光子计数探测器CT（Photon-Counting Detector CT，简称PCD-CT）是一种新型的CT技术，它采用直接转换的X射线探测器，将入射的X射线光子能量直接记录为电子信号。光子计数探测器的设计本身有助于提高空间分辨率（通过更小的探测器像素设计）和碘信号（通过计数加权），同时仍然允许进行多能量成像。PCD-CT可以消除电子噪声，并由于使用能量阈值而减少伪影。提高剂量效率对于低剂量CT和儿科成像非常重要。PCD-CT设计的超高空间分辨率允许对所有身体区域进行低剂量扫描，特别是在胸部和肌肉骨骼CT中识别重要的影像发现方面尤为有用。改进的碘信号可能有助于腹部成像中的低对比度任务。虚拟单能图像和材料分类将有助于腹部、肌肉骨骼和心血管成像中的多种诊断任务。双源PCD-CT允许以高时间分辨率对心脏和冠状动脉进行多能量CT成像。
引言
光子计数探测器计算机断层扫描（PCD-CT）是一种获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准的新型CT技术，它克服了传统能量积分探测器（EID）的许多局限性。它利用半导体材料从入射的X射线光子生成电子信号。在这篇特别综述文章中，我们回顾了这项技术在多种放射学子专业中的临床益处。
PCD-CT的关键技术特性
图1展示了能量积分探测器和光子计数探测器的示意图。PCD直接将沉积的X射线能量转换为电子信号，当光子击中探测器时，半导体上施加的大电压会产生电子空穴对。所有其他CT扫描仪使用基于闪烁体的EID，当X射线击中它们时会发出可见光。这种光需要使用传统X射线探测器内的反射隔片将光引导到光学光子传感器。由于PCD不需要这种隔片，因此使用PCD可以显著减小探测器像素尺寸，而不会影响几何检测效率（填充因子）。这使得PCD能够进行超高分辨率成像，并已被用于提高体内CT成像的空间分辨率，适用于大范围和小范围的身体区域。较小像素尺寸的另一个临床益处是能够在较低辐射剂量下进行常规成像。
图1：传统EID与PCD的示意图对比。A. EID使用闪烁体在入射X射线光子击中时产生可见光，然后通过光电二极管记录光信号，探测器元件之间使用反射隔片以减少串扰。B. 而PCD-CT使用半导体直接生成正负电荷，负电荷流向像素化阳极以记录每个光子及其能量。EID = 能量积分探测器，PCD = 光子计数探测器
传统的EID发出可见光并生成与所有检测到的X射线能量总和成比例的信号。PCD均匀地权衡不同能量的检测到的X射线，为可能对CT图像重要部分有贡献的低能量光子提供更多信号（因为低能量X射线更可能被碘和其他生物组织衰减）。PCD的这种能量辨别能力源于每个X射线沉积的电信号与其能量成正比，并可以以两种关键方式使用。首先，它允许应用特定能量阈值来去除作为电子噪声一部分的低能量光子。消除电子噪声有助于开发适用于成人和儿童的超低剂量CT协议。其次，PCD的能量辨别能力允许使用单个X射线管评估光谱信息，因为可以使用一个或多个能量阈值将检测到的X射线光子根据其沉积能量分成不同的能量区间。多能量CT信息可以类似于双能量CT进行显示和分析，但使用不同能量区间中的光子，而不是来自不同X射线管的两次曝光（每个X射线管都有自己的多色X射线管电位，或kV）。对于双源PCD-CT系统，这意味着两个X射线管可以在相同的kV下运行，并且都可以生成双能量数据集，这对于心脏和高螺距临床应用是有益的。PCD-CT相对于传统能量积分探测器的技术优势及其潜在的临床益处总结在表1中。
光子计数探测器的优势及其对临床应用的影响
更高的/改进的空间分辨率
在肺部和肌肉骨骼成像中，许多诊断任务依赖于CT在扫描大范围身体区域的同时显示微小结构的能力。PCD-CT改进的空间分辨率因此有助于肺部和肌肉骨骼成像中的多种诊断任务。例如，PCD-CT凭借其更高的空间分辨率，能够展示与间质性肺病相关的详细且细微的影像学表现。Inoue等人最近证明，在已知或疑似普通型间质性肺炎的患者中，PCD-CT提高了读者对关键影像学表现（如磨玻璃影、网状影和马赛克样改变）的信心（图2）。PCD-CT还改善了高阶支气管和支气管壁的可视化。对于肺部和肌肉骨骼应用，通过使用更高分辨率的重建核以及更薄的切片，可以更好地显示较小结构。
图2：一名74岁男性，临床诊断为特发性非特异性间质性肺炎，分别使用传统能量积分探测器CT（A）和研究型PCD-CT（B）进行扫描，采用临床常规协议。A, B. PCD-CT显示右下叶胸膜下区域的细网状影（箭头，B），而传统CT在该区域显示为磨玻璃影（箭头，A）。PCD-CT比传统CT更清晰地显示了牵引性支气管扩张（箭头）。
PCD相对于EID固有的更高空间分辨率也对低剂量肌肉骨骼CT成像有益。例如，在多发性骨髓瘤的检查中，低剂量CT扫描常用于识别溶骨性病变和骨髓瘤的后遗症（如病理性骨折）。在相似的扫描剂量水平下，PCD-CT可以使用超高分辨率模式进行成像。超高分辨率在传统CT成像中需要使用梳状滤波器，这会增加辐射剂量，因此传统EID无法实现低剂量、高分辨率的全身CT扫描。在全身低剂量PCD-CT中，小的溶骨性病变（骨髓瘤的特征性表现）在PCD-CT图像上显示得更清晰（图3）。PCD-CT较小的探测器像素尺寸和更高的几何剂量效率使得在小关节的超高分辨率成像中能够显著降低辐射剂量，这对创伤和退行性疾病非常有益。它还允许对肩关节和髋关节等大关节进行超高空间分辨率成像，这是大多数传统CT系统无法实现的。
图3：一名56岁多发性骨髓瘤男性患者。A, B. 通过胸椎的轴向能量积分探测器CT（A）和PCD-CT（B）切片。PCD-CT图像上胸椎的溶骨性病变显示更清晰。椎体后部的溶骨性病变伴后皮质破坏（虚线箭头）更清晰可见。椎体内较小的溶骨性病变（箭头）在PCD-CT图像上更明显。
肾结石的检测、描绘和表征是高分辨率PCD-CT具有优势的另一个领域。使用更锐利的重建核和更薄的切片重建的PCD-CT图像具有更高的空间分辨率，能够更好地显示较小的肾结石。由于光谱分离和空间分辨率的限制，双能量CT在准确显示和表征小肾结石方面存在挑战。研究表明，与传统基于能量积分的双能量CT技术相比，PCD能够更好地显示和表征3毫米或更小的肾结石。因此，PCD-CT改进的空间分辨率使得能够对更小的物体（如非常小的肾结石）进行光谱表征。
空间分辨率在成像中起重要作用的另一个领域是小骨结构，特别是颞骨。Benson等人表明，PCD在这种情况下的改进空间分辨率能够更好地显示关键解剖结构（如砧镫关节）、假体和病理表现（图4）。
图4：砧镫关节（箭头）在能量积分探测器CT（A）和PCD-CT（B）图像上的显示。该关节是使用5分Likert评分专门评估的多个解剖结构之一，评分更高表明PCD-CT图像质量更优。
改进的碘信号
与EID CT相比，PCD-CT在相同管电压下能够提供更好的碘对比度，同时还具有多能量显示和材料分解的优势。PCD-CT通过避免EID X射线探测器对低能量光子的降权，提高了碘信号。例如，120 kV的多色PCD-CT图像产生的图像对比度特征类似于较低管电压（kV）设置，且对比度差异更大（图5）。这种增加的碘对比度扩展了低kV成像的优势，主要是为较大体型患者的腹部低对比度检测任务提供剂量减少，而传统低kV成像受限于可用的管电流。这些优势可以通过重建虚拟单能图像（VMI）进一步扩展，放射科医生可以根据诊断任务选择最合适的千电子伏（keV）能量水平，此外还可以生成虚拟非对比图像和碘图。
图5：一名70岁女性，有肝内胆管癌切除史、胃旁路手术史和空肠-空肠侧侧吻合术史。A, B. 两项检查均在120 kV管电压下进行。冠状位能量积分探测器CT（A）显示空肠-空肠吻合术（虚线箭头），而光子计数探测器CT（B）改善了对比剂的可视化和吻合口皱襞的清晰度（箭头）。
PCD-CT可实现的图像对比度优化在腹部和盆腔中有多种潜在应用，包括提高实质背景内肿瘤的显著性和描绘，特别是所谓的“低对比度”病变，即目标病变的CT值与解剖背景相似。例如，PCD-CT可以通过增强碘强化的微小差异来增加肝脏病变（包括低血供和高血供肿瘤）和胰腺癌的显著性（图6）。光子计数探测器改进的剂量效率允许在匹配的辐射剂量下使用更薄的切片厚度，从而减少部分容积效应（图6）。通过使用光子计数探测器改进的碘对比信号（单独或与VMI结合），PCD-CT图像更高的空间分辨率可以提高小物体的可检测性，如小的低密度肝转移灶（图7）或腹膜种植灶（图8）。PCD改进的碘信号（可能与低能量VMI结合）还可以用于减少碘的使用量，以实现不同诊断任务中相似的图像对比度差异（图9），这种方法对肾功能不全或需要重复血管内手术的患者非常有用。
图6：一名67岁女性胰腺腺癌患者。A-D. 与使用能量积分探测器CT获取的2mm轴向和冠状位图像（A, B）相比，使用PCD-CT获取的1mm轴向和冠状位图像（C, D）更好地显示了钩突部的低密度肿瘤，这得益于PCD-CT突出碘对比的能力；此外，这些图像还展示了PCD-CT在不显著增加图像噪声的情况下显示更薄切片的能力。更薄的切片减少了小结构和病变的部分容积效应。
图7：一名64岁胰腺癌转移患者。A, B. 光子计数探测器CT图像（A）显示右后叶的一个非常小的肝转移灶（箭头），后续MRI（B）证实了这一点。
图8：一名73岁女性卵巢癌腹膜播散患者。A. 能量积分探测器CT显示乙状结肠浆膜不规则，前腹膜反折处可疑结节。B. 光子计数探测器CT清晰地显示了导致前腹膜反折不规则和结节样增厚的小肿瘤种植灶（箭头）。
图9：一名69岁已知外周动脉疾病的女性患者。A, B. 使用145mL碘对比剂的能量积分探测器CT血管造影（A）重建的三维图像与仅使用55mL相同碘对比剂的PCD-CT血管造影图像（B）看起来相似。此示例展示了利用PCD-CT改进的碘信号以减少碘对比剂需求的能力。
多能量成像
与肌肉骨骼成像相关的多能量CT重建包括痛风评估（图10）和用于骨水肿的虚拟去钙图像。致密的皮质骨和骨小梁使得骨髓腔在CT上难以评估。例如，与创伤相关的骨水肿和多发性骨髓瘤的局灶性骨髓病变在传统CT图像上常常被掩盖。多能量采集生成的虚拟去钙重建使放射科医生能够清晰地显示骨髓腔，识别由创伤或肿瘤引起的骨髓水肿，并且可以通过PCD生成，类似于双能量CT。
图10：一名36岁男性痛风关节炎伴痛风石患者。A-D. 使用PCD-CT获取的图像经过材料分类后显示大脚趾趾间关节处的单钠尿酸盐沉积（绿色）。
与双源双能量CT系统不同，PCD不会限制多能量应用的扫描视野，从而将多能量CT成像的优势扩展到较大体型患者。随着新软件版本的推出，PCD将允许多能量数据的视觉和定量显示，PCD-CT的多能量功能将“始终开启”并覆盖全视野，例如，在一次扫描中同时显示足部骨折、骨髓水肿和痛风，但需要为每个成像任务进行多次重建。最后，改进的碘信号、基于多能量的区分和材料分离的结合可以帮助扩展量化任务的临床潜力，例如局灶性病变（如区分肾囊肿中的碘与实性肾肿块）或实质器官（如肝脏脂肪量化）。需要进一步研究以确定PCD-CT在这些临床背景中的应用。
辐射剂量减少
PCD-CT的多个应用对儿科患者特别有利。更高的空间分辨率和对比噪声比提高了小患者解剖结构的可见性，同时提高了剂量效率，有助于进一步减少剂量。通过PCD-CT的高分辨率模式，辐射剂量可以减少20%-30%，而不会牺牲图像质量。此外，类似于某些传统EID CT系统，可以使用锡过滤器来塑造多色X射线管能量谱，去除低能量光子，从而使更多光子穿过患者，为非对比诊断任务实现显著的剂量减少。这些特性使PCD-CT成为多种儿科协议的理想选择，但超低剂量胸部CT是对需要从年轻时开始重复成像研究的患者（如患有慢性气道疾病（如囊性纤维化）的年轻患者）的理想应用。图11显示了一名6岁囊性纤维化患者的非对比超低剂量CT图像，其辐射剂量与胸部X光片相似。
图11：一名6岁临床诊断为囊性纤维化的女性患者，使用PCD-CT进行扫描（CT剂量指数：0.05 mGy吸气相[如图]和0.05 mGy呼气相）。PCD-CT显示右中叶的柱状支气管扩张（箭头）。
伪影减少
PCD-CT的另一个临床优势是减少了常见的图像伪影，包括但不限于条纹、线束硬化、金属和钙化伪影。对于大体型患者的高衰减身体部位，由于光子不足和电子噪声，通常会观察到条纹和阴影伪影。由于PCD消除了电子噪声，这些伪影可以显著减少。对于具有多个能量阈值/区间的PCD，不同能量区间的图像代表不同的衰减特性。与低能量区间图像和包含所有X射线光子的标准CT图像相比，PCD-CT的高能量区间图像显示出更少的线束硬化伪影。此外，通过结合高能量区间图像和使用外部锡过滤器进行X射线束整形，或使用高能量VMI，可以减少金属伪影。
钙化伪影是由于不同组织的衰减值在体素中的部分容积平均引起的图像伪影，使得难以分辨小于体素的物体。钙化伪影是心血管检查中的常见伪影，原因是CT系统的空间分辨率有限。钙化伪影是心血管成像中的一个重要挑战，特别是在带有钙化或支架的小血管（如冠状动脉、远端肢体动脉）中，放射科医生需要将这些结构与充满对比剂的管腔区分开来。因此，钙化斑块（以及金属支架）看起来比实际尺寸更大，导致对管腔狭窄的高估，可能引发不恰当的临床管理。PCD可以通过多种方式解决钙化伪影。通过改进的空间分辨率，钙化伪影可以通过减少体素大小和部分容积平均来改善，从而提高对密集血管钙化患者狭窄评估的准确性（图12）。此外，通过增加X射线能量来降低体素的平均衰减，也可以减少钙化伪影，这可以通过PCD-CT使用高能量VMI实现。最后，钙化可以通过材料分解算法从图像中分离出来，这些算法可以使用多能量信息生成，从而可能提供更准确的管腔狭窄评估（图13）。
图12：一名74岁已知外周动脉疾病的男性患者。A, B. 外周动脉疾病患者的轴向重建图像显示能量积分探测器CT上前胫动脉的钙化伪影（箭头，A）。与能量积分探测器CT重建（A）相比，同一患者同一水平的光子计数探测器CT重建（B）显著改善了前胫动脉钙化斑块的可视化（箭头，B），从而更好地评估了管腔口径。
图13：钙分离算法。A. 外周动脉疾病患者的轴向能量积分探测器CT重建显示右股总动脉的致密钙化斑块（箭头）。B. 同一患者使用专用钙分离算法的轴向光子计数探测器CT重建显示钙化斑块的去除（箭头）。
心血管成像中多项技术优势的协同效应
放射科医生和物理学家当然会结合PCD的多项技术优势，以提高完成任何特定诊断任务的能力。这一点在心血管成像中的几项任务中表现得尤为明显。例如，通过使用更高空间分辨率的重建核和薄切片，结合PCD本身的使用，或通过使用低能量虚拟单能图像（VMI）进一步改善碘填充管腔的可视化，以及通过使用高能量VMI或设计用于去除钙化斑块的算法进一步减少钙化伪影，可以更好地显示和表征小血管（如冠状动脉、外周动脉、Adamkiewicz动脉和动脉瓣）。PCD-CT固有的高碘对比噪声比和低能量VMI可以用于降低碘对比剂的剂量（例如，对于肾功能不全的患者）或挽救增强效果不佳的检查。
由于多能量能力是在探测器上实现的，双源PCD-CT系统可以在两个X射线管以相同管电压运行时实现高时间分辨率（66毫秒）的多能量心脏CT，这在传统使用能量积分探测器的双源CT上是不可行的（用户必须选择双能量或高时间分辨率）。因此，双源PCD-CT允许在高时间分辨率下进行多能量CT成像，显著减少运动伪影，可能检测到微小的钙化，并识别高风险特征（如点状钙化和纤维帽）。多能量材料分解可以用于从血管研究中去除骨骼，而不是传统的基于阈值的算法。碘图在评估灌注（包括心脏和肺的灌注）时非常有用，例如用于心肌瘢痕的晚期碘增强CT和心肌细胞外基质定量。碘图与虚拟非对比图像结合可用于表征多种病变，包括血栓与伪影、高密度钙化与出血与增强肿块。
总结
通过将X射线光子直接转换为电信号，PCD-CT相比传统的EID CT系统提供了多项优势，包括：更高的空间分辨率、更好的碘信号并能够利用多能量成像数据、消除电子噪声并提高剂量效率、双源PCD同时实现高空间和时间分辨率与多能量评估，以及多种减少钙化伪影和其他图像伪影的方法。PCD技术本身允许在结合多项技术进步方面具有极大的灵活性，这些技术进步源于探测器设计，以提高广泛诊断任务中的图像质量（并可能提高诊断性能），将最先进的CT技术的许多优势扩展到较大体型的患者，并为儿科患者减少辐射剂量。将这项技术适应不同的诊断任务需要放射科医生和物理学家在重建核、切片厚度、VMI、碘图以及其他材料分类算法和显示技术的选择上进行合作。需要多个机构的进一步研究，以确定PCD-CT在哪些诊断任务中能够提高放射科医生的表现和信心，并开发新的CT诊断任务以改善患者健康。
文章编译自文献：Photon-Counting Detector CT: Key Points Radiologists Should Know. Korean J Radiol 2022;23(9):854-865 10.3348/kjr.2022.0377