FDA批准首个光子计数CT系统

美国食品和药物管理局(FDA)批准了世界上第一个光子计数计算机断层扫描(CT)扫描仪，西门子Naeotom Alpha, 9月30日。FDA和CT专家都表示，这是新CT扫描仪技术革命的开始，也是多年来这种主力放射学模式在技术上的最大转变。

FDA罕见地发布了一份关于批准的新闻稿，指出了它对医学成像的重要性。

“计算机断层扫描是一种重要的医学成像工具，可以帮助诊断疾病、创伤或异常;规划和指导介入或治疗程序，并监测某些疗法的有效性。月桂伯克博士。他是FDA设备和放射健康中心x射线诊断系统团队的助理主任。“今天的行动代表了近十年来计算机断层扫描成像的首个主要新技术，并强调了FDA鼓励科学和诊断进步领域创新的努力。”

该设备使用了光子计数探测器的CT技术，它可以测量通过患者身体的每一个x射线光子，而目前的系统使用的是同时测量许多x射线中包含的总能量的探测器。通过“计数”每个单独的x射线光子，可以获得关于患者的更详细的信息，并用于用较少的无用信息(如图像噪声)创建图像。

西门子Naeotom Alpha的设计目的是将通过患者身体的x射线光子的信息转换成详细的三维图像，这些信息被探测器接收到。

“在CT扫描仪中使用光子计数探测器确实是CT成像的一次革新，因为x射线探测器是决定图像质量的秘密武器，有点像你的手机相机中的百万像素数量决定你照片的质量。辛西娅·麦克洛博士。梅奥诊所CT临床创新中心(Mayo Clinic CT Clinical Innovation Center)的科学主任，该中心与西门子合作开发了该系统并测试了系统原型。她说光子计数探测器比当前的传统CT扫描仪要好得多，这些特性可能会推动光子计数探测器成为未来几年CT技术的下一个主要转变。

“我们看到的景象令人难以置信。我们可以欣赏那些太小的结构，用之前的探测器技术无法解决。”McCollough说。“分辨率非常高，对噪音有好处，而且它是双能量+，因为你可以从一次扫描中获得多种能量。”

光子计数CT增强了中耳和内耳的可视化。耳蜗中耳和内耳的微小解剖结构，如镫骨(上排)和耳蜗(下排)左侧图像采用常规CT成像，右侧图像采用照相计数CT成像。图片由瑞典林雪平大学A. Persson博士提供。

新型CT检测器提高图像质量，效率更高，数据采集量更大

Naeotom Alpha创新的核心是新的光子计数探测器，它使用了主动探测层，比传统CT探测器具有优势。目前的CT技术采用两步转换过程，利用探测器中的闪烁层将x射线光子转换为可见光。然后，光电二极管光传感器将可见光转换为数字信号。由于这一中间步骤，有关x射线能量的重要信息丢失，无法再用于辅助诊断。此外，对比度降低，图像不清晰。

光子计数探测器只需要将x射线直接转化为电流，跳过了将x射线转化为可见光的步骤。这使得每个脉冲的能量阈值可以根据不同的千伏(kV)能级进行收集和分类。这可以创建数据来提高对比度，并实现双能量光谱成像。直接转换还有助于提高图像质量而不损失信息。这可以提高图像的清晰度和对比度。

光子计数探测器在高能物理和核成像领域已经应用了好几年。然而，这些前一代光子计数检测器不能用于临床CT扫描仪，因为它们无法跟上光子到达检测器的高速率。Naeotom Alpha上的探测器就是为提高速度而设计的。

Naeotom Alpha CT扫描仪内的光子计数传感器板的特写。图片来源:Deutscher Zukunftpreis/Ansgar Pudenz

光子计数CT的好处:

CT专家表示，光子计数系统的好处包括以下几点:
•没有电噪声:这使得肥胖患者和低剂量扫描的图像质量更好。
•较小的像素探测器:这将大大提高空间分辨率，从而比传统CT扫描仪提高图像质量，并有助于进一步降低噪声。
•不降低低能量光子的权重:这提高了图像对比度，包括碘对比度噪声比(CNR)。
•每次扫描内置的固有光谱成像:所有光子计数扫描都有光谱CT组件，因为探测器储存不同能量的光子，允许在后处理中访问它们，以显示其他能量的图像。这些扫描仪将消除对专用双能量CT扫描仪的需求。
•不带闪烁体的光子直接数字探测:首先，取消将x射线光子转换为可见光的两步转换过程有助于提高图像质量。这也允许光子计数探测器区分每个光子的能量，以实现双能量，光谱成像。

“这真的是探测器层面的一个变化，CT扫描仪发射光子的计数方式发生了根本性的变化，正如它的名字所说。托德Villines,医学博士是弗吉尼亚大学心血管医学部Julian Ruffin Beckwith医学教授，主编心血管CT杂志(JCCT)心血管计算机断层摄影学会(SCCT)的前任会长。“这是一种使用光子能量的更有效的方式，所以它不仅剂量更低，而且图像质量，特别是与支架和钙有关的图像质量，似乎比标准探测器好得多。”

光谱成像在光子计数CT扫描中的应用价值

Villines解释说，光子计数的光谱特性将使放射科医生或心脏病医生能够在扫描中从分子水平上剥离金属或钙，从而揭示支架内或充满钙沉积的血管内的组织或斑块。光谱成像的化学分解能力也有助于减少图像中金属伪影的泛滥，不仅适用于支架或假体瓣膜，也适用于骨科植入物和外科钉，这些通常会模糊图像中的视图。

这些新的探测器可以利用收集到的不同能量的光子箱来重建一系列的单能量图像渲染，类似于双能量CT，但在更宽的kV级光谱上。光子计数的光谱方面也允许基于构成扫描中各种材料的化学元素的材料分解，包括碘造影剂、钙和构成支架、骨科植入物和置换心脏瓣膜的金属。这可以更容易地自动去除金属开花伪影，并能够清晰地成像钙化动脉内部。

Villines说:“我们将能够更加自信地扫描那些有支架或冠状动脉高度钙化的患者。”“光子计数CT的意义非常深远。光子计数探测器的美妙之处在于它允许将发射的x射线直接转换为能量，这是一种效率更高的方法。它还允许你在不同的单能量kv中储存不同的能量。它还提高了空间分辨率，降低了噪声，使用更低的辐射剂量。”

他说，光子计数的光谱能力的另一个优势是能够分离各种造影剂，如碘、钆和铋，因此多种造影剂可以同时注射，成像系统可以显示每个单独的造影剂类型的图像，或将它们组合起来，以获得更高的软组织分辨率，接近MRI。他说，这方面的研究已经在进行，他怀疑多对比聚合扫描可能是未来十年光子计数扫描仪商业化和投入使用的趋势。

Villines说:“MRI总是能很好地描述组织，我认为CT有希望通过这项新技术做到这一点。”

一例新冠肺炎后患者的CT光子计数肺图像。光子计数技术可以同时获取和可视化细节结构(中心图像)结合功能信息(右图像)。左图为常规CT图像对比图。捷克共和国Plzen大学医院J. Ferda医生提供。

新型扫描仪在心脏成像中的优势

西门子Naeotom Alpha还使用了独特的几何结构来执行最先进的心脏成像。为了获得心脏的清晰、清晰的图像，该系统需要快速运行。

McCollough说:“这个系统速度非常快。“心脏成像就像给一个骑自行车的人拍照，想要数轮子上的辐条的数量，但辐条是模糊的，因为它们在移动。有了新系统，我们可以捕捉到心跳的一小部分，从而冻结运动。”

梅奥诊所新型第三代光子计数CT研究扫描仪固有的光谱能力，通过减少来自密集冠状动脉钙化(箭头)的明亮信号，可以清晰地显示冠状动脉腔的完整部分(箭头)。光谱CT能够以不同的能量对照片进行分类，这些能量可用于增强或根据图像的光谱特征从图像中减去化学元素，如图中所示的钙和碘。

光子计数CT系统的发展

明尼苏达州罗切斯特市梅奥诊所的CT临床创新中心。近十年来，他一直致力于研究光子计数CT检测这一新兴技术如何造福患者。这项工作是与西门子健康公司(Siemens Healthineers)合作的一部分，该公司开发了原型系统。

2014年，位于罗切斯特的梅奥诊所安装了世界上第一个能够进行人体成像的光子计数检测CT系统。第一项针对人类的研究始于2015年8月。从那时起，该中心与制造商密切合作，评估该技术的临床潜力。

第二代原型机于2020年在梅奥首次亮相。该系统解决了第一个系统的许多设计限制。第三代研究系统已于2021年4月启动并运行，是西门子正在进行的研究合作的一部分。今年4月，梅奥诊所在新系统上进行了第一次心脏扫描。考试的完成引起了研究团队的热烈掌声。

梅奥CT临床创新中心的医学主任Joel Fletcher医学博士说:“这种成像方式的进步每隔几十年才会出现一次。”他说，之前主要的CT技术创新包括螺旋CT、多探测器行CT和双能量CT。弗莱彻预测，在未来5年或10年，光子计数探测器CT将导致医学成像的重大进步，从而改善病人的护理。

弗莱彻说:“在我们所有人的职业生涯中，这是一个特殊的时刻，我们取得了这些改变范式的技术进步。”

西门子还表示，与梅奥医院和其他医院在该项目上的合作取得了重大成功。

“大约15年前，西门子Healthineers开始了光子计数及其临床前景的工作。我们一直相信其巨大的临床价值，并与我们的合作伙伴一起不懈地致力于此。我们很高兴我们获得了FDA 510(k)的批准，”André Hartung说，他是Siemens Healthineers的诊断成像主管。

所有主要CT供应商都在开发photocounting CT系统

所有主要的成像公司都在开发光子计数CT检测器。虽然这项技术已经在学术上研究了几年，但似乎有几家供应商已经接近将这些探测器商业化，西门子只是第一个进入市场的。

在RSNA 2020上，GE医疗表示光子计数CT检测器技术是未来的发展方向，并强调了其在2020年11月收购瑞典公司Prismatic Sensors AB。该公司正在开发光子计数，深度硅探测器，GE将用于其原型光子计数CT系统。通用电气于2021年开始运行这个原型系统。

三星正在与美国一所大型大学合作开发PCD技术，并在RSNA 2020上讨论了新探测器。

飞利浦医疗保健公司也有运行中的扫描仪原型。

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