作为下一代CT技术的革命性突破，光子计数CT（Photon-counting CT, PCCT）对探测器提出了多项与传统能量积分探测器（EID-CT）截然不同的技术要求，不仅涉及材料科学、制造工艺，还与系统集成和临床适配性密切相关。

本期，中国医疗器械博览会将讨论光子计数CT对探测器提出了哪些新要求。

图片来源:医工研习社

一、CT探测器架构

这是某CT的内部结构，我们能清晰看到CT的最核心部件：探测器模组。

CT内部结构

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从原理角度，探测器的本质是“传感器”，其数据采集和转换过程如下：X线穿过准直器(Anti Sccatter Grid，ASG)到闪烁体(Scintillator)后变成可见光，光电二极管阵列(Photodiode Array)将光信号转换成电信号，然后ASIC其转换成原始数字信号，最终通过重建形成影像。

CT探测器成像原理

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相较于传统能量积分CT的间接成像，光子计数CT的核心是直接转换成像+单光子计数。尽管无需将X射线转换为可见过这一步骤，让光子计数CT探测器看起来很简单，但实际上由于其高Z半导体材料、微型化像素设计、高速信号处理及能谱保真性优化等特性，导致光子计数CT对探测器的要求非常高，仍面临多项技术挑战。

二、核心优势和技术挑战

1、高原子序数半导体材料

光子计数CT的探测器采用原子序数显著高于传统闪烁体（如GOS）的半导体材料（如CdTe、CZT），显著提升了X射线吸收效率（光电吸收占比超95%）和能量分辨率，同时减少康普顿散射导致的信号损失。

但以CdTe/CZT为代表的半导体材料，对生长过程中的化学纯度、完美晶体结构都有极高要求，大尺寸单晶生长工艺复杂，需通过THM等技术实现直径达3英寸的晶体，导致晶体生长与探测器拼接工艺复杂，成本极高。

硅、碲化镉、碲锌镉性能对比

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2、微型化像素与高空间分辨率

PCCT探测器无需传统探测器的物理隔栅（死区），可将像素尺寸可缩小至0.15×0.18 mm²（等中心投影），实现40 lp/cm以上的空间分辨率（传统EID-CT仅20 lp/cm），能清晰显示冠脉钙化斑块、微小肾结石（≤3mm）及颞骨等精细结构1，突破传统CT的局限。然而，微型化像素也带来新挑战：

1.电荷共享：当X射线光子在像素边界附近吸收时，电荷云可能分裂至相邻像素，导致能量误判（如80keV光子可能被计为50 keV和30 keV光子）

2.K逃逸：高能X射线的光电效应，可能激发探测器材料的特征光子，将部分入射能量带出探测器像素，造成能量信息丢失3。

3.小像素效应：小像素可分散高光子通量以减少脉冲堆积，但需平衡电荷共享与分辨率提升的矛盾。

3、能量分辨与多阈值设计

PCCT能通过多能量阈值设置（如20 keV、50 keV、90 keV），可生成虚拟单色图像（VMI）、碘图及虚拟平扫图像，精准区分钙化、碘等物质，并支持K边界成像（如钆、金对比剂）。此外，传统EID-CT中低能光子信号贡献低，而光子计数CT还能通过能量加权提升对比度，尤其在碘增强检查中显著改善对比噪声比（CNR）。

然而，能谱分离与材料分解、低能光子等效检测的前提是光谱保真性优化，需通过算法补偿电荷共享和K逃逸导致的能谱失真，如结合深度学习重建技术降低噪声并提高定量精度。

传统CT、双能CT与光子计数CT的成像差异

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4、低剂量与抗噪声性能

PCCT的低剂量与零噪声特性主要体现在三个方面：

1）阈值噪声过滤：通过能量阈值设定（如20 keV）过滤低能光子，使低剂量或肥胖患者扫描的图像噪声降低50%以上，辐射剂量减少20%-30%；

2）几何剂量效率提升：探测器的无物理隔栅设计可使几何剂量效率接近100%（而EID-CT仅为为70-80%），结合迭代重建算法（如QIR）可进一步优化剂量；

3）多能量数据优化：通过多阈值采集数据生成虚拟单色图像，在保持图像质量的同时进一步降低剂量需求。

不过，X射线通量高达10⁹光子/秒/mm²，探测器要在纳秒级内处理信号以避免脉冲堆积（多个光子信号重叠） ，尤其是其单光子计数、多阈值设计对探测器高速信号处理与抗脉冲堆积能力提出了更高要求：

1）专用集成电路（ASIC）：需开发低噪声、低功耗的ASIC芯片，支持高密度像素阵列的快速信号处理与能量分类6；

2）脉冲整形技术：通过优化电路设计将电流脉冲的半峰宽压缩至10-15 ns，确保脉冲分离与精准计数4；

3）动态计数率调节：在高通量区域（如低衰减部位）需动态调整阈值或算法，防止探测器饱和2。

三、总结

如今，光子计数CT已从实验室走向临床，其高分辨率、低剂量和多能量成像的优势正在重塑医学影像标准。尽管由于面临材料、成本和工艺等挑战，导致PCCT成本是传统CT的3-5倍。不过，随着技术成熟和成本下降，预计未来5-10年，PCCT将成为CT领域的主流技术。

文章来源：医工研习社

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