第三次CT革命！巨头争霸光子计数探测器 CT
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自从伦琴发现X射线以来，技术的不断进步催生了一系列新的应用，但对于许多疾病，常规X线图像并不能提供确定性的扫描结果，因为最终获得的是所有照射身体结构的重叠影像。所以医生们很快有了一个新的梦想——如果能够获得没有结构叠加的断层图像那就完美了。
20世纪最后30年，自从豪斯菲尔德发明CT后，这一梦想成为了现实。随着螺旋CT、多排螺旋CT的出现迭代，CT逐渐成为现代医学必不可少的检查手段,在许多疾病的诊断中都起着不可替代的作用。
螺旋CT
尤其光子计数CT新兴技术横空出世，引领人类X光探测技术进入了全新的时代。光子计数CT不再需要像传统的探测器对X线展开繁复的处理步骤，而是可以直接得到光子的能级和相应的光子数量，真正意义上实现多能域成像，扩宽了CT在功能学领域的前景和发展。这些技术优势完美地匹配了未来医学影像设备的高性能需求，在数字牙科、乳腺、CT、核医学、分子影像学、超低辐射剂量介入影像等设备中大有用武之地。
飞利浦CT探测器
我们知道，CT的原理即电子计算机断层扫描，它是利用精确准直的X线束、γ射线、超声波等，与灵敏度极高的探测器一同围绕人体某部一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的X射线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟/数字转换器转为数字，输入计算机处理。在X射线CT系统中，探测器技术是较为关键的技术之一。它将探测到的X射其中探测器是CT系统中的重要组成部分。
目前在CT系统中主要使用的探测器有3中，包括气体探测器，闪烁体探测器和半导体探测器。目前，在工业CT系统中最常用的是闪烁体探测器，X射线将能量沉积在闪烁体中的并放出闪烁光子，通过光电倍增管进行转换产生电信号并被后续电子学系统接收和处理。
固体闪烁探测器
当今医学CT系统中使用的固体闪烁探测器将x光转换为可见光，可见光由与闪烁体耦合的光电二极管检测。每个吸收的x射线量子产生的光强度，以及因此每个吸收的x射线量子产生的电信号，与x射线能量E成正比。能量积分检测器中的信号Sint是来自所有吸收的x射线通量N（E）的信号在所有能量E上的积分，权重因子与E成正比。
固体闪烁探测器不提供能量分辨信号。因此，携带物体（特别是含碘组织）大部分低对比度信息的低能x射线量子比集成信号中的高能量子的重量小。基于半导体的光子计数探测器，如碲化镉（CdTe）或碲化镉锌（CZT）直接将x射线转换成电信号。吸收的x射线产生电子-空穴对，在探测器顶部和底部的阴极和像素化阳极电极之间的强电场（电压~106 V/m）中分离。移动电子产生短电压脉冲，脉冲高度与x射线能量E近似成正比，一旦超过给定的能量阈值，就单独计算。
探测器，CT最重要最神奇的部件
光子计数探测器
在基本工作模式下，仅使用一个能量阈值E1，该阈值能量以上的所有x射线量子都以相同的权重计数，从而产生检测器信号。低能量x射线量子信号的低加权不存在可以提高结果图像的对比度噪声比（CNR），特别是在使用碘化造影剂的CT扫描中。由于只检测到高于能量阈值的信号，因此低于阈值的低水平电子噪声不会影响光子计数探测器的计数率。这是与传统能量积分探测器的一个主要区别，它可以减少图像噪声，降低肥胖患者或极低辐射剂量扫描的剂量。
不同的能量阈值允许区分光子能量。光子计数探测器可以同时提供具有不同低能量阈值E1、E2的CT数据，用于光谱分辨测量。在物理上，阈值是通过输入脉冲高度比较器电路的不同电压来实现的。从探测器获得的脉冲高度几乎与探测到的x射线光子的能量成正比。到目前为止，在原型设置中使用了多达六个不同的阈值。
光子技术探测器原理示意图
光子计数的概念从80年代提出以来，在弱光和微光的探测领域发挥了重要作用，它可以直接将X光衰减转换为电信号，从而获得更清晰的图像。光子计数CT是目前业界认可的下一代CT技术，它拓展了传统CT的临床功能，在肿瘤学、心脏病学和神经学等领域具有诊断优势，能够实现器官结构细微细节的可视化，改善组织特征，提供更精确的物质密度测量(或量化)。它具有很高的空间分辨率和对比度，有助于对小血管和血管病变进行成像，并能够在早期阶段监测癌症的变化，而且辐射剂量将大幅降低。在世界范围内，目前已吸引众多医疗巨头公司对这一技术进行研究应用。
图像空间和密度分辨率提升
与传统探测器技术不同，光子计数技术采用高速专用集成电路将X光光子逐个计数，属于直接成像技术，无需闪烁体进行X光到可见光的转换，而是在介质层中将X光单光子直接转化为电脉冲，没有传统间接探测器中的串扰问题，图像空间分辨率和密度分辨率均得到大幅提升。该技术具有零暗噪声、图像灰阶深度高、有超大动态范围、成像所需辐射剂量低、且可以呈现多能谱图像等诸多优势。
提高成像质量和信噪比
光子计数探测器应用于医学成像系统，可以有效地提高成像质量和信噪比。在使用电荷积分探测器的CT成像系统中，高能光子对于投影数据贡献较大，但其导致的图像对比度较小，不利于区分密度差异较小的组织。使用光子计数探测器，可以对不同能量的光子赋予不同的权重，从而有效地提高图像对比度。另外，可以设定探测的能量阀值，从而对噪声进行有效地甄别和去除。与之相适应的成像方法被称之为能量权重。该方法在医疗成像中对于图像质量的改善发挥了重要作用。
具有能谱分辨能力
光子计数探测器具有能谱分辨能力，它可以将X光机产生的能谱进行分段计数，同时得到不同光子能量下的投影数据。目前，我们已经对于光子计数探测器多能谱X射线能谱分别进行计数，同时得到三个能量段X射线下的图像。根据传统的双能CT一般采用两块探测器，之间采用滤波片将高能射线整形为低能射线分别探测，从而得到高低能数据进行双能CT重建。此种方法高低能谱差异不大，因此双能重建精度不高。而使用上述的光子计数探测器，我们可以直接得到不同X射线能量区域的成像结果，选取合适的能区进行双能重建。
减少辐射和造影剂量
此外，光子计数探测器CT有可能减少辐射和造影剂量。光子计数探测器由于探测器元件和放大系数较小，CT扫描的空间分辨率高达0.07x0.07 mm3。高空间分辨率有助于评估小血管结构及其疾病，如血管炎等。高空间分辨率和材料分解能力也有可能减少钙晕，提供管腔狭窄严重程度的准确估计，从而提高CT的特异性。这种电压对于评估膝关节以下钙化严重动脉的危重肢体缺血患者尤为重要。其他伪影，如线束硬化和金属伪影，也可以通过使用高能量箱来减少。
各类体型患者均可进行从头顶到大腿的扫描
尽管光子计数探测器有着诸多优势，目前仍有一些问题需要解决，例如电荷共享、电荷堆积等。未来，随着制造工艺和电子工艺的进步，光子计数探测器的性能将进一步完善，CT设备的整体表现将会更上一个台阶。
GE自1993年开始研究PCCT，并于2006年发布了世界上第一台使用镉基(cadmium-based)探测器的PCCT原型机。不过，镉基探测器的晶体结构不够完美，同时还存在污染问题，因此作为X射线检测器材料受到限制。相比之下，硅是用于探测器的最纯净的材料。
2019年，GE医疗以33.15%的市场份额独占鳌头，几乎与西门子和飞利浦的总和持平。GE在高端智能影像设备方面最让人惊叹的，为全球首个获得美国FDA审核认证的基于深度学习重建算法的人工智能CT系统——APEX CT，被誉为“CT届的二次发明”。
这款全新的CT系统突破以往十年来CT影像重建算法的桎梏，采用创新的基于深度神经网络学习技术的重建算法，同时配合GE独有的全数控QUANTIXTM高能球管、16厘米宽体探测器等领先的硬件技术，获得更为高清和真实的影像，为医生更精准诊治提供更有效的影像信息。
与此同时，去年11月，GE医疗收购拥有深硅探测器技术的瑞典公司Prismatic sensors AB。这项交易的财务细节和具体条款尚未透露，事实上，自2017年以来，GE医疗就一直持有Prismatic sensor AB公司的少量股权。未来，GE医疗将利用这项技术，开发用于临床的光子计数CT(photon-counting computed tomography ，PCCT)。
GE医疗全球CEO Kieran Murphy表示：“我们相信，这项技术有可能成为CT发展的重要一步，建立起新的护理标准，并最终改善全球数百万患者的临床疗效。从第一台X射线机到第一台光子计数CT样机，GE医疗致力于开拓下一代技术，实现精准护理，改善生活。我们对采用Deep Silicon这种前沿方法及其带来的临床潜力感到兴奋。”
2003年，西门子医疗初探光子计数技术原理，2014年，进行临床验证；截至目前，已有近百篇相关科研成果的论文。
去年9月份，有媒体曾报道过，西门子医疗的光子计数探测器采用碲化镉（CdTe）材料，美国梅奥诊所的研究人员已将西门子医疗装载了光子计数探测器模块的CT应用于模体（phantoms）、尸体（cadavers）、动物和人类，并生成了300多名患者的图像。梅奥诊所研究小组发表的论文显示，采用光子计数探测器之后，CT的空间分辨率得到了提高，辐射和碘造影剂的剂量要求降低了，图像噪声和伪影水平也得以降低。
近日，西门子医疗的全身型PET/CT产品——Biograph Vision Quadra获得FDA批准。Biograph Vision Quadra的孔径达78cm，其最大特点是具有106cm轴向视野(FoV)，是西门子医疗另一款PET/CT产品“追光者”Biograph Vision①的四倍之多，实现了从头顶到大腿同时全身成像，可以用于临床和科研。
西门子医疗的全身型PET/CT产品—Biograph Vision Quadra
飞利浦，全称“荷兰皇家飞利浦公司”，医学影像设备领域的又一个巨头。1896年，飞利浦研发出世界上第一个X射线球管，正式进入医学影像领域。此后，球管一直是飞利浦的看家招牌。2001年，飞利浦以11亿美元收购了马可尼，将CT和磁共振业务纳入其医疗系统中。从此，飞利浦CT和磁共振开始飞跃，并逐渐走向辉煌。”2012年，飞利浦在苏州落成飞利浦医疗中国影像基地，表明了飞利浦植根中国，深度参与中国医疗事业发展的决心。
2017年，飞利浦推出IQon光谱CT，以“双层”立体探测器为核心 ，将能量成像推向了常规临床应用。作为飞利浦全球首款基于探测器的光谱技术，飞利浦 IQon 光谱 CT 能提供多层光谱数据的能量解决方案。IQon 提供了准确的决策信息、创新的分析方法和高效的工作流程，对患者管理和经济效益带来更多帮助。
与传统CT不同，除CT值以外，光谱CT还可以通过多种不同keV、有效原子序数、碘密度图、碘定量图、光谱曲线等多种不同参数对于病灶进行定量、定性诊断。IQon的出现宣告了黑白CT影像时代的结束，彩色CT图像更准确地诊断疾病，减少近45%的重复的影像学检查。
2016年3月，日立公司（TSE：6501）的子公司日立医疗公司与加拿Redlen技术公司宣布共同开发直接转换半导体所需的新光子计数计算机断层摄影系统（PCCT）。
日立一直专注于医疗保健领域的社会创新业务之一，并在医疗整体解决方案，其中包括医疗诊断和临床设备，如CT，MRI，粒子束治疗系统，并且还信息学，包括医疗服务和平台丰富的专业知识。 Redlen是在医疗成像，安全和无损检测等领域使用的高分辨率碲锌镉（CZT）半导体辐射探测器的领先制造商。
计算机断层摄影系统
根据这项协议，日立和Redlen将合作开发一种新的多能源PCCT半导体探测器模块。 PCCT系统为通过新功能，其中包括材料歧视，更高的图像分辨率，增加功能成像，并进一步辐射剂量减少诊断CT成像性能的突破进展的潜力。
2020年，国产CT迎来高光时刻。2020年，也是零部件独立制造商万睿视在中国建立工厂的第6个年头。历经六年多的积累与发展，万睿视无锡工厂的年产量已经达到2千只球管、3千块平板探测器。2019年3月，万睿视收购了以直接转换和光子计数技术而闻名的瑞典Director Conversion AB (publ)公司。相对于间接转换，直接转换技术能够让X射线立即变成电子信号，避免信息损耗，使得到的X射线图像更加精准，具有更高的MTF(调制传输函数)图像。
此外，全球领先的独立影像核心零部件制造商万睿视也在致力于光子计数探测器的开发。未来几年，将重点开展与国内OEM影像厂商的战略合作，提供各种规格CT球管，覆盖16排、64排CT等主力机型。万睿视全球CEO孙尚亚曾表示：“目前的应用将使万睿视数字探测器产品的市场规模扩大约2亿美元，未来通过使用光子计数技术取代现有的CT探测器，市场潜力将增至5亿美元。”
去年完成1.5亿元B+轮融资的帧观德芯已成功实现光子计数X光探测器的大规模量产，并开发出基于该探测器技术的高性能、低成本、高清医学影像整机系统。
帧观德芯创始人曹培炎表示，公司将全面启动面阵型光子计数乳腺机、牙科口内成像系统等产品的生产基地建设和量产工作，并推进同步辐射探测器、DSA、CT等光子计数系列产品的开发工作。
目前帧观德芯在不同领域均有系列产品（包括在研）。具体来说，在医疗领域，帧观德芯已布局了“量子清照”乳腺机、介入影像设备及口内牙科X光成像系统；在工业领域则有3D扫描建模系统等。其中，乳腺机与口内牙科X光成像系统已申请二类医疗器械证。
帧观德芯通过完全的自主研发，解决了光子计数X光探测的图像质量关、成本关和功耗关三大难关，性能提升的同时，价格更有竞争力，使乳腺癌筛查的单次机器成本大幅降低。同时“量子清照”由于采用光子计数X光探测器，对工作、运输、存放环境的要求大大降低，维护成本也相应大幅降低。
帧观德芯底层技术
深圳帧观德芯科技有限公司的光子计数口内牙科传感器和光子计数乳腺机获得《中华人民共和国医疗器械注册证》后，一举揭开了X光影像系统的崭新篇章。获批上市以来，“中国智造”的光子计数影像技术备受瞩目，广受国内外临床的欢迎和认可，里程碑式的颠覆性影像创新，使帧观德芯成为光子计数X射线探测器领域的佼佼者！
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