光子计数是一种使用单光子探测器（SPD）对单个光子进行计数的技术。单光子探测器为每个探测到的光子发射一个信号脉冲，这与普通的光电探测器不同，后者生成与光子通量成比例的模拟信号。计算脉冲数（但不计算其振幅），给出每个测量间隔检测到的光子数。

光子计数消除了增益噪声，即模拟信号输出和光子数之间的比例常数随机变化。因此，光子计数探测器的过量噪声因子是统一的，并且对于固定数量的光子，可实现高于能量积分探测器（EID）的信噪比。

光子计数可以提高时间分辨率。在传统探测器中，多个到达的光子产生重叠的脉冲响应，将时间分辨率限制在探测器的下降时间附近。然而，如果已知检测到单个光子，则可以评估脉冲响应中心，以精确确定其到达时间。使用时间相关单光子计数（TCSPC），使用下降时间大于20倍的探测器，时间分辨率小于25 ps。

单光子检测在以下领域很有用：

光纤通讯

量子信息科学

量子加密

医学影像

光探测和测距

DNA测序

天体物理学

材料科学

在放射学中，X射线成像方式的主要缺点之一是电离辐射的负面影响。尽管人们认为小剂量照射（如大多数医学成像所用）的风险很小，但“合理可能尽量低”（ALARA）的辐射防护原则始终适用。减少曝光的一种方法是使X射线探测器尽可能有效，以便在给定的诊断图像质量下使用较低的剂量。光子计数探测器会很有帮助，因为它们能够更容易地抑制噪声。

光子计数乳腺X光摄影术于2003年投入商业应用。虽然这种系统并不普遍，但一些证据表明，与其他带有平板探测器的数字乳腺X光摄影系统相比，它们能够以大约40%的低剂量生成类似的图像。随后开发了光谱成像技术，以区分光子能量，从而有可能进一步提高图像质量，并区分组织类型。

光子计数CT

光子计数计算机断层扫描（PCCT）是X射线计算机断层扫描（CT）的一种形式，其中使用光子计数探测器（PCD）检测X射线。

光子计数CT与现有的CT成像技术相比有显著优势，并继续激发和实现全新的应用。光子计数探测器（PCD）可以记录单个光子的相互作用。通过跟踪每次相互作用中沉积的能量，PCD的探测器像素会记录一个近似的能谱，使其成为能量分辨CT技术。相比之下，传统的CT扫描仪（如现有的kV快速切换，双层探测器CT等）使用能量积分探测器（EID），其中记录了在固定时间段内沉积在像素中的总能量（通常来自大量光子和电子噪声）。因此，这些EID只记录光子强度，类似于黑白摄影，而PCD也记录光谱信息，类似于彩色摄影。

在评估PCD性能时，EID通常被用作比较基准。使用这种基准，在CT成像中使用PCD比使用EID有几个潜在优势。这些措施包括提高信号（和对比度）与噪声的比率、降低患者的X射线剂量、提高空间分辨率，以及通过使用多个能量箱来区分多种造影剂的能力。由于所需的数据量和速率很大（每平方毫米每秒高达数亿光子相互作用），只有在探测器技术最近有所改进的情况下，在CT扫描仪中使用PCD才变得可行。

经过二十多年的艰难探索，作为下一代CT成像技术，2021年9月29日，美国食品与药品监督管理局批准了第一个光子计数CT（NAEOTOM Alpha，Siemens Healthineers研发）用于临床使用。

离散能量相关检测

当光子在PCD中相互作用时，产生的电脉冲的高度大致与光子能量成正比。通过将像素中产生的每个脉冲与合适的低能阈值进行比较，可以过滤掉低能事件（由光子相互作用和电子噪声产生）的贡献。这有效地消除了电子噪声的影响，代价是丢弃了能量与噪声级相当的光子（因为它们与噪声计数无法区分，所以几乎没有用处）。另一方面，在EID中，单个光子的贡献未知。因此，不能应用能量阈值，这使得该技术容易受到噪声和其他因素的影响，这些因素可能会影响电压与X射线强度的线性关系。

消除电子噪声使PCD比EID有两个优点。首先，与EID相比，PCD的信噪比和对比噪声比更高。这既可以用于在相同的X射线曝光水平下提高图像质量，也可以用于降低患者X射线剂量，同时保持相同的图像质量。其次，在不影响剂量效率的情况下，很难制造像素尺寸小于约1×1mm2的能量积分探测器。因为反射栅格必须放置在闪烁体像素之间，以防止像素之间的串扰，这些栅格不能太薄。此外，测量信号与像素面积成正比，而电子噪声与像素大小无关，因此，如果像素太小，噪声将主导测量信号。光子计数探测器不会发生这些问题，因此可以实现更高的探测器分辨率。

PCCT原理示意图。左图显示光子到达PCD表面，右图显示生成信号的简化版本。从这张图像中可以了解到的一些关键内容包括：光子探测的离散性、电脉冲的能量相关高度、通过使用足够高的基本阈值从理论上消除电子噪声影响的能力，以及使用能量阈值确定光子能量的能力。

多能量成像

通过引入更多高于低能阈值的能量阈值，PCD可以被划分为几个离散的能量箱。因此，每个光子根据其能量被分配到特定的能量箱，这样每个像素测量入射X射线光谱的直方图。

与EID的积分沉积能量相比，该光谱信息提供了几个优势：

首先，它可以定量地确定重建CT图像中每个像素的材料组成，而不是传统CT扫描中获得的估计平均线性衰减系数。事实证明，这样的物质基础分解，使用至少两个能量箱，可以充分解释人体内发现的所有元素，并增加组织类型之间的对比度。

此外，光谱信息可用于去除线束硬化伪影。这是因为大多数材料在较低能量下具有较高的线性衰减，当X光束通过物体时，会将X射线光谱的平均能量移向较高的能量。通过比较不同能量箱中的计数比率与衰减光束的计数比率，可以使用PCD说明光束硬化量。

最后，使用两个以上的能量箱，一方面可以区分致密骨和钙化，另一方面可以区分用作造影剂的较重元素（通常是碘或钆）。这有可能通过在注射造影剂之前不需要参考扫描来减少辐射剂量。虽然能谱CT在临床上已经以双能量扫描仪的形式提供，但光子计数CT具有许多优点。

与双能量CT相比，PCD可以实现两个以上的能量阈值，分离度更高。这种能量分辨率的提高转化为图像中更高的对比度噪声比，尤其是在增强和材料选择性图像中。此外，更多的能量箱还可以同时区分不同的造影剂。

光子计数探测器类型

对于X射线和伽马射线检测，为了强调光电作用，首选原子序数高的化合物半导体。化合物半导体通常由周期表中的III和V组元素（如GaAs）以及II和VI组元素（如CdTe）衍生而来。除了二元化合物外，还生产了三元材料，如CdZnTe和CdMnTe。

下表报告了通常用于辐射检测的最常见化合物半导体的物理特性。

Sordo SD, Abbene L, Caroli E, Mancini AM, Zappettini A, Ubertini P. Progress in the Development of CdTe and CdZnTe Semiconductor Radiation Detectors for Astrophysical and Medical Applications. Sensors (Basel). 2009;9(5):3491-526.

在化合物半导体中，CdTe和CdZnTe在X射线和γ射线探测器的开发中越来越受关注。由于高原子序数、高密度和宽带隙，CdTe和CdZnTe探测器确保了高探测效率、良好的室温性能，对于X射线和γ射线应用非常有吸引力。

以下介绍不同类型的半导体光子计数探测器。

锗探测器

锗探测器主要用于核物理中的伽马能谱和X射线能谱。虽然硅探测器的厚度不能超过几毫米，但锗的耗尽灵敏厚度可以达到厘米级，因此可以用作高达几兆keV的伽马射线总吸收探测器。这些探测器也称为高纯锗探测器（HPGe）或超纯锗探测器。在目前的提纯技术得到改进之前，锗晶体的纯度不足以用作光谱检测器。晶体中的杂质会捕获电子和空穴，破坏探测器的性能。因此，锗晶体中掺杂了锂离子（Ge（Li）），以便产生一个固有区域，在该区域中电子和空穴能够到达触点并产生信号。

锗探测器的主要缺点是必须冷却到液氮温度才能产生光谱数据。在更高的温度下，电子很容易穿过晶体中的带隙，到达导带，从而自由地响应电场，产生太多的电噪声。

锗探测器已经用于COSI气球发射的天文任务（NASA，2016年），并将用于轨道天文台（NASA，2025年）康普顿光谱仪和成像仪（COSI）。

硅探测器

硅的制造工艺成熟，价格便宜。它比CdTe/CZT具有更高的载流子迁移率，这意味着它可以处理更高的X射线通量，而不会出现堆积现象，也不会出现极化和K逃逸问题。但由于其原子序数较低，硅的吸收效率较低，因此传感器必须非常厚。探测大多数入射光子需要几厘米的硅，而只需要几毫米的CdTe/CZT。

此外，低原子序数意味着大部分入射光子是康普顿散射，而不是光电吸收，这意味着它们在原始相互作用位置沉积了少量能量，并朝着不同的方向移动。然后，它们可能会离开传感器，或在其他位置再次交互。康普顿相互作用降低了能量分辨率，因为它们不能提供关于能量的很多信息。原始光子和散射光子的二次相互作用导致重复计数和空间分辨率损失。

钻石探测器

金刚石探测器与硅探测器有许多相似之处，但有望提供显著的优势，尤其是高辐射硬度和极低的漂移电流。目前，它们更昂贵，更难制造。

碲化镉和碲锌镉探测器

碲化镉（CdTe）和碲锌镉（CZT）探测器已开发用于X射线光谱和伽马光谱。这些材料的高密度意味着它们可以有效地衰减能量超过20keV的X射线和伽马射线，而传统的硅基探测器无法检测到这些能量。与锗基探测器不同，这些材料的宽带隙也意味着它们具有高电阻率，能够在室温（约295K）或接近室温（约295K）下工作。这些探测器材料可用于生产具有不同电极结构的传感器，用于成像和高分辨光谱分析。

在过去十年中，碲化镉（CdTe）和碲化镉锌（CdZnTe）宽带隙半导体作为X射线和γ射线探测器吸引了越来越多的兴趣。相对于基于硅（Si）和锗（Ge）的传统光谱仪，CdTe和CdZnTe探测器具有较高的检测效率和良好的室温性能，非常适合开发紧凑可靠的检测系统。

CT光子计数探测器成像原理

用于CT系统的实验性PCD使用基于碲化镉（锌）或硅的半导体探测器，两者都不需要低温冷却。碲化镉和碲锌镉探测器具有高衰减和相对较高的光电康普顿比的优势，用于CT成像的X射线能量。

在半导体探测器中，电离辐射通过两个电极之间的探测器材料中释放的电荷载流子的数量和辐射来测量。电离辐射产生自由电子和电子空穴。电子-空穴对的数量与半导体的辐射能量成正比。结果，许多电子从价带转移到导带，并在价带中产生等量的空穴。在电场的影响下，电子移动到电极上，产生脉冲，可以在外部电路中测量，如Shockley-Ramo定理所述。空穴沿相反方向移动，也可以测量。由于产生电子-空穴对所需的能量已知，并且与入射辐射的能量无关，因此测量电子-空穴对的数量可以确定入射辐射的强度。

半导体传感器材料的X射线光电吸收效率，假设传感器厚度为500μm。锗和砷化镓具有相似的吸收效率，因此绘制了一条曲线（Ge）；同样，为CdTe和CZT绘制一条曲线。30keV时曲线上出现缺口是因为，虽然X射线的吸收随着光子能量的增加而下降，但在光子能量达到足以激发原子内壳层（k壳层）电子的高度时，吸收会突然增加（K-edge）。

与气体电离探测器相比，在半导体探测器中，脉冲高度的统计变化更小，能量分辨率更高。由于电子的传播速度很快，时间分辨率也很好，并且取决于上升时间。与气体电离探测器相比，半导体探测器的密度非常高，高能带电粒子可以在尺寸相对较小的半导体中释放能量。