光子计数 CT 的水晶之眼

毫米级精细、结构完美且制造极其复杂：特殊晶体有助于新一代 CT 扫描仪实现前所未有的图像质量。但是，使光子计数成为可能的结构是如何产生的呢？借助西门子医疗晶体种植者的肩膀，了解到热量和高科技如何成为公司新旗舰扫描仪的核心部件。

两个男人正缓慢而均匀地围着一个玻璃圆筒转圈，他们手里拿着强力的煤气炉。每走一步，火焰都会使材料变形，直到玻璃壁软化到足以密封容器和内部闪闪发光的金属物质为止。“在日本，他们称之为‘火舞’，”Paul Heimann 说。这位工艺工程师也被他的团队称为“首席化学家”——在福希海姆的西门子医疗晶体中心发生的事情实际上让人联想到具有数百年历史的炼金术程序。然而，这里不生产黄金，而是更有价值的东西。

事实上，“火舞”是生产碲化镉单晶的重要一步，而碲化镉单晶是新型光子计数 CT 的核心。晶体能够将 X 射线直接转换为电信号，与以前的扫描仪相比，这具有很大的质量优势。

晶体材料在其元素符号后简称为 CdTe，具有特别适合用于 CT 探测器的特性。“简而言之，它非常好地吸收 X 射线，” Heimann解释道。然而，在 CdTe 晶体展示其优势之前，必须首先完成一个复杂、要求高且耗时的制造过程。西门子工程师从专门为此聘请的日本公司 Acrorad 的专家那里获得了必要的知识。

通过敏感度实现育种成功

制作晶体需要两个主要条件：高温和耐心。因为虽然这两种元素的熔点处于相对适中的 321°C（镉）或 449.5°C（碲），但必须达到 1100°C 才能进行永久融合——合成。“如果你保持在这个水平以下，组件在冷却时会恢复到原来的形状，”Heimann说。为避免在此过程中氧化，将混合物装入碳涂层玻璃安瓿中，然后使用上述“火舞”将其密封。

Paul Heimann 费了很大的劲，才拿到了前面程序的结果：一个灰色的圆柱体，它的表面有暗淡的金属光泽。尽管所谓的金属锭可能不起眼，但它们很敏感：“这种材料很重，但又很软，用指甲都能留下凹痕，”专家说。“它也非常脆，这使得进一步加工变得更加困难。” 更糟糕的是，铸锭在生产过程中不得受到任何振动，因为这会扰乱材料的均匀晶格结构。“后来晶体的质量受到这些杂质的影响，这就是为什么我们必须在这里非常小心地工作。”

碲化镉锭的横截面  图片来源：西门子医疗

因为银锭用作生长实际 CdTe 单晶的原材料。在“种子”晶体的刺激下，一些新的东西从材料中生长出来，Heimann 描述道：“单晶通过熔化铸锭并采用种子晶体的结构而生长。”这导致绝对均匀的排列：旁边是一个碲原子到镉原子，然后是碲、镉等等。晶体的质量是以这种均匀性来衡量的——在福希海姆生长的样本达到了大约 99.999999% 的纯度，专家强调说。然而，原子的整齐纠缠需要时间：铸锭需要 10 到 12 周才能成为成品单晶。“你需要必要的耐心，”Heimann说。

顺便说一句，晶体热也席卷了西门子医疗的其他部门：展示柜中闪闪发光的小型展品并非用于成像，但至少以其多样化的结构装饰了晶体中心。“我们的员工自己培育了它们，”CT 生产部门经理 Andreas Bär 高兴地说。“我们甚至进行了一场小比赛——晶体显然不仅仅让我们的团队着迷。”

应用于最大的CT工厂

从晶体中心的炼金术师厨房，您继续前往 CT 制造大厅。在这里，员工用数千个单独的零件组装扫描仪并配置相关软件。在两名技术人员和一系列测量仪器的检查下，机架单元以最大速度旋转——每秒四转。平衡几吨的环听起来就像旋转循环中的超大洗衣机。“声音之所以这么大，是因为外层还没有贴上，”Andreas Bär 在高频隆隆声中解释道。“当然，扫描仪在临床使用中要安静得多，”他补充道。每年都有数千台计算机断层扫描仪离开大楼，用于世界各地的放射学机构。据专家称，位于福希海姆的工厂是世界上最大的 CT 生产工厂。

展厅内，CdTe单晶再次登场——被高精度金刚石带锯切割成毫米级薄片。构成了光子技术探测器 NAEOTOM Alpha 系列扫描仪的探测器单元。这就是生长晶体的巨大努力得到回报的地方：虽然以前基于传统技术的模型将探测器表面分成多达 88,320 个像素，但 NAEOTOM Alpha 在同一区域有大约 800,000 个像素。

放射科医生探索这项技术的潜力

“这为放射学带来了许多优势，”Aad van der Lugt 教授证实，他是新一代扫描仪的首批用户之一，正在鹿特丹伊拉斯谟医学中心探索该技术的可能性。“更高的分辨率有助于显示最精细的解剖结构，信号的直接转换意味着光谱信息可用于每次扫描，而高性能探测器能够以高图像质量减少辐射剂量，”放射科医生列举道。可以从图像中更好地去除伪影，例如由金属植入物或钙化引起的伪影。

先前在神经病学、心脏病学、呼吸病学和肿瘤放射学方面的应用证明了光子计数 CT 的巨大潜力。在开发阶段，许多研究项目已经探索了新型扫描仪的可能性。随着 NAEOTOM Alpha 的推出，专家希望通过多中心研究将研究置于更广泛的基础上。“该技术将对诊断成像的许多领域产生持久影响，”Van der Lugt 充满信心地说。“尤其是神经放射学将从中受益匪浅。”

文中均为原作者观点，仅供专业人士交流目的，不用于商业用途。

2023年4月21日

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