能谱光子计数 X 射线 · HR-GaAs:Cr科学
数十年来，数字 X 射线一直依赖闪烁体与光电元件的组合。这种方法已触及空间、对比度和时间分辨率的物理极限。25 至 30 年间，业界为寻找出路投入了超过 100 亿欧元。Zeelta 的答案是直接转换型 HR-GaAs:Cr 传感器：对光子计数并测量其能量。
01 · 极限
闪烁体探测器为何看不到更多
在闪烁体中，被吸收的 X 射线量子会产生向各个方向扩散的闪光。只有部分光到达光电元件，并同时照亮多个单元，相邻事件会合并成一个更大的事件。探测器既无法精确定位事件，也无法测量量子能量，其探测量子效率（DQE）约为 35%–40%。
业界研究过三条出路。两次曝光的双能系统没有带来显著的诊断信息增量；数学处理改善了决策支持，但缺少更多数据便无法继续推进。有前景的方向是新的探测器基础：a-Se、CdTe、CdZnTe 和 GaAs:Cr 等单片直接转换半导体传感器。
02 · 直接转换
基于 HR-GaAs:Cr 的光子计数
在单片半导体传感器中，X 射线量子产生的电荷量与其能量成正比。在偏置电压作用下，电荷向相反方向漂移，并被单个像素电极收集。读出 ASIC 对脉冲进行放大，与能量阈值比较后计数。
- 每个事件的位置都能唯一确定；空间分辨率取决于像素间距，最小 35 µm
- 电荷量对应量子能量：即能量色散，相当于色觉
- 两个相邻的同时事件会被分别记录
- DQE 高于 90%：量子计数模式成为可能
03 · 对比
闪烁体 + Si 与 HR-GaAs:Cr 对比
| 空间分辨率 | 能谱（色彩） | 密度分辨 | |
|---|---|---|---|
| 闪烁体 + Si | 像素间距最佳 110 µm；实际分辨率 330 µm 起 | 不具备。双能方法需要重复曝光或两个射线源 | 常规放射摄影 256 级灰度，专家级乳腺摄影 512 级，64 排 CT 4,960 级 |
| HR-GaAs:Cr | 像素间距 35 µm 起；实际分辨率与传感器拓扑一致 | 量子能量测量精度足以进行定性和定量元素分析 | 每个能量区间独立约 4,000 级灰度 |
| 能否互相替代？ | 部分可以 | 不能：能谱成像超出闪烁体系统的能力 | 不能：每个能量通道独立的灰度超出闪烁体系统的能力 |
04 · 材料
技术格局
适用于逐通道读出 ASIC 的单片半导体传感器：
| 材料 | 优势 | 局限 |
|---|---|---|
| 硅（Si） | 非常便宜 | 仅在医学不使用的极低能量下有效；辐射损伤快 |
| 非晶硒（a-Se） | 首个实现量子计数的材料 | 需要热稳定且面板须水平放置；未用于实际系统 |
| CdTe, CdZnTe (CZT) | 10–120 keV 范围效率高，耐用 | 约每克 293 美元；面板最大 84.5 × 28.16 mm |
| HR-GaAs:Cr | 40 keV 时 DQE 高于 95%，120 keV 时约 75%；最高 70 °C；抗辐射能力达 10 GGy | 约每克 7.2 美元；平板面积大于 430 × 430 mm |
05 · 成果
能谱 X 射线能看到什么
06 · 医学
新的诊断方法
能谱 X 射线可实现功能性诊断，而不仅是解剖图像。我们正在为以下研究方向寻找临床合作伙伴：
- 实时活体剂量测定（VDRT）
- 新型锥形束 CT 系统
- 眼部玻璃体的 X 射线成像与评估
- 与医疗团队开展临床前测试和联合研究