Medipix在医学成像中的应用
在X射线发现后的几十年里，X射线成像器件经历了从胶片、IP板到CCD传感器、非晶硅平板探测器、CMOS平板探测器，再到直接探测型的混合光子计数X射线探测器的发展历程。在医学成像中，提高医学诊断水平的挑战是在低辐射剂量下具有良好空间分辨率、高检测效率、高对比度、快速响应和高信噪比的成像系统，而这也正是成像探测器所一直追求的。
虽然光子计数型芯片的技术起源于粒子物理和高能物理，但Medipix系列芯片的研发团队显然在给它起这个名字时就考虑到了医学上的（Medical）应用。首先，小像素尺寸使成像应用具有非常高的空间分辨率。因此，对于需要高空间分辨率的应用，如检测乳房中的微钙化或牙科成像，在对比度和空间分辨率方面都得到了提高。
其次，使用半导体直接探测搭配上光子计数的无噪声成像方式，大大提高了灵敏度和信噪比。最后，Medipix系列芯片的多阈值能量窗口筛选功能使得一个全新的医学成像领域成为可能：X射线能谱成像。
图一 四代medipix芯片的参数、性能比较
如上图一所示，在过去的二十几年中，Medipix系列芯片已经发展到了最新的Medipix4（目前正处于研发阶段）。随着每一次新的迭代，Medipix系列芯片都改进了其核心指标，如能量线性度，最低探测下限和光通量上限等。同时引入了新的特性，例如电荷求和模式作为电荷共享效应的校正，从而获得更好的能谱性能。此外，通过选择合适的传感器材料（Si、GaAs、CdTe、CZT）来搭配Medipix系列芯片，可以灵活满足各种医学应用的需求。
早在2006年，欧盟资助的乳腺X射线诊断项目：Dear-Mama，就用到了Medipix2探测器（Si / CdTe传感器）搭建了一套诊断设备（见图二左图），并安装在西班牙的一家医院。Dear-Mama系统在分辨率和对比度方面优于其他的乳腺诊断系统，主要得益于55μm像素尺寸Medipix2芯片的光子计数X射线探测器的功劳，如图二右图 其MTF优于其他类型的探测器。
图二 左图为安装于西班牙一家医院的乳腺诊断系统；右图为不同类型探测器的分辨率&MTF关系曲线
在传统的X射线CT系统中，X射线源具有一个较宽能谱，探测器通常是一个数字积分式的传感器，其输出信号与整个入射能谱上的能量积分成正比。由于X射线衰减与材料和光子能量有关，传统的X射线CT探测器由于能量积分而丢失了一些衰减信息。换句话说，传统的X射线CT探测器不具备分辨入射光子能量的能力，因此衰减图中相对于不同能量提供的附加信息丢失了。随着探测器技术的最新进展，能谱CT系统能够识别不同能量范围下的X射线衰减，区分不同材料的能力更强。
在2011年，Procz等人展示了第一张由Medipix3探测器（Si传感器）拍摄的彩色x射线照片，其中以鱼头为样品，红、绿、蓝色显示了不同能量范围的x射线图片，如下图三所示。鱼鳔是白色的，就像鱼周围的空气一样，因为所有能量范围的光子在这里几乎没有被吸收。低能光子不能穿透组织，剩余的中、高能光子呈现青色。骨头呈蓝黑色，因为只有高能光子能够穿透它们。由于动态范围大，能量加权不同，能谱成像的图像信息优于光子计数的黑白图像。
图三 不同X射线能量窗口下鱼头的X射线黑白图像及能谱成像
早在2008年，一家新西兰的公司的技术团队就已经使用Medipix2芯片搭建了能谱CT。目前他们利用最新一代Medipix3RX芯片的超像素模式，在每个110μm×110μm的单元中，能够在单次曝光下同时使用8个能量阈值，能识别和定量软组织、骨骼、软骨、造影剂和药物的各种成分(同时多达六种不同的材料)，如下图四所示。对样品的研究表明，能谱CT系统能够同时区分作为软组织的替代物中的六种材料，分别为：金、钆和碘造影剂，钙作为骨骼的主要成分，脂质和水。在能谱CT扫描仪中，x射线谱被Medipix3RX探测器分成八个独立的能量窗，该能量信息用于区分和量化不同的材料。
图四
除了利用能谱成像进行物质识别，Medipix3RX探测器还能通过相衬的方法提升软组织的对比度。休斯顿大学的研究人员使用ADVACAM公司提供的搭载Medipix3RX芯片的探测器Widepix 2X5（CdTe传感器）搭建了一套同轴相衬CT，测试了与生物组织衰减系数相近的几种材料，如下图所示。通过相位恢复算法解析原始CT图像，提取定量的相位和吸收信息。在原始图像中，可以看到四个内部材料棒中的三个，但很难区分。在提取的衰减重建中，所有材料棒在重建中都是可区分的，并且POM和石墨之间存在明显的差异。在提取的相位重建中，更好地区分了PMMA和水之间的差异。
图五
结 语
虽然光子计数型芯片Medipix的技术起源于粒子物理和高能物理，但由于光子技术X射线探测器的零噪声、高探测效率、和高帧率的特点在过去的近30年被应用很多X射线分析技术，其大大提升相应分析方法的能力，同时推动了各个行业的发展。如X射线衍射，X射线散射，X射线关联光子光谱，X射线吸收、相衬和能谱成像等，无论是在国家大科学装置-同步辐射光源，还是在未来清洁能量潜力选手-磁约束核聚变，还是在普通的分析实验室的X射线衍射仪、小角散射仪中都能看到它的身影。
如同上文中介绍，X射线在医疗中的应用也是十分广泛，其市场体量也十分的大，同时也和每个人息息相关。近些年国外CT大厂率先推出了应于人体的能谱CT，我们看到国内的CT制造商在纷纷跟进，并获得了相应的国家支持，成立了开发小组来开发能谱CT。让我们静待，光子技术型X射线像素探测器在医疗领域的广泛应用并大放异彩。
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参考文献
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