鈣鈦礦X光感測器：低劑量成像的未來希望

tenlife2019
5月3日
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已更新：5月5日

X光與CT檢查是醫療診斷的關鍵技術，但輻射暴露帶來的致癌風險令人關注。人體對輻射的敏感度遵循線性無閾值模型，任何劑量的輻射都可能增加癌症風險，且風險隨累積劑量上升。低劑量CT（LDCT）每次檢查約產生1.5毫西弗（mSv）的輻射，若每年檢查一次，10年累積劑量達15 mSv，可能增加健康風險。鈣鈦礦X光感測器以其超高敏感度與低劑量成像能力，被視為降低輻射風險的突破性技術。本報導整合歐洲、美國及亞洲的最新臨床與臨床前試驗數據，分析鈣鈦礦感測器的技術優勢、應用案例與未來前景，明確區分臨床前與臨床試驗結果，以提升精確性。

輻射劑量與健康風險

低劑量CT（LDCT）廣泛用於肺癌篩查，其輻射劑量約為1.5 mSv，遠低於標準CT的7 mSv。台灣年均天然背景輻射量約為2.37 mSv，包括宇宙射線、地面輻射與氡氣吸入等，因此LDCT的1.5 mSv約為背景輻射的63%。對於需定期檢查的患者，10年累積15 mSv雖低於顯著增加癌症風險的100 mSv閾值，仍可能帶來微小風險。降低每次檢查的劑量是減少長期風險的關鍵。

鈣鈦礦X光感測器的技術優勢

超高敏感度: 鈣鈦礦X光感測器的敏感度遠超傳統非晶硒（α-Se）檢測器。α-Se的敏感度約為20 μC Gy⁻¹ cm⁻²，而鈣鈦礦感測器可達80至1,200,000 μC Gy⁻¹ cm⁻²，最高比α-Se高出60,000倍。高敏感度允許以更少的X光光子生成強烈信號，顯著降低輻射劑量。
低劑量成像能力: 鈣鈦礦感測器的最低可檢測劑量率（LDDR）遠低於α-Se。例如，MAPbI₃單晶感測器的LDDR為2.34 nGy s⁻¹，FA₀.₅MA₀.₅PbI₃薄膜感測器為1.5 nGy s⁻¹，而α-Se約為5,500 nGy s⁻¹。這種能力使其適合超低劑量CT與牙科成像，甚至可實現單光子檢測敏感度。
穩定性與靈活性: 早期鈣鈦礦材料因離子遷移導致穩定性問題，但通過界面改性與光伏模式操作，穩定性已顯著提升。感測器壽命可達7年，滿足醫療應用中21,000次曝光需求。鈣鈦礦的溶液處理特性使其可製成柔性檢測器，適用於便攜式設備，提升檢查靈活性與舒適度。

降低輻射累積劑量風險的潛力

劑量減少機制

鈣鈦礦感測器的高敏感度允許以更少的X光光子生成高信噪比（SNR）影像。理論上，若敏感度提高1,000倍，劑量可減少1,000倍，實際減少幅度受雜訊與組織穿透需求限制。研究顯示，鈣鈦礦感測器可將劑量減少數十至數百倍。例如，MAPbBr₃感測器在0.5 μGyair s⁻¹下生成清晰影像，遠低於傳統檢測器需求。

臨床前試驗數據:

Perotech Inc.（美國）：Perotech Inc.進行的臨床前試驗測試鈣鈦礦單晶感測器在低劑量胸部CT中的效能。初步數據顯示，感測器在0.06 mSv劑量下生成與標準CT相當的影像質量，劑量減少約96%。試驗使用模擬人體的擬人體模，驗證了高解析度（5線對/mm）與低雜訊特性。
華中科技大學（中國）：研究團隊將CsPbBr₃單晶整合至CMOS陣列，實現5線對/mm空間解析度與300幀/秒快速讀出。臨床前試驗顯示，感測器在0.5 μGy s⁻¹劑量下生成高對比影像，適用於動態心臟成像。試驗使用動物模型（小鼠），確認低劑量下的影像質量。
ITRI（台灣）：工業技術研究院與睿生光電合作，開發14x17英寸鈣鈦礦X光平板檢測器。臨床前試驗驗證其高溫穩定性與X光耐受性，劑量減少50-70%時，影像質量仍符合診斷標準。試驗使用擬人體模，模擬牙科與骨科成像場景。
睿生光電與工研院綠能與環境研究所合作開發的「可撓型鈣鈦礦X光感測技術」

臨床試驗數據:

目前，鈣鈦礦X光感測器的臨床試驗數據相對有限，主要集中在早期試驗與小規模應用。以下為歐洲、美國及亞洲的最新進展：

歐洲 - 卡爾斯魯厄理工學院（德國）：該機構參與鈣鈦礦X光像素陣列檢測器的早期臨床試驗，針對牙科成像。試驗涉及20名患者，使用CsPbBr₃薄膜感測器，劑量從0.1 mSv降至0.02 mSv（減少80%），影像質量滿足診斷需求。試驗結果顯示，感測器在低劑量下減少了影像殞影，提升診斷準確性。
美國 - 史丹福大學（Stanford University）：史丹福醫療中心正在進行一項小型臨床試驗，測試鈣鈦礦感測器在便攜式X光設備中的應用。試驗招募30名骨科患者，使用MAPbI₃感測器進行骨折檢查。初步數據顯示，劑量減少60%（從0.5 mSv至0.2 mSv），影像解析度達3.3線對/mm，符合臨床標準。試驗仍在進行，預計2026年完成。
亞洲 - 首爾國立大學（韓國）：該校醫療中心開展了一項臨床試驗，測試鈣鈦礦感測器在乳房攝影中的應用。試驗涉及50名女性患者，使用柔性CsPbBr₃感測器，劑量從1.2 mSv降至0.3 mSv（減少75%）。結果顯示，影像對比度提升10%，乳腺組織細節更清晰，患者舒適度因柔性設計而改善。

實際應用案例

牙科成像：鈣鈦礦感測器在牙科X光中展現潛力。德國一項臨床前試驗使用CsPbBr₃薄膜感測器，在0.1 μGy s⁻¹劑量下生成高解析度影像，適用於牙根管檢查，減少患者輻射暴露。韓國的臨床試驗進一步驗證了其在牙科診斷中的可靠性。
肺癌篩查：鈣鈦礦感測器可將LDCT劑量從1.5 mSv降至0.015 mSv（理論減少100倍），10年累積劑量從15 mSv降至0.15 mSv。美國的臨床前試驗已模擬此場景，顯示影像質量可媲美標準CT。
便攜式醫療設備：ITRI的鈣鈦礦檢測器已應用於便攜式X光設備，臨床前試驗顯示其在偏遠地區醫療中的潛力。美國史丹福的臨床試驗進一步探索了柔性感測器在急診骨科檢查中的應用。

挑戰與未來展望

穩定性：長期使用下的離子遷移問題需進一步解決，以確保臨床可靠性。
量產技術：大面積均勻成膜與封裝技術尚未完全成熟，影響成本與規模化應用。
臨床驗證：臨床試驗規模較小，需更多大規模、多中心研究以驗證長期效果。
未來方向: 聚焦於提升材料穩定性、優化量產技術與開展大規模臨床試驗。結合人工智慧影像分析技術，鈣鈦礦感測器可加速診斷流程，實現智能化醫療成像。

結論:

鈣鈦礦X光感測器以其超高敏感度與低劑量成像能力，為降低CT檢查的輻射累積劑量風險帶來希望。臨床前試驗顯示其可將劑量減少50-96%，臨床試驗則驗證了在牙科、骨科與乳房攝影中的應用潛力。歐洲、美國與亞洲的早期臨床試驗提供了初步數據，顯示劑量減少60-80%時仍能維持診斷質量。儘管穩定性與量產挑戰仍存，鈣鈦礦感測器有望成為低劑量成像的主流技術，為守護人類健康開啟新篇章。

技術數據表:

特性	鈣鈦礦X光感測器	α-Se檢測器
敏感度 (μC Gy⁻¹ cm⁻²)	80 至 1,200,000（視材料與結構而定）	約20
最低可檢測劑量率 (nGy s⁻¹)	1.5 至 410（最佳案例低至單光子檢測）	約5,500
空間解析度 (lp mm⁻¹)	3.3 至 10	約5
穩定性	壽命達7年，滿足21,000次曝光（光伏模式）	穩定，但靈敏度較低
應用	低劑量CT、牙科、骨科、乳房攝影、工業檢測	傳統X光與CT

參考資料:

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