医学影像技术体系 · 第 15 卷 / 共 44 卷
心脏、冠脉与斑块成像
本卷导读
汇总光子计数 CT 在心脏形态、冠脉斑块、支架与心肌成像中的临床研究，讨论其分辨率与多能量能力对心血管判读的影响。
知识结构
- 心脏一站式与冠脉应用
- 光子计数CT心脏一站式评估
- 光子计数CT心脏成像研究进展
- 双源光子计数CT：心脏CT和冠脉CTA应用概述
- PCCT心血管成像的7个问题
- 技术原理与临床结果
- 斑块、支架与血管成像
心脏一站式与冠脉应用
1. 光子计数CT心脏一站式评估
近日，牛津大学John Radcliffe医院在EHJ Cardiovascular Imaging Imaging（JCR分区：Q1）上发表了一个临床病例报告，发现PCCT 作为一站式检查手段，有可能改变 CAD 的管理模式。
一名 69 岁男性胸痛患者，没有临床症状且血流动力学稳定，胸痛 48 小时后入院，并伴有侧向 ST 段抬高急性冠状动脉综合征（STEACS）。
使用 ICA、CMR 和 PCCTA 进行多模式冠状动脉和心肌评估的成像方案。
使用光子计数CT NAEOTOM Alpha（Siemens Healthineers，Forchhiem，Germany）进行的Quantum HD Cardiac光子计数CT血管造影（PCCTA）显示，左旋支冠状动脉（LCx，A）有非钙化斑块，管腔闭塞，右冠状动脉（RCA）完全闭塞且逆行充盈。为确认犯罪血管，进行了血管周围脂肪分析并测量了 FAI 分数（CaRi-Heart® v2.6，Caristo Diagnostics），结果显示 LCx（B）炎症较重，左前降支（LAD，C）和 RCA（D）炎症较轻。
在 55 keV 的 PCCTA上评估心肌细胞外容积（ECV）（CT Cardiac Functional Analysis 2.1.0 prototype, Siemens Healthineers）。首过扫描（E）和延迟期（7 分钟，F-H）采集确定了心内膜下的低密度心肌区域和侧壁的延迟碘强化。首过碘基牛眼图检查证实了微血管阻塞（MVO，I）。延迟期碘基ECV图的透射心肌牛眼图显示侧壁心肌梗死，透壁率为50-75%（J-L）。
心脏磁共振（CMR）在平扫T1 加权图和早期钆增强成像（M-N）中证实了心内膜下的MVO核心，在晚期钆增强成像（O-P）中证实了侧壁 50-75% 的透壁梗死。
使用 PCCT 同时评估冠状动脉斑块炎症/狭窄和心肌碘增强。Quantum HD Cardiac PCCTA 显示，非钙化斑块导致 LCx 中段明显狭窄（A）。多能标准分辨率 PCCTA 的多血管脂肪衰减指数 (FAI) 评分分析显示，与 LAD（19.9，第 83 百分位数）（C）和 RCA（17.8，第 72 百分位数）（D）相比，LCx 的 FAI 评分显著增加（23.8，第 97 百分位数）（B），从而确定 LCx 病变是犯罪位置。RCA 近端完全闭塞，尽管没有钙化，但其炎症程度明显低于犯罪动脉（D），这与慢性疾病相符。
使用 PCCT 同时评估冠状动脉斑块炎症/狭窄和心肌碘增强。首过多能 PCCTA 显示微血管阻塞（MVO，绿色箭头）的低密度区（E），与 CMR MVO 结果（M-N，绿色箭头）相一致。在 55 keV 下读取的延迟期多能 PCCT 确定了 MVO（绿色箭头）和碘延迟强化（F）。基于碘的 ECV 图谱在首次扫描中确定了 MVO 区域（E&I，绿色箭头），在延迟相扫描中确定了梗死区域（G-H）。
使用 PCCT 同时评估冠状动脉斑块炎症/狭窄和心肌碘增强。延迟期扫描碘基透壁极坐标图显示 50-75% 的透壁心肌梗死（J-L）。CMR 成像证实梗死区域与 LCx 动脉相对应。
使用 PCCT 同时评估冠状动脉斑块炎症/狭窄和心肌碘增强。平扫CMR T1加权图（M）证实存在MVO（绿色箭头），表现为侧壁心内膜下像素的T1较低（色标为绿色），而周围坏死/水肿心肌的T1较高（色标为红色）。早期和延迟钆增强CMR成像证实了MVO，侧壁50-75%的透壁梗死（N-P，绿色箭头）与PCCT成像上的MVO和梗死位置一致。
这是首例在 STEACS 患者中使用 PCCTA 同时评估冠状动脉炎症/斑块和心肌的病例，既揭示了犯罪动脉，又评估了心肌组织状态。在临床验证之前，PCCTA 可为急性冠状动脉综合征的快速全面评估提供实用的一站式服务，为血管重建策略和长期管理提供指导。
自1971年第一台 CT 系统问世以来（参见XI区：回望：CT五十年（1968-2018）），临床 CT 系统一直使用闪烁体能量积分探测器（EID），该探测器采用两步检测过程。将 X 射线能量转换为可见光，然后将可见光转换为电信号。科学家对使用能量分辨光子计数探测器（PCD）的一步式直接 X 射线转换过程进行了详细研究。随后，首个临床 PCD-CT 系统于 2021 年投入商业使用。与 EID 相比，PCD 具有更好的空间分辨率、更高的对比噪声比、消除电子噪声、提高剂量效率和常规多能量成像。
能量分辨光子计数探测器（PCD）的典型设置。探测器的核心是由碲化镉（CdTe）、碲化镉锌（CZT）或硅制成的半导体层。X射线穿过患者后，被这层半导体吸收并产生电荷云，在探测器顶部阴极和底部像素化阳极电极之间的高电压（800-1000V）产生的强电场中，电荷云被分离。电子移动到阳极，产生短电流脉冲。脉冲整形电路将电流脉冲转换为电压脉冲，最大信号的一半宽度为10-15 ns。电压脉冲的振幅与吸收的能量成正比。当脉冲高度超过阈值时，就会对脉冲进行电子计数。PCD还可在多个电压阈值下运行，以提供能量分辨数据。
像素可以非常小（例如，投射到扫描仪等中心时为0.15×0.18mm2.）。与目前医用CT系统中使用的固态闪烁探测器相比，PCD具有多项优势。在能量积分探测器中，X射线光子的能量首先转化为可见光，然后产生电流。
这些格栅会降低探测器的几何剂量效率，因为其中吸收的X射线量子不会对测量信号产生影响。为了将这些死区造成的损耗保持在可接受的水平，有源探测器元件不能变得越来越小，这最终限制了能量积分探测器所能达到的空间分辨率。而能量分辨光子计数探测器则不需要单个像素之间的间隔，因此可以做得更小。几何剂量效率只会因反散射格栅而降低，而反散射格栅对于之前所有的CT探测器都是必要的。当探测器的像素非常小（例如投射到等中心时小于0.2mm）时，就不必在每个探测器元件之间设置反散射格栅。PCD的分辨率可达40 lp/cm以上，而能量积分探测器的最高分辨率为20 lp/cm。更高的空间分辨率为骨骼结构、肺部和小血管的CT检查提供了显著的临床优势，前提是噪声的增加得到充分解决。
在能量分辨PCD中，吸收的X射线产生的所有脉冲一旦超过代表光子能量T0的阈值电压就会被计数，阈值电压的值通常约为20-25keV。电子噪声的振幅很低，远远低于这个阈值。电子噪声不会导致计数，即使在剂量很低的情况下，此时统计泊松噪声是主要的噪声源。与使用能量积分探测器的相应扫描相比，辐射剂量极低的CT扫描或肥胖病人的CT扫描具有更低的图像噪声、更少的条纹伪影和更稳定的CT值，辐射剂量的降低似乎有可能超过目前的限制。
所有X射线量子对探测器信号的贡献权重相等，而不论其能量E大小。低能量量子基本上决定了CT图像中不同组织之间的对比度。在使用碘造影剂扫描时，PCD的吸收率特别高，刚好高于其33keV的K-edge，因此能生成碘对比噪声比更高的CT图像。这可以减少辐射剂量或造影剂用量。
能量分辨PCD可使用多个阈值能量。展示了同时采集两个测量信号的过程，其中检测到的量子能量超过了阈值T0和T1。将相邻能量阈值的探测器信号相减，就会产生"能量仓"数据，其中包含能量在两个阈值之间的所有X射线计数。对CT数据进行能量分辨测量，可在任何CT扫描中进行多能量材料分辨。所有已建立的双能量应用都可以使用两个能量仓。使用三个或更多能量仓采集数据可区分两种造影剂（碘和另一种K-edge大于40 keV的材料，如钆或金）。
在两个阈值能量（T0=20 keV，T1=70 keV）下采集数据的示意图，提供两个光谱分辨探测器信号。是一名25岁女性的腹部增强扫描图，该扫描图是用临床光子计数CT原型机在上述两个阈值能量下获得的。由低原子序数Z材料（如硅）制成的探测器与由高Z材料制成的探测器相比，光电吸收减少，探测器内的康普顿散射量增加。在探测器中发生康普顿散射的X射线会丢失有关原始相互作用位置的信息，从而导致生成图像的清晰度下降。一些散射光子也会离开探测器，不会对测量信号产生影响，从而导致剂量效率降低。
对于高Z值探测器（如碲化镉或CZT）来说，探测器中几乎不存在康普顿散射，大多数光子通过光电效应直接被吸收。然而，有两种效应会导致信息丢失：首先，光电效应会导致电子从探测器材料原子的内部电子壳（通常是K壳）中射出。当电子空位被填满时，原子可能会发射出特征光子，从而将部分入射能量带出探测器像素。这就是所谓的K逃逸。如果入射X射线光子的吸收发生在靠近像素边界的地方，那么所产生的电荷云可能会在相邻的两个像素之间分裂。这被称为电荷共享。单个高能X射线光子可能会被错误地计算为多个低能光子。例如，一个80-keV的光子可能在一个像素中显示为50-keV的光子，而在下一个像素中则显示为30-keV的光子。这会导致测量的X射线光谱失真，影响多能量应用。
像素越大，电荷共享和K逃逸对探测器信号的相对贡献就越小，但脉冲堆积的影响就越大。在高X射线通量下（CT系统在低衰减区域通常会产生高达109光子/秒/mm2的X射线），X射线击中探测器像素的速度太快，无法单独记录。能量过高时，多个重叠的脉冲会被算作一个光子相互作用。这被称为脉冲堆积。脉冲堆积会导致非线性计数率，最终导致探测器饱和。减少脉冲堆积的一种方法是使用较小的探测器像素，但K逃逸和电荷共享的影响会随之增加。另一种方法是使用edge-on的硅基PCD，因为它们具有更高的电荷载流子迁移率，可以处理更高的X射线通量，而不会出现脉冲堆积。
实现临床PCD-CT所面临的挑战。探测器材料（如碲化镉、CZT、硅）的高产能制造。碲化镉作为探测器材料的研究始于20世纪50年代。该材料群最有趣的特性是对多种辐射的敏感性。人们的主要兴趣集中在红外、X 射线和 γ 射线辐射探测器领域。碲化镉的商业潜力巨大，但碲化镉尤其是碲锌镉的晶体质量是一个限制因素。大多数应用所需的高电阻率 (ρ > 109 Ω·cm) CdTe 和 (ρ > 1010 Ω·cm) CdZnTe 的生长相当复杂。Acrorad 公司从碲溶剂中生长碲化镉（CdTe）和 Redlen 公司生长碲镉锌（CdZnTe）的方法（称为 "移动加热器法"（THM））取得了突破性进展。由于其优势，特别是在碲化镉晶体生长方面，移动加热器法现已成为高产生产这些材料的首选方法。然而，这仍然是一项复杂的技术，而且生长速度相当缓慢。THM 可产生直径达 3 英寸（75 mm）的两种材料的单晶体。碲化镉和碲锌镉之间的差异与电荷载流子的电阻率和迁移率-寿命有关。目前有几家公司正在通过 THM 法生产探测器级碲化镉和碲锌镉，如 Eurorad、Acrorad、EV Products Kromek和 Redlen。高电阻率晶体的生长是一项复杂的挑战。
2016年出现了用于直接转换半导体读出的专用集成电路。在像素尺寸的选择上有一个有趣的权衡：使用较小的像素尺寸可以处理较高的光子通量，因为单个像素每次看到的光子较少。这样可以最大限度地减少脉冲堆积。小像素的另一个优势是，像素越小，脉冲越短，从而提高探测器的高通量能力。这就是所谓的小像素效应。另一方面，小像素尺寸会增加电荷共享和K逃逸，从而扭曲光谱响应。开发读出ASIC所面临的主要挑战是如何满足相互矛盾的要求，尽可能降低电子噪声和功耗。
PCD开发和早期系统台式系统和小动物模型系统PCD的早期评估是使用小动物模型扫描仪和台式系统进行的。据报道，临床前研究使用了配备硅、碲化镉、CZT和砷化镓PCD的研究系统，这些系统具有2至8个能量箱，探测器像素尺寸小至55 μm，以便及早了解这种探测器技术的临床潜力。例如，利用这些系统对小鼠和兔子模型进行了小动物研究，以研究使用金纳米粒子对易受损伤的动脉粥样硬化斑块进行材料特异性成像，以及基于脂质体碘的渗透性和保留性增强进行肿瘤分化。这些系统还有助于扫描体外人体组织，如动脉粥样硬化斑块的动脉段或造影剂增强的软骨标本。还利用台式系统对光谱失真、电荷共享和脉冲堆积效应等物理概念进行了评估。
西门子医疗集团（Siemens Healthineers）利用其第二代双源CT系统（SOMATOM Definition Flash）制造了一套全身研究型PCD-CT系统（SOMATOM CounT），将两个探测器阵列中的一个换成了碲化镉PCD。PCD阵列有32排0.9 mm × 0.9 mm的探测器宏像素，相当于等中心0.5 mm × 0.5 mm。
每个宏像素包含4×4个正方形子像素，大小为0.225 × 0.225 mm2。可以使用宏像素（4×4子像素）或超高分辨率（UHR）模式（2×2子像素）获取数据，超高分辨率模式的有效探测器尺寸为等中心0.25 × 0.25 mm2。每个探测器配置有2个能量阈值，使用特殊的"chess"模式可获得4个能量阈值，该模式每隔一个宏像素就以不同的能量阈值运行，从而形成类似国际象棋棋盘的4个能量阈值分布。PCD阵列的视场（FOV）为275 mm，而EID系统的视场为500 mm。对于大于275 mm的物体，需要进行低剂量数据完成扫描，以避免截断伪影。该系统的一个重要特点是，它可以使用高达550 mA的管电流进行高通量扫描，这足以满足大多数全身扫描的需要，与商用EID-CT扫描仪提供的管电流相当。三个医疗中心（梅奥诊所、美国国立卫生研究院和德国癌症中心）都安装了该设备，并对这些系统进行了广泛的患者研究，结果表明PCD-CT与EID-CT相比具有多种优势，包括空间分辨率更高（150 μm）、辐射剂量更低、图像伪影更少，以及可同时进行高分辨率、多能量成像。
后来，西门子医疗集团制造了单源PCD-CT研究系统（SOMATOM Count Plus），该系统的PCD阵列具有500 mm的全视场。这种FOV和Z轴覆盖范围与商用EID扫描仪相当，而且无需数据完成扫描。PCD阵列由0.275×0.322 mm2的子像素组成，相当于等中心的0.151×0.176 mm2。由于准直器叶片的存在，UHR模式的有效最小重建层厚为0.2mm，多能模式为0.4mm。同一制造商生产的商用双源PCD CT（NAEOTOM Alpha）也采用了类似的探测器配置。
飞利浦公司制造了一个光谱光子计数CT(SPCCT)系统原型，并安装在法国里昂平民医院。该系统基于制造商的一个EID平台（iCT），使用2 mm厚的CZT PCD和ChromAIX2 ASIC。在高分辨率模式下，每个像素有5个能量阈值，探测器间距为等中心0.274×0.274 mm2。该系统具有完整的50 cm FOV和64×0.275mm（17.6mm）Z轴覆盖范围。目前已使用该系统进行了患者研究，以调查在心脏和肺部成像等不同领域的临床优势。
在低剂量检查中，EID产生的电子噪声会在重建图像中转化为条纹伪影和CT值不稳定性。电子噪声和相关伪影的存在限制了在肺癌筛查等低剂量检查中使用EID-CT系统所能达到的剂量降低程度。在PCD中可以通过能量阈值消除电子噪声的影响。
当最低能量阈值被设定为高于低幅电子噪声水平时，真实的X射线计数就能从电子噪声中分离出来（顶部），从而减少伪影，并在较低辐射剂量下提高CT值的稳定性。
在低光子通量条件下通过EID（a）和PCD（b）原型获得的拟人肩部模型图像。与EID图像相比，PCD图像的水平条纹伪影明显减少，整体外观更加均匀。
低能量X射线（如小于40-50 keV）具有显著的组织对比度信息，尤其是来自碘和骨骼的信息。然而，与高能量X射线相比，EID在这些低能量下产生的信号值较低。不幸的是，高能量光子几乎不携带组织对比信息，却能产生最多的信号。由于PCD会对每个光子进行计数，并将其分配到各个能量箱中，因此所有光子的权重都相同，与能量无关。相对于EID，低能量光子对PCD的贡献更大，从而改善了图像对比度和对比噪声比。除了这一基本优势外，由于X射线是根据其能量进行分档的，因此用户可以在采集后为各个能量分档分配自定义权重，从而提高图像对比度。
是在80 kV和140 kV电压下扫描的猪的EID-CT图像，显示在较高的管电压下碘对比度大幅下降。是在140 kV电压下扫描的同一动物的PCD-CT图像。在低能量阈值图像(TLow)中，主动脉中的碘信号（箭头）更高，该图像包含25到140 keV的光子。包含25至65 keV光子的1号仓图像具有最高的碘信号，甚至比EID-CT系统在80 kV电压下获得的碘信号更亮。
一些文献报道已经证明了PCD-CT提高空间分辨率的临床优势。除了更高的空间分辨率外，较小PCD像素的更精细探测器采样也可用于降低图像噪声。使用检测器采样更精细的PCD阵列采集数据时，如果CT图像的重建图像清晰度（即重建卷积核）比系统的最大空间分辨率更平滑，就能降低图像噪声。还可以利用降噪优势，在固定目标图像噪声的情况下减少辐射剂量。
一名74岁男性因多发性骨髓瘤接受全身低剂量CT骨骼检查时的轴向图像。EID-CT图像（左）和高空间分辨率PCD-CT图像（中）是使用相同的辐射剂量（4.2mGy）、层厚（2mm）、几乎相同的重建卷积核（B62和B64）和矩阵大小（512）获得的。与其他匹配的EID-CT图像（左）相比，PCD-CT 2mm图像（中）的噪声低20%（白色圆形感兴趣区内为56 HU对45 HU）。这是PCD系统内在分辨率较高的结果。PCD-CT采用更薄（1mm）的层厚和1024×1024矩阵，提高了空间分辨率，但图像噪声与EID-CT图像相似。椎体病变（箭头）的轮廓更加清晰。与EID-CT相比，PCD-CT分辨率的提高可能不需要增加患者剂量就能达到相同的图像噪声水平。
由于PCD-CT系统的每个探测器像素都配备了专用电子设备，可根据各自的能量对X射线光子进行计数和分选，因此可在恒定管电压下获取多能量（光谱）数据。与传统的基于双源或kV快速切换的双能量CT相比，这是一个根本性的优势，因为传统的双能量CT需要两个不同的电压光谱来获取光谱CT数据。PCD-CT可在单管电压下对所有检查类型进行高分辨率的光谱采集。这样就可以常规生成虚拟单色图像、虚拟去钙或虚拟平扫图像以及碘图。
理想的PCD会在原始撞击位置记录每个光子的真实能量。然而，电荷共享和K逃逸等物理机制会导致能量从原始撞击位置扩散到相邻的探测器像素。有人提出了将同时到达相邻像素的信号相加的方案，将信号之和归于贡献最大的像素。
这种"电荷相加"方案已在Medipix3原型探测器中实施。这种方法的主要缺点是需要大量的模拟像素间通信，大大增加了死区时间，因此对于CT等高通量应用来说速度太慢。
由Hsieh开创的另一种方法需要记录相邻像素同时出现的计数。这种"巧合计数"方案的主要简化之处在于，它不需要在像素之间进行任何模拟通信，从而避免了死区时间的增加或堆积。在这些额外的重合计数器中记录的计数可用于校正因电荷共享或K逃逸而扭曲的计数。在最简单的形式中，两个相邻像素中低能量区的两个计数将被其中一个像素中高能量区的一个计数所取代。只要计数率不高，不会导致相邻探测器中两个或多个近乎同时出现的计数被误认为是一个"电荷共享"计数，这种方法就能奏效。展示了光谱响应的改进结果。这种简单的机制既成功地消除了40和65 keV之间的低频重复计数峰，又大大减少了在低频区记录的高能光子数量。
作为输入光子能量函数的碲化镉光子计数探测器的比邻灵敏度（每个进入光子的计数），像素尺寸300 μm，阈值20和65 keV。蓝线显示的是没有任何巧合计数机制的灵敏度。棕色线条显示的是包含简单巧合计数机制的探测器的响应，在这种机制下，两个相邻像素的低能量区中的两个计数被其中一个像素的高能量区中的一个计数所取代。
能量分辨光子计数探测器CT是CT技术的一大进步。与目前的能量积分闪烁探测器相比，能量分辨光子计数探测器CT可提高空间分辨率、改善对比噪声比、消除电子噪声、提高辐射和碘剂量效率，并可同时进行多能量成像。利用能量分辨光子计数探测器CT进行高空间分辨率、多能量成像已被用于研究新的成像方法，包括多对比剂成像。
编译整理自：McCollough CH, Rajendran K, Leng S, Yu L, Fletcher JG, Stierstorfer K, Flohr TG. The technical development of photon-counting detector CT. Eur Radiol. 2023 Aug;
2. 光子计数CT心脏成像研究进展
心脏CT，尤其是心电门控冠状动脉CT血管造影术（cCTA），由于新一代CT设备的快速技术进步，已成为临床常规检查项目。
PCD由碲化镉、碲化镉锌或硅等半导体组成。入射的X射线量子被这种半导体吸收并直接转换成电信号。这是与以前用于医用CT的闪烁探测器的本质区别，在闪烁探测器中，X射线量子首先产生可见光，然后再转换成电信号。
碲化镉/CZT光子计数探测器示意图。探测器像素由共阴极和像素化阳极（虚线表示）之间的强电场形成，没有分隔层。在本图所示的探测器结构中，两个用于抑制散射辐射的准直器叶片之间有四个像素。每个像素有四个数据流（用彩色箭头表示），分别对应四个不同的计数阈值能量（因此记录的X射线有四个不同的能量范围）。
半导体中信号脉冲的大小与吸收的X射线量子能量成正比。一旦脉冲能量超过阈值，电子元件就会对其进行计数，这就是"光子计数探测器"名称的由来。通过同时应用几个不同的阈值，登记的X射线量子被划分为不同的能量范围。PCD可以定期提供光谱CT数据。与闪烁探测器不同，PCD对电子噪声不敏感，因为计数阈值远远高于背景噪声水平。与传统能量积分探测器相比，在低X射线通量下，CT图像的图像质量更好，图像噪声更小。在使用碘造影剂进行扫描时，对所有X射线量子（即使是能量较低的量子）进行相同权重的计数，可获得更高的组织对比度。传统CT扫描仪为cCTA提供的各向同性空间分辨率约为0.4-0.5mm。临床双源PCD-CT（NAEOTOM Alpha，德国西门子医疗集团）扫描平面的最大空间分辨率为：标准扫描 0.208 mm，UHR扫描 0.125 mm。
20世纪90年代初，电子束CT(EBCT)确立了量化冠状动脉钙化(CAC)以预测心血管事件可能性的方法。2007年，多层CT的CAC评分标准达成共识。其中建议的扫描和重建参数（120kVp X射线管电压、2.5-3mm轴向层厚）现已得到广泛认可。然而，使用不同供应商的CT设备测得的Agatston评分仍存在很大差异。
在模型和尸体标本上对PCD-CT原型进行的研究表明，既定的扫描和重建参数也可用于PCD-CT，并可获得与传统CT相当的CAC评分。与传统CT相比，PCD-CT能够更准确地量化CAC，尤其是在层厚减少或卷积核更清晰的情况下。
PCD-CT原型首次在志愿者身上证实，与传统CT相比，CAC评分的辐射剂量显著降低。在一项对10名患者进行的研究中，他们同时在第三代双源CT和调整了方案参数的临床PCD-CT上进行了CAC评分，结果显示，PCD-CT的辐射剂量仅为传统CT的一半（PCD-CT的剂量-长度乘积(DLP)为38.7 mGy·cm，而传统CT为74.8 mGy·cm），却获得了相当的评分结果。
PCD-CT可根据碘和软组织的光谱材料分解，常规提供虚拟单色图像(VMI)。在VMI上，碘衰减（单位为Hounsfield单位，HU）与使用所需能量（单位为keV）的单能X射线束采集的图像相同，与数据采集时的实际X射线管电压（单位为kVp）无关。这种方法可以使图像结果更加标准化。对于CAC评分，必须选择适当的keV以尽可能接近传统CT的评分结果。在PCD-CT原型上进行的尸体心脏模型研究中，120 kVp扫描的VMI能量水平为72 keV时获得的一致性最好。其他作者发现，在70 keV的VMI能量下，使用临床PCD-CT获得的CAC评分模型得分与传统CT（均为120 kVp）得分之间具有很高的相关性，但PCD-CT获得的得分系统性地略低。这些结果在PCD-CT中Agatston评分中位数较低的23名患者身上得到了证实，但这些结果在统计学上并不显著。根据目前的知识，一般建议在PCD-CT进行CAC评分时使用70 keV的VMI。
选择用于CAC评分的最佳KeV水平还取决于迭代重建的使用。临床PCD-CT模型研究的结果表明，与滤波反投影相比，迭代重建的强度越大，CAC评分越低，这有可能通过在较低的KeV下重建VMI来弥补--那么，目前不推荐用于CAC评分的迭代重建就有可能用于降低辐射剂量。通过微调VMI的KeV级和迭代重建的强度来逼近传统CT的CAC评分的方法被推广到使用120 kVp以外X射线管电压的PCD-CT，以进一步减少辐射剂量。使用90 kVp和Sn100 kVp（即通过锡滤波器进行光谱整形的100 kVp），并适当调整keV级和迭代重建，可获得与传统CT相当的CAC评分，辐射剂量减少了19%至67%，具体取决于研究设计和参考剂量。
有人尝试通过能谱cCTA扫描来确定CAC评分，以避免平扫CAC评分扫描。通过将两种材料分解为碘和软组织生成的虚拟平扫（VNC）图像来测量CAC评分。这种方法具有良好的相关性，但系统性地低估了CAC评分--钙被归因于两种基础材料图像，仅部分出现在VNC图像中。该技术旨在去除增强心脏CT图像中的碘，并在虚拟非碘(VNI)图像中只留下钙。这些图像可用于CAC评分，因为钙密度应得到保留。通过移动冠状动脉模型，使用Agatston方法进行基于VNI的CAC定量的准确性已得到证实，即使在高达80 bpm的高心率下也是如此。然而，基于VNI的评分随着血管内衰减的增加而降低。一项对67名计划在临床PCD-CT上进行cCTA的患者进行的研究表明，在70 keV下，VNI图像与CAC评分有很高的相关性，但仍然低估了CAC评分，尽管比VNC重建低得多。在一项针对90名接受延迟增强心脏CT扫描以进行经导管主动脉瓣置换术（TAVR）规划的患者的研究中，采用最高级别迭代重建（Quantum Iterative Reconstruction QIR4，西门子医疗）的70 keV VNI图像上的CAC评分与真实图像上的CAC评分显示出极佳的一致性。主动脉瓣钙（AVC）和二尖瓣环钙（MAC）在80 keV时的量化效果最佳，与QIR强度无关。与Emrich等人的研究结果存在差异的原因是CAC平均得分更高、软件版本更新以及延迟增强图像与cCTA图像相比血管内衰减更低。随后，研究人员对keV和迭代重建强度进行了微调，以改善cCTA VNI图像的评分结果。
利用PCD-CT进行CAC评分的临床实例。(a) 一名73岁男性患者的平扫CAC扫描（120 kVp、70 keV、3mm层厚、Qr36、61 bpm）。Agatston评分322。（b）增强扫描的VNI图像（120 kVp，70 keV，3mm层厚，Qr36，57 bpm）。Agatston评分330。请注意，由于造影剂增强扫描的辐射剂量较高，VNI图像的噪点减少了。
能谱数据采集与VMI重建可以很好地再现传统CT的既定结果，同时减少辐射剂量。据报道，平均DLP降低了26%，从传统CT的45 mGy·cm降至临床PCD-CT的33.4 mGy·cm。根据常规CT使用的方案，剂量节省可高达50%。在增强扫描的VNI图像中计算CAC评分，可省去平扫CAC评分扫描，从而减少辐射剂量。
冠状动脉CT已成为心导管检查的无创替代方法，目前已被指南推荐。在冠状动脉钙化严重或使用较小冠状动脉支架的患者中，空间分辨率仍是cCTA的一个难题。晕状伪影和可视化不清晰阻碍了对冠状动脉斑块体积和斑块组成的评估以及对不良斑块特征的识别。
PCD-CT空间分辨率的提高首先体现在模型实验和小动物扫描中，显示冠状动脉支架成像效果更好，支架内腔划分更清晰，冠状动脉斑块的可视化效果更好，钙化病变引起的狭窄的量化准确性也有所提高。虽然这些研究以技术为导向，但它们确实凸显了后期患者扫描的机遇和挑战（例如，与高空间分辨率扫描相关的图像噪声增加）。
一项对14名受试者同时使用传统CT和PCD-CT原型进行cCTA的初步研究显示，在辐射剂量相当的情况下，PCD-CT的图像质量更好，冠状动脉钙化斑块上的开花伪影显著减少，诊断可信度评分更高，这归功于更高的空间分辨率。在一项针对8名冠状动脉支架患者的研究中，与传统CT相比，PCD-CT测量的外部支架直径更小，内部支架直径更大，开花伪影减少，图像质量主观评分更高。
对92名患者进行了cCTA与临床双源PCD-CT的可行性评估。在90.9 mGy·cm的低中位DLP（相当于1.4 mSv的有效剂量）条件下，冠状动脉节段的可及性达到了95%的高图像质量和CNR。高CAC（Agatston评分>600）或大螺距模式下的高心率限制了冠状动脉节段的可及性。
一项针对在临床PCD-CT上接受UHR-cCTA的20名患者的研究对最佳图像重建参数进行了系统评估。采用0.2mm层厚和锐利卷积核（Bv64或Bv72）进行图像重建时，冠状动脉斑块的特征和邻近血管腔的轮廓非常清晰，且不会出现明显的开花伪影。后续研究调查了这些结果对冠状动脉支架成像和UHR-cCTA定量斑块分析的适用性。在使用36个冠状动脉支架的22位患者中，支架评估的定性评分从参考标准（0.6mm/Bv40）的次优/良好提高到UHR重建的非常好/优秀。体外支架直径测量值的绝对差异从参考标准的1.2 ± 0.4 mm显著下降到UHR重建的0.5 ± 0.3 mm。在20名患者的22个冠状动脉斑块中，与参考标准重建相比，UHR重建的斑块总体积明显减少（减少23%），钙化斑块成分明显减少（减少32%）。纤维成分的体积保持相似，而低衰减成分的体积则明显增加。在对一名68岁男性患者的病例研究中，UHR-CCTA与临床PCD-CT可观察到经光学相干断层扫描（OCT）证实的微钙化和纤维帽。低衰减和微钙化是高风险斑块的标志。UHR-cCTA有可能改善患者的风险分层。显示了UHR-cCTA的临床示例。
临床PCD-CT上一名82岁男性患者的超高分辨率cCTA。数据采集时的心率为66 bpm：(a)标准参考重建（0.6mm层厚、Bv40、QIR4）。（b）UHR重建（0.2mm层厚，Bv56，QIR4）。注意UHR图像中近端LAD的可见度提高，管腔直径增大（箭头），而在标准重建图像中，近端LAD几乎闭塞。
经导管主动脉瓣置换术前，一名62岁男性患者在临床PCD-CT上的超高分辨率cCTA。数据采集时的心率为74bpm：(a)标准参考重建（0.6mm层厚、Bv40、QIR4）。可见近端RCA中度狭窄（直径60%）（箭头）。（b）UHR重建（0.2mm层厚，Bv60，QIR4）。请注意钙化程度降低，因此被重新归类为轻度狭窄（直径38%）。
临床PCD-CT上一名68岁男性患者的超高分辨率cCTA（回顾性心电图门控）。数据采集时的心率：72 bpm。UHR重建（0.2mm层厚、Bv60、QIR4）。（a、b和c）尽管CAC得分高达5220分，但LAD、RCA和CX的CPR仍能可靠地排除明显的冠状动脉狭窄。
与125 ms相比，时间分辨率为66 ms的重建中冠状动脉的主观图像质量明显更优，支架开花伪影明显更低，图像清晰度更高。在一项针对68名在TAVR之前有临床指征的cCTA患者的研究中，与作为金标准的有创导管血管造影术（ICA）相比，临床PCD-CT上的UHR-cCTA在检测CAD方面具有很高的诊断准确性。对于有严重冠状动脉钙化（Agatston评分大于1000）的患者，准确率为83%，对于曾植入支架的患者，准确率为93%。据作者称，54%的参与者可以避免ICA，这表明UHR-cCTA有潜在的益处。
与UHR-cCTA相比，临床PCD-CT迄今为止只能在空间分辨率较低的标准扫描模式下利用能谱信息。在标准扫描模式下，高时间分辨率和大螺距螺旋扫描中的精确光谱物质分解已在模型扫描中得到证实，而且不同采集模式和心率下的光谱结果也很稳定。通过VMI重建，成像结果可根据临床要求进行微调--低keV VMI可增加cCTA的图像对比度，而高keV重建可减少钙化斑块的开花伪影。这在传统的光谱CT扫描仪中已经观察到，但在cCTA中尚未得到常规应用。一项针对8名受试者在PCD-CT原型和传统光谱CT上进行cCTA的研究发现，PCD-CT的40-90 keV VMI能更好地检测冠状动脉管腔，血管清晰度更高，整体质量更好。这种差异在低keV时最为明显。在对临床PCD-CT进行的模型和患者联合研究中，在低keV、高水平迭代重建的VMI重建中，CNR、血管锐利度和血管衰减均有71%的改善，其中40 keV和QIR4的效果最佳。低keV VMI中碘CNR的增加可减少造影剂用量。在一项模型研究中，当使用40 keV的VMI进行评估时，同样50 ml的造影剂团在50%的造影剂浓度下仍能获得cCTA的诊断质量。最近对100名患者进行的一项研究表明，由于PCD-CT在45 keV的VMI中具有较高的碘CNR，因此在保持cCTA诊断图像质量的同时，造影剂最多可减少40%。在一组接受cCTA的53名患者中，他们在临床双源PCD-CT的大螺距螺旋扫描模式下使用标准造影剂剂量或减少造影剂剂量，标准造影剂剂量的一半（30ml 350 mgI/ml造影剂）就足以在50 keV的VMI中达到诊断图像质量。对100 keV VMI的额外评估提高了读者对钙化斑块和支架内管腔狭窄评估的信心。联合评估50 keV和100 keV VMI对诊断有影响，可降低6名患者的CAD-RADS分级。CAD-RADS分级降低的原因是100 keV图像中的钙化现象减少。
临床PCD-CT上一名73岁患者的能谱cCTA（0.6mm层厚、Qr40、QIR3、55bpm）。左心室动脉钙化斑块（箭头）。55、65、75、85和95 keV下的VMI：注意随着keV值的升高，钙化开花伪影明显减少，但碘对比度降低。65 keV的VNCa：在不降低碘对比度的情况下，钙化斑块从充满对比度的血管中移除。
一种基于光子计数CT双材料分解为钙和碘的新应用，旨在去除造影剂填充血管中的钙化斑块，同时不降低虚拟非钙（VNCa）图像中的碘对比度。迄今为止，这项应用已在一项人体模型研究中得到验证，研究表明，在模拟心率高达每分钟80次的情况下，严重钙化斑块产生的开花伪影有所减少，图像的可解释性也有所提高。要想更好地评估冠状动脉管腔，还必须在临床研究中得到证实。
对于cCTA而言，PCD-CT与传统CT相比最大的优势似乎在于获取超高分辨率数据，从而有可能扩大cCTA的范围。初步证据表明，UHR-cCTA甚至可以取代严重钙化和已植入支架的患者的ICA诊断，从而改变临床管理。UHR-cCTA支持当前的研究课题，如冠状动脉斑块分析，提供更精细、可能更准确的信息，从而改善患者的风险分层。
在获取能谱数据时，cCTA图像结果可通过VMI重建灵活适应临床要求--无论是在高keV下减少钙化开花或金属伪影，还是在低keV下增加次优血管对比度，甚至可能减少造影剂的使用。这些实际优势有助于常规诊断，并可减少诊断价值有限的扫描次数。由于迄今为止还缺乏相关研究，因此还无法对精细的光谱图像分析技术进行有意义的评估，例如从造影剂增强的冠状动脉中去除钙化斑块。
虽然PCD-CT标准分辨率cCTA的辐射剂量与传统CT的剂量优化检查相当，但有报道称超高分辨检查的辐射剂量更高。UHR检查的诊断收益也应考虑在内，辐射剂量可进一步优化：Hagar等人使用剂量调制，将心电脉冲设定在R-R间期的20-80%。在未来的研究中，调整这个相对较宽的窗口可能会降低辐射剂量。有研究已经报告了较低的辐射剂量值。
在临床常规检查中，评估心肌只能通过心脏磁共振成像或核素成像进行。有人尝试使用CT来确定缺血或永久性瘢痕，例如通过静态或动态心脏CT灌注或延迟增强成像。能谱数据的采集可通过更好的量化带来逐步改善。
CT延迟增强图像是在cCTA使用碘造影剂5-10分钟后采集。心肌纤维化主要由心肌梗死引起，也可由扩张型和肥厚型心肌病、淀粉样变性、心肌炎和肉样瘤病引起，会导致CT晚期扫描的高增强。计算细胞外基质在整个心肌中所占的百分比可代替单纯的目测评估。要通过CT确定ECV，需要将心肌中碘浓度的变化与血池中相应的变化进行归一化，方法是从后期增强扫描中减去前期对比扫描的图像，或从延迟增强光谱CT扫描中计算定量碘图（参见XI区：光子计数CT心脏一站式评估）。一项针对30名计划进行TAVR的重度主动脉瓣狭窄患者的研究证明了PCD-CT确定ECV的可行性。所有患者都接受了CAC评分扫描、cCTA扫描和使用100 ml 370 mgI/ml造影剂5分钟后的延迟扫描。用减影法和光谱法计算出了83个ECV分数，两者之间显示出高度的相关性。中位ECV分数为30.5%，与重度主动脉瓣狭窄患者的文献值十分吻合。两个局灶性ECV升高与已知的既往心肌梗死相关。在另一项研究中，29名参试者当天接受了心脏PCD-CT和MR检查，ECV值与MR作为参考标准进行了比较。PCD-CT与MR在中心室和整体心室容积量化方面显示出很强的相关性，但能谱法略微高估了心室容积约2%，减影法略微低估了3%。这类患者通常有MR成像禁忌症，而采集延迟增强的PCD-CT可作为这类患者的替代方法。显示了延迟增强和ECV定量的图像示例。
在临床PCD-CT上对一名46岁女性患者进行的光谱cCTA和ECV评估（144×0.4mm，0.6mm层厚，Bv40，QIR3，57bpm）。(a和b)cCTA的实影渲染和CPR显示CX近端动脉自发夹层（箭头）。（c）延迟增强的叠加彩色图显示下壁有一ECV增高（箭头）的病灶区域，与该左侧优势冠状动脉系统的CX夹层相对应。
心外膜脂肪组织（EAT）的数量与多种心血管和代谢疾病的发生和严重程度直接相关。通过无造影剂和有造影剂的心脏CT扫描确定心外膜脂肪组织的体积可基于CT值阈值，但这取决于X射线管电压和造影剂的存在，目前仍缺乏标准化的方法。PCD-CT可以提供这方面的标准化方法。在固定的KeV水平重建VMI可提供与X射线管电压无关的脂肪衰减值。研究发现，70 keV的VMI与120 kVp传统CT测得的脂肪衰减值最为接近。使用PCD-CT进行增强扫描时，VNC图像和钙保存VNI图像都用于量化EAT的数量，VNI图像与TNC图像的差异极小（-3%），可以忽略不计。
在一个病例系列中评估了PCD-CT在TAVR之前和之后检查患者的性能，结果显示PCD-CT在评估主动脉瓣、主动脉根部、冠状动脉和可能的血管通路方面具有优势，因为它具有超高的空间分辨率和光谱能力。
在因怀疑先天性心脏缺陷而接受大螺距增强CT的儿童中，PCD-CT在辐射剂量（0.50对0.52 mSv）相近的情况下，心血管成像质量高于传统的双源CT。
利用PCD-CT进行光谱成像可对心肌灌注进行碘定量，从而对心肌进行评估。其应用多种多样，无论是作为cCTA的附加信息确定首过增强扫描中的灌注缺损，还是包括ECV定量在内的延迟增强扫描中缺损的可视化。PCD-CT目前尚未广泛应用--只有一家制造商生产了商用系统，其他制造商迄今为止只安装了临床前原型。它们都将高空间分辨率和光谱能力作为心脏CT的关键要求，尽管实现方法各不相同。商用系统还通过双源原理（参见XI区：双源CT的技术原理与临床应用）提供非常好的时间分辨率。
PCD-CT不是一种新的模式，而是传统CT的演变和完善。它不会取代其他成像模式（如MR成像）的特定应用，也不会使其过时。特别是，磁共振成像的无辐射剂量、高组织对比度和多参数功能仍将非常突出。初步研究结果表明，PCD技术仍可显著改善心脏CT的性能。卓越的诊断能力、减少对再次成像的需求，以及可能避免不必要的手术（例如，即使是对高风险患者进行诊断性ICA），这些都可能超过目前高昂的购置成本，并有助于在以成本为导向的医疗环境中广泛使用PCD-CT。
基于放射组学和深度学习的精细图像分析正越来越多地应用于心脏CT，例如用于评估EAT和冠状动脉斑块的特征。目标是预测不良事件的风险。PCD-CT更高的空间分辨率与额外的光谱信息相结合，可能会在这一领域取得重大进展。在高分辨率PCD扫描中，有机样本可以通过其放射组学特征得到更好的区分，PCD-CT提供了高测试重复稳定性的特征，这可能会促进放射组学分析在临床常规中的应用。在第一批临床研究中，比较了PCD-CT和传统CT的心肌放射组学特征。研究发现，主动脉周围脂肪组织和左心室心肌的纹理变化与CAC的严重程度有关。利用冠状动脉PCD-CTA获得的100 keV VMI和VNC图像，可通过基于放射组学特征的机器学习方法自动区分低危和高危冠状动脉斑块。
编译整理自：Flohr T, Schmidt B, Ulzheimer S, Alkadhi H. Cardiac imaging with photon counting CT. Br J Radiol. 2023 Dec;
3. 双源光子计数CT：心脏CT和冠脉CTA应用概述
无创心脏成像正在快速发展，最近取得了重大技术突破。临床对于不同成像技术的需求都在不断增长，其主要驱动力是排除明显的冠状动脉管腔狭窄或冠状动脉异常、调查心肌组织特征、评估冠状动脉粥样硬化斑块的形态和特征，以及为介入手术提供充分的术前支持（参见XI区：无创冠脉粥样硬化斑块成像最新进展（上）无创冠脉粥样硬化斑块成像最新进展（下））。CT是解决这些问题的有力工具，在需要进行血管造影/解剖评估时，它已被视为心血管疾病的主要诊断工具。然而，对于心脏和冠状动脉而言，仍存在一些局限性（也取决于相关技术），主要包括对比分辨率有限、对严重钙化和支架患者进行血管造影的空间分辨率不够理想、金属/钙化/线束硬化伪影以及组织特征描述能力不够理想。CT扫描还存在一些直接风险，如电离辐射暴露增加，以及造影剂引起不良反应或造影剂肾病的可能性。
光子计数计算机断层扫描（PCCT）是一种新引进的CT探测器技术，已开发超过20年，最近才进入临床领域。西门子医疗于2021年9月通过了美国食品药品管理局（FDA）的认证，并发布了全球首台商用PCCT扫描仪（NAEOTOM Alpha）。2023年10月，该设备获得了NMPA的认证，正式在中国上市。来自意大利的学者总结了PCCT在心血管疾病中的应用，我们一块学习一下。
PCCT基于全新一代的X射线探测器。迄今为止，CT探测器的标准技术是能量积分探测器（EID），光子撞击探测器表面，检测到的信号与所有光子沉积的总能量成正比，而没有关于单个光子或其能量的具体信息；这是因为光子转换成光时存在一些固有的局限性，如空间分辨率有限、散射、低能量光子丢失以及没有能级区分。而PCCT探测器是由碲化镉、碲锌镉或硅制成的半导体探测器材料组成，可直接将每个X射线光子转化为电子空穴对。这样就能直接检测到光子，对其进行计数（即光子计数）并将其分离到特定的能量水平，同时消除电子噪声（参见XI区：光子计数CT的基本原理与临床价值初探）。这种探测器特性在心血管成像中具有重大临床益处，可将空间分辨率提高一倍以上，减少伪影，降低X射线剂量和造影剂用量，并可同时采集多种能量，以确定心肌组织和/或冠状动脉粥样硬化斑块的特征。
与PCCT技术有关的基本特点和技术改进。PCCT有两种不同的工作模式：传统模式和能谱模式。第一种模式与单能量CT相对应，在这种模式下，X射线光子不按能量进行区分，而只进行加总。第二种模式时，光谱数据可通过两种不同的机制使用：能量加权和材料分解。
与传统的先进CT扫描仪相比，通过第一种方法，PCCT可改善噪声性能。为了提高图像质量，可以为特定的能量区分配自定义权重。这可以使低能量X射线光子的权重正常化，从而改善软组织之间的对比-噪声比，或纠正线束硬化伪影。
材料光谱分析的分解则是通过测量与能量相关的特定材料X射线衰减，提供图像中某些元素（如碘、钙和钆）的分布信息。这种PCCT技术还能生成虚拟单色图像。与双能量计算机断层扫描（DECT）相比，PCCT可在三种或三种以上的能量机制下获取数据，从而可在诊断能量范围内用K-edge（如金和钆）识别和量化两种以上不同的造影剂。这种能量阈值能力也使PCCT能够提高对比噪声比，并使CT能够为每种成分生成单独的定量图谱。
PCCT的探测器元件尺寸小于EID。由于PCCT探测器直接将X射线光子转换为电子电荷，而不需要闪烁层，因此PCCT的空间分辨率不会受限于需要用反射层分隔相近的探测器元件，以尽量减少相邻探测器元件之间的串扰，防止图像质量下降。与传统CT相比，该技术可实现更高的空间分辨率。
光子计数CT新技术在心脏领域应用的主要临床意义在于更高的空间分辨率和所收集信息的多参数/多能量性质。
半导体材料的存在和探测器元件的尺寸使得空间分辨率更高。这样就能以更高的对比分辨率更详细地观察较小的解剖结构，包括冠状动脉管腔和支架的通畅性。空间分辨率的提高还有助于更好地评估高风险斑块特征，即低密度斑块、点状钙化、正性重构和餐巾环征。PCCT技术可对光子的累积数量及其能量分布进行计数，从而提高对比噪声比和能量辨别能力。这可以提高碘对比度，减少放射剂量，或减少获得类似增强效果所需的造影剂量。PCCT探测器的多能量功能可用于减少金属伪影、区分冠状动脉粥样硬化斑块的成分以及鉴别不同的外源性造影剂。
PCCT系统在冠状动脉管腔评估方面具有临床优势，可提高空间分辨率和对比噪声比。
最近的一项前瞻性研究对14名同时接受PCCT和传统CT血管造影术的患者进行了研究，结果显示PCCT在总体质量和诊断可信度方面的得分分别提高了57%和55%，在冠状动脉近端管腔、冠状动脉远端管腔和冠状动脉壁方面的得分分别提高了48%、51%和69%。一项模型研究也支持这些发现，该研究报告称，与传统CT图像相比，PCCT图像对冠状动脉管腔的检测指数提高了2.3倍。在一项体外研究中，PCCT与EID在模拟患者不同体型的不同条件下进行了比较，结果显示，与EID相比，PCCT的噪声幅度更低，噪声频率峰值更高，空间分辨率更好。与传统的CT扫描仪相比，PCCT在量化重度钙化斑块的管腔狭窄方面具有优势。Li等人也报告了类似的结果，他们证明了由于部分容积和开花伪影的减少从而可以更精细地进行狭窄评估。与此同时，PCCT还能使用钆基造影剂进行CCT K-edge成像。一项体外冠状动脉研究显示，血管内钆基造影剂、钙化斑块和支架材料之间的分界清晰，从而改善了管腔描绘。
评估血管腔的另一种方法是使用基于多能量CT的新兴图像重建算法。Allmendinger等人研究了一种新型钙质去除图像重建算法（称为PureLumen）的性能，该算法只去除拟人胸腔模型的钙化部分，该模型可以模拟真实的心脏运动。PCCT实现了"随时可用"的多能量辨别，克服了当前心脏CT的一个难题，即高时间分辨率和多能量成像采集的不可行性。
与传统CT扫描仪相比，PCCT空间分辨率的提高使冠状动脉周围脂肪组织的诊断质量提高了36%。
正常和非阻塞性CAD的心脏PCCT示例。（A,B））的两个示例。在（A）中，左前降支完全正常，没有任何CAD迹象；唯一的发现是中段（（A）；箭头）的心内膜走向较深（（A））。在（B）中，至少有两个以钙化为主的动脉粥样硬化斑块（（B）；箭头），但冠状动脉管腔没有任何明显阻塞迹象。使用PCCT进行成像的特别之处在于，这种非常高的细节和空间分辨率是通过标准成像方案获得的，而且不需要高辐射剂量。
阻塞性CAD的心脏PCCT示例。本例采用0.4mm层厚。狭窄处的正交纵向视图）显示，管腔直径缩小了65%，管腔面积缩小了 88%。
阻塞性CAD的心脏PCCT示例。斑块（(A,B)；箭头）主要呈非钙化表型，内核密度较低（C）。本例采用高分辨率模式重建（空间分辨率为100 μm，层厚为0.2 mm）。
目前最先进的CT扫描仪由于一些技术问题（如金属、开花和线束硬化伪影以及有限的空间分辨率），并不总能对冠状动脉支架患者的血管腔进行最佳评估。
在最近的一项体外研究中，PCCT与传统CT扫描仪在评估18种不同冠状动脉支架方面进行了比较。作者报告称，PCCT的支架内可见度更高，开花和部分容积伪影更少，支架内腔的衰减增加较小。
Boccalini等人比较了PCCT和传统CT对体内冠状动脉支架的成像质量，结果表明，PCCT的支架和管腔可见度更高，伪影更少，辐射剂量更低（PCCT为25.7 mGy，传统CT为35.7 mGy，P=0.02）。Si-Mohamed等人也报告了类似的结果，他们比较了使用PCCT技术和传统CT扫描仪获得的CCT扫描质量。作者描述了使用PCCT图像对冠状动脉支架诊断质量的改善比例为92%，平均剂量-长度乘积较低。
带有多个支架的完整冠状动脉树的心脏PCCT示例。在右冠近端和中段（A）有两个支架，在左缘支（C）有一个支架；左前降支（LAD；（B））正常，没有任何可检测到的动脉粥样硬化疾病。所有支架的内支架和内腔都清晰可见，这在没有传统EID心脏CT上通常不能清晰显示。
这项新技术还可应用于心脏瓣膜和人工瓣膜并发症，尤其是超声检查视图不理想或心脏磁共振磁场不均匀时。
主动脉瓣假体的心脏PCCT。在这个示例中，我们展示了主动脉瓣人工瓣膜的随访情况，该人工瓣膜显示出明显的瓣叶低度增厚（HALT）迹象，这可能是由于血栓附着（箭头），并可能影响瓣叶运动。使用PCCT可以很容易地看到这层非常薄的低密度组织。
冠状动脉钙化（CAC）一般通过CT使用Agatston评分进行量化。用于计算Agatston评分的因子是根据固定的HU阈值选择的，与钙化斑块的最大衰减有很大关系。PCCT可消除电子噪声，从而减少图像噪声、条纹伪影，获得更稳定的Hounsfield单位(HU)数值。在一项体外研究中，比较了PCCT和EID-CT扫描仪的冠状动脉钙化评分，结果显示常规临床方案的CAC评分相当。PCCT在减少层厚的情况下提高了CAC的可探测性和准确性。Symons等人在一个专用的心脏CT模型、十个体外心脏和十个无症状的志愿者身上研究了PCCT在标准和降低辐射剂量下的性能。模型和人体研究表明，PCCT有可能在保持诊断图像质量的同时，提高CAC评分图像质量和/或减少辐射剂量。
在5个尸体心脏的26个钙化冠状动脉病变中，PCCT得出的CAC评分与传统CT得出的CAC评分之间具有极好的相关性和一致性，这支持了PCCT得出的Agatston评分在临床实践中的潜在用途。
Eberhard等人研究了PCCT与传统CT扫描仪相比CAC评分的准确性，并在模型和患者身上探索了不同辐射剂量下的最佳虚拟单色图像和迭代图像重建算法。研究显示，随着迭代图像重建算法水平的增加和keV水平的增加，CAC评分下降。
PCCT对主动脉瓣钙化评分成像也有很大的益处。一项初步报告显示，五名患者使用新型PCCT进行了经导管主动脉瓣置换术规划CT，虚拟平扫图像和真实平扫图像之间的主动脉瓣钙化评分和体积具有极好的相关性。
除狭窄评估外，越来越多的证据强调需要对动脉粥样硬化斑块的形态和特征进行更详细的评估。传统CT扫描仪无法直接观察到冠状动脉斑块的组成部分（如薄帽纤维瘤、微钙化）。PCCT由于提高了空间分辨率，对冠状动脉钙化和非钙化斑块的诊断质量分别提高了100%和45%。在一项体外研究中，与EID相比，PCCT对模拟0.5 mm非钙化斑块（AUC≈95% 对AUC≈75%）和富脂粥样硬化斑块（AUC=85% 对AUC=77.5%）的检测能力更强。
能谱分析还可以通过材料分解算法进行多材料映射。一项初步的体外研究调查了PCCT在23个经组织学证实的冠状动脉粥样斑块中区分冠状动脉粥样硬化斑块成分的能力。研究表明，PCCT可通过测量造影剂浓度和光谱衰减的差异来识别斑块成分。另一项体外研究证实，PCCT在根据不同的光电效应和康普顿效应区分易损动脉粥样硬化斑块成分（钙、铁、脂质代用品和细胞代用品）方面具有巨大潜力，并且与组织学切片具有良好的相关性。Jorgensen等人证明了PCCT能够量化血管密度，作为动脉壁灌注早期动脉粥样硬化变化的标志物。
PCCT与组织学测量的纤维帽厚度、纤维帽面积和富脂坏死核心区没有明显差异。
随着新型造影剂（如纳米粒子）的引入，这项改变游戏规则的技术能够辨别不同的外源性造影剂，并充分利用K-edge成像的能力。K-edge成像技术可将电子内壳与原子之间的结合能识别为特定特征，从而对不同的造影剂进行特定的定量评估。这些新型造影剂有望克服以碘为基础的造影剂的一些局限性，包括循环速度快、保留时间短，以及在高千伏管电压下碘的HU值与钙的HU值相似。
一项体内研究探讨了PCCT在动物模型中同时区分三种造影剂（静脉注射钆和碘、口服铋）的能力，并报告了PCCT在体内区分三种K-edge造影剂的可行性。
Si-Mohamed比较了结合金纳米粒子的PCCT K-edge成像与传统CT图像、组织学检查和透射电子显微镜数据，以检测兔动脉粥样硬化主动脉内的巨噬细胞负荷。研究发现，金浓度与巨噬细胞面积之间存在良好的相关性，这凸显了PCCT在动脉粥样硬化斑块组成和易损性方面的潜在作用。另一项体内和模型研究表明，PCCT与金高密度脂蛋白纳米颗粒造影剂联合使用，具有识别动脉粥样硬化斑块的巨噬细胞负担、钙化和狭窄的潜力。
同样，钨基和镱基造影剂也能改善动脉粥样硬化成像对管腔和斑块的观察。纳米粒子的其他潜在应用包括肿瘤血管的可视化、出血的检测以及治疗后的血管异常。Riederer等人研究了PCCT使用钽基造影剂区分液体栓塞剂和碘造影剂的潜力。作者在一项模型研究中证明，PCCT可以提供钽密度图，区分钽和碘，并能减少血管闭塞治疗后患者因液体栓塞剂产生的伪影。在一项体内研究中，金纳米粒子和脂质体碘被用来量化肿瘤血容量和血管通透性，作为癌症血管生成的指标。在Moghiseh等人的研究中，将 PCCT与金纳米粒子结合使用，可识别和量化特异性单克隆抗体标记的金纳米粒子，并准确检测肿瘤的异质性。
PCCT具有能量分辨能力，可确保在单个X射线管电位下获取双能量或多能量。与DECT相比，PCCT可在采集时在每个体素中区分两种以上的造影剂。
这项技术可用于使用双造影剂确定心肌梗塞的心脏损伤程度。首次体内实验是在犬心肌梗塞模型中注射钆基和碘造影剂进行的。作者证明，这些多重造影剂可以结合碘和钆图来区分血池、瘢痕和远端心肌。
材料浓度的量化可能对心肌灌注分析有用，因为这可以准确量化心肌中的造影剂。碘图是评估心肌灌注的一种著名CT技术，在DECT上对心肌延迟碘增强的量化也已得到验证。PCCT的能量阈值功能使DECT的频谱重叠最小化，从而提高了对比-噪声比和估算造影剂浓度的定量能力。显示了使用PCCT进行心肌延迟增强的示例。已证明PCCT能在不同的模型尺寸下提供精确的碘定量（均方根误差为0.5mgI/cc）。
心肌延迟强化的心脏PCCT。本例（A,B）显示的是一名严重肥厚型心肌病患者的三腔投影，患者的左心室基底隔中段受到严重影响（（A）；静脉注射碘基造影剂七分钟后，肥厚左心室壁的碘化CM跨壁聚集（也称为延迟增强）清晰可见（（B）；这一现象与在心脏磁共振中观察到的现象相同，并在临床实践中得到证实。使用PCCT进行这种成像的特别之处在于，能谱成像与标准的心脏CT方案相关，不需要特定的方案。
Polacin等人描述了一个病例报告，一名61岁的男性因急性胸痛接受了PCCT扫描，怀疑是急性冠状动脉综合征。来自PCCT的双能衍生碘图显示了一个小的缺血性跨壁瘢痕，并经后期钆心脏磁共振证实。
通过PCCT得出的物质图可以可靠地区分造影剂和动脉瘤钙化。
一项体内研究利用第一代全身双源PCCT探索了30名患者左心室心肌的放射组学特征，报告了冠状动脉钙化与纹理分析之间的关联。与EID-CT相比，PCCT具有更高的空间分辨率和对比噪声比，而且伪影较少，因此作者强调了PCCT在克服放射组学分析众所周知的局限性方面的潜在作用。Tharmaseelan等人利用PCCT研究了主动脉周围脂肪组织的纹理变化与主动脉钙化的关系，并利用放射组学分析证明了主动脉周围脂肪组织与局部主动脉钙化的存在有关。
Mergen等人的体内研究强调了使用PCCT对心肌组织进行定性的能力。作者使用PCCT虚拟单色图和双能碘图对30名重度主动脉瓣狭窄患者的细胞外容积定量的可行性和准确性进行了研究。虚拟单色图和双能量衍生ECV定量显示出较高的相关性，协议范围较窄，平均误差为0.9%。
PCCT可以增强碘化造影剂的衰减。众所周知，碘的线性衰减系数会随着X射线能量的降低而增加。这一物理特性可减少静脉注射造影剂的用量，获得与全剂量传统CT检查相同的诊断结果。在一项模型研究中，CCT就证明了这一点，在PCCT上使用40 KeV的虚拟单色图像重建，可将造影剂浓度降低 50%。多项研究表明，与传统CT扫描仪相比，使用PCCT可提高对比噪声比，从而降低碘造影剂浓度。Kappler等人在一个水模型中研究了这些特征，结果表明，与传统CT扫描仪相比，碘的衰减增加了，但图像噪声相似。
一项拟人化模型和体外研究调查了商用能量积分探测器和光子计数探测器在四种管电压设置下模拟四种病人体型的碘对比噪声比。作者发现，在80、100、120和140 kV电压下，与市售CT扫描仪相比，对比噪声比平均分别提高了11%、23%、31%和38%。与能量积分探测器CT相比，尸体的PCCT显示高能量仓图像中的伪影（如线束硬化和开花）减少了，低能量仓图像的对比度提高了。
Sawall等人利用能量积分探测器、单仓PCCT和双仓PCCT，在不同尺寸（小型、中型和大型）的模型中探索了PCCT在增加碘对比度、减少给药辐射剂量或减少造影剂用量方面的潜力。使用所有管电压和模型尺寸，平均对比噪声比都有所提高，单箱能量可提高30%，双箱能量可提高37%，辐射剂量可减少46%。这些研究结果表明，PCCT可以减少造影剂的用量。在这方面，对碘有不良反应或肾功能不全的患者可能会从中受益。
在低辐射剂量下，PCCT对各种心血管应用中电子噪声对图像质量的改善进行了评估。一项体外、体内和体外研究描述了低辐射剂量下CAC评分的卓越质量。由于没有电子噪声，再加上软组织对比度提高，CAC评分的辐射剂量得以降低。使用PCCT的虚拟单色图像进行的拟人胸腔模型研究也表明，CAC评分的剂量明显减少（最多减少67%）。
与所有新兴技术一样，在临床实践中充分发挥PCCT的潜力之前，必须解决一些技术难题，包括与光子通量无关的效应（如电荷共享、电荷捕获和K逃逸）和与光子通量有关的效应（如脉冲堆积）。当X射线光子到达像素之间的边界附近时会发生电荷共享，云被计入多个相邻像素电极。特征光子的发射也会导致电荷共享。目前已开发出不同的方案来纠正这一现象。探测器中荧光产生的次级光子可在相邻像素中检测到，从而导致多个事件共享入射光子的总能量。这种效应是实际应用中探测器像素尺寸下限的原因。脉冲堆积的原因是，在非常高的X射线通量下，产生的电压脉冲会在时间上重叠，并被错误地计入单个光子，从而影响能量分辨率和图像质量。可以通过减小像素尺寸来降低脉冲堆积的概率。
随着空间分辨率和多能量采集的提高，相关的实际挑战也随之而来：更高的图像数据文件，以及人为操作员在数据存储、解释和后期处理方面的负担加重。关于多能量采集和K-edge成像，在考虑临床应用之前仍有一些问题需要克服。这些问题包括体内成像所需的钆剂量，与目前心脏磁共振所需和推荐的剂量相比较高，以及其他造影剂（如纳米粒子）实际上仍处于实验阶段。
然而，该技术的主要局限性仍然是成本高昂和缺乏普及性。生产高质量 PCD所需的高昂成本可能会在短期内对PCCT技术的大规模推广产生负面影响。
PCCT有望在未来几年内极大地改变CT在心血管成像中的临床应用。
有必要开展进一步研究，评估PCCT对心血管成像临床实践的临床益处。具体来说，利用前瞻性试验的数据，可以首次尝试评估这种新CT技术与传统CT在心脏领域应用中的性能比较。特别是，PCCT将产生重要的临床差异，从而影响冠状动脉和支架成像中的患者管理。
编译整理自：Cademartiri F, Meloni A, Pistoia L, Degiorgi G, Clemente A, Gori C, Positano V, Celi S, Berti S, Emdin M, Panetta D, Menichetti L, Punzo B, Cavaliere C, Bossone E, Saba L, Cau R, Grutta L, Maffei E. Dual-Source Photon-Counting Computed Tomography-Part I: Clinical Overview of Cardiac CT and Coronary CT Angiography Applications. J Clin Med. 2023 May 23;
4. PCCT心血管成像的7个问题
PCD-CT是否有潜力减少"钙华"并提高冠状动脉狭窄分级的准确性？
冠状动脉CTA中的钙化是准确评估狭窄严重程度的一大挑战。钙化往往会导致狭窄程度被高估，从而增加有创成像程序（如导管血管造影）的使用。基于PCD-CT的两大技术优势--更高的空间分辨率和能谱成像，钙化现象应有所减少，因此冠状动脉狭窄被高估的情况可能会减少。
在最近的一项研究中，研究人员调查了在一个模型中以及在33名患者中对冠状动脉狭窄的量化结果。研究表明，随着虚拟单色成像（VMI）水平的提高，钙化斑块和部分钙化斑块的开花伪影和狭窄严重程度都有所下降。PCD-CT还能分离碘成像和钙成像，实现虚拟去钙重建。
PCD-CT提供了一种特殊的能谱成像选项，利用自动重建算法可视化地减去冠状动脉血管壁上的钙质（PureLumenTM），这是冠状动脉成像的一大进步。Allmendinger等人在2022年使用移动设备进行的一项模型研究对该算法进行了验证，结果令人鼓舞。在这项研究中，采用了两种不同的碘对比血管模型，其直径狭窄程度各不相同（25%和50%），但keV值一致。作者证明，与虚拟单色图像相比，能更接近真实的血管狭窄程度，而且能大大减少开花伪影。对于两种病变大小（25%和50%），单能量图像重建与PureLumenTM之间都存在显著差异（p<0.05）。即使在心率高达每分钟80次的运动情况下，自动钙清除算法也能保持狭窄分级的准确性。
Nishihara等人最近发表了一项涉及17名患者的回顾性研究，每名患者都至少有一个明显的冠状动脉狭窄（≥50%），并伴有已识别的钙化斑块。这些患者在接受冠状动脉CTA的60天内接受了光子计数CT和有创冠状动脉造影(ICA)。去钙后的重建图像和传统图像与参考的ICA图像进行了比较。结果显示，去钙图像在准确性、特异性和阳性预测值方面明显优于常规图像（分别为80.5%对69.5%，p=0.002；64.1%对52.0%，p<0.001）。
还需要在更大的群体中进行更多的体内研究，以验证其性能和临床效益。Mergen等人最近发表了第一项涉及30名患者的体内研究，结果表明，VNCa去除算法提高了图像质量和钙化（主要是极小或中度狭窄）的定量。只有12%的钙化病变无法分析并被排除在外。定量冠状动脉造影（QCA）和虚拟单色成像（VMI）之间71个狭窄类别的一致性很好，值分别为69%（kappa，k=0.70）和62%（k=0.70）；当读者1和读者2使用VNCa图像时，这些值分别提高到79%（k=0.82）和87%（k=0.89）。使用VMI高估了27%和37%的狭窄，而读者1和读者2使用VNCa图像评估狭窄时分别只高估了7%和8%的狭窄。
在Haag等人最近的一项研究中，对170名患者的虚拟纯钙（PureCalciumTM）图像重建进行了比较，以测量冠状动脉钙化（CAC）Agatston评分和传统的平扫CAC评分。TNC和PureCalcium的钙化评分有很好的相关性（kappa，k=0.88）；但在Bland Altman图中发现，两者的一致性有限，尤其是没有斑块负担的患者被错误分类（p<0.001），这已知在以前的研究中CAC评分被高估，临床实践中应考虑到这一点。要评估VNCa在临床实践中的表现，还需要在更大的队列中进行更多的研究。
Hagar等人的另一项研究评估了UHR冠状动脉CTA与ICA相比在68例重度主动脉瓣狭窄和高危冠状动脉疾病患者中的准确性。UHRCTA的图像质量和检测CAD的准确性都非常好，每个患者、每个血管和每个节段的AUC分别为0.93、0.94和0.92。每位患者的灵敏度、特异性和准确性分别为96%、84%和88%（n=68）；每条血管的灵敏度、特异性和准确性分别为89%、91%和91%（n=204）；每个节段的灵敏度、特异性和准确性分别为77%、95%和95%（n=965）。特别是，UHR模式有可能提高狭窄分级的准确性，Koos等人最近对此进行了研究。
Halfmann等人进行了一项体外调查，并使用了包括114名患者在内的体内样本。对于25%和50%的狭窄，随着空间分辨率的增加，体外DS百分比测量结果更加准确。体内结果证实，对于钙化狭窄（n=161）（标准分辨率、高空间分辨率和超高空间分辨率分别为：41.5%、34.8%、41.5%、34.8%），随着空间分辨率的提高，DS百分比中位数不断下降：41.5%、34.8%和26.7%，p<0.001），而非钙化和混合斑块则没有差异。超高分辨率重建使54.4%的患者被重新分类为狭窄严重程度较低（CAD-RADS）的类别，这一比例高于使用标准分辨率进行分类的比例。
光子计数探测器 CT（PCD-CT）与能量积分探测器 CT 的技术原理比较。左侧为标准的 EID-CT。EID-CT 的特点是使用闪烁体和隔膜。右侧显示的是 PCD-CT，它可以直接将 X 射线光子转换为电信号并对其进行计数，而无需闪烁体层。（更多原理知识参见XI区：光子计数CT丨发展简史，物理原理与临床优势）。PCD-否能更准确地评估冠状动脉支架？
在评估支架通畅性方面，传统EID-CT的准确性受到限制。冠状动脉CTA可对直径≥3mm的近端和较大支架进行评估；由于支架支柱的伪影限制了支架内腔（ISL）的可视化，通常无法对较小的支架（b）和特殊类型的支架（取决于支架支柱的厚度和材料成分）进行可靠的评估。根据Dai等人（2018年）的一项荟萃分析（包括35项研究和4131个支架），检测出大于50%的支架内再狭窄（ISR）的敏感性为90%，特异性为94%。
(a).通过传统能量积分探测器（EID）-CT对冠状动脉支架进行成像：多个左前降支（LAD）冠状动脉支架，由于伪影，远端LAD和旋支动脉（CX）支架的支架腔内可见度不足。容积渲染技术（VRT），LAD和CX的曲面重建（CPR）。(b).光子计数探测器CT（PCD-CT）：CPR（右）显示一名76岁男性患者的右冠状动脉（RCA）钙化，钙负荷较高，但开花伪影减少，狭窄程度小于50%。左前降支（LAD）近端冠状动脉中段的支架（VRT）和严重的血管壁钙化。
汇总的阳性LR和阴性LR分别为14.0和0.1，处于诊断上可接受的较低水平。厚支架（≥100μm）和分叉支架经常无法评估。然而，Wan等人在一项针对318个支架的CTA和有创冠状动脉造影(ICA)比较研究中发现，CTA检测ISR的阳性预测值（PPV）仅为中等水平，每个支架为67%。
Mannil等人使用PCD-CT与传统的EID相比，对18个冠状动脉支架进行了体外研究。该系列研究的目的是调查PCD-CT的潜在优势。结果显示，在0度和90度模型位置，PCD-CT（0.85mm对0.83mm）与EID（0.66mm对0.76mm）相比，支架内直径分别大28.8%和8.4%。PCD-CT的图像噪点较少，支架内衰减的人为增加较小（p<0.001），表明定量图像质量有所提高。PCD-CT的主观支架内可见度更高（P<0.001）。应用超高分辨率模式（UHR）时，PCD-CT的平面内分辨率最高，为0.11mm，z轴平面分辨率为0.16mm。这些研究首次显示了改善冠状动脉支架体内可视化的良好效果。
Boccalini等人在对8名患者进行的初步活体研究中，首次证明了支架的可视化得到了改善。客观和主观图像质量参数都有所改善，辐射剂量也有所减少。
在另一项体内研究中，Geering等人比较了不同图像重建算法在ISL可视化方面的性能。切片厚度为0.2mm、卷积核为Bv72、Bv80和Bv89的ISL直径最大。必须考虑患者的个体特征（如体重指数）。
在30例患者的研究中发现，≥66ms的更高时间分辨率可改善冠状动脉支架的活体显像，因为运动伪影更少、血管轮廓更清晰、支架内腔显像更佳、支架开花伪影更少、血管和支架清晰度更高。
最近，Hagar等人对PCD-CT和ICA检测44个支架中ISR>50%的准确性进行了比较。尽管只有五例有ISR，但PCD-CT都能检测到（准确率100%）。
还需要在更大的群体中进行更多的活体研究，以验证PCD-CT与ICA相比的准确性。
PCD-CT能否减少介入性冠状动脉造影(ICA)的转诊率？
目前只有一项已发表的临床疗效研究：Simon等人最近比较了两组401名患者共802人按CAD-RADS分层的冠状动脉狭窄严重程度。其中一组进行了EID-CT扫描，另一组则进行了PCD-CT扫描。研究结果显示，转诊进行有创导管血管造影(ICA)的患者人数减少了50%，而EID-CT组报告的阻塞性CAD病例更多。
采用PCD-CT的其他好处还包括因扫描时间缩短和能谱图像重建而减少造影剂用量。
Emrich等人在使用3D打印模型进行的模型研究中证明，在保持良好图像质量的同时，造影剂用量可以减少。他们的研究结果表明，40keV的虚拟单色图像可将造影剂浓度降低50%，同时保持冠状动脉CT血管造影的诊断质量。Cundari等人最近在一项涉及100名患者的体内冠状动脉CT血管造影研究中分析了PCD-CT节省造影剂的情况。研究结果表明，PCD-CT能在不影响图像质量的情况下将造影剂用量显著减少20%。Higashigaito等人对胸腹部CTA的低造影剂用量方案进行了前瞻性调查，100名患者同时接受了PCD-CT和EID-CT检查，辐射剂量相同。最终结果表明，采用PCD-CT的低造影剂方案可将造影剂用量减少25%（52.5mL），而在相同辐射剂量下，图像质量仍与EID-CT相当。50keV的VMI提供了最佳的图像质量权衡，对比度与噪声比(CNR)比EID-CT高出25%。
造影剂量的减少在临床实践中是一个显著的优势，特别是对于肾功能不全和有其他合并症的患者。
Pinos等人使用PCD-CT和EID-CT对20名肥胖患者（平均体重指数28.5kg/m2）的冠状动脉CTA图像质量进行了比较。作者发现，PCD-CT的图像质量更好，对比度更高，噪点更少，尤其是在体重指数超过30kg/m2的肥胖患者中（所有p<0.008）。据报道，PCD-CT的CTDIvol较低（33.1对25.2，P=0.38），但差异并不显著。仅使用40-60mL的造影剂量就能获得足够的腔内血管增强（T3D：363HU）。冠状动脉的平均CT衰减随着keV值的增加而明显下降，从40keV时的994HU下降到70keV时的408keV，在选择用于冠状动脉CTA图像分析的keV值时必须考虑到这一点。
另一项关于肥胖患者图像质量和造影剂减少的研究是由Hagen等人在2023年进行的。在这项研究中，作者对68名超重患者进行了比较，这些患者使用商用第一代光子计数CT进行了门静脉造影剂增强腹部CT检查，并且之前在第二代双源能量积分探测器CT上进行过检查。读者分析了图像噪声、对比噪声比（CNR）和信噪比（SNR）。结果表明，尽管造影剂量显著减少，但图像质量仍然相当。腹部对比增强CT的DLP和CTDIvol的辐射剂量分别减少了27%和34%，CTDIvol减少了31%。
Graafen等人发表了一篇文章，对一组32名患者使用PCD-CT和EID-CT进行胸部CT扫描的辐射剂量和图像质量进行了比较。结果很明显：传统EID-CT扫描的平均CTDI值（1.8±0.5mGy）是PCD-CT的2.0倍（0.9±0.5mGy，p<0.001）。尽管CTDI有所减少，但噪声和信噪比没有明显差异。
PCD-CDT不仅能可靠地排除冠状动脉疾病，对冠状动脉狭窄和斑块成像进行分级，还能对心肌、心腔和心功能进行全面评估。心肌瘢痕组织和纤维化以及心肌细胞外体积（ECV）均可量化。Aquino等人去年发表了一项研究，29名患者同时接受了心脏CT和MRI，使用了三种不同的技术：单能PCD-CT、双能PCD-CT和MRI T1扫描。结果表明，单能和双能PCD-CT与磁共振成像的ECV相关性极佳（r=0.82和0.91，均p<0.001），而且可靠性很高，与磁共振成像相比，只有非常轻微的高估和低估。
冠状动脉CTA：具有低图像噪声和高对比度分辨率的最佳图像质量可以可靠地排除冠状动脉疾病。3D-VRT和RCA、LAD和CX动脉的CPR显示没有冠状动脉斑块和狭窄。
除此之外，能谱成像还能减少金属伪影，具体取决于材料。支架和其他心脏设备（如人工心脏瓣膜、心脏起搏器或其他手术材料）产生的伪影都可以减少。
造成金属伪影的人工心脏瓣膜(PHV)。该生物人工瓣膜在植入10年后也出现了退化迹象（支架内的瓣叶严重钙化）。左：3D-VRT，右：轴向MPR。
在一项使用多能模型的体外研究中，钢制插入物的金属伪影最普遍（平均伪影率为12.6%），其次是钛（4.2%）和铝（1.0%）。使用迭代金属伪影减少算法（iMAR）和不使用iMAR（分别为1.4%和10.5%；p<0.001），或使用虚拟单色图像（VMI：110keV 2.6%至150keV 3.3%，T3D：11.0%，无：16.0%；p<0.001）时，金属伪影减少得最多。在110keV下结合iMAR和VMI可达到最佳效果，而使用管电压（120kV：6.6%，140kV：5.2%；p=0.33）和重建卷积核（Br36：5.5%，Br56：6.4%；p=0.17）则效果不佳。这些数据表明，人工心脏瓣膜的伪影可能会显著减少。
UHR模式的空间分辨率最高（0.2mm2）。它有望减少钙化斑块的斑点。小尺寸血管的可视化也能得到改善。较高的空间分辨率会增加图像噪声，对信噪比产生不利影响，并可能使非钙化斑块的成像效果变差。迄今为止，只有少数研究使用PCD-CT扫描仪对UHR模式进行了研究。
Mergen等人发表了第一篇使用超高分辨率冠状动脉PCD-CT对斑块进行活体定量表征的文章，他们分析了20名患者的22个斑块。研究表明，使用不同的层厚会影响超高分辨率扫描对斑块的定量表征。开花伪影的减少有助于区分纤维化斑块和富含脂质的斑块成分。
Koons等人使用PCD-CT和EID-CT检查了23名患者34个钙化病变的冠状动脉狭窄严重程度。在UHR模式下，采集了120×0.2mm探测器准直度的图像。与EID-CT相比，PCD-CT能明显减少狭窄（p<0.001），平均减少11%的直径狭窄。在34个病变中，15个病变的狭窄严重程度被重新分类，34个狭窄中的13个被降级，这可能使患者免于不必要的干预。
除此之外，在经导管主动脉瓣植入术（TAVI）前，还对64名患者进行了UHR模式与传统双源CT大螺距扫描（HPS）的比较。研究发现，UHR成像可为使用HPS成像质量较差的患者提供较好的图像质量；在大多数患者（91%）中，UHR和HPS技术都能为瓣环尺寸测量提供相关性强且准确的数值。
技术原理与临床结果
新型光子计数探测器CT（PCD-CT）有可能解决以往CT系统的局限性，如空间分辨率不足、检测低对比度小结构的准确性有限或缺少常规可用的光谱信息（参见XI区：什么是光子计数CT？光子计数CT技术研究进展）。
计算机断层扫描（CT）自20世纪70年代诞生以来，经历了不断的技术发展；如今，它已成为一种成熟的影像学成像方法，凭借其速度和对解剖结构的精确呈现，成为影像诊断的重要支柱。在发展过程中，CT的应用范围逐渐从单纯的形态学成像技术扩展到包括组织灌注等各种功能参数。
然而，CT的某些技术局限性阻碍了其应用范围的进一步扩展。对于一些要求较高的任务，如对严重钙化和支架患者进行冠状动脉CT血管造影（cCTA），空间分辨率仍不理想。在检测小的、低对比度结构方面的准确性有限，因此可能会漏诊或误诊癌症。最近的一项荟萃分析研究显示，22.5%的肝细胞癌在CT中被漏诊。CT检查结果有时会模棱两可，如高密度肾囊肿，因此必须进行其他检查才能获得明确诊断并确定进一步的临床治疗方案。进一步降低CT的辐射剂量仍然是一个理想的目标。尽管技术不断进步，CT的辐射剂量仍占所有诊断和介入手术的一半以上。
在介绍PCD-CT的基础知识之前，将简要概述这种新型探测器技术的发展历程。
第一台PCD-CT临床前原型（通用电气医疗保健公司）于2008年研制成功。对人体志愿者进行的几项研究证明了这种新检测原理的临床适用性。该CT系统使用32排碲化镉（CdTe）探测器，探测器像素为1×1mm2，有两个能量阈值。该系统只能以低于临床需要的辐射剂量运行。
从2014年开始，在临床研究环境中安装了3台混合双源PCD-CT临床前原型（SOMATOM CounT；这些原型机以临床双源CT（SOMATOM Definition Flash；西门子医疗）为基础，将2个探测器阵列中较小的一个替换为碲化镉PCD，其等中心Z轴覆盖范围为16 mm。子像素可通过各种方式组合成更大的像素，或以棋盘式排列读出4个能量阈值，并交替设置低能量和高能量阈值。该原型机首次实现了典型临床参数的扫描，如0.5 s的旋转时间和高达550 mA的管电流。PCD-CT与成熟的临床CT相比并不逊色。
2017年，在临床研究环境中安装了带有碲锌镉（CZT）探测器的单源PCD-CT原型（飞利浦医疗）。它的像素尺寸为0.5×0.5 mm2，有5个能量阈值。最短的机架旋转时间为1 s。该系统后来升级为临床前PCD-CT，其视场（FOV）为50cm，等中心的Z轴覆盖范围为17.6mm，机架旋转时间为0.33 s。
2020年，带有碲化镉探测器的第二代临床前PCD-CT（SOMATOM CounT Plus；西门子医疗）在3家临床机构安装。单源CT的机架旋转时间为0.3 s，配备的探测器由0.275×0.322 mm2（等中心为0.151×0.176 mm2）的子像素组成。该系统提供50 cm的FOV，等中心的Z轴覆盖范围为57.6 mm。
2021年，第一代PCD双源CT（PCD-DSCT）与2个碲化镉探测器（NAEOTOM Alpha，西门子医疗）实现了商业化。两个探测器的子像素尺寸均为0.275 × 0.322 mm2（等中心为0.151 × 0.176 mm2）。2×2子像素可合并为1个宏像素；然后，系统可通过144×0.4 mm准直度和两个探测器的4个能量阈值（合并为常规应用中的2个能量阈值）进行数据采集。子像素也可以单独读出。还可利用宏像素的空间分辨率重建来自2个能量阈值的多能量图像。CT系统配备了2个X射线管，每个120 kW，有多个焦点，最小的焦点大小为0.4×0.4 mm2（等中心为0.181×0.181mm2）。并且，PCD-DSCT的技术性能也得到了评估。
光子计数探测器由碲镉（CdTe）、碲锌镉（CZT）或硅（Si）等半导体制成。由于原子序数较高，碲化镉和碲锌镉层可以相对较薄（1.4-2mm），但仍能提供较高的X射线吸收率。而由硅制成的光子计数探测器则需要更厚（30-60mm）才能充分吸收X射线。根据目前的文献，所有临床前或临床使用的PCD-CT都配备了碲化镉或碲锌镉探测器。显示了基于碲化镉或碲锌镉的PCD的结构示意图。在半导体层的上侧是一个大面积的阴极电极，在下侧为像素化阳极电极。在阴极和单个阳极之间施加800-1000 V的高压，可产生强大的电场。入射的X射线被半导体吸收，产生的电荷（电子-空穴对）在电场中分离。电子移动到阳极，在那里产生持续时间约为1 ns（109 s）的短电流脉冲，通过电子脉冲整形电路转换成半宽（FWHM）为10-15 ns的电压脉冲。电压脉冲的脉冲高度与X射线的吸收能量E成正比。一旦脉冲超过阈值TL，即吸收能量（通常为20-25 keV），读出电子装置就会对其进行计数。在技术实现中，使用了一个脉冲高度比较器电路，其中输入了与阈值能量相对应的电压。探测器信号相当于在投影测量时间内记录的所有脉冲的总和。
CdTe/CZT PCD和相应读出ASIC的示意图。从CT系统的正面看，扇形方向是沿探测器扇形扫描平面的方向。单个探测器像素是由公共阴极和像素化阳极（此处用虚线表示）之间的强电场形成的；像素之间无需进一步分离。在本图所示的探测器结构中，两个准直器叶片之间各有4个子像素，用于抑制散射辐射。在ASIC中，被吸收的X射线量子产生的电压脉冲在脉冲高度比较器中与对应于所需阈值能量（20-25 keV）的阈值电压进行比较。只有超过该阈值能量的X射线量子才会被计数。
为了获得光谱分辨数据，需要同时读出在不同阈值能量下工作的多个计数器。然后，探测器为每个阈值提供单独的数据流，其中只包含能量超过相应阈值能量的X射线量子。从包含能量超过最低阈值能量TL的所有X射线量子的数据流中重建的图像（TL图像，西门子公司专有，也称为T3D图像）可与传统CT在相同的X射线管电压（kVp）下获得的图像相媲美。然而，在现实的PCD中，由于不可避免的物理效应降低了信号的光谱分离度，如像素边界的电荷共享或荧光导致的X射线量子能量损失，能量登记存在误差。这些效应的示意图它们会导致量子在X射线能量过低时被错误地计数两次。与CdTe-PCD或CZT-PCD相比，硅PCD受电荷共享和荧光的影响较小，因此光谱分离效果较好，但大多数X射线量子主要在硅晶体中散射，而不是直接吸收；它们经常离开探测器像素而不产生信号，因此探测器的探测量子效率降低，所有探测任务都需要更高的辐射剂量。在非常高的X射线通量下，产生的电压脉冲在时间上重叠，不再单独计数。然而，在实际的CT通量率下，脉冲堆积并不起作用。
使用PCD采集光谱数据的示意图。为吸收不同能量的X射线量子所产生的电压脉冲时间序列。是一个4门限计数器的技术实现示意图。在此示例中，同时读出4个计数器的阈值能量分别为20、35、60和75 keV。探测器提供4个原始数据流，其中只包含吸收能量大于各自阈值能量的计数X射线量子。
电荷共享和K-escape的示意图，它们降低了现实PCD的能量分离。靠近像素边界吸收的X射线会产生电子，这些电子会在相邻像素中产生信号（电荷共享）。一个X射线光子会以过低的能量被错误地计数多次。入射的X射线最初还会击穿探测器材料的内壳电子（K电子）。这会产生荧光辐射，荧光辐射会被探测器单元本身或邻近的探测器单元重新吸收和计数（K-逃逸）。入射到初级相互作用位点的X射线以过低的能量进行计数。
通过其探测原理，PCD有可能克服传统能量积分闪烁探测器(EID)的一些局限性，迄今为止，几乎所有CT设备都使用了这种探测器。
与任何电子设备一样，探测器的读出电子元件会产生一定量的背景噪声。在PCD中，X射线量子计数必须超过的最低阈值能量约为20 keV；在X射线管的主光束中没有低于此能量的X射线，因为它们已被预滤波器滤除。这一阈值能量远高于电子设备的本底噪声，因此电子噪声不会影响PCD的计数率。即使在低X射线通量下，信号也只显示X射线光子的统计量子噪声。而在传统的EID中，电子噪声在低X射线通量时会主导信号，因此图像噪声会急剧增加，出现噪声条纹，CT值的稳定性也会受到影响。光子计数探测器在检查肥胖病人和进行低剂量扫描时能提供更好、更低噪声的图像，从而为进一步降低辐射剂量提供了可能。早期的临床前原型在模型扫描和对志愿者的初步研究中就注意到，PCD在低辐射剂量下具有卓越的图像质量。最近，研究人员评估了PCD-CT在评估系统性硬化症患者间质性肺病(ILD)时减少辐射剂量的潜力。一项对80名患者进行的研究显示，PCD-CT的平均CTDIvol为0.72 mGy，其图像噪声、主观图像质量和诊断准确性与2.3 mGy的DSCT相当。作者总结说，使用PCD-CT评估ILD可以减少66%的辐射剂量，而不会影响诊断准确性。对儿童患者（平均年龄2.6岁）进行的超低辐射剂量（平均SSDE为0.45 mGy）光子计数探测器CT胸部检查显示，肺部结构的图像质量良好至极佳，软组织结构的图像质量中等。最近的一项研究对PCD-CT在检查严重肥胖患者方面的潜力进行了调查，51名超重患者（体重指数[BMI]中位数为32.15 kg/m2）在第二代DSCT和第一代PCD-DSCT上接受了有临床指征的腹部增强CT。作者观察到剂量明显减少（PCD-CT的平均CTDIvol为12.00 mGy，DSCT为16.05 mGy），同时图像质量保持相似甚至有所提高。PCD-CT在评估肥胖患者肿瘤方面的优势在其他地方也有描述。
光子计数探测器的结构比传统的EID更精细。这些中间层的厚度约为0.1mm，会降低探测器的剂量效率，因为中间层吸收的X射线量子不会对探测器信号产生影响。探测器像素的结构越小，这些中间层的相对面积就越大，剂量效率就越低。EID的探测器像素不可能比现在小很多。在内耳扫描等特殊应用中，提高空间分辨率的替代技术是通过可移动的梳状孔径减小探测器像素的有效面积，其缺点是由于探测器的剂量效率大大降低而导致辐射剂量显著增加（参见XI区：什么是CT高分辨力成像？
另一方面，光子计数探测器不需要在单个像素之间设置格栅。探测器的像素可以比EID小得多，从而大大提高了空间分辨率。实现这一点的前提条件是X射线管的焦点相应较小，即使这是以降低X射线管功率为代价的。否则，焦点尺寸将限制空间分辨率。PCD-CT空间分辨率的提高已在临床前原型上得到成功验证。例如，混合双源PCD-CT扫描平面的空间分辨率为0.15 mm，层厚为0.41 mm。根据制造商的不同，临床前原型机的探测器像素大小在0.225×0.225 mm2和0.5×0.5 mm2之间；无论如何，它们都比EID-CT系统的探测器像素小得多。
显示了市售PCD-CT与第三代DSCT的探测器结构对比。探测器像素大小为0.275×0.322mm2（等中心为0.151×0.176mm2）。每组4×6探测器像素通过一个二维准直器网格与相邻组隔开，以减少散射辐射。使用这种探测器和0.4×0.4mm2的焦点，可以实现超过40 lp/cm的分辨率，相当于0.125mm。这大约是EID-CT系统分辨率的两倍。在CT中，空间分辨率的提高总是伴随着图像噪声的增加或辐射剂量的相应增加；CT的这一基本规律也适用于PCD-CT。必须采用基于迭代或深度学习的精细降噪技术。
带有闪烁体探测器（左）和商用PCD-DSCT（右）的第三代DSCT的探测器结构示意图。从上往下看，z方向是病人的纵向。粗黑线示意性地表示用于抑制散射辐射的准直器网格。在超高分辨率模式下，PCD的探测器像素单独读出。在标准扫描模式下，2×2像素合并为一个宏像素--用浅灰色和深灰色方格表示。
在PCD-CT上实现40lp/cm空间分辨率的演示，探测器示意图。在重建过程中，使用了最锐利卷积核Br98。
在临床上，出色的空间分辨率对于评估小型骨性结构（如内耳或腕部结构）至关重要。在肺部检查（尤其是用于ILD的鉴别诊断）和小血管CT血管造影（如头颈部和四肢）方面也有优势。在cCTA中，以前由于严重钙化而导致高估血管狭窄的局限性可能会被克服。临床前原型已经证明了cCTA在上述临床领域的优势。
最近，在一项对5具尸体头部的研究表明，与EID-CT相比，PCD-CT在颞骨的超高分辨率（UHR）检查中提供了优越的图像质量和显著的剂量节省（平均剂量减少79.3%）。在13名患者的颞骨检查中，PCD-CT在评估所有个体解剖结构时被评为优于EID-CT，平均辐射剂量比EID-CT低31%。显示了一个临床案例，说明PCD-CT在内耳成像中的潜力。在使用小鼠作为样本对PCD-CT和EID-CT之间的最小骨骼细节的可视化进行比较时，发现在剂量匹配扫描中，PCD-CT比EID-CT提供了明显更小的图像噪声、更高的信噪比和更高的边缘清晰度。在骨小梁成像中，PCD-CT的有效容积空间分辨率（定义为每mm3可单独表示的元素数量）比传统CT高5倍以上。
用第三代DSCT（左）和第一代PCD-DSCT采集的内耳扫描（右），显示PCD-CT对钛K活塞镫骨假体（箭头，远端直径0.4mm）的可视化效果更佳。
在高分辨率肺部成像中，与EID-CT相比，PCD-CT可提供更好的图像质量，而辐射剂量却明显更低。在一项针对30名因怀疑患有ILD而接受传统EID-CT和PCD-CT检查的患者的研究中，UHR PCD-CT在辐射剂量略低的情况下显示出明显更好的整体图像质量和清晰度。UHR PCD-CT还提高了读者对是否存在网状结构、磨玻璃不透明和马赛克模式等成像结果的可信度，对是否存在通常的间质性肺炎的可信度也有了特异性的提高，的示例。一项比较PCD-CT和EID-CT的模型研究证实，高分辨率PCD-CT能以较低的辐射剂量更准确地量化肺结节体积和气道壁厚度。
通过第三代DSCT（左）和第一代PCD-DSCT（右）获得的间质性肺病患者的肺部扫描图。UHR PCD-CT扫描证实右肺中叶外围存在牵引性支气管扩张（箭头），并与轻度磨玻璃衰减相叠加。
冠状动脉CTA是另一种受益于空间分辨率提高的应用。尽管技术不断进步，但某些患者群体仍有获得非诊断性图像质量的高风险；严重的冠状动脉钙化代表了非诊断性检查的最大风险。PCD-CT的高分辨率有可能解决目前cCTA的局限性，尤其是在存在强钙化的情况下高估狭窄的问题。在一项运动模型研究中，与标准分辨率CT相比，UHR PCD-DSCT提高了血管狭窄量化的准确性，减少了钙化伪影，且不受心率的影响。在一项有14人参加的使用双层EID-CT和原型PCD-CT进行cCTA的研究中，在100%、92%和45%的冠状动脉钙化、支架和非钙化斑块病例中，PCD-CT图像的总体图像质量和诊断可信度得分更高。在一项对20名使用PCD-DSCT的患者进行的研究中，层厚为0.2 mm的UHR cCTA和使用锐利卷积核（Bv64或Bv72）进行的图像重建对斑块和周围血管腔提供了极好的解剖可视性，且不会出现明显的开花伪影。在定量评估中，开花伪影从使用标准卷积核（Bv40）时的52.8%下降到使用Bv72时的39.7%。在20名患者的22个斑块中，与参考标准相比，层厚为0.2mm、采用Bv64卷积核重建的斑块总体积和钙化成分体积分别平均减少了23%和32%。纤维成分的体积保持相似，而脂质成分的体积则显著增加。在一名68岁胸痛患者的冠状动脉CTA中，UHR PCD-DSCT可以观察到微钙化和纤维帽，光学相干断层扫描也证实了这一点。
通过UHR PCD-CT改善冠状动脉斑块特征描述的临床示例。在标准重建中的钙化斑块，在UHR图像中变成了部分钙化斑块，体积也变小了。
在EID中，被吸收的低能量X射线量子产生的光量少于高能量的量子，因此它们对探测器信号的贡献较小。EID产生的信号与投影测量时间内记录的总X射线能量相对应。而光子计数探测器则对能量超过最低能量阈值的所有X射线量子进行等权重计数。低能量X射线量子对探测器信号的贡献与高能量X射线不相上下。大部分低对比度信息都包含在低X射线能量范围内，因此在PCD-CT中，低对比度差异往往更加明显。使用碘造影剂进行CT扫描时尤其如此。碘在33keV处有一个K-edge；它在K-edge上方的低能区吸收最强。在PCD-CT图像中，碘对比度要高于在相同X射线管电压（kVp）下获得的EID-CT图像。在相同的辐射剂量下，较高的碘信号会导致较高的碘对比噪声比（CNR）。在一项使用4个不同大小的拟人化模型对临床前PCD-CT原型进行的研究中，观察到在80、100、120和140 kVp下，碘对比噪声比（CNR）的平均增幅分别为11%、23%、31%和38%。
在临床上，碘CNR的增加意味着增强扫描的图像质量更好，或可能减少辐射或造影剂剂量。在一项早期的模型研究中，由于碘CNR增加，剂量减少了32%。在一项由70名肿瘤患者组成的队列中，他们首先在第二代DSCT上接受常规造影剂增强腹部和盆腔CT扫描，然后在PCD-CT上进行随访，结果发现PCD-CT的TL图像与DSCT相比，图像质量相似甚至更好（肝脏病变更清晰），平均辐射剂量减少32%（平均CTDIvol/DLP = 7.98 mGy/393.1 mGy·cm，DSCT为14.11 mGy/693.6 mGy·cm）。作者将这一结果归因于低能量X射线量子的权重提高，从而提高了碘对比度，而电子噪声的缺失和迭代重建的改进也为这一结果提供了帮助。在一项针对100名胸部肿瘤患者的类似研究中，与第二代DSCT相比，在保持图像质量的情况下，平均辐射剂量减少了40%以上（PCD-CT的平均CTDIvol/DLP = 4.17 mGy/151.0 mGy·cm，DSCT的平均CTDIvol/DLP = 7.21 mGy/288.6 mGy·cm）。
在多阈值模式下，PCD可同时提供多个探测器信号，其中只包含能量大于相应能量阈值的X射线量子。有了两个能量阈值，目前所有已建立的双能量应用都成为可能，这些应用都是基于将材料分解成两种基本材料（如碘和水）。虚拟单色图像（VMI）、碘图或虚拟平扫（VNC）图像可以在任何可能与这些结果相关的患者检查中进行常规计算。虚拟平扫是将材料分解成碘和软组织部分后的软组织图像的另一个术语。虚拟单色图像基于相同的材料分解。这里的基础材料图像是按比例缩放的，因此碘和软组织的衰减与使用所需能量（以keV计）的单能X射线获取并重新组合为VMI的图像完全相同。而对于其他材料，例如钙，则无法正确再现所需的keV衰减。
第一代临床PCD-CT采用了一种方法，为所有常规造影剂增强检查提供120 kVp或140 kVp的标准化采集协议。每次CT扫描的主要图像输出是根据临床问题量身定制的KeV水平的VMI，例如，用于实质器官成像的是60-65 keV，或用于CT血管造影的是45-55 keV。这种方法能更好地实现CT图像结果的标准化，因为VMI中的碘对比度只取决于所选的keV水平，而与采集条件（尤其是X射线管电压）无关。
将装有15mgI/ml溶液的管子插入大型（40×30cm）Gammex多能CT体模（Sun Nuclear Corporation）中，用PCD-DSCT扫描时的CNR。随着VMI的KeV水平降低，碘CNR也随之增加。120 kV扫描（插值）的55 keV VMI中的碘CNR相当于90 kV扫描（90kV的TL图像），而55 keV VMI中的碘CNR相当于120 kV扫描。
有几项临床研究对PCD-CT的VMI图像质量、CNR以及与EID-CT相比对患者造成的相关辐射剂量进行了调查。一组50名患有肝转移的肿瘤患者使用PCD-CT在120 kV电压下进行扫描，另一组50名患者使用EID-CT在自动选择管电压的情况下进行扫描，其中大部分扫描建议使用100 kV电压。与EID-CT的多色图像相比，PCD-CT的VMI在70 keV时显示出更低的图像噪点，在辐射剂量相似的情况下，40-70 keV范围内的CNR始终更高（PCD-CT的CTDIvol为6.7 mGy，EID-CT为6.4 mGy）。在低keV下，低血管化肝转移灶的清晰度明显更高，与低体重指数患者相比，高体重指数患者可从PCD-CT中获益，因为图像噪声和病灶清晰度都得到了保留。在另一项研究中，40名患者在第三代DSCT的高螺距模式下接受了胸腹主动脉CTA。通过自动选择管电压（参考电压100kV）来选择最佳管电压。每位患者都在管电压为120 kV的PCD-CT上接受了辐射剂量匹配的后续扫描，并在40、45、50和55 keV下重建了VMI。与EID-CT图像相比，40和45 keV PCD-CT的平均CNR明显更高，超重患者的CNR增益更高。在主观图像分析中，考虑到40和45 keV的图像噪声增加，45至50 keV的VMI被认为是最佳折衷。在其他研究中也观察到碘CNR在极低keV（如40 keV）时最高，但由于40 keV时图像噪声较高，诊断时首选稍高的keV（如50 keV）的趋势。在一项对39名门静脉期接受增强腹部PCD-CT的患者进行的比较研究中，作者发现在50 keV下对VMI进行标准化重建的效果最佳，与EID-CT相比，在相同辐射剂量下，主观图像质量相似，CNR明显更高。显示了腹部CT扫描的临床实例。在对80名疑似肺栓塞(PE)患者进行的PCD-CT检查中，50 keV的VMI的主观PE可见度最高。对于冠状动脉CTA，在模型评估和对10名患者的研究中，如果结合高水平的迭代重建（QIR3和QIR4），40 keV的VMI更受青睐。
用PCD-DSCT（120 kV、144×0.4 mm、CTDIvol = 4.8 mGy）扫描的肝硬化和消融后肿瘤复发患者的CT图像。随着VMI（左侧和中间）的KeV水平降低，碘CNR增加，肿瘤复发（箭头）变得更加明显。碘图像（右）可以量化碘吸收。
并且，还研究了在低能量下使用VMI时减少造影剂的可能性。在PCD-CT的动态循环模型中，即使造影剂浓度降低50%，冠状动脉CTA中以40keV重建的VMI也能达到诊断上足够的碘CNR。在一组60名患者中，造影剂用量减少25%（从三相方案中370 mgI/ml造影剂的70 ml减少到相同造影剂的52.5 ml）的方案显示，在相同辐射剂量下，与EID-CT相比，PCD-CT的主动脉CTA质量并不逊色，此时50 keV的VMI是客观和主观图像质量之间的最佳折中方案。
在不同能量下重建VMI的能力可提高诊断可信度。在使用50 keV的VMI与大螺距PCD-DSCT进行冠状动脉CTA时，低造影剂剂量方案（30ml的350mgI/ml造影剂而不是常规的60mL）在一组27名患者中产生了诊断图像质量。在评估与钙化斑块和支架相关的管腔狭窄时，增加100 keV VMI提高了诊断信心，并通过减少开花伪影降低了9名患者的CAD-RADS评分。
虚拟单色图像也可用于无造影剂的CT扫描，在这种情况下，必须特别注意选择用于钙化评分等定量应用的keV水平。通过选择适当的KeV组合和迭代重建强度（量子迭代重建QIR，西门子医疗），EID-CT的钙化评分结果可以在PCD-CT上重现。在一项结合模型和患者的研究中，作者使用70 keV和QIR 0或65 keV和QIR3或QIR 4的VMI对120 kV PCD-DSCT扫描进行了精确的冠状动脉钙化评分。在90 kV电压下使用65 keV和QIR 3以及在Sn100 kV电压下使用70 keV和QIR 1进行图像重建，可获得与EID-CT相媲美的钙化评分结果，并有可能大幅减少辐射剂量。
虚拟平扫图像具有临床意义，因为如果图像质量足够高，就无需进行CT平扫，从而减少了患者的总辐射剂量。有几项研究对PCD-CT的VNC图像质量进行了调查，其中一些有争议的结果可能是早期软件和扫描仪版本造成的。在一个拟人化腹部模型的VNC图像中观察到平均绝对误差为4.1 HU，该模型带有碘化肝脏插入物（1.4 mgI/ml）和19个肝脏病灶（碘含量为0-5 mg/ml）。这一模型结果在15例肝脏低密度病变患者中得到证实，与TNC图像相比，VNC图像的平均误差为3.7 HU。在一组100名患者中，PCD-CT动脉和门静脉相的腹部VNC图像与TNC图像相比，CT衰减准确，图像质量良好，76%的测量误差小于5 HU，95%的测量误差小于10 HU。VNC图像的主观图像质量评分较低；但99%-100%的患者都能达到诊断质量。其他研究倾向于显示VNC和TNC之间存在较大差异，PCD-CT的VNC图像导致肾上腺腺瘤真实平扫衰减的高估和低估。在研究可能的临床应用时，发现PCD-CT的VNC图像在评估肝脏脂肪变性和增强肺扫描的肺气肿定量方面可靠。
高时间和空间分辨率与光谱数据采集相结合，为心血管CT带来了新的应用。例如，将材料分解为碘和钙可用于去除cCTA中的碘，只留下冠状动脉中的钙（PURE Calcium，西门子医疗）。与分解为碘和软组织（VNC图像）的普通材料不同，钙在两种基础材料图像之间分裂，因此在VNC图像中的密度降低，而这种特殊材料分解的目的是保留PURE Calcium图像中的钙密度，使其有可能用于钙评分。一项对67名患者进行的研究表明，TNC图像与钙化评分有很高的相关性，但仍低估了从纯钙图像得出的钙化评分。相比之下，VNC图像得出的钙化评分被低估的程度要大得多。
在一个相关的应用中，也是基于将物质分解为碘和钙，将钙化斑块从CTA成像的对比剂填充血管中去除，以提供虚拟非钙化图像（PURE Lumen，西门子医疗）。一项模型研究表明，在模拟心率高达每分钟80次的情况下，由严重钙化斑块引起的开花伪影减少，图像可解释性提高。这种应用可以更好地评估血管管腔；其功效还有待临床研究证实。显示了一个临床实例。
用PCD-DSCT扫描的LAD和CX有钙化的患者的冠状动脉CTA图像（120 kV、144×0.4 mm、0.25 s旋转时间、66 ms时间分辨率）。55 keV虚拟单色成像（上）中显示的钙化在55 keV虚拟非钙化成像（下）中被去除。
如果采用2个以上的能量阈值，的4个，原则上可以分离出2种以上的基底材料。例如，可以像以前一样选择碘和水作为基础材料，然后从这两种材料中分离出第三种材料。这只有在第三种材料的K-edge处于40至100 keV之间的相关CT能量范围时才可行。遗憾的是，人体中天然存在的所有元素都不具有这个范围内的K-edge，因为它们的原子序数太低。必须将钆、金、铪或钨等原子序数较高的元素作为造影剂引入人体，以实现多物质分解。此类应用是临床前研究的主题。
要将PCD-CT广泛应用于临床，仅展示其技术能力是不够的。相反，必须证明PCD-CT对诊断准确性和诊断信心有积极影响，最好还能改变患者的临床治疗。初步研究已经表明，在不同的临床领域，这些技术对诊断性能和诊断准确性都有影响，而更大规模、更全面的临床研究也必将随之而来。
例如，由于PCD-CT具有更好的空间分辨率和信噪比，因此可以检测主动脉周围脂肪组织的纹理变化是否与局部主动脉钙化有关，从而为动脉粥样硬化的发展提供生物标记。对腹部VMI和心肌中放射组学特征的稳定性进行了研究，结果表明左心室心肌的某些纹理改变可能与Agatston评分估计的冠状动脉钙化严重程度有关。
编译整理自：Flohr T, Schmidt B. Technical Basics and Clinical Benefits of Photon-Counting CT. Invest Radiol. 2023 Jul 1;
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。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。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。
T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。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。展示了其中几种先进的图像重建技术。
一位接受主动脉血管内修复术的患者的PCCT扫描。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。
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。
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。
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。
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。
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。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。
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。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。
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）。
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。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。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。
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。
PCCT对肺栓塞的成像。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。
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。
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。
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。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。
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%）。
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%。
虚拟单色图像可有效检测肝脏、胰腺肿瘤和腹膜病变。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。
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。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。
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。
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。
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（/B/C）。
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%）（/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。
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。
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。
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%。展示了一个减少金属伪影的临床案例。
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。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。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。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。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。
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。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。
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;
斑块、支架与血管成像
计算机断层扫描（CT）是目前临床使用的基础成像模式之一。它几乎遍布全球的标准医疗机构和急诊室，可用于诊断各种疾病。它能提供病人体内线性衰减系数分布的三维图像，准确地划分器官和组织。
X 射线探测器是 CT 扫描仪的关键部件，对图像质量和辐射剂量起着至关重要的作用。所有现代商用 CT 扫描仪都采用固态探测器和第三代旋转-旋转设计。在 CT 成像中，对不同类型的组织进行分类具有挑战性，因为元素组成不同的材料可以用相同或非常相似的 CT 值来表示，例如，钙化斑块或邻近的骨骼可能与含碘的血液无法区分。
除了难以区分和分类组织类型外，测量物质浓度的准确性也会因多种组织类型的存在而降低。例如，在测量软组织病变的碘增强量时，病变上测量到的平均 CT 值不仅反映了碘增强，还反映了下层组织的 CT 值。造成上述困难的原因在于，测量到的体素 CT 值与其线性衰减系数有关，而线性衰减系数又是材料成分、与材料相互作用的光子能量和材料质量密度共同作用的结果，因此对于任何给定材料来说都不是唯一的。
双能量 CT（DECT）是一种基于能量积分探测器（EID）或光子计数探测器（PCD）的光谱分离系统。PCD 技术是一种获取多能量数据集的新方法，与传统的 EID 相比具有各种优势。
来自意大利的学者分析了 EID 和 PCD 的物理原理以及各自的优缺点，讨论了PCD 的应用，特别侧重于其在神经血管领域的应用。
标准 CT 探测器采用两步间接转换技术。闪烁体将 X 射线能量转换为可见光。收集可见光并通过光电二极管将其转换为电荷。探测器的输出信号与所有检测到的 X 射线光子沉积的总能量成正比，因此被称为能量积分探测器。由于产生的光束是多能量的，而能量积分探测器根据检测到的光子的能量对测量信号进行加权，因此在输出信号中，低能量光子的贡献小于高能量光子，从而导致噪声增加和对比度降低。
由于可见光在闪烁体内部的空间扩散非常强，探测器的各个像素需要用反射材料隔开，以便将光线留在陶瓷内部，只允许光线射向光电二极管。像素不能做得太小，因为像素之间的区域不参与转换过程，因此在测量光子时会丢失。
使用传统 EID 的双能量 CT 可分为基于球管的 CT 技术（双源 CT、kVp快速切换CT、双光束CT）和基于探测器的技术（双层CT）。
除了X射线强度的总量外，光子计数探测器还能通过直接转换技术，使用具有高停止功率的快速半导体传感器（如碲化镉（CdTe）或碲化镉锌（CZT）），对每个进入的X射线光子进行单独测量。
直接转换原理可以缩小像素尺寸，消除反射隔膜，从而提高分辨率。这一过程始于入射的X射线，X射线被半导体吸收后，产生一团正负电荷（即电子空穴对），其数量是光子能量的函数。正负电荷被迅速拉开，移动的电子电荷在相应的像素电极上产生电信号，并通过电子读出电路记录下来。
每个撞击探测器元件的光子都会产生一个电脉冲，其高度与光子沉积的能量成正比。然后，探测器的电子系统对高度超过预设阈值的脉冲数进行计数。阈值设置为高于电子噪声电平（从而消除电子噪声，并随之减少辐射剂量和伪影），但低于入射光子产生的脉冲。通过将每个脉冲与多个阈值水平进行比较，探测器可以根据光子的能量将其分类到能量箱中。
PCD-CT在诊断领域有很多优点。由于分辨率较高，它可以改善许多诊断领域中细小结构的可视化：
在肺部成像中，它能更好地显示支气管壁以及正常实质组织中可能出现的病理变化，如磨玻璃和网状结构。在骨骼成像中，与低剂量CT相比，它能以相似的剂量识别骨髓瘤的溶解性病变和病理性骨折，并能对鼻窦和颞骨的亚毫米结构进行更好的解剖划分。在肾脏系统中，与传统CT相比，它能描述较小的肾结石（3mm及以下）。
与EID-CT相比，它能在相同管电压下提高碘对比度，这是因为它能对低能量光子进行正确计数，而传统的EID会降低低能量光子的权重。PCCT在碘信号方面的改进还可用于减少碘的用量，从而在肾病患者的不同诊断任务中实现类似的图像对比度差异。
第三，由于具有能量分辨能力，PCD可以在单个X射线管上同时获取多能量图像。这就实现了物质分解（MD）、斑块去除、骨去除和虚拟单色图像（VMI），如虚拟平扫（VNC）成像、虚拟去钙成像和碘成像。
第四，PCD使用尽可能高的电压（140kV），以获得最大的光子能谱。基于140kV的技术可有效减少线束硬化伪影，同时不影响软组织-碘对比度，并减少肥胖患者的噪声。
双源PCCT可避免使用镇静剂，生成的图像具有较高的空间分辨率和对比噪声比，同时提高了剂量效率，有利于减少儿科人群的剂量。与传统的EID-CT相比，通过附加锡滤波器在高电压下获取的PCCT图像可显著减少鼻窦成像和颞骨成像的剂量。在超高分辨率成像中，PCD无需使用剂量效率低的梳状/栅状滤波器。
然而，必须考虑到这种技术固有的某些局限性。PCD无法在高计数率下正常工作。高计数率会导致两个光子在很近的时间内被吸收，并被错误地计算为单个光子，其能量等于两个光子的能量之和。这种效应被称为电子堆积，可能会导致能量分辨率降低，影响图像质量。这也是为什么人们越来越热衷于使用快速读出电子设备和小探测器像素，以降低每个像素的计数率。然而，如果缩小像素尺寸一方面可以减少堆积效应，另一方面也会导致电荷共享现象的增加，即探测器中光子吸收所产生的电子电荷云被附近的两个像素共享，从而造成光谱响应失真。事实证明，尽管使用了高通量（在140 kV电压下高达550 mA）和宽能谱，原型PCD系统的堆积效应仍可忽略不计。
头颈部血管造影是诊断急性脑部疾病（如缺血性中风和颅内出血）的关键步骤。在这方面，碘图有助于改善颅外和颅内血管的可视化。
头部PCCT血管造影：单色成像。在（A）中，可以看到超高分辨率（矩阵1024×1024；层厚/增量0.2/0.1mm；体素100 μm；卷积核Bv60；辐射剂量与使用同类第三代双源CT进行的头部血管造影相当）。由于获取的图像富含整个keV光谱，因此在（B）中可以看到碘光谱的相同切片。从（C-G）中可以看到同一切片在不同keV设置下的图像，从40 keV到190 keV。虽然可以像（B）中那样用碘谱重建图像，但也可以重建并减去碘谱（即由碘化造影剂决定的对比度增强），形成虚拟平扫图像（VNC）（H）。通过一次PCCT采集，可以获得多个多参数信息。
头部PCCT血管造影：三维电影容积渲染显示。矩阵1024×1024；层厚/增量0.2/0.1mm；卷积核Bv60；辐射剂量与使用同类第三代双源CT进行的同等头部CT血管造影相当），使用了容积三维最大密度投影(MIP) (A)和电影容积渲染(B)。显示的小动脉血管密度大幅增加。
头部PCCT血管造影：MIP容积显示。矩阵1024×1024；层厚/增量0.2/0.1mm；卷积核Bv60；辐射剂量与使用同类第三代双源CT进行的等效头部CT血管造影相当）。所显示的小动脉血管密度和可视段长度大幅增加；(A)为大脑后动脉和中动脉，(B)为大脑前动脉，(C)为大脑中动脉。
Symons等人对头颈部主要血管的人体研究比较了PCD技术和EID技术，发现前者在图像噪声（比EID低9.1%）和图像伪影方面表现更好。
在Riederer等人的一项研究中，在牛脑模型的体外和体内研究了PCCT与传统CT相比，在从碘渗漏中区分出血性梗死转化的血液方面所能发挥的作用。高密度区在神经血管手术后经常出现，而这两种实体之间的区别是有意义的，因为有研究表明，造影剂外渗是预测接受急性缺血性中风血管内治疗的患者临床疗效不佳的一个因素。Riederer等人的研究表明，在传统CT成像中，血液和碘的HU密度在体外和牛的体内外模型中都很相似，而PCCT的碘图可明确区分两者并精确量化碘。
Van Hedent就同一主题进行的一项模型研究表明，PCCT可以准确区分血液和碘化造影剂（p<0.01）。
这些研究结果与之前就同一主题对DECT和传统CT进行比较的研究结果一致。
PCCT还可用于评估来源不明的脑内出血(ICH)，区分肿瘤出血和纯粹的脑内出血，DECT在这方面已被证明有效。
Michael等人最近通过信号噪声、信噪比（SNR）和对比噪声比（CNR）的定性评估和定量评估，评估了单能重建（MER）和多能重建（PER）在头颈部血管造影中是否能提供最佳图像质量。这些结果与之前发表的研究结果不同，其主要发现是目前PER的性能优于MER。
金属伪影有损CT的诊断价值，因为暗条纹和亮条纹会阻碍对下层组织病变的检测。例如，在治疗脑动脉瘤时使用的神经线圈可能会妨碍对术周出血或缺血的识别，以及对动脉瘤再灌注的评估。PCCT能够将进入的光子分为不同的能量段，是解决这一问题的方法。较高能量的光子受线束硬化效应的影响较小，而线束硬化效应是金属伪影的主要成分；与传统CT图像相比，最高能级的图像不易受金属伪影的影响。
Schmitt等人于2023年发表的一项体外研究比较了PCCT和传统的能量积分探测器CT（EID-CT）在金属伪影减少（MAR）前后使用等效标准脑成像方案时与线圈相关的伪影。这项调查显示，与EID-CT相比，全能量PCCT和低能量PCCT的线圈相关伪影程度更高，传统CT和无MAR的高能仓PCCT之间的线圈相关假影没有显著差异，而总能量PCCT与MAR联合显示，与EID-CT相比，金属伪影减少。
Do等人的另一项研究评估了PCCT管电压、能量阈值和采集模式（Macro 对Chess）对金属伪影和图像噪声的影响，得出结论认为，使用 PCCT 结合高能量阈值可以减少金属伪影。
还观察到不同采集模式在减少不同目标结构的金属伪影方面存在差异。Macro高能量阈值图像（HTI）对所有像素采用相同的阈值，有效地将所有子像素组合在一起，对皮质骨显示出更好的效果。Chess高能量阈值成像（Chess-HTI）是将子像素交替分配到两种不同的阈值设置中，从而允许使用四种能量阈值，这似乎减少了骨髓的伪影，但却进一步增加了图像噪声。
金属伪影的另一个来源是牙科植入物或牙科填充物，这妨碍了肿瘤在周围环境中的正确定位，而这反过来又对制定癌症治疗计划至关重要。Lee等人解决了这一问题，并探索了PCCT在金属伪影下对口腔肿瘤进行单独定位的潜力，他们使用带有金属插入物的ATOM模型来验证所建议的减少金属伪影的效果。在PCCT中，使用三个能量阈值（30keV、50keV和65keV）将数据分为三个箱（分别为低能量、中能量和高能量）。对每个能量组图像进行归一化金属伪影消除（NMAR），然后进行基于图像的MD和VMI重建。通过对比噪声比（CNR）测量对图像质量进行定量分析。结果包括对真实碘含量的良好碘估算，1号能量仓图像中碘与周围物质的对比度更好，3号能量仓图像中的金属伪影比1号能量仓图像更少，因为光子能量更高。定量评估结果表明，与30至140 keV能级的传统图像（CNR=10.4±0.5）相比，采用NMAR和MD的40 keV VMI（CNR=20.6±1.2）显著提高了碘增强区域的对比度。这项工作显示了PCCT在最大限度提高靶组织对比度的同时减少金属伪影的潜力。
脑CT面临的挑战之一是区分灰质（GM）和白质（WM），灰质和白质的缺失是评估早期缺血性脑损伤或其他病理情况时需要注意的标志。骨结构产生的线束伪影导致图像质量下降，会进一步降低灰质和白质的区分度。
Pourmorteza等人对PCCT与传统CT相比是否能提供更好的图像质量进行了体内外研究。在体外，PCD图像的图像噪声比EID图像低8.5% ± 4.8%，而在体内，图像噪声改善了12.8-20.6%，信噪比改善了19.0-20.0%，GM-WM改善了15.7%，GM-WM CNR改善了33.3%。这些研究结果表明，PCCT在改善脑部图像质量方面具有很大潜力，或者说，在目前脑部CT质量水平相似的情况下，可以减少辐射剂量（约40%）。
PCCT的一个潜在优势是有机会通过定量方法更好地评估组织的组成。根据PCCT的物理原理，可以绘制组织内某些特定原子元素的定量分布图。
Dahal等人最近发表的一篇论文表明，由于PCCT的高空间分辨率和高能量分辨率的共同作用，PCCT能够有效量化（与组织病理学测量相比）切除的动脉粥样硬化颈动脉中的纤维帽（FC）厚度、FC面积和富脂坏死核心（LRNC）面积。
颈动脉分叉处的PCCT血管造影：轻度钙化动脉粥样硬化。PCCT血管造影显示超高清（源数据集；矩阵1024×1024；层厚/增量0.2/0.1mm；体素100 μm；卷积核Bv60；辐射剂量与使用第三代双源CT的同等颈动脉CT血管造影相当）颈动脉分叉处动脉壁增厚，近端颈内动脉处有轻度灶性钙化斑块（箭头所指）。
颈动脉分叉的PCCT血管造影：轻度非钙化动脉粥样硬化。PCCT血管造影显示了超高清（源数据集；矩阵1024×1024；层厚/增量0.2/0.1mm；体素100 μm；卷积核Bv60；辐射剂量与使用第三代双源CT进行的同等颈动脉血管造影相当）颈动脉分叉的纵向CPR成像，动脉壁有轻度弥漫性非钙化动脉粥样硬化。
颈动脉分叉的PCCT血管造影：中度混合性和钙化性动脉粥样硬化。PCCT血管造影显示了2个超高清（源数据集；矩阵1024×1024；层厚/增量0.2/0.1mm；体素100 μm；卷积核Bv60；辐射剂量与使用第三代双源CT进行颈动脉血管造影的同等剂量相当）颈动脉分叉处有严重钙化的动脉粥样硬化斑块（（A）；纵向和轴向视图）和中度/中度混合/钙化斑块（（B）；纵向和轴向视图）。(A)中斑块的大块钙化完全分布在动脉壁内，不影响最终管腔狭窄的观察和量化。
颈动脉分叉处的PCCT血管造影：严重混合性动脉粥样硬化。PCCT血管造影显示超高清（源数据集；矩阵1024×1024；层厚/增量0.2/0.1mm；体素100 μm；卷积核Bv60；辐射剂量与使用第三代双源CT的同等颈动脉血管造影相当）颈动脉分叉处有严重的混合性动脉粥样硬化斑块（（A）：纵向视图；（B）：轴向视图）。无论是相对于剩余的非钙化部分，还是相对于管腔定义，斑块的大块钙化都非常清晰。
成分分析并不局限于原子成分，有证据表明PCCT可进一步用于更好地评估组织成分，神经血管领域以外的其他目标也证明了这一点：例如，骨小梁微结构分析、肾结石的检测和特征描述、乳腺组织特征描述以及痛风中晶体沉积的检测、分化和量化。
组织的检测和特征描述是诊断过程中的重要步骤，尤其是在神经成像中。材料分解主要在增强CT中进行研究，但也可在脑CT平扫中进行，例如，用于区分出血和钙化。这种区分在临床上非常重要，例如，可将良性脑钙化与有出血风险的病变（如海绵状血管瘤）区分开来，或将脑肿瘤（如常见钙化的少突胶质瘤）与常见瘤内出血的胶质母细胞瘤区分开来，从而从根本上改变治疗策略。在这方面，DECT已被证明具有价值。
在所有组织中，VNC图像的衰减值都与真正的平扫图像相似；在多期检查中，VNC图像可省去真正的平扫扫描，从而减少辐射剂量。有研究表明，取消真实平扫阶段可节省高达40%的辐射剂量。
Sawall等人的研究发现，PCCT带来的碘对比度改善可用于减少患者剂量或给患者使用的造影剂用量。
文献中对VNC的使用存在争议：一些作者报告称，与参照物相比，VNC的客观和主观图像质量存在显著差异，尤其是在大血管中，极高的碘浓度会显著增加相应VNC图像的衰减。在多期检查中，动脉晚期或门静脉相图像比动脉相图像更适合这些重建。
PCCT固有的更高空间分辨率可在不影响图像质量的情况下将辐射剂量减少20-30%，通过额外的锡滤波器甚至可减少67-83%，这一特点对儿科人群具有重要意义。
PCD解析透射光谱中每个光子的能量，对其进行量化，并将其归类到能量箱中，在存在一种或多种高原子序数外源材料的情况下，PCCT可生成单个元素分布的定量图。使用最多的外源材料是造影剂，从概念上讲，PCD可以使用具有不同原子序数的新型造影剂（如纳米粒子、钨造影剂等）来研究生物过程和/或特定的堆积部位。
在神经血管领域，由于需要追踪更深层次的病理途径，其潜在应用具有开创性。这可应用于颈动脉和颅内动脉，以探索并最终检测炎症性动脉粥样硬化过程。在35个斑块中，壁内测得的金浓度与巨噬细胞面积之间的相关性为0.82。
另一项研究在动脉粥样硬化颈动脉中证实，与使用碘造影剂的PCCT相比，使用多能量仓选项结合钨造影剂的PCCT有可能改善血管腔和血管壁的可视性。
类似的过程也可用于脑成像，使用专为神经肿瘤应用设计的特定造影剂，但这些新造影剂应能在血脑屏障（BBB）内移动。迄今已有大量研究证实，纳米粒子在CT成像中通过被动靶向进行靶向聚集，尤其是在肿瘤成像中。Smilowitz等人对动物模型的研究结果表明，通过静脉注射纳米粒子，AuNP可在脑内肿瘤肿块中聚集。
新造影剂的使用和PCCT识别不同种类原子的潜力，为同时使用多造影剂提供了机会，从而获得来自多个目标的信息。Cuccione等人在一项以治疗缺血性中风的细胞疗法为中心的动物模型研究中发现，多色光谱PCCT可以对移植到受损大鼠大脑中的治疗细胞及其封装支架进行监测和量化。
这些新型造影材料通过在纳米粒子表面添加抗体等靶向分子，可主动靶向特定部位，如癌细胞的精确表面标记。PCCT在这一领域已有体外应用，对淋巴瘤和乳腺癌靶向的单克隆抗体共轭金纳米粒子进行量化，旨在检测肿瘤的异质性，并据此调整癌症治疗。
还可以在纳米粒子表面共轭肽，以促进其在大脑中的积累。Bao等人的一篇论文将肽与氧化铈纳米粒子（CeONP）共轭，以促进其穿越BBB。作者证明，CeONP在穿过BBB后有助于治疗和保护大脑免受缺血性损伤引起的中风。虽然这项研究没有进行CT成像，但其积累情况可以通过PCCT进行检测，这表明CeONP有可能成为治疗脑部疾病的药物。
PCCT具有空间分辨率高、噪声明显降低、剂量效率高、辐射暴露少、造影剂使用和材料分解优化等优点，可提高CT在神经血管领域的诊断价值。
计算机断层扫描血管造影术（CTA）被认为是无创评估和诊断血管异常的金标准。CTA利用静脉注射高流速碘造影剂后靶血管充分强化。CTA的主要优点是应用广泛、采集时间短、空间和时间分辨率高，而主要缺点是电离辐射暴露。使用碘造影剂也存在一定风险。然而，对于大多数解剖区域而言，CTA在安全性、成本以及准确性方面都远远优于以导管为基础的侵入性血管造影技术；尽管CTA已在临床上应用于多个血管区域，但仍存在一些局限性，影响了血管评估的可靠性，尤其是需要评估较小的动脉时。
目前最先进的临床CT系统都配备了能量积分探测器（EID），可提供具有定量信息的图像，如组织特异性图像和碘浓度图。多年来，这项技术的空间分辨率和对比度分辨率一直在小幅提高。光子计数探测器（PCD）是一种不同的检测概念，有望极大地改变临床CT成像。与传统的EID相比，光子计数探测器具有多种潜在优势，这些优势可以结合起来，改善和扩大CTA的诊断范围。
来自意大利的学者介绍了光子计数CT在血管成像领域的临床应用，之前分享的心血管（参见XI区：双源光子计数CT：心脏CT和冠脉CTA应用概述）及神经血管（参见XI区：双源光子计数CT：神经血管临床应用概述）的应用不在今天的讨论范围之内。
EID由闪烁元件和隔膜组成。闪烁体将入射的X射线转化为可见光，然后被光电二极管吸收，产生与沉积能量成正比的电信号，其中还包括电子噪声。隔膜将光线引向传感器。
相反，PCD由单层厚的半导体二极管组成，在二极管上施加很大的电压；进入的X射线光子被直接转换成电子信号。电子信号经过放大和整形，其峰值高度与单个X射线光子的能量成正比。
由于PCD不需要隔膜，因此对像素间距没有技术限制，其尺寸可以大大缩小，而不会对几何检测效率产生负面影响。这就提高了空间分辨率，可用于生成更清晰的图像和显示更精细的细节。
在传统的EID中，衰减主要来自X射线管光谱中的最高能量。这会影响对比噪声比（CNR），因为不同材料之间的对比在低X射线能量下会增强。相反，PCD对所有光子均匀加权，能为低能光子提供更好的信号，从而改善碘和钙等低能高衰减物质的信号，实现最佳的CNR。能量分辨能力也是PCD消除电子噪声的关键。探测器的电子系统会计算有多少脉冲的高度超过了预设的阈值水平。通过将下阈值设定在高于电子噪声电平的水平，电子噪声产生的信号（其特点是振幅较低）就会被有效地剔除，只有进入的光子产生的脉冲才会被计数。最低阈值能量约为20 keV。在此能量阈值以下，X射线管的主光束中没有X射线，因为它们被预滤波器滤除了。
电子噪声的消除、CNR的提高和小物体的可视化有助于提高剂量效率，从而促进了新的低剂量CT采集的发展。PCCT与传统CT之间的比较研究表明，PCCT能够以较低的辐射剂量（减少43-50%）进行扫描，同时保持相似或更好的客观或主观图像质量。不仅辐射剂量可能降低，碘造影剂浓度也可能降低，这对肾功能减退的患者尤其有益。
除了能量加权，利用PCCT光谱数据能量信息的另一个主要机制是材料分解。从一些能量选择图像中应用物质分解算法可生成一组基础图像图。基图的数量取决于光谱数据的数量（N个光谱数据对应N个基图），并可通过施加质量或体积守恒约束增加到N+1。每个基础图像图都包含通过逐体素方法显示的等效材料浓度。基础材料图像可以直接显示，揭示某种材料（如造影剂）的分布情况，也可以通过处理获得虚拟单色图像（VMI）、虚拟平扫图像或特定材料的彩色叠加图像。由于基于EID的CT获取的是两种能量状态下的数据，它可以将一种造影剂（如碘）从背景中准确分离出来，但却无法区分两种具有高原子序数（高Z值）的对比材料。PCD根据脉冲高度区分不同能量的光子，可同时进行多能量（N≥2）采集，具有最高的空间和时间配准，且无光谱重叠。能量方案数量的增加提高了每种光子能量的测量精度，从而获得更好的特定材料或加权图像，并改进定量成像。造影剂和钙等物质的浓度可进行定量评估，与采集参数无关。使用多能量测量的另一个好处是可以量化诊断能量范围内具有K-edge的元素，从而可以使用金、铂、银、铋或镱等碘替代造影剂，或设计新型造影剂，如针对特定细胞或酶的纳米粒子。这一独特的机遇为分子和功能CT成像以及多种造影剂同时成像扫清了道路。正如在动物或概念验证研究中明确证实的那样，PCD可以在采集时在每个体素中明确区分两种以上的造影剂，它们在同一生物系统中具有不同的药代动力学。对于每种成分，都可以生成单独的定量图，显示其具体分布情况，从而有可能提供更多的临床信息。
PCCT的另一个重要优点是减少了常见的图像伪影。消除电子噪声可明显减少条纹和阴影伪影。恒定加权可减少线束硬化伪影。尤其是高能量仓图像在提高对线束硬化效应的免疫力方面具有最大的优势。PCD由于提高了空间分辨率（减小了体素尺寸和部分体积），并改进了材料分解，从而减少了金属和钙华。
PCCT在心脏和神经成像之外的血管应用。总结了PCCT在血管方面的一些潜在应用。
PCCT在血管成像领域的潜在应用（除外心脏血管及神经血管的应用）。肺血管疾病包括急性和慢性肺血栓栓塞症、肺动脉高压、先天性畸形和炎症性血管炎等多种不同病症。
肺栓塞（PE）是由血栓栓塞物引起的肺动脉堵塞，与高发病率和高死亡率相关。
多排CT可快速准确地排除和诊断PE，已成为首选成像方式。双能量计算机断层扫描（DECT）可在任意能量水平（以keV为单位）重建VMI，具有同时提供形态和功能数据的优势。碘图可准确描绘PE在实质灌注方面的后果，提高对小闭塞栓子的检测能力，并能对灌注缺损体积进行定量分析。灌注缺损的程度与不良临床预后相关，可用于识别需要加强监测和治疗的高危患者。显示了肺实质的PCCT碘灌注图。在模型研究中，PCCT在VMI重建方面取得了可喜的成果。它显示出碘定量的准确性和与基于EID的CT扫描仪相似的VMI CT值，同时提供了完美的时空对准以防止运动伪影、高空间分辨率以及改善图像噪声和CNR。使用PCCT获得的VMI可以改善病灶检测，促进造影剂和辐射剂量的减少。Yalynska等人在活体中评估了PCCT不同VMI能量对诊断PE的影响，结果发VMI能量（70keV）对应的肺动脉衰减和图像噪声水平最低。虽然最低VMI能量（40keV）获得的信噪比最高，但50keV的主观PE可见性最好，这几乎可以肯定是由于图像噪声和硬化伪影的数量减少所致。重要的是，使用PCCT时，低单能图像可促进碘衰减，有助于减少肺部CT血管造影的碘造影剂用量。
肺实质的PCCT碘灌注图。(B)冠状位）。碘图在所有区域的均匀分布代表了肺实质的正常动脉灌注。
在Kopp等人的研究中，使用临床前PCCT和标准及高分辨率(HR-CT)模式的传统CT对一个定制的肺部模型和一只兔子的肺部进行了成像。一位经验丰富的放射科医生认为，与HR-CT图像相比，PCCT图像在空间分辨率和肺血管可见度方面显示出更高的图像质量。
Hagen等人使用PCCT和DECT扫描了100名连续的肿瘤患者，结果表明使用PCCT可以显著降低增强胸部CT的辐射剂量（根据体型特异性剂量估算，剂量降低了43%），而不会影响图像质量。结合肺血管和主动脉的测量结果显示，与DECT相比，PCCT的CNR明显更高。
PCCT性能的提高为更好地检测和量化近端和远端肺血管树的变化打开了大门。在慢性血栓栓塞性肺动脉高压（CTEPH）和COVID-19的情况下，准确监测远端肺血管受累情况尤其重要。CTEPH目前被归类为第4类肺动脉高压（PH），是一种罕见的进展性疾病，需要及时诊断和治疗。CTEPH不仅涉及近端肺动脉中的持续性血栓，还涉及微血管病变，而微血管病变对疾病的发生和发展至关重要，会导致严重的血液动力学问题。肺血管是COVID-19的可能靶点，损害的病理生理学涉及多种机制。微血管病变和微血栓的形成在COVID-19相关低氧血症中发挥了作用。早期准确识别肺血管征象有助于改善COVID-19患者的预后。
一项对60名患者进行的研究表明，钆螯合物可作为一种替代造影剂，用于对禁用碘造影剂的患者进行肺血管CT检查。92%的患者血管增强效果良好/极佳，并提供了诊断信息。肺血管的衰减值（350-400HU）远低于典型的碘基CT检查。钆是K-edge CT成像的理想候选物质，但DECT却无法实现。由于K-edge两侧能量箱的阈值设置会在对比度和噪声水平方面对光谱图像质量产生很大影响，因此K-edge周围两个能量箱的最佳分区至关重要。有几种方法可以优化能量仓宽度。通过PCCT进行K-edge成像有望提高整体图像质量（信噪比和对比-噪声比）和钆增强CT血管造影的诊断价值。
准确、稳健地定义肝脏血管结构，即肝脏血管分割，对于肝脏疾病的诊断、射频消融和手术治疗至关重要，在肝脏移植项目中，对于准确选择潜在供体也起着重要作用。由于肝脏和血管解剖结构的高度可变性以及血管与周围组织之间的对比度普遍较低，在常规增强肝脏CT图像中进行肝脏分割仍具有挑战性。Baek等人证实，PCCT可增强肝脏中注入碘的血管结构的对比度，从而实现准确的肝脏血管分割。他们提出了一种用于肝脏血管分割的深度学习方法，并将其用于PCCT和传统CT图像，这些图像是用腹部模拟模型生成的，对肝脏血管进行了碘增强。PCD-CT数据集是利用多能量信息创建的。在三维血管结构可视化方面，使用PCD-CT进行的分割优于使用传统CT进行的分割，而且在许多情况下，可以避免对血管外围部分的错误分割。
Si-Mohamed等人在成年大鼠体内评估了高空间分辨率PCCT对两种造影剂（钆和碘）的分辨能力，两种造影剂同时使用，一种是腹腔注射，另一种是静脉注射。重要的是，肝静脉和肠系膜血管等非常小的结构也能全程检测到。
使用支架移植物进行血管内动脉瘤修补术（EVAR）是治疗腹主动脉瘤开放手术的有效替代方法。然而，在25%的患者中，EVAR会因内漏而变得复杂。CT血管造影是术前计划和术后监测的参考标准。尽管三期CT扫描具有优势，但与单期CT相比，其相关辐射暴露本身就很高。虽然单期双能量CT采用分段团注技术和虚拟平扫图像重建可显著降低辐射剂量，且不会影响内漏检出率，但无法精确确定内漏类型（低流量或高流量）。Dangelmaier等人在腹主动脉瘤模型中证实，PCCT与双造影剂注射（钆和碘）相结合，可取代平扫、动脉期和延迟期的多期CT扫描，有效捕捉内漏动态。得出的材料图可以区分碘、钆和钙，从而在单次扫描中可靠地区分造影剂渗漏和动脉瘤内钙化，并显著减少辐射暴露。关于多种造影剂的成像，Symons等人在体外和体内的大型动物模型中证明了使用PCCT的可能性，即使用四个能量仓来分离三种造影剂（钆、碘和铋）。在主动脉划定的感兴趣区内，钆和碘的时间-衰减曲线显示出造影剂的明显区别。
Sigovan等人证明了PCCT在金属支架存在的情况下改善血管成像的能力。他们用PCCT原型、双能量CT系统和64排CT系统对一只新西兰白兔的腹主动脉进行了成像，这些支架由不同的金属组成，放置在含有羟基磷灰石球的塑料管内，模拟血管钙化。与其他CT系统相比，PCCT的能谱和空间分辨率更高，可显著减少开花伪影，因此能更清晰地描绘管腔和显示支架的金属网。PCCT的铂特异性K-edge成像技术可使铂支架清晰可见，并消除其他背景和造影剂的影响。
Higashigaito等人的研究首次评估了在临床环境中获得的造影剂增强腹部PCCT的质量。39名患者同时接受了PCCT和基于EID的CT，并使用相同的造影剂方案。在PCCT中，VMI以10 keV间隔（40-90 keV）进行重建。与传统的EID-CT相比，在同等辐射剂量下，以40、50和60 keV重建VMI的临床PCCT显示血管结构（腹主动脉、下腔静脉和门静脉）的CNR明显更高。这一改进可用于进一步优化辐射剂量和/或造影剂用量。与该研究一致，Euler等人在一组40名患者中发现，在40和45 keV下使用VMI对胸腹主动脉进行PCCT血管造影与相同辐射剂量的EID-CT相比，CNR显著增加。与正常体重患者相比，超重患者的PCCT CNR增益高出34%。最近，同一研究小组发表了一项涉及100名同时接受EID-CT和PCCT扫描的患者的研究，该研究分为两组。第一组有40名患者，两组扫描采用相同的造影剂方案，与EID-CT相比，使用50 keV VMI的胸腹主动脉PCCT在CNR（增加25%）和整体主观图像质量（考虑图像噪声、血管衰减和血管清晰度）之间实现了最佳权衡。在第二组60名患者中，PCCT扫描时的造影剂用量减少了25%。结果发现，在减少造影剂用量的情况下，EID-CT和50 keV的PCCT在CNR和主观图像质量上没有差异，这表明PCCT所能实现的图像质量提升可以有效地转化为低造影剂用量方案。
腹主动脉PCCT血管造影。腹主动脉的PCCT血管造影显示，肾下段有严重的动脉粥样硬化改变，多个动脉瘤节段一直延伸到肾动脉干(A-D)。在（A,B）中，CPR显示了主动脉和右髂动脉-股动脉，而在（C,D）中则显示了主动脉和左髂动脉-股动脉。钙化遍布主动脉壁和髂动脉-股动脉，对评估动脉粥样硬化导致的管腔缩小没有影响。
腹部动脉的PCCT血管造影。一名主动脉和髂总动脉动脉壁均有严重钙化的患者的腹部动脉PCCT血管造影（A-D）。曲面薄层MIP重建显示广泛的严重钙化（B,D），这可能会影响管腔评估，而在（A,C）中，无论动脉壁钙化程度如何，可视节段都完全可以评估。双侧肾动脉看起来非常宽且通畅（B,D）。
容积渲染CTA已成为无创评估肾脏血管病变的重要方式，包括肾动脉狭窄、肾动脉瘤和夹层等动脉病变，以及血栓形成、脾肾分流和血管内肿瘤扩展等静脉病变。CTA还能准确显示肾脏血管结构的变化，在进行任何类型的肾脏手术或介入放射手术之前都应检测到这些变化。
PCCT的固有优势对评估肾脏血管也特别有益。实现剂量效率高的高空间分辨率成像可能会影响多种诊断途径，如儿童肾动脉狭窄（RAS）的检测。与成人相比，儿童肾动脉的口径较小，而且经常出现二阶和三阶分支狭窄，这可能会影响CTA在诊断儿童RSA时的效用和性能。由于分辨率有限，CTA很难识别继发于小血管炎的动脉瘤，这一点已得到广泛认可。一项技术可行性研究在模型、动物和八名人体受试者身上测试了高分辨率PCCT方案（等中心0.25 mm），结果表明该方案提高了空间分辨率，降低了图像噪声，尤其是在肺部图像中能更好地显示远端血管。
PCCT的另一个重大临床优势体现在其多能量功能上。在RAS和冠状动脉疾病中，纤维组织是最主要的斑块成分，其次是纤维脂肪、坏死核心和致密钙组织。由于缺乏对患者和病变选择有利的预测指标，经皮血运重建动脉粥样硬化RAS的临床获益受到限制。对RAS斑块组成的准确评估可帮助识别那些在支架植入过程中更有可能导致栓塞的病变。在这种情况下，多能量PCCT成像与装载新型CT造影剂的纳米粒子相结合，可以克服目前传统CT的局限性。特别是，在动物实验中已证实，专为单核细胞和巨噬细胞吸收而设计的金纳米粒子可在动脉粥样硬化斑块中积聚。Cormode等人在动脉模型中证明，PCCT能够准确区分金纳米粒子造影剂、碘基造影剂和富钙材料，从而显示了对斑块进行复杂病理生理学特征描述的潜力。
外周动脉疾病（PAD）是指外周动脉树的任何部分或完全阻塞，主要由动脉硬化引起。CTA是对PAD进行横断面成像的首选图像模式，因为它能让我们勾勒出动脉树的轮廓并确定动脉粥样硬化的负荷量。然而，密集钙化的存在可能会影响诊断的准确性，因为密集钙化会造成开花和部分容积伪影。这些伪影可导致高估狭窄性疾病。钙化和碘化管腔的衰减特性可能不相上下。
PCCT本身可以通过提高空间分辨率和材料分解来减少开花，因此可以对PAD进行更详细和无创的表征。Li等人根据双能和多能CT图像的材料分解，开发了一种无需分割即可量化血管狭窄百分比面积的方法。计算机模拟证明了这种方法能够减少局部容积和开花效应。在不同狭窄严重程度、血管直径和钙化密度的模型上进行的实验表明，四阈值PCCT图像比DECT和两阈值PCCT图像能更准确、更精确地测量血管狭窄程度。直接在四阈值PCCT图像上进行三物质分解可生成钙、碘和水图像。
这种方法目前尚未得到充分验证，而且会降低剂量效率。基于PCD的CT系统也采用了UHR成像技术。对人体模型和尸体标本进行的一项研究表明，与UHR-EID图像相比，UHR-PCD图像的噪声减少了29%，在图像噪声相同的情况下，可节省50%的潜在剂量。
目前，还没有系统的研究证明PCCT在外周动脉疾病的无创成像和治疗规划方面的活体性能。
股浅动脉的PCCT血管造影。双侧股浅动脉的PCCT血管造影实影渲染图（A）和薄层MIP（B），股浅动脉存在严重的弥漫性动脉粥样硬化钙化斑块。右侧股浅动脉近端和中间三分之一处闭塞，通过右侧股深动脉广泛侧支。非常细的侧支动脉在后处理图像上很容易观察到。
PCCT的主要优点，如空间分辨率、信号和对比度的改善、噪声的显著降低、剂量效率和多能量能力，可能为进一步提高CTA的诊断和预后价值提供了机会。无论如何，还需要进行更广泛的研究，以证明如何将PCD的理论优势和已被证实的优势转化为临床实践。
编译整理自：Meloni A, Cademartiri F, Pistoia L, Degiorgi G, Clemente A, De Gori C, Positano V, Celi S, Berti S, Emdin M, Panetta D, Menichetti L, Punzo B, Cavaliere C, Bossone E, Saba L, Cau R, La Grutta L, Maffei E. Dual-Source Photon-Counting Computed Tomography-Part III: Clinical Overview of Vascular Applications beyond Cardiac and Neuro Imaging. J Clin Med. 2023 May 31;
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