作为一名放射科医生，Philippe Douek在他30年的职业生涯中，研究过成千上万张电子计算机断层扫描仪（CT）生成的影像，以探查疾病或损伤迹象。但对于这位法国里昂第一大学的放射学教授来说，一种新型设备——光子计数探测器（PCD）CT——所体现的性能着实让他惊叹不已。Douek和他的同事一直在对PCD原型机进行测试，不仅对动物、假人进行扫描成像，甚至也扫描了Douek的肺部。他表示，用这种技术生成的图像“要详细得多”。

研究人员也已证实，该技术提供了更好的分辨率以回馈患者。比如Douek和他的同事在2021年的一项研究中发现，相较于传统的CT设备，PCD CT能更好地诊断冠状动脉疾病（即为心脏输送血液的动脉变得狭窄）[1]。对此，Douek也表示：“光子计数扫描仪能帮助你更自信地做出冠状动脉疾病的诊断。”

PCD CT技术日渐成熟，并逐步应用到医院和诊所当中。2021年秋，负责监管药物和医疗设备的美国政府机构——美国食品和药物管理局（FDA）——首次批准了德国西门子公司的一款PCD CT设备（图1）[2]。欧洲和英国也批准将这一型号的扫描仪用于临床使用。其他知名医学影像公司，包括美国通用电气、荷兰飞利浦和日本佳能，也正在研发类似的扫描仪，产品或将很快进入市场。美国明尼苏达州罗切斯特市梅奥诊所（Mayo Clinic）的医学物理学教授Shuai Leng表示，“这是一场技术革命，而不仅仅是渐进式的改进。”

《图1》

图1 西门子的NAEOTOM Alpha是首台获监管机构批准的商业PCD CT扫描仪。该设备具有两个使用碲化镉晶体材料的探测器，空间分辨率可达到0.11 mm。该扫描仪的两个X射线管提供的时间分辨率可降低至66 ms，使其更容易为跳动的心脏成像。来源：Siemens（公共领域）。

医学扫描技术的另一个支柱——磁共振成像（MRI）——也可能即将发生巨大的机器演变，使该技术适用于更多的临床环境。2020年8月，FDA批准了一款便携式MRI扫描仪的商业销售，该扫描仪由美国Hyperfine公司制造，具有64 mT的磁铁（图2）[3]。相比之下，医院的MRI扫描仪可以采用强100倍以上的磁铁[4]。与传统的MRI扫描仪相比，像Hyperfine设备这样的超低场MRI扫描仪更小、更便宜，也更容易配置，可覆盖至发达国家的更多患者，并推广至目前无法负担这项技术的区域[5]。最值得注意的是，此类设备足够小，在临床环境中便于携带。

《图2》

图2 Hyperfine公司的超低场MRI扫描仪用于大脑成像。患者头部从开口合适位置伸入，放置于透明的塑料支架（也称为头部线圈）中，以探测病人头部组织发出的射频能量。该扫描仪顶部的红色物体是高斯保护装置，用于标记磁场边界，边界以外区域不会吸引金属物体或干扰起搏器。来源：Hyperfine（公共领域）。

PCD CT与传统扫描仪有相似之处。这两种设备均通过发射X射线穿透患者身体，以实现该部分的图像重构[6]。不同组织的密度不同，会在不同程度上吸收或散射通过的X射线光子[7]。例如，骨骼密度远大于脂肪密度，对X射线的衰减程度也大得多[7]。当光子到达设备的检测器时，其强度下降的程度可体现所穿过的组织的密度，软件则根据这些数据构建CT影像[7]。

这两种CT扫描仪的主要差异在于探测器[8]。PCD扫描仪采用的是由硅、碲化镉或碲化锌镉材料制成的半导体探测器，可记录探测到的每一个X射线光子[9]。相比之下，传统CT扫描仪采用的固体探测器，则是通过间接方式探测X射线的衰减。它包含一层钨酸镉或其他发光材料，受X射线激发后能够发光 [9]。再通过光电二极管检测发光。与测量单个光子能量的PCD CT扫描仪不同，传统CT扫描仪记录的是一定时间内检测到的数千个光子的能量总和[8,10]。

PCD技术最显著的优势在于提升了图像质量。光子计数装置的探测器像素较传统CT扫描仪探测器像素更小[9]。因此，一台PCD CT扫描仪“提供的空间分辨率可提升两到三倍，可以帮助我们看到更多的解剖和病理细节”，Leng说。这项新技术还具有其他优势。PCD设备减少了由密质骨或金属植入物（如支架和人工膝关节）产生的伪影[9,11]。传统的CT设备通常可以同时使用两种能量的光子扫描患者，帮助放射科医生确定患者体内不同物质的组成，如肾结石和引起痛风的尿酸结晶[9,12]。然而，PCD扫描仪可以同时使用多种能量的X射线扫描患者，增强病理诊断。对患者来说，使用PCD扫描仪有一个很大的好处，在扫描过程中能够减少45%的所受辐射 [8]。

若能克服一些其他技术挑战，PCD成像技术还可进一步优化。首先是PCD和传统扫描仪都存在的一个问题：在一定的辐射剂量内，更高的空间分辨率成像会增加图像噪声，因为每个探测器捕获的光子数量有所减少。为了充分利用PCD CT的超高分辨率，Leng和其他研究人员正在研究是否可借助人工智能（AI）或其他方法减轻噪音。成本问题则是PCD CT机面临的另一项挑战，至少在初期，其成本可能高于传统的CT扫描仪，甚至可高达300万美元每台[13]。

尽管如此，Leng预测，PCD扫描仪终将取代传统的CT机。PCD设备还有助于减少某些侵入性手术，Douek说。例如，为了确定患者的冠状动脉是否受阻，心内科医生通常会进行冠状动脉造影，会在病人腹股沟或手臂上的动脉处插入导管，并引导其至心脏处[14]。再通过导管释放染液帮助心内科医生在X光片上分辨出狭窄的动脉。然而，PCD CT能够以一种非侵入性的方式提供清晰的影像，揭示冠状动脉的状态，Douek说，“该技术有可能取代冠状动脉造影。”

CT设备通过探测特定组织的密度进行成像，而MRI则是通过不同结构的含水量进行区分。MRI的磁体会使患者身体被扫描部分的氢原子核（如水分子中的氢原子核）与设备的磁场形成共振[15]。为了生成图像，MRI扫描仪发出射频波，使氢原子核偏离轨道。然后，该设备关闭射频信号，让氢原子核回到原来的偏转方向。在这个过程中，不同组织中的氢原子核会以不同的速度释放能量，机器则对这些能量进行测量并重建解剖结构[16]。

有小部分型号的MRI扫描仪具有专门用途，如骨科使用的设备，其磁体小于1 T，此外的大多数MRI扫描仪使用1.5 T、3.0 T或7 T的磁体。MRI扫描仪在诊断许多疾病和损伤方面的价值是难以估量的，但同时也是耗费巨大的，需要专门的基础设施。其超导磁体重量可达4500 kg [17]。如果磁体停止超导，冷却磁体的低温液态氦就会蒸发，所以设备必须配备一个通风系统用于排气[17]。另外，为防止干扰，设备需采取两种类型的屏蔽。由于MRI的磁体磁力非常强，可能会干扰附近的电子设备，所以通常将机器安装在由钢板制成的电磁屏蔽室内[18]。MRI室的墙壁、天花板和地板通常也覆盖有铜或镀锌钢，以防止外部电磁信号干扰扫描仪的探测器[19]。MRI设备的价格通常在100万美元·T-1 左右。随着医院越来越多地采用7 T的机器，其价格也在不断增长[20‒21]。

传统MRI扫描仪的尺寸、成本和基础设施要求限制了其使用位置与方式。瑞士巴塞尔大学生物医学工程教授、Hyperfine公司的联合创始人Mathieu Sarracanie称，医院通常将他们能负担得起的一两台机器放在一个中心位置，这使得MRI扫描在医疗使用中十分受限。“MRI就像一个电话亭——你需要排队等候使用。”此外，美国马里兰州巴尔的摩马里兰大学医学院放射诊断治疗和核医学教授Eliot Siegel指出，有的患者病情太过严重而不能移动，也无法享受该技术服务。

对于欠发达国家地区的许多医院和诊所而言， MRI扫描仪是遥不可及的。一项2018年发表的调查发现，整个西非只有84台MRI机器，相当于每百万人保有量为0.2台[22]。而在日本——保有量比例世界最高的国家，每百万人MRI保有量为55台 [23]。

Sarracanie表示，开发更简单、更便宜但更低灵活性的MRI设备这一想法并非刚刚出现，而是正在蓬勃发展。市场上已出现磁感应强度低于1 T的低场设备，克服了更强大的MRI机器的一些限制。2021年，FDA批准了西门子的0.55 T扫描仪。相较传统MRI设备而言，该设备对氦气冷却剂的需求量更少，不需要排气系统，可装入更小的空间 [24]。但其重量接近3200 kg，不便于携带。

Sarracanie还表示，超低场设备的磁体的磁感应强度通常低于0.1 T，更有利于增加接口、简化基础设施和降低成本。大多数超低场MRI设备，包括Hyperfine和香港大学研发的机器（见下文），都是设计用于大脑成像——MRI最常见的功能之一——或对手部等肢体进行成像。Sarracanie说，能够对全身成像的机器并不具吸引力，因为它们需要更大的磁铁，而这会导致其便携性很低。

Hyperfine扫描仪是第一个获得政府许可的便携式MRI设备。该扫描仪高150 cm，宽84 cm，重635 kg，外形类似于工业吸尘器 [25]。其永磁体磁力相对较弱，不是传统MRI扫描仪中的强大超导磁体，因此不需要昂贵的氦气冷却系统或专门的屏蔽室[26]。此外，与传统的MRI机器不同，医生可直接将Hyperfine扫描仪推到患者床边，快速做出诊断（如中风等）[27]。

Hyperfine公司顾问委员会成员Siegel表示，像Hyperfine生产的这种体积更小的移动式MRI扫描仪可能改变MRI在发达国家医疗领域所扮演的角色。他表示，这些设备可能会作为标准设备，应用于手术室、急诊室和其他目前尚不适用的地方——甚至包括救护车。医生使用该技术的方式也会改变，他补充道，他们可能会进行多次扫描以跟踪患者的病情变化，而这一点由于等待时间过长，目前还不可能实现。

这种扫描仪比传统的扫描仪便宜得多。Hyperfine设备的生产成本约为5万美元[4]，甚至还能实现更低的设计成本。比如，在2021年，香港大学的一个研究小组就展示了一款箱型的便携式扫描仪，其预估成本低于2万美元[5,17]。Siegel说，这种经济实惠的设备“可能会彻底改变世界上还无法使用MRI的地区的游戏规则”。Hyperfine公司预计到2022年年底，超过80台Hyperfine便捷式扫描仪将得以安装使用 [28]。

然而，超低场MRI设备在某些发达国家仍面临质疑，部分美国保险公司拒绝支付因使用磁感应强度小于0.3 T的扫描仪扫描而产生的费用，Siegel说。有批评人士担心这种设备生成的图像分辨率较低，但这种担心是没有根据的，Sarracanie表示，“更高的磁场强度并不能提高分辨率或优化图像，而是提高了单位时间内的信噪比”。研究人员正致力于研究相应的策略，以应对超低场图像的较高噪声，如Hyperfine扫描仪和香港大学原型机都采用了人工智能深度学习算法[17,26]。但在图像质量方面，超低场设备可能无法与大型设备相比，Sarracanie表示。“我们能否在相同时间内产生与高场扫描仪同样清晰的图像呢？答案是否定的。但我们正在加快改善图像质量，目前已经可以进行临床相关的成像了。”