光子计数CT：初步临床结果回顾

原创 赵喜同学 XI区

计算机断层扫描（CT）自投入临床应用以来，已成为当代医学不可或缺的一部分。多年来，该技术在扫描速度、剂量效率、双能量采集方法以及时间和空间分辨率等各个方面逐渐得到了改进。如今，传统CT在特定应用的组织对比度、图像质量和空间分辨率方面仍有局限性，这主要与当前能量积分探测器（EID）的设计有关。这些探测器由闪烁体材料（如碘化铯或硫化钆）组成，可吸收X射线光子并发射可见光（图1）。发射的光随后被光电二极管检测到并转换成电信号。探测器中集成了隔板，以防止探测器元件之间发生串扰，从而减少探测器的有效面积。此外，所有进入的光子都被整合在一起以产生信号。低能量光子负责产生对比度，但由于集成的缘故，它们对最终图像的贡献相对较小，导致传统CT的对比噪声图像较低（图1A）。

图1CT探测器示意图。A.能量积分探测器将进入的光子转换成可见光，然后由光电二极管直接转换成电信号。一个投影中所有测量到的光子都被整合在一起，形成该投影的信号。探测器的空间分辨率取决于使用反射隔板来防止串扰。B.当光子撞击探测器的半导体材料时，光子计数探测器会产生电子-空穴对。阳极吸引电子-空穴对中的电子，产生与光子能量成正比的电脉冲。

光子计数CT（PCCT）是一种新技术，它有可能通过使用光子计数探测器（PCD）来克服EID的局限性（图1B）。PCD由半导体组成，无需隔膜来分隔单个探测器元件。PCD的探测器元件更小，但仍具有几何效率。这就提高了空间分辨率，为临床应用创造了新的机会。PCD可将进入的单光子直接转换成与光子能量成正比的电脉冲。这样，探测器就能根据进入的电脉冲的高度将光子划分为不同的能量段，从而实现光谱成像，滤除最终图像的电子噪声，并改进材料分解。图2展示了其中几种先进的图像重建技术。

图2 一位接受主动脉血管内修复术的患者的PCCT扫描。A/B。虚拟单色图像（VMI）无需对光谱数据集进行额外扫描即可生成单千电子伏特（keV）能级的虚拟光子图像。这有助于改善组织间的区分、增强组织的可视化或减少伪影。C.虚拟平扫（VNC）重建可以消除增强扫描中碘造影剂的信号，从而有可能使平扫扫描变得过时。D.碘图可用于测量灌注，但取决于其量化的准确性。E.可以融合VNC和碘图以获取更多信息。

PCCT开始逐渐应用于临床实践，越来越多的研究对此有了深入的了解。来自荷兰的学者回顾了有关当前PCCT系统的文献，随后概述了潜在的临床应用和当前面临的挑战。

技术背景

迄今为止，已有两款由不同厂商生产的供患者使用的PCCT系统。其他制造商目前也在开发自己的系统，但有关系统设计和功能的信息很少，还没有用于人体的系统。下文将简要讨论不同的PCCT系统及其特性。

西门子

大多数研究都是使用目前市场上销售的NAEOTOMAlpha或该系统的原型版本（西门子医疗集团）进行。该临床系统包含一个最大时间分辨率为66ms的双源PCD装置和碲化镉探测器。在高分辨率模式下，PCCT系统可获取144x0.4 mm z轴覆盖范围的图像。在超高分辨率（UHR）模式下，最大覆盖范围可达120x0.2 mm。

飞利浦

同一中心的三项研究使用了飞利浦的光子计数CT（SPCCT）系统。该系统配备一个探测器，等中心像素间距为0.3×0.3mm（UHR），z-覆盖范围为64x0.3mm。

其他供应商

据我们所知，佳能已在日本安装了一台原型机，而通用电气已安装了多台原型机，但均未公布在患者中使用的结果。通用电气医疗保健公司使用不同类型的半导体材料（硅），而佳能公司则使用镉锌碲。

心血管成像

在心血管成像方面，有多项研究侧重于造影剂信号的增强、冠状动脉的描绘、虚拟平扫重建（VNC）上冠状动脉钙化评分（CACS）的计算、支架成像和心肌评估。

冠状动脉计算机断层扫描（CCTA）

Si-Mohamed等人的研究显示，与使用飞利浦系统的EID-CT相比（n=14），UHR-CCTA的对比度依赖性空间分辨率提高，噪声降低，从而改善了小动脉、支架、钙化和非钙化斑块的主观可视性。另一项使用西门子系统进行的研究表明，尽管Bv89的SNR（2.4±0.4）和CNR（3.0±0.4）低于Bv40（SNR:18.7±3.8，CNR:22.5±3.3），但使用锐利卷积核（Bv89）的UHR-CCTA（n=20）描绘的冠状动脉与标准卷积核Bv40（分别为40%vs53%）相比，钙化造成的开花伪影更少。UHR采集还能清晰描绘部分钙化斑块，区分钙化和非钙化成分，这可能有助于识别易损斑块。考虑到图像分析的主观性，作者推荐使用Bv64/Bv72卷积核对该特定供应商的管腔和邻近斑块进行评估。

虚拟单色图像（VMI）可在较低的KeV水平（40-45 keV）上提高管腔碘对比度。在主动脉成像中，与EID-CT相比，较低的KeV也能显著提高CNR（p<0.025），40名患者的主观总体图像质量相似，但图像噪声增加（p<0.001）。碘对比度的增加可减少造影剂剂量，同时保留低对比度小结构的可视性。

冠状动脉钙化评分

冠状动脉钙化评分是预测未来心血管事件的重要指标。真实平扫（TNC）用于确定CACS，占临床CCTA总辐射剂量的很大一部分。此外，晕状伪影和小钙化的存在可能导致CACS被高估或低估。Symons等人研究了低剂量PCCT（标准剂量的25%）来计算10名患者的CACS。低剂量PCCT与EID-CT相比，Agatston CACS的平均差异为-10.8。在较高的KeV水平和较强的迭代重建(IR)强度下的VMI也会导致较低的Agatston平均得分。较低的Agatston评分可能会导致冠状动脉钙化患者诊断不足，错误地将其归类为无钙化或较低风险组。

通过使用PCCT的光谱信息，可以在没有碘造影剂信号的情况下重建图像，从而无需进行平扫扫描。在67例患者中，与标准平扫扫描相比，由两种重建算法（VNC和纯净钙化（PC））得出的CACS低估了Agatston评分。这些算法的目标是在未来取代TNC扫描，但似乎需要进一步优化这些算法，以得出更准确的CCTA扫描钙化评分。

支架成像

在CT上，金属支架看起来较厚，这是因为开花伪影妨碍了支架内腔的评估。此外，支架的支柱之间的间距很近，使支架的成像变得复杂。11个冠状动脉支架的UHR-PCCT显示，PCCT的支架外径比EID-CT小，内径比EID-CT大（p<0.05）。PCCT图像中的开花伪影较少，因此支架直径的测量更为精确（图3）。

图3 73岁疑似阻塞性冠状动脉疾病患者的双源超高分辨率PCCT扫描A.显示冠状动脉周钙化，血管造影证实无明显狭窄。B/C.显示左前降支有支架，支架外的钙化压迫管腔。左前降支中段发现疑似狭窄。

血管内动脉瘤修补术（EVAR）术后患者的常规随访通常是通过CT使用TNC和CTA扫描来诊断内漏和准确区分钙化。在20例EVAR患者中，对两种造影剂去除算法（VNC和PC）进行了CTA图像重建，以研究它们是否能取代TNC图像。两种算法都能完全去除碘，但只有PC算法能将钙化和支架支柱的错误去除率降到最低。五点李克特量表显示，PC（4.2±0.9）比VNC（2.5±0.6）的图像质量更准确。两种算法的信噪比（PC=2.5±1.3，VNC=1.9±0.9）均低于增强扫描（3.3±1.6）。

其他心脏成像

有研究调查了PCCT在评估心肌方面的优势。Ayx等人比较了PCCT和EID-CT的心肌放射组学特征。放射组学特征包含基于像素的定量数据，可揭示人眼无法观察到的特征。两种扫描仪显示的一阶特征具有可比性，但二阶特征（纹理）的异质性更高。这种异质性可能表明空间分辨率、低能量光子检测和信噪比都有所提高。EID-CT和PCCT图像纹理之间的差异表明，这两种图像在放射组学评估中不能互换使用。纹理特征分析在心肌评估中的应用仍处于试验阶段，尚未证明其临床价值。

细胞外容积（ECV）量化是一种测量心肌组织膨胀的技术，通常通过磁共振成像进行测量。在大多数涉及心肌的病变中，ECV都会增大。要量化ECV，需要进行平扫和增强扫描。Mergen等人研究了延迟增强PCCT扫描中的碘图量化ECV的可行性。碘图的使用不会出现配准错误的情况，因此无需像CAC评分那样使用TNC图像。要确定利用PCCT定量ECV的临床疗效，还需要进一步的证据。

VMI被用于量化心外膜脂肪组织衰减。与传统CT相比，70 keV的图像具有相应的CT值，因此被认为是评估心外膜脂肪组织衰减的最佳方法。最后，一则病例报告显示，通过碘图对单个患者伴有阻塞性冠状动脉疾病的心肌梗死进行心肌灌注评估可行。

胸部成像

在胸部成像中，高空间分辨率对评估肺实质和周围低对比度结构至关重要，尤其是在间质性或肺泡性肺疾病患者中。借助血容量图，光谱特性可提供有关血管闭塞和肺灌注差异的信息（图4）。

图4 PCCT对肺栓塞的成像。A/B。轴向CT图像显示的双侧中央型肺栓塞患者。C.PCCT允许重建灌注血容量图，以确定肺部的灌注损失。左下肺较暗的区域表示灌注较少。红/蓝叠加增强了充满造影剂的解剖结构（蓝色）与血栓和灌注较少的组织（红色）之间的差异。

胸部成像的剂量减少

减少剂量是临床实践中的一个主要目标，对于间质性疾病或肺癌（筛查/治疗）患者尤为重要，因为在接受定期CT扫描进行治疗监测和随访时，他们的辐射量会迅速累积。PCCT允许以较低的辐射剂量（减少43%-50%）进行扫描，同时保持相同的图像质量。一项研究发现，在评估肺部病变时，PCCT（CTDIvol=2.5mGy）的信噪比低于EID-CT（CTDIvol=3.0mGy）。噪声水平较高的原因可能是PCCT的空间分辨率提高和使用了更清晰的卷积核。PCCT中较低的信噪比并不影响主观视觉评估。

肺气肿

要量化肺气肿，需要进行平扫。Jungblut等人研究了不同VMI（n=60）和VNC（n=65）重建对量化肺气肿的影响。就VMI（40-80 keV）而言，与VNC相比，80 keV的肺气肿量差异最小（-16%）。40 keV的单能级显示出更好的碘CNR（46.5±10.7vs29.1±7.5）和血管评估。考虑到同时评估肺血管和肺气肿，客观和主观分析表明在60和70keV之间重建的图像效果最佳。就VNC重建而言，动脉（p=0.41）和静脉（p=0.09）扫描阶段得出的VNC重建与TNC相比，肺气肿量化效果相当，这表明用VNC重建取代TNC扫描进行肺气肿量化可行。

胸部超高分辨率成像

采用超高分辨率采集（0.2mm）和锐利卷积核的可行性研究显示，四阶和五阶支气管、支气管壁、血管和肺实质清晰可见，肺结节也清晰可见。正确选择卷积核对优化使用高空间分辨率PCCT非常重要。在30名常见间质性肺炎患者中，与EID-CT相比，低对比度任务，如评估是否存在磨玻璃不透明（p=0.019）和镶嵌模式（p=0.013），显示出更高的读者信心。对于系统性硬化症，与EID-CT相比，在保持相同诊断准确性的同时，剂量减少了66%。

腹部成像

腹部PCCT的临床研究主要集中在三个方面：腹部增强扫描中解剖细节的需求，肥胖患者图像质量的改善，以及腹部恶性肿瘤、肝脏、脾脏和胰腺成像中的能谱后处理。

提高图像细节

在增强腹部成像中，与EID-CT相比，PCCT的客观和主观图像质量相同，但剂量较低或降低达57%。Sartoretti等人研究了增加IR强度对增强腹部扫描患者噪声大小和纹理的影响。增加IR强度不会影响噪声纹理。然而，噪声功率谱的面积随着IR强度的增加而减小，这与较少的噪声（45%）和较好的主观/客观图像质量（p<0.001）相对应。由于图像质量的提高，对腹部病变的诊断准确率也会提高。例如，Marcus等人发现，与DECT相比，PCCT检测到的尿酸和不含尿酸的正常和小尺寸肾结石（<3mm）的数量更高（70%vs54.4%）。

肥胖患者

为使肥胖患者获得高质量图像，需要提高kV，从而导致碘图像对比度比其他组织更大幅度降低。利用光谱信息，PCCT有可能计算出低kV的VMI。Decker等人在20名剂量匹配的患者中研究了低剂量平扫腹部PCCT与EID-CT相比的可行性。他们得出结论，BMI的增加对EID-CT噪声的影响（+39%）大于PCCT（+2%）。与EID-CT相比，PCCT对肠系膜血管、输尿管和肾盂等腹部结构的清晰度更高（总体图像质量：P<0.001）。低剂量腹部PCCT平扫能更可靠地诊断腹部病变，在与低剂量EID-CT相等的情况下信噪比更高。另一种策略是保持与传统EID-CT相同的图像质量，但降低对患者的辐射剂量。Hagen等人对一组因肿瘤原因接受扫描的肥胖患者（n=51）证实了这一策略，并将剂量降低了25%。

能谱后处理

虚拟单色图像可有效检测肝脏、胰腺肿瘤和腹膜病变（图5）。在100名肝脏病变患者中，与EID-CT相比（100/120 kV；4.31 IQR[3.11-5.17]），40 keV的图像在所有虚拟单色图像（120 kV）中具有最高的CNR（6.88 IQR[4.79-10.19]）。与40 keV相比，更高单能级（>70 keV）的图像噪声明显更小（分别为13.4 HU IQR[12.1-15.2] vs 20.4 HU IQR[17.0-24.2], p<0.001），主观分析结果也更好。

图5腹部光谱成像的优势。与70 keV图像相比，通过降低虚拟单能级，具有碘摄取的肝脏高密度病变更加清晰。

Niehoff等人研究了VNC重建与TNC图像相比对肝脏脂肪变性的诊断准确性。VNC图像显示肝脏（平均差值为8.7±4.7HU）和脾脏（平均差值为5.5±4.7HU）的HU值均较低，导致在仅将肝脏HU值纳入诊断时出现更多的假阳性。考虑到VNC与TNC相比，肝脏和脾脏的平均CT数值都较低，因此两者之间的比值与调整后的临界值被认为有助于诊断。Sartoretti等人发现VNC和TNC图像中肝脏低密度病变的HU值稳定，平均误差为3.7 ± 2.2 HU。Mergen等人发现100例患者中有95%的绝对误差（VNC/TNC）小于10HU。此外，当常规和60 keV图像的IR强度增加时，衰减值保持稳定。在另一项对29名肾上腺腺瘤患者的研究中，与TNC相比，VNC重建显示高估和低估了HU值，平均差异不显著，分别为9.2 ± 8.6 HU与7.3 ± 8.4 HU。尽管HU值的绝对值差异很小，却导致了7例肾上腺病变的错误分类。

在30例肝脏病变患者中，对肝实质和病变部位的碘定量进行了研究。测量了PCCT中的碘浓度，并与文献中发现的EID-CT值进行了比较。肝实质（1.7 ± 0.4 vs 2.1 ± 0.8 mgIodine/mL）和囊肿（0.2 ± 0.1 vs 0.2 ± 0.3 mgIodine/mL）的碘浓度相当，这为使用PCCT绘制碘图提供了机会。使用VNC/碘图可显示组织的灌注状态，并可能在检测肠梗塞中发挥作用。CNR的改善可检测到肠壁强化的细微密度差异。

神经成像

使用传统CT对大脑进行初步评估时，软组织对比度仍然很低，颅骨会产生线束硬化，小的解剖结构难以显示。高单能级的重建可以减少线束硬化伪影，而无需额外扫描。

灰质-白质区分

考虑到组织衰减仅相差约10HU，传统CT难以区分白质和灰质。主观上，在21例患者中，神经放射科医生使用PCCT比EID-CT能更准确地区分灰质和白质。客观上，与单能量重建（40 keV [2.26±0.96] - 120 keV [0.71±0.54]）相比，49例患者的传统PCCT图像具有更高的白质-灰质CNR（2.90±0.92， p<0.001）。在传统图像中，白质和灰质的CT值仍然只相差≈10HU（WM=33HU, GM=42HU）。40 keV的图像显示的分化更为明显，平均信号差异≈20HU，但图像噪声更大。低keV图像还容易受到头骨造成的更多噪声和线束硬化伪影的影响，导致SNR和CNR下降。与EID-CT相比，即使在低keV下，PCCT显示的线束硬化伪影也较少。目前，高分辨率（0.4/0.2mm）图像更有利于评估脑物质，但并非最佳图像。

神经血管成像

颅底和颈椎造成的线束硬化伪影极大地影响了对颈动脉和颅内血管疾病（即动脉粥样硬化病变）的评估。就信噪比/净信噪比而言，传统图像与VMI图像的结果相当，但从主观上看，CTA更有利于评估脑动脉（P<0.001）。两项研究共对17名患者进行了描述，结果发现，与EID-CT相比，VMI重建的碘对比度衰减更高（20.8%），在广泛骨质受累区域（颈动脉C2段）的线束硬化更少（图6A/B/C）。

图6 PCCT在神经成像中的应用。A/B/C 一名血流分流器闭塞的患者。由于PCCT的空间分辨率提高，分流管的管腔被清晰地描绘出来，从而可以对管腔进行评估。D/E 一名63岁患者的骨化性迷路炎。PCCT的高空间分辨率使其能够区分耳蜗内钙化和周围耳囊骨的部分体积效应，而传统CT对这两者的区分不太可靠。

颞骨

颞骨成像似乎得益于UHR-PCCT，因为其解剖结构的尺寸在亚毫米级。13名患者的UHR-PCCT由于减少了部分容积效应，主观上显示出清晰的解剖细节。与EID-CT相比，UHR-PCCT减少了辐射剂量（-31%）（图6D/E），从而提高了对听骨链异常、与听骨假体相关的术后变化以及耳后关节完整性的观察。

肌肉骨骼成像

PCCT能够显示骨小梁并减少骨科植入物附近的金属伪影，这引起了人们对使用PCCT进行肌肉骨骼成像的兴趣。

骨结构

UHR-PCCT扫描了四名患有转移性乳腺癌骨病变的患者。单个骨小梁等精细结构均可被观察到。在传统CT中，部分容积效应会影响区分小的转移灶和良性骨病灶。PCCT可准确描绘肿瘤边缘和骨刺，从而更明确地评估骨转移。三项研究对接受UHR-PCCT评估肩部/骨盆/腕部患者的骨成像质量进行了调查。与EID-CT相比，在辐射剂量降低31%-49%的情况下，精细皮质骨和骨小梁骨以及桥接胼胝体和肥大退行性关节炎后遗症的读者主观可信度更高。

骨科植入物

Zhou等人的研究表明，与EID-CT相比，借助锡过滤进行0.4mm光谱塑形的成像大大提高了对髋周骨折、植入物松动的诊断可信度（65%），并增强了对皮质骨、骨小梁和植入物-骨界面的描绘。与EID-CT相比，UHR-PCCT还能减少金属伪影（p<0.001）。这种效果在脊柱植入物患者中最为明显。PCCT的噪声水平≈12%，剂量效率提高了23%。图7展示了一个减少金属伪影的临床案例。

图7 能谱纯化与高能量（keV）相结合，对金属肘部植入物的骨骼进行无伪影成像。骨科植入物的高X射线衰减会导致金属伪影，在图像中表现为条纹和暗/亮区域。消除这些伪影对于评估骨科植入物的位置、骨整合和感染至关重要。A.使用光谱数据集，可从最终图像中排除低能量光子，与传统的双能量CT相比，由于减少了线束硬化和光子饥饿，这可能会提高减少金属伪影的性能。B CT扫描的实影渲染。

光子计数CT目前面临的挑战

光子计数CT除了优点之外，也存在一些局限性。在PCCT中，目前可达到的图像质量受限于X射线管的最大灯丝电流、最大功率和不适当的焦点尺寸。其次，许多研究都提到了PCCT减少剂量的潜力。这些研究的目的通常是证明图像质量不低于传统CT。要从PCCT的光谱特性中获益，需要相对较宽的能谱。要产生如此宽的频谱，需要相对较高的管电压，这通常与较高的剂量和较低的对比度相关，具体取决于临床任务。问题是这是否会导致剂量增加，以及光谱图像分析的优势是否能证明这一点。此外，PCCT产生的大量数据需要大量的计算资源，或在扫描前精确选择采集方案和重建以限制数据，尤其是在UHR模式下。最后，毋庸置疑的是，PCCT可以生成高质量的图像，并允许医生根据自己的喜好对图像进行后期处理，从而提高诊断的可信度。然而，PCCT对临床决策的影响仍未得到解答，PCCT是否会导致早期诊断或使侵入性干预过时等问题依然存在。

结论

PCCT是一种很有前途的技术，可以克服目前临床上使用的能量积分探测器CT的缺点。在心血管成像中，PCCT可改善小动脉的图像质量和支架的可视化，并可从CCTA中得出CAC评分。在胸部成像中，PCCT可以为经常接受CT扫描的患者减少辐射剂量。腹部成像的挑战，如肥胖患者的成像，可以通过PCCT得到缓解。额外的光谱后处理有可能改善肝脏和肾脏病变的可视化，但还需要进一步的研究来确定腹部PCCT的更多优势。在神经成像方面，对颞骨的清晰描绘可改善对这一狭小而复杂的解剖区域的诊断，但白质和灰质的区分仍具有挑战性。最后，在肌肉骨骼成像中，PCCT可以详细评估骨结构和骨科植入物的骨结合情况。描述PCCT临床应用的研究数量仍然有限，而且大多数研究的样本量较小，扫描采集方案也千差万别。预计在不久的将来，有关PCCT的论文数量将大幅增加。有必要在更大的患者群体中，使用标准化的采集设置来评估PCCT的能力，以研究光子计数CT对各种疾病的敏感性和分类的影响。

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编译整理自：van der Bie J, van Straten M, Booij R, Bos D, Dijkshoorn ML, Hirsch A, Sharma SP, Oei EHG, Budde RPJ. Photon-counting CT: Review of initial clinical results. Eur J Radiol. 2023 Jun;163:110829. doi: 10.1016/j.ejrad.2023.110829. 仅供专业人士交流目的，不用于商业用途。

2024年2月23日

原标题：《光子计数CT：初步临床结果回顾》

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