2022光子计数探测器CT 初步临床应用的研究进展全文.docx

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1、2022光子计数探测器CT初步临床应用的研究进展(全文)摘要近年来，基于光子计数探测器(PCD )的能谱CT技术日渐成熟，并逐渐应用于临床实践中。PCD-CT较传统CT具有能量和物质识别优势，且能在保持图像质量的同时明显降低图像噪声和扫描剂量。因此，笔者重点对PCD-CT在人体各系统应用的进展进行综述，旨在为PCD-CT的临床发展提供参考，并对可能的应用情景进行阐述和探讨。目前CT已广泛应用于全身各部位的扫描。基于能量积分探测器(energyintegrating detector, EID )的传统 CT ( EID-CT )是根据 X 线穿过被照体的衰减信息进行成像，反映的是平均衰减特征，

2、导致部分能量信息丢失,因此难以进行分段能量的识别和细微结构差异的辨别；且EID-CT在高衰减系数物质(如植入金属、骨头、牙齿)周围会产生射束硬化伪影。现阶段的双能量CT虽然能减少该伪影，但其提供的能谱信息较为有限，辐射剂量甚至会高于EID-CT。因此，在优化双能量CT能量识别等优势的同时又能降低辐射剂量成为了当前的研究重点，因此专家们研发了同时具有上述优势的光子计数探测器 CT( photon-counting detector CT ,PCD-CT )。近年来，光子计数探测器(photon-counting detector, PCD )发展迅猛，已广泛应用于PET和SPECT成像。基于PC

3、D的CT成像技术也逐渐发展，并开始应用于临床研究。国外研究主要集中在物质材质识别、增强对比剂识别、动物研究及人体模型研究等方面，而临床应用研究主要集中于头颈部、肺、腹部、乳腺及骨骼肌肉等部位。国内有关PCD-CT的研究尚处于图像后处理算法优化、物质识别等方面。在此,笔者就PCD-CT的物理原理及优势、在人体各系统的应用研究等方面进行综述，旨在进一步提高对PCD-CT的认识,并为其临床应用范围的拓展提供参考。一、PCD-CT的原理及优势PCD-CT的基本原理是通过设置合理的能量阈值，以收集不同能级下X线的衰减信息来进行断层成像。PCD直接利用半导体材料(最常用的如石帝化镉和脩锌镉等)将X线光子转

4、换成电子-空穴对，然后通过在半导体两端施加高电压，使电子被阳极接收而产生电子信号。而传统CT探测器采用间接转换技术，通过闪烁晶体将X射线能量转换成光能，进而由光电二极管将光能转换为电子信号，因此探测器输出的信号与探测到的X射线能量成正比，故又称为EID0 PCD输出的电子信号与X线光子能量成正比，且X线光子能量只有在超过设定的能量阈值时才会得到计数；这一过程由PCD关键元素中具有高空间分辨率和极快速度的专用集成电路(application-specific integrated circuit ,ASIC )来完成。在此基础上，PCD的输出信号可涵盖每一个被探测到的光子的能量信息。PCD检测到

5、透过被检目标后携带有不同能量信息的X线光子，利用这些衰减能量信息重建出不同能量段的断层图像，从而实现能谱分离成像。PCD-CT的优势诸多，主要体现在:(1)高空间分辨率：PCD使用直接转换计数方法，探测器像素之间没有机械分隔，本质上提高了几何效率，目不再需要高分辨率梳状或网格滤波器。（2 ）降低电子噪声：电子噪声通常为低振幅信号，其被PCD接收后属于低能X线光子，可通过设置能量阈值消除低能光子以降噪。（3 ）能量权重：PCD-CT记录的是光子的数量而非能量，因此低能X线光子的权重不会降低，故可以提高组织结构间的对比度和图像的对比噪声比（contrast-to-noise ratio , CNR

6、工（4 ）减少射束硬化伪影：在X线穿透过程中，能量较低的X射线（软射线）优先被吸收，导致透过的X射线高能量成分的比例增加，射线变硬而产生射束硬化伪影；而在PCD-CT中，每个光子根据能级进行排序，故可直接用高能级光子来重建以减少因射束硬化而产生的伪影。（5）多能量成像和能量选择：由于PCD-CT具有能量辨别特性，因此单次采集即可获得多个能级的X线光子计数信息，且可自行设置能量阈值，从而实现图像加权、投影加权、碘图和K吸收边（K-edge ）成像等图像技术。二、PCD-CT的研究现状1 .头颈部成像：由于PCD-CT具有能量辨别特性，在临床应用中可以通过设置能量阈值使特定能量段的物质得以显示，如

7、增加低能光子的权重可以提高对比度和软组织分辨率、降低图像噪声，在需要显示细节的脑实质、动脉斑块、窦、颗骨等成像中具有优势。合理设置不同能量段的阈值，可以有效提高组织结构间的对比度，尤其是在脑灰白质的显示上。Pourmorteza等对21名志愿者同时行PCD-CT与EID-CT扫描 发现PCD-CT图像的噪声较EID-CT降低了 12.8%20.6% ,而灰质及白质的信噪比(signal-to-noise ratio , SNR )增加了19.0%-20.0% ,灰白质的对比度和CNR分别增加了 15.7%和33.3%。有研究表明，当PCD-CT达到与EID-CT相当的图像质量时，辐射剂量可降低

8、40%。因此，PCD-CT在显示微细结构方面具有明显优势，可用于微小出血、脱髓鞘疾病、梗死等的诊断。PCD-CT同样可用于头颈部血管的检查，尤其是碘图的物质识别能力，使其在区分血管腔内的碘、管壁钙化及周围骨质方面优势突出。例如在显示颈内动脉海绵窦段时PCD-CT可以很好地区分增强的血管及邻近的骨质,提高微小动脉瘤、出血、颈内动脉海绵窦瘦等的检出水平。Symons等对头颈部血管成像的研究发现，基于PCD-CT的图像较EID-CT噪声更低,伪影更少,其碘图的CNR也更高。Sartoretti等同样对颈动脉斑块成像进行研究，但其探讨的是采用铝作为对比剂成像的可能性，发现铝可以提高PCD-CT对颈动脉

9、管腔及钙化斑块的显影能力。Rajendran等通过附加锡过滤器来定量评估鼻窦和颗骨处PCD-CT成像的图像质量和辐射剂量，发现在不影响图像对比度的情况下，PCD-CT的图像噪声降低26%，总体辐射剂量降低56% ,在鼻窦处尤为明显，辐射剂量可降低67%O图像质量的提升体现在空间分辨率的增加上，尤其是对听骨链、鼻窦细小解剖细节、天然孔洞等结构的显示上具有明显的优势。有研究也表明，在对颗骨进行高分辨率重建时，同样是0.6 mm的层厚,PCD-CT的图像噪声较EID-CT明显降低，且对精细结构的显示更好。因此,PCD-CT可以在不牺牲图像质量的情况下降低辐射剂量,且不同部位的剂量降低幅度不同。2 .

10、胸部成像：对于胸部成像而言，PCD-CT的优势主要体现在低剂量上,在保持与EID-CT相同图像质量时可以显著降低辐射剂量；其次,在图像质量方面,CD-CT能降低图像噪声，减轻射束硬化伪影，改善图像质量。Symons等用平均衰减、噪声功率谱(noise power spectrum , NPS )和肺结节的CNR等指标来评价30名志愿者的胸部图像，发现与EID-CT相比，PCD-CT的图像噪声更低，NPS和肺结节的CNR更高。同样有研究表明高分辨率PCD-CT对微小气道和气管壁的显示要优于EID-CT ,更有利于小气道病变的诊断。高分辨率PCD-CT具有低剂量这一优势可广泛应用于胸部CT检查，尤

11、其适用于常规体检人群。3 .心脏成像：EID-CT对冠状动脉管腔及斑块的评估受到空间分辨率的影响,存在过度评估现象，虽然目前PCD-CT在心脏方面的应用还处于离体心脏及临床前期的实验性研究阶段，但已显示出一定优势。Sandstedt等对离体冠状动脉标本的研究发现,基于PCD-CT图像对钙化的评估较EID-CT更准确。也有研究用PCD-CT对不同口径的冠状动脉支架进行成像，发现PCD-CT显示支架内腔的能力优于EID-CT。Symons等分别使用EID-CT、标准剂量和低剂量PCD-CT对心脏模型、离体心脏及志愿者的冠状动脉钙化情况进行评估，发现不管是模型、离体心脏还是活体组织，PCD-CT图像

12、对冠状动脉钙化的显示情况均优于EID-CT ,且低剂量条件下获得的图像质量与EID-CT相当。这些研究结果为后续的人体研究提供了基础和理论依据。4 .乳腺成像：乳腺PCD-CT在专用乳腺CT的基础上进行了改良,扫描时不需压迫乳腺，弥补了铝靶成像的不足，同时图像质量及软组织分辨率均有提高，尤其在致密型乳腺腺体显影方面。Berger等对12例乳腺癌患者行PCD-CT扫描，而后分别行软组织图像和高分辨率图像重建，扫描中发现仅有8.3%的图像存在部分腺体缺失，最后共检测出12枚钙化灶,同时发现软组织重建图像的信噪比和CNR均较高分率重建图像高。乳腺PCD-CT还能通过优化能量阈值来显示微小钙化，甚至能

13、发现196 pm级的微小钙化。Berger等后续收集的300例行PCD-CT乳腺癌筛查的患者中,84.7%的患者选择PCD-CT检查是因为其不需要压迫乳腺,0.3%的患者则因有假体植入。因此，乳腺PCD-CT检查适用于不适合或不愿意行铝靶筛查的人群。5 .腹部成像：目前，基于PCD-CT的腹部成像研究较少，且部分是对于动物或腹部模型的研究。Pourmorteza等最先将PCD-CT应用于人体腹部成像，发现增强PCD-CT和增强EID-CT的图像质量相当，由此可见PCDT在腹部成像方面是可行的。Ferrero等则发现PCD-CT在分辨细小结石方面具有优势，且其物质识别特性可用于分析结石的组成成分

14、。Marcus等发现PCD-CT检测结石成分特征的能力与1 mm层厚的双能量CT 一样,但前者检出结石的能力提高了 1.29倍，且能更好地检出小结石，尤其是43 mm的细小结石。6 .骨关节成像：由于具有更高的空间分辨率及更低的图像噪声，PCD-CT在骨关节成像上具有较大优势。Wehrse等首次将PCD-CT应用于患者的骨关节成像，发现PCD-CT图像质量更好，在显示乳腺癌骨转移病灶的边缘及内部成分方面能力更强。在保持图像质量较高的同时，辐射剂量也能得到优化。Grunz等采用3种不同扫描剂量对腕骨进行研究，发现PCDCT可用于腕骨成像，目可以大幅减少辐射剂量。同样有研究表明，在动物脊柱成像中,

15、基于PCD-CT测得的骨密度的准确度与双能量（：丁基本一致，且辐射剂量大幅度降低；甚至有研究表明仅凭PCD-CT的定位图像就能准确测量骨密度。还有学者将PCD-CT关节造影成像用于骨关节炎的诊断，但目前仅局限于对动物和人体组织标本的研究。另有研究表明PCD-CT 在显示关节钙盐沉积方面也优于其他检查。此外，Lau等对从患者体内取出的人工关节进行研究，发现PCD-CT图像可以清晰地显示关节面的磨损，且不带有金属伪影，因此PCD-CT将来或许可用于监测人工关节的在体情况。7 .多部位成像对比研究:目前仅有2个研究涉及人体多部位PCD-CT成像,结果表明PCD-CT在多部位的扫描中仍能保持图像质量的一致性和稳定性。Pourmorteza等对8名志愿者进行头颅（局限于基底节、题骨、后颅窝）、胸部（主动脉弓、隆突和肺基底水平）和左侧肾脏上极的多部位小视野PCD-CT成像研究,并获得0.5 mm标准分辨率图像、0.5和0.25mm高分辨率图像，发现0.25 mm高分辨率图像较0.5 mm标准分辨率图像的空间分辨率提高1倍，但噪声仅增加75% ;而0.5 mm高分辨率图像较0.25 mm高分辨率图像的噪声减少19% ;且