Photon-Counting CT in Cardiovascular Imaging: Clinical Applications.
PCD-CT 同步多能掃描，將動態血栓的測量誤差由 79.5% 修正至 55.9%。
- EID-CT 無法兼顧 66 毫秒高速與多能掃描，導致動態測量失真。
- PCD-CT 在呼吸動態干擾下，精確維持 55.9% 的阻塞率測量值。
- 光子計數技術克服雙源 95 度偏移限制，大幅降低動態配準假影。
光子計數探測器電腦斷層掃描（PCD-CT）能在高達 66 毫秒的時間解析度下，同步執行多能（Multi-energy）與大螺距（High-pitch）掃描。在一項模擬每分鐘 20 至 30 次呼吸頻率的動態假體實驗中，傳統能量積分探測器（EID）在移動狀態下的血栓阻塞率測量誤差激增至 79.5%，而 PCD-CT 則精準維持在 55.9% 的基準線上，徹底解決了過去設備無法同時兼顧去殘影與碘定量分析的技術瓶頸。
突破 EID-CT 限制的 66 毫秒高時間解析度挑戰
探討肺栓塞（Pulmonary embolism）的影像診斷時，電腦斷層肺動脈血管攝影（CTPA）是目前的黃金標準。要獲得清晰的影像，雙源電腦斷層掃描儀器通常會開啟大螺距螺旋模式（High-pitch mode，或稱 FLASH 模式）。此模式可提供 66 毫秒的極高時間解析度，搭配高達每秒 737 毫米的進床速度，能大幅減少因患者呼吸或心跳造成的運動假影（Motion artifacts）。
除了追求速度，多能掃描模式（Multi-energy mode, ME）在肺栓塞評估中同樣關鍵。ME 模式能生成碘分布圖（Iodine maps），透過視覺化肺部內的碘顯影劑分布，讓操作人員得以執行定量的體積或感興趣區域（ROI，用於框選特定範圍分析）數值計算。透過低能量的虛擬單能影像（VMIs，透過演算法模擬特定單一能量的影像），系統還能進一步增強血管內的碘訊號，將碘濃度作為肺血流的有效替代指標。
然而，傳統基於能量積分探測器（Energy-integrating detectors, EID）的雙源 CT 系統，面臨著物理機制的根本限制。這類設備無法在啟動大螺距高速掃描的同時，執行高時間解析度的 ME 數據擷取。為了解決這個衝突，具備先天多能成像能力的雙源光子計數探測器電腦斷層掃描（PCD-CT）系統應運而生，讓兩組 X 光管與探測器系統能在高速運轉下同步捕捉多能數據。
模擬 20 與 30 rpm 呼吸頻率的動態假體實驗設計
為了驗證新世代設備的極限，研究團隊採用 QRM-Sim4D-Cardio 動態假體來模擬肺部呼吸時的位移。整套裝置包含一組由馬達與電腦控制的機械臂，設定在 X-Y 軸平面上以 10 毫米的幅度進行圓周運動，並將運動頻率精確設定為每分鐘 20 次（rpm）與 30 次。這項參數設定源於過往研究中發現胸壁因呼吸造成的最大前後或左右位移量。
實驗配置包含兩根直徑 4.5 毫米的塑膠管以模擬平行血管，內部注入濃度 15.5 mg/mL 的 Omnipaque 碘溶液。管內置入半球狀的熱熔膠來充當血管內血栓，第一根管子的阻塞率控制在 75% 以下，第二根則大於 75%。在這兩根模擬血管下方，還放置了濃度分別為 5、10 與 15 mg/mL 的圓形固態碘樣本，這些組件全數固定於機械臂上，放入尺寸 25 × 35 公分的半擬人胸腔假體中進行測試。
掃描設備分別採用臨床雙源 EID-CT（Somatom Force, Siemens Healthineers）與雙源 PCD-CT（Naeotom Alpha, Siemens Healthineers）。EID-CT 分別在單獨的大螺距與 ME 模式下運行，而 PCD-CT 則直接啟用大螺距 ME 同步模式。所有掃描皆針對靜止與動態狀態各重複進行兩次，並透過 Syngo.via 工作站的三物質分解演算法生成虛擬無顯影劑影像與碘圖影像。
PCD-CT 對抗假影維持 15 mg/mL 濃度的穩定性
分析靜止狀態下的影像數據顯示，EID-CT 與 PCD-CT 都能良好地維持碘管的圓形外觀，且沒有讓模擬血栓產生明顯變形。兩種設備在靜態環境下測得的碘濃度皆與真實數值高度吻合，沒有顯著差異（p > 0.05）。
引入動態干擾後，設備間的性能差距立刻浮現。當假體以 20 與 30 rpm 頻率移動時，以 ME 模式運作的 EID-CT 由於時間解析度較慢，影像中的血管形狀出現明顯扭曲，大幅降低了血栓的視覺可辨識度。相較之下，PCD-CT 的大螺距 ME 模式憑藉卓越的時間解析度，成功凍結了運動瞬間，管壁外觀與血栓大小的清晰度幾乎與靜止影像無異。
數據上的穩定度更是拉開差距的關鍵。在針對 15 mg/mL 樣本的測試中，反覆掃描結果顯示 EID-CT 測得的濃度數值波動劇烈；而 PCD-CT 在高螺距 ME 模式下展現出極低的標準差（SD），即便在運動狀態下，測得的數值也能緊密圍繞平均值。值得注意的是，兩種掃描器在測量 10 與 15 mg/mL 樣本時，測值都略微高於基準，這可能是設備校準差異所致。
動態血栓阻塞率 55.9% 與 79.5% 的精度落差
計算血管模擬管的血栓阻塞率百分比，是評估臨床應用潛力的最終環節。在未受干擾的靜態影像中，EID-CT ME 模式測量管 1 的阻塞率為 53.1 ± 1.3%，而 PCD-CT 大螺距 ME 模式測量值為 55.6 ± 1.3%，兩者表現並駕齊驅。對於管 2 的重度阻塞，兩款設備的測量數據也相當接近。
一旦加入模擬呼吸的動態變數，EID-CT ME 模式的準確度便急遽下滑。在 20 rpm 的運動下，EID-CT 將管 1 的阻塞率高估至 79.5 ± 4.0%，當轉速提升至 30 rpm 時更測出 80.1 ± 6.4% 的失真數據。這主要是因為運動假影引發的形狀扭曲，導致測量範圍被異常放大。若改用 EID-CT 的單純大螺距模式，雖然阻塞率數據（53.9 ± 2.7%）能回復正常，卻因為缺少光譜資訊而無法同步執行碘定量分析。
反觀 PCD-CT 的同步大螺距 ME 模式，在 20 與 30 rpm 的干擾下，對管 1 測出的阻塞率分別為 55.9 ± 2.8% 與 56.7 ± 4.5%，與靜態基準值高度一致。均方根誤差（RMSE）的數據也佐證了此結果：EID-CT ME 模式在管 1 測量上的綜合 RMSE 高達 18.8，而 PCD-CT 僅為 0.6，證實了光子計數架構在同步獲取高頻動態結構與多光譜數據時的絕對優勢。
影像域光譜重建的 95 度偏移限制與後續測試
探究 PCD-CT 能在動態環境中保持測量重現性（Reproducibility）的底層原因，與雙能模式的硬體機制息息相關。在傳統雙源 CT 架構下，由於兩組 X 光管之間存在約 95 度的正交偏移，雙能模式必須讓兩組 X 光管在不同千伏（kV）下分別運作，並各自需要半圈的旋轉數據才能完成重建。
這種物理設計阻礙了投影域（Projection-domain）的光譜重建，迫使系統只能依賴影像域（Image-domain）的光譜重建。當遭遇高對比度或快速移動的結構時，影像域重建容易伴隨更嚴重的射束硬化（Beam hardening）與不完美的物質分離，進而產生空間配準錯誤（Misregistration artifact）。PCD-CT 因單一射源即具備多重能量分辨能力，直接避開了管線偏移帶來的動態錯位問題。
儘管這項測試展現了清晰的數據對比，但由於高階掃描儀器的排程限制，針對每種運動條件僅進行了兩組重複掃描。再者，單純的假體實驗並未包含真實解剖結構中複雜的呼吸與心血管脈動干擾，後續將需要在更複雜的情境中擴大樣本量，才能全面勾勒這套硬體架構的應用邊界。
雙源光子計數 CT 成功跨越了高時間解析度與多光譜成像的互斥壁壘，確保動態環境下量化指標的絕對精準。