光子计数与光子计数探测器

作者：杨超月

光子计数是一种使用单光子探测器（SPD）对单个光子进行计数的技术。单光子探测器为每个探测到的光子发射一个信号脉冲，这与普通的光电探测器不同，后者生成与光子通量成比例的模拟信号。计算脉冲数（但不计算其振幅），给出每个测量间隔检测到的光子数。

光子计数消除了增益噪声，即模拟信号输出和光子数之间的比例常数随机变化。因此，光子计数探测器的过量噪声因子是统一的，并且对于固定数量的光子，可实现高于能量积分探测器（EID）的信噪比。

光子计数可以提高时间分辨率。在传统探测器中，多个到达的光子产生重叠的脉冲响应，将时间分辨率限制在探测器的下降时间附近。然而，如果已知检测到单个光子，则可以评估脉冲响应中心，以精确确定其到达时间。使用时间相关单光子计数（TCSPC），使用下降时间大于20倍的探测器，时间分辨率小于25 ps。

单光子检测在以下领域很有用：

光纤通讯

量子信息科学

量子加密

医学影像

光探测和测距

DNA测序

天体物理学

材料科学

在放射学中，X射线成像方式的主要缺点之一是电离辐射的负面影响。尽管人们认为小剂量照射（如大多数医学成像所用）的风险很小，但“合理可能尽量低”（ALARA）的辐射防护原则始终适用。减少曝光的一种方法是使X射线探测器尽可能有效，以便在给定的诊断图像质量下使用较低的剂量。光子计数探测器会很有帮助，因为它们能够更容易地抑制噪声。

光子计数乳腺X光摄影术于2003年投入商业应用。虽然这种系统并不普遍，但一些证据表明，与其他带有平板探测器的数字乳腺X光摄影系统相比，它们能够以大约40%的低剂量生成类似的图像。随后开发了光谱成像技术，以区分光子能量，从而有可能进一步提高图像质量，并区分组织类型。

光子计数CT

光子计数计算机断层扫描（PCCT）是X射线计算机断层扫描（CT）的一种形式，其中使用光子计数探测器（PCD）检测X射线。

光子计数CT与现有的CT成像技术相比有显著优势，并继续激发和实现全新的应用。光子计数探测器（PCD）可以记录单个光子的相互作用。通过跟踪每次相互作用中沉积的能量，PCD的探测器像素会记录一个近似的能谱，使其成为能量分辨CT技术。相比之下，传统的CT扫描仪（如现有的kV快速切换，双层探测器CT等）使用能量积分探测器（EID），其中记录了在固定时间段内沉积在像素中的总能量（通常来自大量光子和电子噪声）。因此，这些EID只记录光子强度，类似于黑白摄影，而PCD也记录光谱信息，类似于彩色摄影。

在评估PCD性能时，EID通常被用作比较基准。使用这种基准，在CT成像中使用PCD比使用EID有几个潜在优势。这些措施包括提高信号（和对比度）与噪声的比率、降低患者的X射线剂量、提高空间分辨率，以及通过使用多个能量箱来区分多种造影剂的能力。由于所需的数据量和速率很大（每平方毫米每秒高达数亿光子相互作用），只有在探测器技术最近有所改进的情况下，在CT扫描仪中使用PCD才变得可行。经过二十多年的艰难探索，作为下一代CT成像技术，2021年9月29日，美国食品与药品监督管理局批准了第一个光子计数CT（NAEOTOM Alpha，Siemens Healthineers研发）用于临床使用。

离散能量相关检测

当光子在PCD中相互作用时，产生的电脉冲的高度大致与光子能量成正比。通过将像素中产生的每个脉冲与合适的低能阈值进行比较，可以过滤掉低能事件（由光子相互作用和电子噪声产生）的贡献。这有效地消除了电子噪声的影响，代价是丢弃了能量与噪声级相当的光子（因为它们与噪声计数无法区分，所以几乎没有用处）。另一方面，在EID中，单个光子的贡献未知。因此，不能应用能量阈值，这使得该技术容易受到噪声和其他因素的影响，这些因素可能会影响电压与X射线强度的线性关系。

消除电子噪声使PCD比EID有两个优点。首先，与EID相比，PCD的信噪比和对比噪声比更高。这既可以用于在相同的X射线曝光水平下提高图像质量，也可以用于降低患者X射线剂量，同时保持相同的图像质量。其次，在不影响剂量效率的情况下，很难制造像素尺寸小于约1×1mm2的能量积分探测器。因为反射栅格必须放置在闪烁体像素之间，以防止像素之间的串扰，这些栅格不能太薄。此外，测量信号与像素面积成正比，而电子噪声与像素大小无关，因此，如果像素太小，噪声将主导测量信号。光子计数探测器不会发生这些问题，因此可以实现更高的探测器分辨率。

光子计数与光子计数探测器