，PCCT可在非常早期阶段即可检测到微小结构病变，如肿瘤、出血灶和囊性改变等，同时还可降低辐射剂量。
4.神经系统和头颈部成像：在已经商品化的PCCT中，像素的尺寸为0.151 mm×0.176 mm（等中心处），较小的像素设计允许使用高分辨率的成像算法核（kernels），并在薄层重建时减少图像噪声。PCCT在内耳、颈动脉血管和颅脑Willis环成像中，都得到了较好的效果［ 27 ］。根据CT成像的基本规律，提高空间分辨率时图像噪声会相应增加，一般可通过使用迭代重建或人工智能深度学习方法得以改善［ 28 ］。Sartoretti等［ 29 ］撰文指出，在PCCT上使用第三档强度的量子迭代重建，可为低剂量、高分辨率扫描提供高质量的图像。Schwartz等［ 30 ］报道了1例脑脊液静脉瘘患者，PCCT显示了比EID-CT有更好的脑脊液静脉瘘成像性能。外院检查确诊了自发性低颅压，但由于无法准确找到瘘口位置，因此治疗后症状并未缓解。PCCT准确识别了微小瘘口，为低颅压的针对性治疗作出了指导。
5.骨骼肌肉系统成像：PCCT的超高清成像可以提升骨皮质和骨小梁细节显示能力，能更清楚地显示骨骼的病理改变，包括骨折、溶骨性病变和肿瘤矿化改变［ 31 ］。Thomsen等［ 32 ］作了PCCT、EID-CT和专用高分辨外周CT在骨小梁结构显示方面的比较，PCCT达到了与专用高分辨CT几乎相同的细节显示水平。Winkelmann等［ 33 ］的一项骨髓瘤成像研究表明，PCCT与第二代双源CT相比，对微小骨结构和溶解性骨病变的图像分辨率都有了显著提高。
6.儿童成像：儿童对X线辐射的敏感性高于成年人，文献报道PCCT的高分辨率扫描模式可减少辐射剂量20%~30%［ 17 ］。Tsiflikas等［ 34 ］研究表明使用PCCT进行儿童超低剂量胸部CT检查在临床实践中是可行的，并建议尽早开展PCCT对儿科患者益处的评估。Horst等［ 35 ］研究表明15名儿童胸部CT扫描的体积CT剂量指数为（0.07±0.03）mGy，辐射剂量接近X线平片。
四、PCCT的未来展望和挑战
目前，X线管的焦点还不足够小等原因，阻碍了PCCT进一步提高空间分辨率。受到高压发生器技术的限制，最大功率不够等原因也制约了能谱成像能量范围的扩展。此外，PCCT由于采集数据量更大，需要占用更多的计算机资源。相信随着技术升级和新一代PCCT的面世，这些技术限制带来的挑战能够逐步得以解决［ 17 ］。
展望PCCT的未来，研究方向主要集中于：（1）新型靶向对比剂的使用，使CT从形态学成像和协同配准的模态过渡到准分子模态；（2）空间分辨率的提高和多能谱成像的结合，拓展双能CT成像应用并帮助肿瘤疾病的诊断；（3）在低剂量扫描中，PCCT可以提供伪影更少和噪声特性更优越的图像。已有文献报道了使用光子计数探测器的专用乳腺CT，可发现乳腺肿块中的细小钙化，而辐射剂量与胸部CT检查接近［ 36 ］。Cormode等［ 37 ］的研究展示了在小鼠模型中巨噬细胞靶向的纳米金-重组高密度脂蛋白分子对比剂（Au-HDL）对动脉粥样硬化斑块的成分分析的应用价值，PCCT可以从碘、软组织和钙成分中分离出Au-HDL，并检出斑块中的某些区域因巨噬细胞活动频繁而吸收了Au-HDL。
总之，由于X线转换技术的根本改变，使PCCT的空间分辨率更高，X线的剂量效率也因此提高，并且光子能量的分级使电子噪声的去除更彻底，也使多能谱成像得以实现。但毋庸讳言，由于PCCT进入临床时间较短，其价值的体现还有待于进一步深入研究和临床应用的反馈。
参考文献（略）
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