近年來，基于光子計數探測器（PCD）的光子計數計算機斷層掃描（PCD-CT）已逐步應用于臨床實踐。相比傳統CT，PCD-CT可能會達到微米級空間分辨率、更低的輻射劑量、零電子噪聲以及多能量成像和物質識別等，能夠促進臨床方面超低劑量掃描，并可能發現微小、隱匿性病灶，大幅度提高圖像質量。但受限于工藝水平，電荷共享、脈沖堆積、K-電子逃逸和計數率漂移等問題尚未解決，可能會導致圖像分辨率和能量分辨率下降，并增加圖像噪聲和環狀偽影等。本文系統闡述了PCD-CT的物理原理、PCD和能量積分探測器（EID）的結構原理差異以及當前PCD-CT發展瓶頸，并分析了三種探測器材料的利弊；然后通過PCD-CT在中國死因占比最高的三種疾病（心血管病、腫瘤、呼吸系統疾病）中的臨床應用，具體介紹PCD-CT的臨床優勢，旨在全面幫助醫師理解PCD-CT的技術創新與當前的技術缺陷，并提出未來幾年PCD-CT急需解決的問題。
引用本文： 章浩偉, 李樹晗, 劉穎, 路鶴晴. 新興光子計數計算機斷層掃描原理、技術挑戰與臨床應用分析. 生物醫學工程學雜志, 2023, 40(5): 1012-1018. doi: 10.7507/1001-5515.202305015 復制
0 引言
1971年，美國物理學家Hounsfielld發明了計算機斷層掃描成像（computed tomography，CT），經過數十年發展，CT已經廣泛應用于全身各個部位掃描，并取得了優異的成果。但它仍然有一些不足之處：能量積分探測器（energy integration detector，EID）無法對能量分段識別；EID探測元件尺寸限制了可實現的最大空間分辨率；應用EID的CT（energy integration detector computed tomography，EID-CT）空間分辨率限制了常規CT觀察病灶細微結構（如支氣管以及小血管）等。雙能CT雖然已經可以進行物質鑒別和物質定量分析，使影像診斷進入了一個新的階段[1]，但仍有一定的局限性[2]，如提供的能譜信息較少[3]、高低能量光譜分離不理想[4]、能譜成像仍無法應用于常規檢查等。
隨著工程和物理學的最新研究進展，出現了一種新型探測器，即光子計數探測器（photon-counting detector，PCD），基于PCD的光子計數探測器CT（PCD-CT）能夠克服當前CT系統的一些缺點和局限。本文就PCD-CT的物理原理與優勢、PCD與EID的結構原理和差距、PCD目前發展瓶頸與限制，以及PCD-CT在我國主要疾病死因中占比較高的疾病（心血管病、腫瘤、呼吸系統疾病）中的臨床優勢進行綜述，旨在進一步加強對PCD-CT臨床優勢的理解與臨床發展前景的認知，并提出目前制造工藝對PCD的限制與未來幾年PCD-CT的發展方向。
1 進展與前沿
1.1 光子計數CT的原理及優勢
目前臨床上CT設備使用的探測器絕大多數為EID，其閃爍體將穿過人體的X線吸收并轉化為可見光，光電二極管將這些光子吸收并產生一個與該探測單元內沉積總能量成正比的電信號，包括電子噪聲[5]，且電信號不會傳達任何關于光子能量的信息。由于低能量光子攜帶了大量低對比度信息，在探測器單元內的總沉積能占比少于高能量光子，經過能量加權后會降低圖像信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）。此外，由于EID單元間的隔膜存在一定厚度，最小厚度約為0.1 mm，當X線經過隔膜時會被直接吸收，形成無效感光區，使該部分X線無法被探測器接收到，從而降低探測器的幾何效率[6]。目前醫用CT探測器的探測細胞活性范圍為0.8 mm × 0.8 mm～1.0 mm × 1.0 mm，Flohr等[2]研究發現，再加上無效感光區后，EID的幾何效率僅為70%～80%。因此，傳統CT為提高分辨率而大幅度減小閃爍體尺寸只會進一步降低EID的幾何效率[7]。
與EID相比，PCD單個探測單元間沒有隔膜，幾何效率僅受反散射準直柵格的影響[2]。PCD由半導體和讀出電路耦合而成，材料為碲化鎘、碲鋅鎘或者深硅。其頂部陰極和底部像素陽極之間加有800～1 000 V的電壓，當X線進入PCD時，與半導體材料相互作用產生電子-空穴對[8]，在強電壓作用下電子向像素陽極漂移，如圖1所示。移動的電子在連接電極導線中產生短電流脈沖，并由電子讀出電路記錄電流脈沖，電流脈沖高度與所吸收X線光子能量成正比。
圖1
PCD結構原理圖
Figure1.
PCD structure schematic diagram
除此之外，PCD可以設置多個閾值將光子分為幾個不同的能量箱，為特定能量箱分配更大的權重，如增加較低能量箱權重可以提高圖像SNR[9-10]，有效改善圖像質量。PCD-CT可以設置四個不同的閾值T0、T1、T2、T3，在一個照射時間內，計數器1記錄所有能量超過T0的電子脈沖，計數器2記錄所有能量超過T1的電子脈沖，以此類推，再對不同的能量箱分別賦予不同的權重，即可提高圖像的質量。當閾值設置高于電子噪聲水平時，如當T0設置為25 keV時就可以完全消除電子噪聲[5]。
PCD-CT主要優勢體現在：① 微米級空間分辨率：提高分辨率的同時沒有增加輻射劑量；② 零電子噪聲：PCD-CT通過設置能量閾值可以從原始數據中直接去噪，減少金屬偽影，提高SNR，使低劑量掃描和肥胖受檢者的圖像質量更高；③ 多能量成像與超高定量精度：PCD-CT可以設置多個不同的閾值，單次采集即可獲得不同能級的光子信息；④ 輻射劑量低：PCD-CT掃描所造成的輻射劑量較低，對輻射敏感人群（如孕婦、兒童）的輻射安全與臨床診斷意義重大。
1.2 光子計數CT的發展瓶頸與限制
PCD-CT在臨床應用中潛力巨大，但是也面臨了一些發展限制：K-逃逸、電荷共享、脈沖堆積和計數率漂移等。在理想情況下，X線與PCD相互作用時每個光子產生的電子被像素收集起來，只在它所撞擊的探測器單元中產生信號。但實際物理效應（如K-逃逸、電荷共享與脈沖堆積）可能會讓多個探測器單元記錄到同一個電子信息，脈沖間隔較短時出現脈沖信號相互疊加等現象，這可能會導致PCD-CT頻譜失真[11-12]，而計數率漂移則會產生環狀偽影[2]。
1.2.1 K-逃逸
K-逃逸現象是當X線與PCD相互作用時部分沉積能量以熒光X線的形式釋放出來，即光子只在探測單元中存儲部分能量，剩余能量被熒光光子帶走逃逸到其他區域并可能被其他探測單元接收到電信號[13]，如圖2所示。
圖2
K-逃逸現象
Figure2.
K-escape phenomena
1.2.2 電荷共享
電荷共享是當X線在像素邊界附近被吸收時，產生的部分電荷云可能會延伸到相鄰探測單元中，從而讓兩個探測單元同時記錄到該光子信息[13]，導致光子被重復記錄，如圖3所示。
圖3
電荷共享現象
Figure3.
Charge sharing phenomena
1.2.3 脈沖堆積
PCD與X線相互作用時若光子到達速度過快，產生的電子脈沖會相互疊加，出現脈沖堆積現象：若兩個連續脈沖幾乎同時出現，則會被記錄為一個脈沖，能量大小約等于兩個脈沖之和；若兩個連續脈沖到達時間略有差距，讀出電路會將它們記為兩個脈沖，但兩個脈沖重疊部分仍會對脈沖大小產生影響（見圖4）。脈沖堆積會產生非線性計數，致使檢測器飽和最終導致電子噪聲增加、分辨率下降，進一步導致圖像質量下降，降低醫師診斷的準確度。目前可以設計更小的像素來減少脈沖堆積，但這樣會增加電荷共享現象。
圖4
脈沖堆積模擬圖
Figure4.
Pulse pileup simulation diagram
1.2.4 計數率漂移
PCD的另一個問題是在高X線通量率下的計數率漂移。傳感器材料中分布不均勻的晶體會影響電子和空穴移動，從而改變單個探測器單元的電場分布，進一步使脈沖信號發生變化，最終導致高X線通量率下獲得的圖像出現嚴重環形偽影[2]。
這些物理現象會從以下幾個方面降低圖像質量：首先，光子被其他探測單元記錄，降低圖像分辨率[14]；然后，光子被兩次甚至多次記錄，這種額外的光子記錄會產生圖像噪聲[15]，并降低圖像SNR；其次，降低PCD能量分辨率，能量信息可靠性也隨之降低，并導致圖像噪聲增加[16]；再次，脈沖堆積產生的計數損失也會增加圖像噪聲[17]，同時會導致能量分辨率下降[18]；最后，高X線通量率下可能會出現計數率損失，圖像出現環狀偽影。
已有研究通過建立電荷共享校正算法[19]和電荷共享過程模型[20]來解決電荷共享問題，以及結合非線性通量依賴性的基于PCD-CT光譜靈敏度校準方法處理脈沖堆積問題[21]，還有研究利用電荷共享與脈沖堆積補償算法模型，同時處理電荷共享和脈沖堆積問題[22]。基于模型和基于數據庫的方法各有優缺點：基于模型的方法可以在任何理想的條件下計算PCD數據，但是需要非常精確的模型；基于數據的方法可以精準預測特定條件下的數據，但數據準確性無法保證。此外，這些研究都沒有提及K-逃逸現象和計數率漂移問題，只解決了電荷共享和/或脈沖堆積問題。
1.2.5 探測器材料
此外，PCD的材料目前主要有碲化鎘、碲鋅鎘與深硅三種路線。碲化鎘路線在計數方面有優勢，碲鋅鎘路線在能量箱方面表現更好，并且碲化鎘和碲鋅鎘原子序數高，康普頓效應幾乎可以忽略，但是光電效應發生概率較大[23]。Si路線的原子序數較低，但其能量箱方案更為先進，未來幾年深硅路線極有可能讓能量箱數達到4能量箱、8能量箱，且深硅路線不會發生K-逃逸現象，但會增加康普頓效應。同時，PCD為了能夠檢測和截停成像中所用的X線，其材料需要具有高停止功能，即材料必須有高原子序數[23]。單一的深硅路線無法滿足高停止功能。總之，PCD-CT探測器材料路線仍需繼續研發，未來可能是深硅結合高原子序數材料（碲化鎘、碲鋅鎘）大放異彩，也可能是三種路線中的某一種路線更適合臨床應用。
由于醫師診斷準確度依賴于CT輸出的光譜信息，因此未來需要通過算法和模型解決電荷共享、K-逃逸及脈沖堆積問題，通過材料方面解決計數率漂移問題。
2 光子計數CT的臨床應用
《中國心血管健康與疾病報告2021》顯示，我國城鄉居民總死亡原因中，心血管病、腫瘤和呼吸系統疾病占比超過80%[24]。本文通過PCD-CT在我國死因占比較高的這三種疾病中的應用，具體介紹PCD-CT的臨床優勢，并對目前PCD-CT的臨床應用研究進行總結。
2.1 心血管成像
冠狀動脈疾病導致的死亡占心血管疾病死亡原因一半左右[25]。PCD-CT的高分辨率、低輻射劑量、零電子噪聲等優點在心臟成像中具有顯著優勢。Koons等[26]發現PCD-CT可以在不犧牲劑量效率的情況下提高空間分辨率，能更準確地評估冠狀動脈管腔狹窄程度，尤其是環狀斑塊。零電子噪聲能夠顯著減少鈣化評分所致的輻射劑量，這對于年輕患者、兒童以及經常接受高劑量CT血管造影術檢查的患者（如結締組織疾病患者的主動脈夾層隨訪）尤為重要[27]。PCD-CT還可以準確判斷不同材質和大小支架的管腔狹窄、內膜增生、支架內血栓和支架斷裂導致的支架內再狹窄情況[28]。Mannil等[29]將PCD-CT與目前臨床環境中可用的最佳檢測技術進行比較，PCD-CT圖像質量顯著提高，支架內管腔顯示改善16%。歐洲的一項研究顯示[30]，PCD-CT可以在一次雙能量心臟掃描中同時實現功能分析、反映心臟供血情況、心機梗死瘢痕評估、心肌炎和心肌纖維化評估等，心肌功能也不需額外檢查[7]。
此外，優化過后的PCD-CT圖像噪聲特性可以使冠狀動脈鈣化評分圖像以更小的界面面積重建，改進冠狀動脈鈣化的形狀、分布、密度等表現[27]。Symons等[31]使用PCD-CT和EID-CT在標準和低輻射劑量兩種情況下分別對心臟模體、體外心臟以及志愿者進行冠狀動脈評分成像性能評估，發現在模型、離體心臟以及活體組織中，PCD-CT均能顯著改善冠狀動脈評分圖像質量并降低輻射劑量。因此，PCD-CT可以更準確地評估冠狀動脈管腔狹窄情況，評估EID-CT無法診斷的嚴重鈣化患者，使患者做完支架手術后隨訪不受限制，保證圖像質量的同時降低輻射劑量，還可以進行一站式心肌功能檢查，與新型預防性治療結合起來可以進一步提高鈣化評分的價值。
2.2 腫瘤成像
PCD-CT可以在早期對小腫瘤進行非常精確的診斷，并對已診斷腫瘤進行詳細監測[32]。Hagen等[33]發現PCD-CT圖像中縱隔、血管和肺實質的對比度明顯高于雙源CT（dual source CT，DSCT）圖像。目前對腫瘤患者主要的限制是在進行一系列掃描時的累計輻射劑量，雖然有多種降低輻射劑量的方法，如使用較低的管電流和管電壓、自動曝光控制等，但降低輻射劑量的同時會導致圖像質量下降。盡管此前有研究推薦使用低能甚至超低能量方案診斷肺炎、肺結節和纖維化[34-35]，但低劑量CT掃描評估方案準確性差異較大，無法獲得統一的性能數據。Wrazidlo等[36]對70名腫瘤患者（平均年齡66歲）分別使用第二代DSCT和第一代PCD-CT在相同條件下進行掃描，由兩名放射科醫生對CT劑量指數（computed tomography dose index，CTDI）、劑量長度乘積（dose length product，DLP）和特定尺寸劑量估計（size-specific dose estimates，SSDE）進行診斷評分，發現相比于DSCT，PCD-CT的CTDI劑量降低43.44%，DLP劑量降低43.32%，SSDE劑量降低31.78%。PCD-CT的高分辨率低劑量優勢可對腫瘤與肺部疾病進行準確、詳細的診斷，同時降低輻射劑量，非常適合用于腫瘤患者的診斷與體內腫瘤監測。
2.3 呼吸系統成像
呼吸系統疾病范圍廣泛，屬于臨床常見病、多發病，部分呼吸系統疾病病情發展迅速，嚴重危害人民健康。胸部CT是分析與多種疾病相關的肺實質異常的最常見成像技術，提供了從位置、大小和密度方面評估肺部病變的可能性。對于胸部掃描而言，PCD-CT可以提供更高的空間分辨率并減少輻射暴露，同時減少射束硬化偽影，進一步改善了圖像掃描。Bartlett等[37]對23名患者進行胸部高分辨CT掃描，發現PCD-CT肺部影像學檢查可以顯著提高肺小結節的分辨率，并且不影響結節評估，進一步提高了小支氣管和支氣管壁可視化。Jungblut等[38]在不同匹配劑量水平下，分別用PCD-CT和EID-CT對擬人化胸部模體進行成像，發現PCD-CT在同一劑量水平范圍內，其圖像質量明顯優于EID-CT的圖像質量。Inoue等[39]發現PCD-CT提高了是否存在網狀、磨玻璃結節和馬賽克圖案的成像結果置信度。還有研究基于PCD-CT對慢性阻塞性肺疾病進行探討，并通過虛擬成像試驗平臺分析對慢性阻塞性肺疾病成像量化性能的影響，證明了PCD-CT相對于EID-CT的定性和定量優勢[40]。因此，PCD-CT可以顯著提高支氣管可視化、肺小結節分辨率，提高圖像質量的同時降低了輻射劑量，非常適用于呼吸系統疾病檢查。
除此之外，還有許多研究對PCD-CT臨床應用進行探討。Klintstr?m等[41]和Pe?a等[42]利用PCD-CT研究了骨小梁結構，發現在輻射劑量相同的情況下，PCD-CT的相關度更高，在骨成像和骨微結構分析方面有著巨大潛力。PCD-CT還可以通過兩種造影劑提供關節軟骨中水和蛋白質的含量[43]。本文對目前PCD-CT在人體各部位和模體中的應用進行了匯總[44–51]（見表1）。
表1
PCD-CT在人體各個部位中的應用文獻匯總
Table1.
Summary of literature on the application of PCD-CT in various parts of the human body
3 總結與展望
PCD-CT的臨床應用前景十分廣泛，優勢主要表現在更低的輻射劑量、微米級空間分辨率、零電子噪聲以及多能量成像與超高定量精度，促進臨床方面超低劑量掃描、觀測水平、量化成像、診斷方式的創新，可以對全身各部位進行超低劑量掃描，對微小結構進行有效評估，發現微小、隱匿性病灶。PCD-CT突破了傳統CT的局限性，可以解決冠狀動脈成像、支架隨訪、嚴重鈣化等問題，其低劑量甚至可以用于孕婦、兒童等輻射敏感人群的CT掃描，在提升醫師診斷準確度的同時也提高了患者的劑量輻射安全性。PCD-CT還可以與其他成像技術相結合，如磁共振、正電子發射斷層掃描等，為醫學診斷和治療提供更加完善的支持，未來十年內有可能極大地改變CT的臨床應用。
但PCD-CT目前還存在局限性，一些技術難題亟待解決，如K-逃逸現象、電荷共享現象、脈沖堆積現象和計數率漂移現象。受制于目前的工藝水平，由于像素大小和脈沖整形時間這兩個主要參數對電荷共享和脈沖堆積有相反的影響，目前還無法同時解決以上幾個技術性難題，如設置較小的像素以緩解脈沖堆積但會增加脈沖共享，使用脈沖高度分析的PCD也不可能通過調整其設計參數與規格同時解決電荷共享和脈沖堆積問題。此外，PCD-CT的設備以及維護成本要高于傳統CT，這可能會限制PCD-CT在醫療行業中的推廣和應用。因此，預測未來幾年PCD-CT的發展重點包括：
（1）在算法和模型方面，通過建立精確電荷共享模型與基于深度學習的脈沖堆積分離算法，結合低秩近似X射線透射率模型的光譜畸變基線積分估計K邊緣成像方法，同時解決K-逃逸、電荷共享、脈沖堆積問題。
（2）在材料方面，利用硅基高載流子遷移率特性，在高序數材料探測器的邊緣使用硅基，處理高X線通量率時PCD不受脈沖堆積的影響且不會發生計數率漂移，并適當增加像素大小來減小K-逃逸和電荷共享對探測器信號的影響。
（3）降低半導體材料生產成本，減少設備生產及維護成本，加快PCD-CT大規模商業化；加快PCD-CT多能級成像等新應用的實現，不局限于EID-CT早已成熟應用多年的技術。
（4）緊密聯系臨床實際，將PCD-CT的理論優勢充分納入臨床框架。
本文綜述了PCD-CT的原理優勢和局限性、PCD與EID的差異以及PCD-CT在我國主要疾病死因中占比較高的疾病中的臨床優勢，重點綜述了PCD與EID的結構原理差異與PCD-CT的優勢，并對PCD-CT未來幾年的發展重點進行展望。有關PCD-CT的研發仍在繼續，國家科學技術部也已通過了PCD-CT的自主研發項目，集成電路、算法等問題一旦解決，國產PCD-CT將很快上市，PCD-CT技術將會在醫學成像領域中發揮越來越重要的作用。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：章浩偉和李樹晗為綜述主要撰寫人，完成相關文獻資料收集、分析和論文稿件的書寫；路鶴晴和劉穎參與論文修改整理、分析總結，并提出重要參考意見。
0 引言
1971年，美國物理學家Hounsfielld發明了計算機斷層掃描成像（computed tomography，CT），經過數十年發展，CT已經廣泛應用于全身各個部位掃描，并取得了優異的成果。但它仍然有一些不足之處：能量積分探測器（energy integration detector，EID）無法對能量分段識別；EID探測元件尺寸限制了可實現的最大空間分辨率；應用EID的CT（energy integration detector computed tomography，EID-CT）空間分辨率限制了常規CT觀察病灶細微結構（如支氣管以及小血管）等。雙能CT雖然已經可以進行物質鑒別和物質定量分析，使影像診斷進入了一個新的階段[1]，但仍有一定的局限性[2]，如提供的能譜信息較少[3]、高低能量光譜分離不理想[4]、能譜成像仍無法應用于常規檢查等。
隨著工程和物理學的最新研究進展，出現了一種新型探測器，即光子計數探測器（photon-counting detector，PCD），基于PCD的光子計數探測器CT（PCD-CT）能夠克服當前CT系統的一些缺點和局限。本文就PCD-CT的物理原理與優勢、PCD與EID的結構原理和差距、PCD目前發展瓶頸與限制，以及PCD-CT在我國主要疾病死因中占比較高的疾病（心血管病、腫瘤、呼吸系統疾病）中的臨床優勢進行綜述，旨在進一步加強對PCD-CT臨床優勢的理解與臨床發展前景的認知，并提出目前制造工藝對PCD的限制與未來幾年PCD-CT的發展方向。
1 進展與前沿
1.1 光子計數CT的原理及優勢
目前臨床上CT設備使用的探測器絕大多數為EID，其閃爍體將穿過人體的X線吸收并轉化為可見光，光電二極管將這些光子吸收并產生一個與該探測單元內沉積總能量成正比的電信號，包括電子噪聲[5]，且電信號不會傳達任何關于光子能量的信息。由于低能量光子攜帶了大量低對比度信息，在探測器單元內的總沉積能占比少于高能量光子，經過能量加權后會降低圖像信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）。此外，由于EID單元間的隔膜存在一定厚度，最小厚度約為0.1 mm，當X線經過隔膜時會被直接吸收，形成無效感光區，使該部分X線無法被探測器接收到，從而降低探測器的幾何效率[6]。目前醫用CT探測器的探測細胞活性范圍為0.8 mm × 0.8 mm～1.0 mm × 1.0 mm，Flohr等[2]研究發現，再加上無效感光區后，EID的幾何效率僅為70%～80%。因此，傳統CT為提高分辨率而大幅度減小閃爍體尺寸只會進一步降低EID的幾何效率[7]。
與EID相比，PCD單個探測單元間沒有隔膜，幾何效率僅受反散射準直柵格的影響[2]。PCD由半導體和讀出電路耦合而成，材料為碲化鎘、碲鋅鎘或者深硅。其頂部陰極和底部像素陽極之間加有800～1 000 V的電壓，當X線進入PCD時，與半導體材料相互作用產生電子-空穴對[8]，在強電壓作用下電子向像素陽極漂移，如圖1所示。移動的電子在連接電極導線中產生短電流脈沖，并由電子讀出電路記錄電流脈沖，電流脈沖高度與所吸收X線光子能量成正比。
圖1
PCD結構原理圖
Figure1.
PCD structure schematic diagram
除此之外，PCD可以設置多個閾值將光子分為幾個不同的能量箱，為特定能量箱分配更大的權重，如增加較低能量箱權重可以提高圖像SNR[9-10]，有效改善圖像質量。PCD-CT可以設置四個不同的閾值T0、T1、T2、T3，在一個照射時間內，計數器1記錄所有能量超過T0的電子脈沖，計數器2記錄所有能量超過T1的電子脈沖，以此類推，再對不同的能量箱分別賦予不同的權重，即可提高圖像的質量。當閾值設置高于電子噪聲水平時，如當T0設置為25 keV時就可以完全消除電子噪聲[5]。
PCD-CT主要優勢體現在：① 微米級空間分辨率：提高分辨率的同時沒有增加輻射劑量；② 零電子噪聲：PCD-CT通過設置能量閾值可以從原始數據中直接去噪，減少金屬偽影，提高SNR，使低劑量掃描和肥胖受檢者的圖像質量更高；③ 多能量成像與超高定量精度：PCD-CT可以設置多個不同的閾值，單次采集即可獲得不同能級的光子信息；④ 輻射劑量低：PCD-CT掃描所造成的輻射劑量較低，對輻射敏感人群（如孕婦、兒童）的輻射安全與臨床診斷意義重大。
1.2 光子計數CT的發展瓶頸與限制
PCD-CT在臨床應用中潛力巨大，但是也面臨了一些發展限制：K-逃逸、電荷共享、脈沖堆積和計數率漂移等。在理想情況下，X線與PCD相互作用時每個光子產生的電子被像素收集起來，只在它所撞擊的探測器單元中產生信號。但實際物理效應（如K-逃逸、電荷共享與脈沖堆積）可能會讓多個探測器單元記錄到同一個電子信息，脈沖間隔較短時出現脈沖信號相互疊加等現象，這可能會導致PCD-CT頻譜失真[11-12]，而計數率漂移則會產生環狀偽影[2]。
1.2.1 K-逃逸
K-逃逸現象是當X線與PCD相互作用時部分沉積能量以熒光X線的形式釋放出來，即光子只在探測單元中存儲部分能量，剩余能量被熒光光子帶走逃逸到其他區域并可能被其他探測單元接收到電信號[13]，如圖2所示。
圖2
K-逃逸現象
Figure2.
K-escape phenomena
1.2.2 電荷共享
電荷共享是當X線在像素邊界附近被吸收時，產生的部分電荷云可能會延伸到相鄰探測單元中，從而讓兩個探測單元同時記錄到該光子信息[13]，導致光子被重復記錄，如圖3所示。
圖3
電荷共享現象
Figure3.
Charge sharing phenomena
1.2.3 脈沖堆積
PCD與X線相互作用時若光子到達速度過快，產生的電子脈沖會相互疊加，出現脈沖堆積現象：若兩個連續脈沖幾乎同時出現，則會被記錄為一個脈沖，能量大小約等于兩個脈沖之和；若兩個連續脈沖到達時間略有差距，讀出電路會將它們記為兩個脈沖，但兩個脈沖重疊部分仍會對脈沖大小產生影響（見圖4）。脈沖堆積會產生非線性計數，致使檢測器飽和最終導致電子噪聲增加、分辨率下降，進一步導致圖像質量下降，降低醫師診斷的準確度。目前可以設計更小的像素來減少脈沖堆積，但這樣會增加電荷共享現象。
圖4
脈沖堆積模擬圖
Figure4.
Pulse pileup simulation diagram
1.2.4 計數率漂移
PCD的另一個問題是在高X線通量率下的計數率漂移。傳感器材料中分布不均勻的晶體會影響電子和空穴移動，從而改變單個探測器單元的電場分布，進一步使脈沖信號發生變化，最終導致高X線通量率下獲得的圖像出現嚴重環形偽影[2]。
這些物理現象會從以下幾個方面降低圖像質量：首先，光子被其他探測單元記錄，降低圖像分辨率[14]；然后，光子被兩次甚至多次記錄，這種額外的光子記錄會產生圖像噪聲[15]，并降低圖像SNR；其次，降低PCD能量分辨率，能量信息可靠性也隨之降低，并導致圖像噪聲增加[16]；再次，脈沖堆積產生的計數損失也會增加圖像噪聲[17]，同時會導致能量分辨率下降[18]；最后，高X線通量率下可能會出現計數率損失，圖像出現環狀偽影。
已有研究通過建立電荷共享校正算法[19]和電荷共享過程模型[20]來解決電荷共享問題，以及結合非線性通量依賴性的基于PCD-CT光譜靈敏度校準方法處理脈沖堆積問題[21]，還有研究利用電荷共享與脈沖堆積補償算法模型，同時處理電荷共享和脈沖堆積問題[22]。基于模型和基于數據庫的方法各有優缺點：基于模型的方法可以在任何理想的條件下計算PCD數據，但是需要非常精確的模型；基于數據的方法可以精準預測特定條件下的數據，但數據準確性無法保證。此外，這些研究都沒有提及K-逃逸現象和計數率漂移問題，只解決了電荷共享和/或脈沖堆積問題。
1.2.5 探測器材料
此外，PCD的材料目前主要有碲化鎘、碲鋅鎘與深硅三種路線。碲化鎘路線在計數方面有優勢，碲鋅鎘路線在能量箱方面表現更好，并且碲化鎘和碲鋅鎘原子序數高，康普頓效應幾乎可以忽略，但是光電效應發生概率較大[23]。Si路線的原子序數較低，但其能量箱方案更為先進，未來幾年深硅路線極有可能讓能量箱數達到4能量箱、8能量箱，且深硅路線不會發生K-逃逸現象，但會增加康普頓效應。同時，PCD為了能夠檢測和截停成像中所用的X線，其材料需要具有高停止功能，即材料必須有高原子序數[23]。單一的深硅路線無法滿足高停止功能。總之，PCD-CT探測器材料路線仍需繼續研發，未來可能是深硅結合高原子序數材料（碲化鎘、碲鋅鎘）大放異彩，也可能是三種路線中的某一種路線更適合臨床應用。
由于醫師診斷準確度依賴于CT輸出的光譜信息，因此未來需要通過算法和模型解決電荷共享、K-逃逸及脈沖堆積問題，通過材料方面解決計數率漂移問題。
2 光子計數CT的臨床應用
《中國心血管健康與疾病報告2021》顯示，我國城鄉居民總死亡原因中，心血管病、腫瘤和呼吸系統疾病占比超過80%[24]。本文通過PCD-CT在我國死因占比較高的這三種疾病中的應用，具體介紹PCD-CT的臨床優勢，并對目前PCD-CT的臨床應用研究進行總結。
2.1 心血管成像
冠狀動脈疾病導致的死亡占心血管疾病死亡原因一半左右[25]。PCD-CT的高分辨率、低輻射劑量、零電子噪聲等優點在心臟成像中具有顯著優勢。Koons等[26]發現PCD-CT可以在不犧牲劑量效率的情況下提高空間分辨率，能更準確地評估冠狀動脈管腔狹窄程度，尤其是環狀斑塊。零電子噪聲能夠顯著減少鈣化評分所致的輻射劑量，這對于年輕患者、兒童以及經常接受高劑量CT血管造影術檢查的患者（如結締組織疾病患者的主動脈夾層隨訪）尤為重要[27]。PCD-CT還可以準確判斷不同材質和大小支架的管腔狹窄、內膜增生、支架內血栓和支架斷裂導致的支架內再狹窄情況[28]。Mannil等[29]將PCD-CT與目前臨床環境中可用的最佳檢測技術進行比較，PCD-CT圖像質量顯著提高，支架內管腔顯示改善16%。歐洲的一項研究顯示[30]，PCD-CT可以在一次雙能量心臟掃描中同時實現功能分析、反映心臟供血情況、心機梗死瘢痕評估、心肌炎和心肌纖維化評估等，心肌功能也不需額外檢查[7]。
此外，優化過后的PCD-CT圖像噪聲特性可以使冠狀動脈鈣化評分圖像以更小的界面面積重建，改進冠狀動脈鈣化的形狀、分布、密度等表現[27]。Symons等[31]使用PCD-CT和EID-CT在標準和低輻射劑量兩種情況下分別對心臟模體、體外心臟以及志愿者進行冠狀動脈評分成像性能評估，發現在模型、離體心臟以及活體組織中，PCD-CT均能顯著改善冠狀動脈評分圖像質量并降低輻射劑量。因此，PCD-CT可以更準確地評估冠狀動脈管腔狹窄情況，評估EID-CT無法診斷的嚴重鈣化患者，使患者做完支架手術后隨訪不受限制，保證圖像質量的同時降低輻射劑量，還可以進行一站式心肌功能檢查，與新型預防性治療結合起來可以進一步提高鈣化評分的價值。
2.2 腫瘤成像
PCD-CT可以在早期對小腫瘤進行非常精確的診斷，并對已診斷腫瘤進行詳細監測[32]。Hagen等[33]發現PCD-CT圖像中縱隔、血管和肺實質的對比度明顯高于雙源CT（dual source CT，DSCT）圖像。目前對腫瘤患者主要的限制是在進行一系列掃描時的累計輻射劑量，雖然有多種降低輻射劑量的方法，如使用較低的管電流和管電壓、自動曝光控制等，但降低輻射劑量的同時會導致圖像質量下降。盡管此前有研究推薦使用低能甚至超低能量方案診斷肺炎、肺結節和纖維化[34-35]，但低劑量CT掃描評估方案準確性差異較大，無法獲得統一的性能數據。Wrazidlo等[36]對70名腫瘤患者（平均年齡66歲）分別使用第二代DSCT和第一代PCD-CT在相同條件下進行掃描，由兩名放射科醫生對CT劑量指數（computed tomography dose index，CTDI）、劑量長度乘積（dose length product，DLP）和特定尺寸劑量估計（size-specific dose estimates，SSDE）進行診斷評分，發現相比于DSCT，PCD-CT的CTDI劑量降低43.44%，DLP劑量降低43.32%，SSDE劑量降低31.78%。PCD-CT的高分辨率低劑量優勢可對腫瘤與肺部疾病進行準確、詳細的診斷，同時降低輻射劑量，非常適合用于腫瘤患者的診斷與體內腫瘤監測。
2.3 呼吸系統成像
呼吸系統疾病范圍廣泛，屬于臨床常見病、多發病，部分呼吸系統疾病病情發展迅速，嚴重危害人民健康。胸部CT是分析與多種疾病相關的肺實質異常的最常見成像技術，提供了從位置、大小和密度方面評估肺部病變的可能性。對于胸部掃描而言，PCD-CT可以提供更高的空間分辨率并減少輻射暴露，同時減少射束硬化偽影，進一步改善了圖像掃描。Bartlett等[37]對23名患者進行胸部高分辨CT掃描，發現PCD-CT肺部影像學檢查可以顯著提高肺小結節的分辨率，并且不影響結節評估，進一步提高了小支氣管和支氣管壁可視化。Jungblut等[38]在不同匹配劑量水平下，分別用PCD-CT和EID-CT對擬人化胸部模體進行成像，發現PCD-CT在同一劑量水平范圍內，其圖像質量明顯優于EID-CT的圖像質量。Inoue等[39]發現PCD-CT提高了是否存在網狀、磨玻璃結節和馬賽克圖案的成像結果置信度。還有研究基于PCD-CT對慢性阻塞性肺疾病進行探討，并通過虛擬成像試驗平臺分析對慢性阻塞性肺疾病成像量化性能的影響，證明了PCD-CT相對于EID-CT的定性和定量優勢[40]。因此，PCD-CT可以顯著提高支氣管可視化、肺小結節分辨率，提高圖像質量的同時降低了輻射劑量，非常適用于呼吸系統疾病檢查。
除此之外，還有許多研究對PCD-CT臨床應用進行探討。Klintstr?m等[41]和Pe?a等[42]利用PCD-CT研究了骨小梁結構，發現在輻射劑量相同的情況下，PCD-CT的相關度更高，在骨成像和骨微結構分析方面有著巨大潛力。PCD-CT還可以通過兩種造影劑提供關節軟骨中水和蛋白質的含量[43]。本文對目前PCD-CT在人體各部位和模體中的應用進行了匯總[44–51]（見表1）。
表1
PCD-CT在人體各個部位中的應用文獻匯總
Table1.
Summary of literature on the application of PCD-CT in various parts of the human body
3 總結與展望
PCD-CT的臨床應用前景十分廣泛，優勢主要表現在更低的輻射劑量、微米級空間分辨率、零電子噪聲以及多能量成像與超高定量精度，促進臨床方面超低劑量掃描、觀測水平、量化成像、診斷方式的創新，可以對全身各部位進行超低劑量掃描，對微小結構進行有效評估，發現微小、隱匿性病灶。PCD-CT突破了傳統CT的局限性，可以解決冠狀動脈成像、支架隨訪、嚴重鈣化等問題，其低劑量甚至可以用于孕婦、兒童等輻射敏感人群的CT掃描，在提升醫師診斷準確度的同時也提高了患者的劑量輻射安全性。PCD-CT還可以與其他成像技術相結合，如磁共振、正電子發射斷層掃描等，為醫學診斷和治療提供更加完善的支持，未來十年內有可能極大地改變CT的臨床應用。
但PCD-CT目前還存在局限性，一些技術難題亟待解決，如K-逃逸現象、電荷共享現象、脈沖堆積現象和計數率漂移現象。受制于目前的工藝水平，由于像素大小和脈沖整形時間這兩個主要參數對電荷共享和脈沖堆積有相反的影響，目前還無法同時解決以上幾個技術性難題，如設置較小的像素以緩解脈沖堆積但會增加脈沖共享，使用脈沖高度分析的PCD也不可能通過調整其設計參數與規格同時解決電荷共享和脈沖堆積問題。此外，PCD-CT的設備以及維護成本要高于傳統CT，這可能會限制PCD-CT在醫療行業中的推廣和應用。因此，預測未來幾年PCD-CT的發展重點包括：
（1）在算法和模型方面，通過建立精確電荷共享模型與基于深度學習的脈沖堆積分離算法，結合低秩近似X射線透射率模型的光譜畸變基線積分估計K邊緣成像方法，同時解決K-逃逸、電荷共享、脈沖堆積問題。
（2）在材料方面，利用硅基高載流子遷移率特性，在高序數材料探測器的邊緣使用硅基，處理高X線通量率時PCD不受脈沖堆積的影響且不會發生計數率漂移，并適當增加像素大小來減小K-逃逸和電荷共享對探測器信號的影響。
（3）降低半導體材料生產成本，減少設備生產及維護成本，加快PCD-CT大規模商業化；加快PCD-CT多能級成像等新應用的實現，不局限于EID-CT早已成熟應用多年的技術。
（4）緊密聯系臨床實際，將PCD-CT的理論優勢充分納入臨床框架。
本文綜述了PCD-CT的原理優勢和局限性、PCD與EID的差異以及PCD-CT在我國主要疾病死因中占比較高的疾病中的臨床優勢，重點綜述了PCD與EID的結構原理差異與PCD-CT的優勢，并對PCD-CT未來幾年的發展重點進行展望。有關PCD-CT的研發仍在繼續，國家科學技術部也已通過了PCD-CT的自主研發項目，集成電路、算法等問題一旦解決，國產PCD-CT將很快上市，PCD-CT技術將會在醫學成像領域中發揮越來越重要的作用。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：章浩偉和李樹晗為綜述主要撰寫人，完成相關文獻資料收集、分析和論文稿件的書寫；路鶴晴和劉穎參與論文修改整理、分析總結，并提出重要參考意見。
