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全球光子計數CT的研發進展

嘉峪檢測網        2025-05-09 10:49

光子計數 CT(PCCT)歷經 25 年,從理論構想逐步發展成為臨床可用的先進設備,為醫學影像領域帶來了新的變革。

 

PCCT 的核心技術是其光子計數探測器(PCD),這與傳統的能量積分探測器(EID)CT 存在顯著差異。在傳統 EID CT 中,X 射線光子首先需經過閃爍體材料,將 X 射線轉化為光信號,然后通過光電二極管或光電倍增管將光信號轉換為電信號,再進行后續處理。然而,這個過程存在諸多問題。一方面,電子在傳輸和轉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致量子噪聲的產生,這些噪聲會干擾最終成像的質量。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擴散,使得成像分辨率受到負面影響。更為關鍵的是,在整個信號轉換過程中,X 射線光子的光譜信息會大量損失,無法為后續成像提供更豐富的細節。

 

與之不同,PCCT 的 PCD 采用半導體材料,當 X 射線光子撞擊半導體材料時,會激發產生電子 - 空穴對,且產生的電子 - 空穴對數量與光子能量呈正相關。通過在半導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,進而產生與光子能量相關的電脈沖。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間,實現對 X 射線光子的精準計數與能量分辨。這種技術突破為多光譜成像提供了關鍵技術支撐,使得 PCCT 能夠獲取更豐富的物質信息,提升醫學影像的診斷準確性 。

 

 

X射線探測器的對比示意圖。左側圖展示了能量積分探測器,其采用間接轉換方法。中間圖描繪了一種光子計數探測器,該探測器使用高原子序數(Z)的直接轉換半導體材料,如碲化鎘,以提高探測效率。右側圖展示了使用低原子序數材料(如硅)和Edge-on技術的光子計數探測器。

 

在 PCCT 設備的研發進程中,面臨著一系列技術挑戰,其中高光子通量管理與探測器響應穩定性問題尤為突出,一度成為阻礙其發展的關鍵因素。近年來,隨著相關技術的持續演進,這些難題逐步得到攻克。例如,新型晶體材料的研發取得重大突破,該材料能夠高效地將 X 射線光子轉換為電子 - 空穴對;同時,快速讀出 ASIC 的問世,可實現對單個光子事件的快速精準捕捉。盡管當前非癱瘓型 ASIC 設計受限于電子設備的尺寸與復雜性,在臨床探測器中的廣泛應用仍面臨一定阻礙,但憑借不斷推進的技術創新,這些障礙正被逐步跨越,有力地推動了 PCCT 技術的持續完善與發展。

 

當前,在 PCCT 設備研發領域,諸多知名廠商已取得了突破性進展。不同廠商所采用的探測器材料呈現出獨特的物化性質,各有優劣,其設備亦具備差異化的技術參數。

 

 

西門子醫療的 NAEOTOM Alpha在2021年9月獲得FDA認證,是歷史上第一款獲得FDA認證的全身光子計數CT。2024年RSNA年會上,西門子醫療發布了NAEOTOM Alpha系列的三款設備。目前,這三款設備均已通過 FDA 和 CE 認證。

 

 

NAEOTOM Alpha

 

該系列中的高端產品 NAEOTOM Alpha.Peak 具備出色的性能參數。其最大掃描速度可達 737mm/s,采用雙源設計并配備碲化鎘(CdTe)探測器,賦予設備高達 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性的領域表現卓越。

 

NAEOTOM Alpha.Pro 同樣展現出卓越性能,該設備創新性地集成了光子計數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 受體阻滯劑進行心率控制,即可獲得高質量的心臟圖像。在臨床實踐中,NAEOTOM Alpha.Pro 作為多模態成像的關鍵設備,憑借其出色的性能,為多學科協作診療提供了有力支持,尤其適用于復雜病例的診斷與治療規劃。

 

 

西門子醫療NAEOTOM Alpha系列光子計數CT

 

NAEOTOM Alpha.Prime 系西門子醫療推出的世界上首款單源光子計數 CT,其最大掃描速度達 345mm/s,定位精準,適用于醫療機構或大型醫聯體的院內、急診及門診檢查場景。該設備創新性地集成人工智能與自動化流程,從掃描參數的智能化設定,到圖像的快速重建與分析,均能高效實現,有效提升設備使用效能。

 

 

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,應用范疇較為有限。

 

需要注意的是,碲化鎘材料在為設備性能提供有力支撐的同時,也帶來了相應挑戰。一方面,該材料成本相對較高;另一方面,其生產過程對工藝要求極為嚴格,需在超凈環境下精準控制各項參數。這不僅增加了設備的制造成本,也提升了技術難度,對生產廠商的技術實力與資金投入構成重大考驗。

 

 

GE醫療的光子計數CT原型機

 

GE 醫療將硅(Silicon)作為光子計數探測器材料。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象,從而提高探測器對光子信號捕捉的精準度。2020 年 11 月,GE 醫療收購瑞典初創公司 Prismatic Sensors AB。2021 年,GE 醫療與瑞典 Karolinska Institutet 和 Medtech Labs 開展技術臨床試驗,2022 年 12 月于威斯康星大學 - 麥迪遜分校引入首個美國試驗。2023 年,斯坦福大學醫學中心安裝了首臺光子計數全身 CT 掃描儀,目前該技術仍處于開發進程中,尚未獲 FDA 或其他全球監管機構的批準認可 。

 

硅材料存在明顯的短板。由于硅的原子序數較低(僅為 14),相較于一些高原子序數的材料,其對 X 射線的吸收能力較弱。當 X 射線穿透人體組織后抵達探測器時,硅探測器難以充分吸收 X 射線光子,導致部分信號丟失。為了改善這一狀況,科研團隊將厚硅片以 “Edge-on” 的方式進行排列,這種設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,使圖像中的細節變得模糊。硅材料中也存在一定的散射現象,X 射線光子在硅中散射后,可能會在不同位置產生電信號,進一步干擾了對原始信號位置的準確判斷,影響空間分辨率。

 

 

佳能的光子計數CT原型機

 

佳能醫療自 2016 年收購東芝醫療系統(現佳能醫療系統股份有限公司)后,全力推進光子計數 CT 研發,2021 年收購 Redlen Technologies 獲得先進碲鋅鎘(CZT)半導體檢測器模塊技術,通過整合優勢,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 系統并獲監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醫學中心成功安裝第二臺,同時在 2023 年美國建立醫療機構和研究人員網絡以制定業務戰略,目前有多份研究展示其 PCCT 在提升圖像空間分辨率、降低輻射劑量及結合深度學習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CT原型機

 

飛利浦在法國里昂大學測試的 PCCT 系統,具備五個能量閾值,能夠精準區分不同能量的光子信號。該系統采用 64×0.275 mm準直,搭配 1×1 mm防散射網格,安裝于視野達 50 cm的機架之上。不過,目前該系統在臨床大規模應用方面的公開報道相對較少,設備在復雜臨床環境下的穩定性,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的網頁,專門介紹光子計數CT,但是目前這個網頁已經下線。

 

 

東軟的光子計數CT原型機

 

東軟醫療在2024年5月成功獲得首幅光子計數CT人體圖像,2025年3月其自主研發的國產光子計數CT正式進入國家藥品監督管理局創新醫療器械特別審查程序,這款設備使用碲鋅鎘(CZT)作為探測器材料。

 

 

 

富士的光子計數CT原型機

 

2023年3月29日,富士膠片醫療健康公司與千葉大學開啟共同研究,旨在評估富士開發的光子計數CT(PCCT)的臨床有用性。該原型機配置寬度為18x0.208mm的探測器。

 

聯像醫療也正在研發全身 PCCT 原型機,其視野為50 cm,層厚為0.625mm,轉速0.35s。不過,目前該產品仍處于研發階段,其在臨床復雜環境下的具體性能表現,仍有待后續深入觀察。

 

值得注意的是,碲鋅鎘材料的制備工藝復雜,其對生產環境有著近乎苛刻的要求。整個制備過程需在超凈的環境中開展。同時,還需維持恒溫恒濕的狀態,溫度與濕度的些許波動,都可能引發材料內部的物理化學反應偏差。這在很大程度上限制了碲鋅鎘材料在 PCCT 設備中的大規模生產與應用,成為制約 PCCT 普及的關鍵因素之一。

 

 

 

MARS Bioimaging的 Microlab 5X120

 

還有一些針對特定應用場景的 PCCT 設備也在不斷發展。MARS Bioimaging的 Microlab 5X120 采用的 Medipix PCD 技術基于碲鋅鎘材料,體素分辨率達 80 μm,輻射劑量低于傳統 EID CT,在區分軟組織、脂質、水和金屬方面表現出色,有助于對易損斑塊進行成像,但該設備僅適用于臨床前研究的緊湊型四肢掃描,應用場景較為單一。

 

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,且無需對乳房進行壓迫即可成像,在一項針對 1222 名女性的研究中,該系統的病變對比度和鈣化檢測能力表現優異,不過其功能僅針對乳腺成像,難以拓展到其他領域。

 

 

AB - CT 公司的 nu:view 乳腺 PCCT 掃描儀

 

在研發進程中,光子計數 CT 設備憑借前沿技術與創新理念,攻克了諸多技術難題,取得了豐碩成果。該設備不僅在成像分辨率上實現了顯著提升,能夠精確分辨細微的組織結構差異,而且在掃描速度、輻射劑量控制等關鍵性能指標上表現卓越,為臨床應用開辟了廣闊的空間。可以預期,隨著 PCCT 技術的日益成熟,其在醫學影像領域的影響力將不斷增強,為疾病早期診斷與精準治療方案的制定,提供更為精細、高效的技術支持,成為推動現代醫學發展的關鍵驅動力。

 

參考文獻: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.

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來源:XI區

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