探测器是CT最重要最神奇的部件

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。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。

▍▍1.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。

▍▍2.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。

光子计数的概念从20世纪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。

▍▍2.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。

▍▍3.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。

▍▍4.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。

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医疗 

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。

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。”

▍▍西门子医疗 

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。

▍▍飞利浦 

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。

▍▍日立医疗 

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。

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。

中国科学院高能物理研究所依托大科学装置产生的先进技术，成功研制出国际领先、国内首款混合像素型结构的四阈值光子计数探测器

晶圆级倒装焊工艺