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光子計(jì)數(shù)是一種使用單光子探測器（SPD）對單個(gè)光子進(jìn)行計(jì)數(shù)的技術(shù)。單光子探測器為每個(gè)探測到的光子發(fā)射一個(gè)信號(hào)脈沖，這與普通的光電探測器不同，后者生成與光子通量成比例的模擬信號(hào)。計(jì)算脈沖數(shù)（但不計(jì)算其振幅），給出每個(gè)測量間隔檢測到的光子數(shù)。

 

光子計(jì)數(shù)消除了增益噪聲，即模擬信號(hào)輸出和光子數(shù)之間的比例常數(shù)隨機(jī)變化。因此，光子計(jì)數(shù)探測器的過量噪聲因子是統(tǒng)一的，并且對于固定數(shù)量的光子，可實(shí)現(xiàn)高于能量積分探測器（EID）的信噪比。

 

光子計(jì)數(shù)可以提高時(shí)間分辨率。在傳統(tǒng)探測器中，多個(gè)到達(dá)的光子產(chǎn)生重疊的脈沖響應(yīng)，將時(shí)間分辨率限制在探測器的下降時(shí)間附近。然而，如果已知檢測到單個(gè)光子，則可以評估脈沖響應(yīng)中心，以精確確定其到達(dá)時(shí)間。使用時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)（TCSPC），使用下降時(shí)間大于20倍的探測器，時(shí)間分辨率小于25 ps。

 

單光子檢測在以下領(lǐng)域很有用：

 

光纖通訊

 

量子信息科學(xué)

 

量子加密

 

醫(yī)學(xué)影像

 

光探測和測距

 

DNA測序

 

天體物理學(xué)

 

材料科學(xué)

 

在放射學(xué)中，X射線成像方式的主要缺點(diǎn)之一是電離輻射的負(fù)面影響。盡管人們認(rèn)為小劑量照射（如大多數(shù)醫(yī)學(xué)成像所用）的風(fēng)險(xiǎn)很小，但“合理可能盡量低”（ALARA）的輻射防護(hù)原則始終適用。減少曝光的一種方法是使X射線探測器盡可能有效，以便在給定的診斷圖像質(zhì)量下使用較低的劑量。光子計(jì)數(shù)探測器會(huì)很有幫助，因?yàn)樗鼈兡軌蚋菀椎匾种圃肼暋?/span>

 

光子計(jì)數(shù)乳腺X光攝影術(shù)于2003年投入商業(yè)應(yīng)用。雖然這種系統(tǒng)并不普遍，但一些證據(jù)表明，與其他帶有平板探測器的數(shù)字乳腺X光攝影系統(tǒng)相比，它們能夠以大約40%的低劑量生成類似的圖像。隨后開發(fā)了光譜成像技術(shù)，以區(qū)分光子能量，從而有可能進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量，并區(qū)分組織類型。

 

光子計(jì)數(shù)CT

 

光子計(jì)數(shù)計(jì)算機(jī)斷層掃描（PCCT）是X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）的一種形式，其中使用光子計(jì)數(shù)探測器（PCD）檢測X射線。

 

光子計(jì)數(shù)CT與現(xiàn)有的CT成像技術(shù)相比有顯著優(yōu)勢，并繼續(xù)激發(fā)和實(shí)現(xiàn)全新的應(yīng)用。光子計(jì)數(shù)探測器（PCD）可以記錄單個(gè)光子的相互作用。通過跟蹤每次相互作用中沉積的能量，PCD的探測器像素會(huì)記錄一個(gè)近似的能譜，使其成為能量分辨CT技術(shù)。相比之下，傳統(tǒng)的CT掃描儀（如現(xiàn)有的kV快速切換，雙層探測器CT等）使用能量積分探測器（EID），其中記錄了在固定時(shí)間段內(nèi)沉積在像素中的總能量（通常來自大量光子和電子噪聲）。因此，這些EID只記錄光子強(qiáng)度，類似于黑白攝影，而PCD也記錄光譜信息，類似于彩色攝影。

 

在評估PCD性能時(shí)，EID通常被用作比較基準(zhǔn)。使用這種基準(zhǔn)，在CT成像中使用PCD比使用EID有幾個(gè)潛在優(yōu)勢。這些措施包括提高信號(hào)（和對比度）與噪聲的比率、降低患者的X射線劑量、提高空間分辨率，以及通過使用多個(gè)能量箱來區(qū)分多種造影劑的能力。由于所需的數(shù)據(jù)量和速率很大（每平方毫米每秒高達(dá)數(shù)億光子相互作用），只有在探測器技術(shù)最近有所改進(jìn)的情況下，在CT掃描儀中使用PCD才變得可行。

 

經(jīng)過二十多年的艱難探索，作為下一代CT成像技術(shù)，2021年9月29日，美國食品與藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)了第一個(gè)光子計(jì)數(shù)CT（NAEOTOM Alpha，Siemens Healthineers研發(fā)）用于臨床使用。

 

離散能量相關(guān)檢測

 

當(dāng)光子在PCD中相互作用時(shí)，產(chǎn)生的電脈沖的高度大致與光子能量成正比。通過將像素中產(chǎn)生的每個(gè)脈沖與合適的低能閾值進(jìn)行比較，可以過濾掉低能事件（由光子相互作用和電子噪聲產(chǎn)生）的貢獻(xiàn)。這有效地消除了電子噪聲的影響，代價(jià)是丟棄了能量與噪聲級相當(dāng)?shù)墓庾樱ㄒ驗(yàn)樗鼈兣c噪聲計(jì)數(shù)無法區(qū)分，所以幾乎沒有用處）。另一方面，在EID中，單個(gè)光子的貢獻(xiàn)未知。因此，不能應(yīng)用能量閾值，這使得該技術(shù)容易受到噪聲和其他因素的影響，這些因素可能會(huì)影響電壓與X射線強(qiáng)度的線性關(guān)系。

 

消除電子噪聲使PCD比EID有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，與EID相比，PCD的信噪比和對比噪聲比更高。這既可以用于在相同的X射線曝光水平下提高圖像質(zhì)量，也可以用于降低患者X射線劑量，同時(shí)保持相同的圖像質(zhì)量。其次，在不影響劑量效率的情況下，很難制造像素尺寸小于約1×1mm2的能量積分探測器。因?yàn)榉瓷鋿鸥癖仨毞胖迷陂W爍體像素之間，以防止像素之間的串?dāng)_，這些柵格不能太薄。此外，測量信號(hào)與像素面積成正比，而電子噪聲與像素大小無關(guān)，因此，如果像素太小，噪聲將主導(dǎo)測量信號(hào)。光子計(jì)數(shù)探測器不會(huì)發(fā)生這些問題，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的探測器分辨率。

 

 

PCCT原理示意圖。左圖顯示光子到達(dá)PCD表面，右圖顯示生成信號(hào)的簡化版本。從這張圖像中可以了解到的一些關(guān)鍵內(nèi)容包括：光子探測的離散性、電脈沖的能量相關(guān)高度、通過使用足夠高的基本閾值從理論上消除電子噪聲影響的能力，以及使用能量閾值確定光子能量的能力。

 

多能量成像

 

通過引入更多高于低能閾值的能量閾值，PCD可以被劃分為幾個(gè)離散的能量箱。因此，每個(gè)光子根據(jù)其能量被分配到特定的能量箱，這樣每個(gè)像素測量入射X射線光譜的直方圖。

 

與EID的積分沉積能量相比，該光譜信息提供了幾個(gè)優(yōu)勢：

 

首先，它可以定量地確定重建CT圖像中每個(gè)像素的材料組成，而不是傳統(tǒng)CT掃描中獲得的估計(jì)平均線性衰減系數(shù)。事實(shí)證明，這樣的物質(zhì)基礎(chǔ)分解，使用至少兩個(gè)能量箱，可以充分解釋人體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的所有元素，并增加組織類型之間的對比度。

 

此外，光譜信息可用于去除線束硬化偽影。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)材料在較低能量下具有較高的線性衰減，當(dāng)X光束通過物體時(shí)，會(huì)將X射線光譜的平均能量移向較高的能量。通過比較不同能量箱中的計(jì)數(shù)比率與衰減光束的計(jì)數(shù)比率，可以使用PCD說明光束硬化量。

 

最后，使用兩個(gè)以上的能量箱，一方面可以區(qū)分致密骨和鈣化，另一方面可以區(qū)分用作造影劑的較重元素（通常是碘或釓）。這有可能通過在注射造影劑之前不需要參考掃描來減少輻射劑量。雖然能譜CT在臨床上已經(jīng)以雙能量掃描儀的形式提供，但光子計(jì)數(shù)CT具有許多優(yōu)點(diǎn)。

 

與雙能量CT相比，PCD可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)以上的能量閾值，分離度更高。這種能量分辨率的提高轉(zhuǎn)化為圖像中更高的對比度噪聲比，尤其是在增強(qiáng)和材料選擇性圖像中。此外，更多的能量箱還可以同時(shí)區(qū)分不同的造影劑。

 

光子計(jì)數(shù)探測器類型

 

對于X射線和伽馬射線檢測，為了強(qiáng)調(diào)光電作用，首選原子序數(shù)高的化合物半導(dǎo)體?；衔锇雽?dǎo)體通常由周期表中的III和V組元素（如GaAs）以及II和VI組元素（如CdTe）衍生而來。除了二元化合物外，還生產(chǎn)了三元材料，如CdZnTe和CdMnTe。

下表報(bào)告了通常用于輻射檢測的最常見化合物半導(dǎo)體的物理特性。

 

 

Sordo SD, Abbene L, Caroli E, Mancini AM, Zappettini A, Ubertini P. Progress in the Development of CdTe and CdZnTe Semiconductor Radiation Detectors for Astrophysical and Medical Applications. Sensors (Basel). 2009;9(5):3491-526.

在化合物半導(dǎo)體中，CdTe和CdZnTe在X射線和γ射線探測器的開發(fā)中越來越受關(guān)注。由于高原子序數(shù)、高密度和寬帶隙，CdTe和CdZnTe探測器確保了高探測效率、良好的室溫性能，對于X射線和γ射線應(yīng)用非常有吸引力。

 

以下介紹不同類型的半導(dǎo)體光子計(jì)數(shù)探測器。

 

鍺探測器

 

鍺探測器主要用于核物理中的伽馬能譜和X射線能譜。雖然硅探測器的厚度不能超過幾毫米，但鍺的耗盡靈敏厚度可以達(dá)到厘米級，因此可以用作高達(dá)幾兆keV的伽馬射線總吸收探測器。這些探測器也稱為高純鍺探測器（HPGe）或超純鍺探測器。在目前的提純技術(shù)得到改進(jìn)之前，鍺晶體的純度不足以用作光譜檢測器。晶體中的雜質(zhì)會(huì)捕獲電子和空穴，破壞探測器的性能。因此，鍺晶體中摻雜了鋰離子（Ge（Li）），以便產(chǎn)生一個(gè)固有區(qū)域，在該區(qū)域中電子和空穴能夠到達(dá)觸點(diǎn)并產(chǎn)生信號(hào)。

 

鍺探測器的主要缺點(diǎn)是必須冷卻到液氮溫度才能產(chǎn)生光譜數(shù)據(jù)。在更高的溫度下，電子很容易穿過晶體中的帶隙，到達(dá)導(dǎo)帶，從而自由地響應(yīng)電場，產(chǎn)生太多的電噪聲。

 

鍺探測器已經(jīng)用于COSI氣球發(fā)射的天文任務(wù)（NASA，2016年），并將用于軌道天文臺(tái)（NASA，2025年）康普頓光譜儀和成像儀（COSI）。

 

硅探測器

 

硅的制造工藝成熟，價(jià)格便宜。它比CdTe/CZT具有更高的載流子遷移率，這意味著它可以處理更高的X射線通量，而不會(huì)出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，也不會(huì)出現(xiàn)極化和K逃逸問題。但由于其原子序數(shù)較低，硅的吸收效率較低，因此傳感器必須非常厚。探測大多數(shù)入射光子需要幾厘米的硅，而只需要幾毫米的CdTe/CZT。

 

此外，低原子序數(shù)意味著大部分入射光子是康普頓散射，而不是光電吸收，這意味著它們在原始相互作用位置沉積了少量能量，并朝著不同的方向移動(dòng)。然后，它們可能會(huì)離開傳感器，或在其他位置再次交互?？灯疹D相互作用降低了能量分辨率，因?yàn)樗鼈儾荒芴峁╆P(guān)于能量的很多信息。原始光子和散射光子的二次相互作用導(dǎo)致重復(fù)計(jì)數(shù)和空間分辨率損失。

 

鉆石探測器

 

金剛石探測器與硅探測器有許多相似之處，但有望提供顯著的優(yōu)勢，尤其是高輻射硬度和極低的漂移電流。目前，它們更昂貴，更難制造。

 

碲化鎘和碲鋅鎘探測器

 

碲化鎘（CdTe）和碲鋅鎘（CZT）探測器已開發(fā)用于X射線光譜和伽馬光譜。這些材料的高密度意味著它們可以有效地衰減能量超過20keV的X射線和伽馬射線，而傳統(tǒng)的硅基探測器無法檢測到這些能量。與鍺基探測器不同，這些材料的寬帶隙也意味著它們具有高電阻率，能夠在室溫（約295K）或接近室溫（約295K）下工作。這些探測器材料可用于生產(chǎn)具有不同電極結(jié)構(gòu)的傳感器，用于成像和高分辨光譜分析。

 

在過去十年中，碲化鎘（CdTe）和碲化鎘鋅（CdZnTe）寬帶隙半導(dǎo)體作為X射線和γ射線探測器吸引了越來越多的興趣。相對于基于硅（Si）和鍺（Ge）的傳統(tǒng)光譜儀，CdTe和CdZnTe探測器具有較高的檢測效率和良好的室溫性能，非常適合開發(fā)緊湊可靠的檢測系統(tǒng)。

 

CT光子計(jì)數(shù)探測器成像原理

 

用于CT系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)性PCD使用基于碲化鎘（鋅）或硅的半導(dǎo)體探測器，兩者都不需要低溫冷卻。碲化鎘和碲鋅鎘探測器具有高衰減和相對較高的光電康普頓比的優(yōu)勢，用于CT成像的X射線能量。

 

在半導(dǎo)體探測器中，電離輻射通過兩個(gè)電極之間的探測器材料中釋放的電荷載流子的數(shù)量和輻射來測量。電離輻射產(chǎn)生自由電子和電子空穴。電子-空穴對的數(shù)量與半導(dǎo)體的輻射能量成正比。結(jié)果，許多電子從價(jià)帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶，并在價(jià)帶中產(chǎn)生等量的空穴。在電場的影響下，電子移動(dòng)到電極上，產(chǎn)生脈沖，可以在外部電路中測量，如Shockley-Ramo定理所述?？昭ㄑ叵喾捶较蛞苿?dòng)，也可以測量。由于產(chǎn)生電子-空穴對所需的能量已知，并且與入射輻射的能量無關(guān)，因此測量電子-空穴對的數(shù)量可以確定入射輻射的強(qiáng)度。

 

 

半導(dǎo)體傳感器材料的X射線光電吸收效率，假設(shè)傳感器厚度為500μm。鍺和砷化鎵具有相似的吸收效率，因此繪制了一條曲線（Ge）；同樣，為CdTe和CZT繪制一條曲線。30keV時(shí)曲線上出現(xiàn)缺口是因?yàn)?，雖然X射線的吸收隨著光子能量的增加而下降，但在光子能量達(dá)到足以激發(fā)原子內(nèi)殼層（k殼層）電子的高度時(shí)，吸收會(huì)突然增加（K-edge）。

 

與氣體電離探測器相比，在半導(dǎo)體探測器中，脈沖高度的統(tǒng)計(jì)變化更小，能量分辨率更高。由于電子的傳播速度很快，時(shí)間分辨率也很好，并且取決于上升時(shí)間。與氣體電離探測器相比，半導(dǎo)體探測器的密度非常高，高能帶電粒子可以在尺寸相對較小的半導(dǎo)體中釋放能量。