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嘉峪檢測網(wǎng) 2025-05-09 10:49
光子計數(shù) CT（PCCT）歷經(jīng) 25 年，從理論構(gòu)想逐步發(fā)展成為臨床可用的先進(jìn)設(shè)備，為醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域帶來了新的變革。
PCCT 的核心技術(shù)是其光子計數(shù)探測器（PCD），這與傳統(tǒng)的能量積分探測器（EID）CT 存在顯著差異。在傳統(tǒng) EID CT 中，X 射線光子首先需經(jīng)過閃爍體材料，將 X 射線轉(zhuǎn)化為光信號，然后通過光電二極管或光電倍增管將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再進(jìn)行后續(xù)處理。然而，這個過程存在諸多問題。一方面，電子在傳輸和轉(zhuǎn)換過程中會不可避免地積累電子噪聲，同時由于量子漲落導(dǎo)致量子噪聲的產(chǎn)生，這些噪聲會干擾最終成像的質(zhì)量。另一方面，閃爍體需要具備一定厚度以有效吸收 X 射線光子，但這也致使光信號在閃爍體內(nèi)擴(kuò)散，使得成像分辨率受到負(fù)面影響。更為關(guān)鍵的是，在整個信號轉(zhuǎn)換過程中，X 射線光子的光譜信息會大量損失，無法為后續(xù)成像提供更豐富的細(xì)節(jié)。
與之不同，PCCT 的 PCD 采用半導(dǎo)體材料，當(dāng) X 射線光子撞擊半導(dǎo)體材料時，會激發(fā)產(chǎn)生電子 - 空穴對，且產(chǎn)生的電子 - 空穴對數(shù)量與光子能量呈正相關(guān)。通過在半導(dǎo)體材料兩端施加合適的電場，能夠快速有效地分離這些電子 - 空穴對，進(jìn)而產(chǎn)生與光子能量相關(guān)的電脈沖。隨后，借助專用集成電路（ASIC）將這些脈沖劃分至不同的能量區(qū)間，實現(xiàn)對 X 射線光子的精準(zhǔn)計數(shù)與能量分辨。這種技術(shù)突破為多光譜成像提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，使得 PCCT 能夠獲取更豐富的物質(zhì)信息，提升醫(yī)學(xué)影像的診斷準(zhǔn)確性 。
X射線探測器的對比示意圖。左側(cè)圖展示了能量積分探測器，其采用間接轉(zhuǎn)換方法。中間圖描繪了一種光子計數(shù)探測器，該探測器使用高原子序數(shù)（Z）的直接轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體材料，如碲化鎘，以提高探測效率。右側(cè)圖展示了使用低原子序數(shù)材料（如硅）和Edge-on技術(shù)的光子計數(shù)探測器。
在 PCCT 設(shè)備的研發(fā)進(jìn)程中，面臨著一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，其中高光子通量管理與探測器響應(yīng)穩(wěn)定性問題尤為突出，一度成為阻礙其發(fā)展的關(guān)鍵因素。近年來，隨著相關(guān)技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)，這些難題逐步得到攻克。例如，新型晶體材料的研發(fā)取得重大突破，該材料能夠高效地將 X 射線光子轉(zhuǎn)換為電子 - 空穴對；同時，快速讀出 ASIC 的問世，可實現(xiàn)對單個光子事件的快速精準(zhǔn)捕捉。盡管當(dāng)前非癱瘓型 ASIC 設(shè)計受限于電子設(shè)備的尺寸與復(fù)雜性，在臨床探測器中的廣泛應(yīng)用仍面臨一定阻礙，但憑借不斷推進(jìn)的技術(shù)創(chuàng)新，這些障礙正被逐步跨越，有力地推動了 PCCT 技術(shù)的持續(xù)完善與發(fā)展。
當(dāng)前，在 PCCT 設(shè)備研發(fā)領(lǐng)域，諸多知名廠商已取得了突破性進(jìn)展。不同廠商所采用的探測器材料呈現(xiàn)出獨特的物化性質(zhì)，各有優(yōu)劣，其設(shè)備亦具備差異化的技術(shù)參數(shù)。
西門子醫(yī)療的 NAEOTOM Alpha在2021年9月獲得FDA認(rèn)證，是歷史上第一款獲得FDA認(rèn)證的全身光子計數(shù)CT。2024年RSNA年會上，西門子醫(yī)療發(fā)布了NAEOTOM Alpha系列的三款設(shè)備。目前，這三款設(shè)備均已通過 FDA 和 CE 認(rèn)證。
NAEOTOM Alpha
該系列中的高端產(chǎn)品 NAEOTOM Alpha.Peak 具備出色的性能參數(shù)。其最大掃描速度可達(dá) 737mm/s，采用雙源設(shè)計并配備碲化鎘（CdTe）探測器，賦予設(shè)備高達(dá) 66 毫秒的時間分辨率。這一卓越特性使其在心臟成像這一極具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域表現(xiàn)卓越。
NAEOTOM Alpha.Pro 同樣展現(xiàn)出卓越性能，該設(shè)備創(chuàng)新性地集成了光子計數(shù)的高分辨率特性與雙源 CT 的快速掃描能力。對于高心率患者，無需使用 β 受體阻滯劑進(jìn)行心率控制，即可獲得高質(zhì)量的心臟圖像。在臨床實踐中，NAEOTOM Alpha.Pro 作為多模態(tài)成像的關(guān)鍵設(shè)備，憑借其出色的性能，為多學(xué)科協(xié)作診療提供了有力支持，尤其適用于復(fù)雜病例的診斷與治療規(guī)劃。
西門子醫(yī)療NAEOTOM Alpha系列光子計數(shù)CT
NAEOTOM Alpha.Prime 系西門子醫(yī)療推出的世界上首款單源光子計數(shù) CT，其最大掃描速度達(dá) 345mm/s，定位精準(zhǔn)，適用于醫(yī)療機構(gòu)或大型醫(yī)聯(lián)體的院內(nèi)、急診及門診檢查場景。該設(shè)備創(chuàng)新性地集成人工智能與自動化流程，從掃描參數(shù)的智能化設(shè)定，到圖像的快速重建與分析，均能高效實現(xiàn)，有效提升設(shè)備使用效能。
三星NeuroLogica的便攜式頭部成像 PCCT 掃描儀
三星NeuroLogica公司研制的便攜式頭部成像 PCCT 掃描儀，選用碲化鎘作為探測器材料，能夠達(dá)成 0.15 mm的高空間分辨率，可生成多能級的光譜 CT 圖像。該掃描儀僅適用于頭部成像，應(yīng)用范疇較為有限。
需要注意的是，碲化鎘材料在為設(shè)備性能提供有力支撐的同時，也帶來了相應(yīng)挑戰(zhàn)。一方面，該材料成本相對較高；另一方面，其生產(chǎn)過程對工藝要求極為嚴(yán)格，需在超凈環(huán)境下精準(zhǔn)控制各項參數(shù)。這不僅增加了設(shè)備的制造成本，也提升了技術(shù)難度，對生產(chǎn)廠商的技術(shù)實力與資金投入構(gòu)成重大考驗。
GE醫(yī)療的光子計數(shù)CT原型機
GE 醫(yī)療將硅（Silicon）作為光子計數(shù)探測器材料。硅擁有較快的電荷遷移速度，使其能夠在較低偏置電壓下運行。較低的偏置電壓可以有效減少像素間的電荷共享現(xiàn)象，從而提高探測器對光子信號捕捉的精準(zhǔn)度。2020 年 11 月，GE 醫(yī)療收購瑞典初創(chuàng)公司 Prismatic Sensors AB。2021 年，GE 醫(yī)療與瑞典 Karolinska Institutet 和 Medtech Labs 開展技術(shù)臨床試驗，2022 年 12 月于威斯康星大學(xué) - 麥迪遜分校引入首個美國試驗。2023 年，斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)中心安裝了首臺光子計數(shù)全身 CT 掃描儀，目前該技術(shù)仍處于開發(fā)進(jìn)程中，尚未獲 FDA 或其他全球監(jiān)管機構(gòu)的批準(zhǔn)認(rèn)可 。
硅材料存在明顯的短板。由于硅的原子序數(shù)較低(僅為 14)，相較于一些高原子序數(shù)的材料，其對 X 射線的吸收能力較弱。當(dāng) X 射線穿透人體組織后抵達(dá)探測器時，硅探測器難以充分吸收 X 射線光子，導(dǎo)致部分信號丟失。為了改善這一狀況，科研團(tuán)隊將厚硅片以 “Edge-on” 的方式進(jìn)行排列，這種設(shè)計增加了光子在硅片中的吸收路徑，一定程度上提升了光子的吸收率。但即便如此，在吸收效率方面，與原子序數(shù)較高的材料相比，硅仍存在一定差距。此外，在高分辨率成像時，像素尺寸較小，電荷共享的影響更為明顯，會降低圖像的空間分辨率，使圖像中的細(xì)節(jié)變得模糊。硅材料中也存在一定的散射現(xiàn)象，X 射線光子在硅中散射后，可能會在不同位置產(chǎn)生電信號，進(jìn)一步干擾了對原始信號位置的準(zhǔn)確判斷，影響空間分辨率。
佳能的光子計數(shù)CT原型機
佳能醫(yī)療自 2016 年收購東芝醫(yī)療系統(tǒng)（現(xiàn)佳能醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司）后，全力推進(jìn)光子計數(shù) CT 研發(fā)，2021 年收購 Redlen Technologies 獲得先進(jìn)碲鋅鎘（CZT）半導(dǎo)體檢測器模塊技術(shù)，通過整合優(yōu)勢，攻克探測器電荷共享和脈沖堆積難題；2022 年底在日本國立癌癥中心安裝首臺 PCCT 系統(tǒng)并獲監(jiān)管許可開展臨床掃描評估，2024 年 1 月底又在荷蘭拉德堡德大學(xué)醫(yī)學(xué)中心成功安裝第二臺，同時在 2023 年美國建立醫(yī)療機構(gòu)和研究人員網(wǎng)絡(luò)以制定業(yè)務(wù)戰(zhàn)略，目前有多份研究展示其 PCCT 在提升圖像空間分辨率、降低輻射劑量及結(jié)合深度學(xué)習(xí)重建算法提升臨床價值等方面成果顯著，未來有望為臨床診斷帶來更多革新 。
飛利浦的光子計數(shù)CT原型機
飛利浦在法國里昂大學(xué)測試的 PCCT 系統(tǒng)，具備五個能量閾值，能夠精準(zhǔn)區(qū)分不同能量的光子信號。該系統(tǒng)采用 64×0.275 mm準(zhǔn)直，搭配 1×1 mm防散射網(wǎng)格，安裝于視野達(dá) 50 cm的機架之上。不過，目前該系統(tǒng)在臨床大規(guī)模應(yīng)用方面的公開報道相對較少，設(shè)備在復(fù)雜臨床環(huán)境下的穩(wěn)定性，以及長期使用后的臨床效果，均有待更多研究與實踐進(jìn)一步驗證 。值得注意的是，飛利浦早在2019年就上線了一個SPCCT的網(wǎng)頁，專門介紹光子計數(shù)CT，但是目前這個網(wǎng)頁已經(jīng)下線。
東軟的光子計數(shù)CT原型機
東軟醫(yī)療在2024年5月成功獲得首幅光子計數(shù)CT人體圖像，2025年3月其自主研發(fā)的國產(chǎn)光子計數(shù)CT正式進(jìn)入國家藥品監(jiān)督管理局創(chuàng)新醫(yī)療器械特別審查程序，這款設(shè)備使用碲鋅鎘（CZT）作為探測器材料。
富士的光子計數(shù)CT原型機
2023年3月29日，富士膠片醫(yī)療健康公司與千葉大學(xué)開啟共同研究，旨在評估富士開發(fā)的光子計數(shù)CT（PCCT）的臨床有用性。該原型機配置寬度為18x0.208mm的探測器。
聯(lián)像醫(yī)療也正在研發(fā)全身 PCCT 原型機，其視野為50 cm，層厚為0.625mm，轉(zhuǎn)速0.35s。不過，目前該產(chǎn)品仍處于研發(fā)階段，其在臨床復(fù)雜環(huán)境下的具體性能表現(xiàn)，仍有待后續(xù)深入觀察。
值得注意的是，碲鋅鎘材料的制備工藝復(fù)雜，其對生產(chǎn)環(huán)境有著近乎苛刻的要求。整個制備過程需在超凈的環(huán)境中開展。同時，還需維持恒溫恒濕的狀態(tài)，溫度與濕度的些許波動，都可能引發(fā)材料內(nèi)部的物理化學(xué)反應(yīng)偏差。這在很大程度上限制了碲鋅鎘材料在 PCCT 設(shè)備中的大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用，成為制約 PCCT 普及的關(guān)鍵因素之一。
MARS Bioimaging的 Microlab 5X120
還有一些針對特定應(yīng)用場景的 PCCT 設(shè)備也在不斷發(fā)展。MARS Bioimaging的 Microlab 5X120 采用的 Medipix PCD 技術(shù)基于碲鋅鎘材料，體素分辨率達(dá) 80 μm，輻射劑量低于傳統(tǒng) EID CT，在區(qū)分軟組織、脂質(zhì)、水和金屬方面表現(xiàn)出色，有助于對易損斑塊進(jìn)行成像，但該設(shè)備僅適用于臨床前研究的緊湊型四肢掃描，應(yīng)用場景較為單一。
AB - CT 公司的 nu:view 乳腺 PCCT 掃描儀同樣基于碲鋅鎘材料，獲得 CE 認(rèn)證可用于臨床，具有高空間分辨率、低輻射劑量和短掃描時間的特點，且無需對乳房進(jìn)行壓迫即可成像，在一項針對 1222 名女性的研究中，該系統(tǒng)的病變對比度和鈣化檢測能力表現(xiàn)優(yōu)異，不過其功能僅針對乳腺成像，難以拓展到其他領(lǐng)域。
AB - CT 公司的 nu:view 乳腺 PCCT 掃描儀
在研發(fā)進(jìn)程中，光子計數(shù) CT 設(shè)備憑借前沿技術(shù)與創(chuàng)新理念，攻克了諸多技術(shù)難題，取得了豐碩成果。該設(shè)備不僅在成像分辨率上實現(xiàn)了顯著提升，能夠精確分辨細(xì)微的組織結(jié)構(gòu)差異，而且在掃描速度、輻射劑量控制等關(guān)鍵性能指標(biāo)上表現(xiàn)卓越，為臨床應(yīng)用開辟了廣闊的空間?？梢灶A(yù)期，隨著 PCCT 技術(shù)的日益成熟，其在醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域的影響力將不斷增強，為疾病早期診斷與精準(zhǔn)治療方案的制定，提供更為精細(xì)、高效的技術(shù)支持，成為推動現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動力。
參考文獻(xiàn)：Schwartz FR, Sodickson AD, Pickhardt PJ, Sahani DV, Lev MH, Gupta R. Photon-Counting CT: Technology, Current and Potential Future Clinical Applications, and Overview of Approved Systems and Those in Various Stages of Research and Development. Radiology. 2025 Mar;314(3):e240662. doi: 10.1148/radiol.240662.
來源：XI區(qū)
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