文 | 動脈網(wǎng)

高端醫(yī)學(xué)裝備最上游的角落，鮮有人問津的“射線源”正在醞釀一場跨時代的成像革命。

1895年，威廉·倫琴通過加熱鎢制燈絲產(chǎn)生自由電子并對其進(jìn)行高壓加速，迫使它們撞擊金屬靶材，成功激發(fā)出了X射線，奠定了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)檢查的理論基礎(chǔ)。

此后百年，一代代醫(yī)學(xué)影像設(shè)備風(fēng)云變幻，唯有熱陽極射線源的迭代，未曾脫離這一核心原理。直至21世紀(jì)后創(chuàng)新影像設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，這項年逾百歲的技術(shù)才得以迎來新的挑戰(zhàn)對手。

以搭載大量射線源、探測器的靜態(tài)CT為例，它以探測器環(huán)脈沖式曝光的方式替代螺旋成像，需要在機架有限的空間中布置大量射線源及探測器。因此，此類CT的射線源必須兼具小體積、高強度兩項指標(biāo)，而熱陽極射線源的體積與射線成正比例關(guān)系，無法滿足要求。

為突破這一物理瓶頸，部分創(chuàng)新企業(yè)選擇另辟蹊徑，借助冷陰極X射線源獲得高能電子束。打破困境的同時，他們也在書寫放射成像新的史詩。

醫(yī)療領(lǐng)域，遲了整整20年

簡單來說，冷陰極X射線源利用碳納米管制備的陰極發(fā)射電子，通過電場加速后轟擊陽極靶材，進(jìn)而產(chǎn)生射線。由于不需要加熱，冷陰極X射線源較傳統(tǒng)熱陽極具備響應(yīng)速度快、功耗低、易于集成等優(yōu)點。

衡量冷陰極X射線源性能時，我們可能通過碳納米管輕易判斷優(yōu)劣。后者為由單層或多層石墨片繞中心按一定角度卷曲成同軸中空無縫管狀結(jié)構(gòu)的一維量子材料，通過場發(fā)射發(fā)生電子。任何場發(fā)射均可通過減小金屬表面的長寬比來增強電場強度，因而理論上講，碳納米管的尖端越尖，產(chǎn)生的電場強度越強。

21世紀(jì)初期，工業(yè)、安檢領(lǐng)域已能規(guī)模生產(chǎn)10mA級別出束流強的冷陰極X射線，用于檢測電網(wǎng)、軌道等場景。更大的功率與更長的壽命之下，冷陰極X射線源迅速實現(xiàn)了規(guī)模商業(yè)化。

目睹冷陰極X射線源在上述領(lǐng)域中的成功，包括GPS在內(nèi)的全世界球管生產(chǎn)廠商迅速開啟探索。畢竟，冷陰極X射線源能在室溫下產(chǎn)生高能離子束，性能穩(wěn)定，還能有效縮小成像設(shè)備的體積，在這個影像設(shè)備越做越大的時代，擁有極大的想象空間。

然而，材料制備難度高、場發(fā)射性能不穩(wěn)定、工藝集成難度高及成本等問題都在研發(fā)落地過程中凸顯出來。

冷陰極X射線源要保證在患者輕微移動時也能得到清晰的圖像，必須能夠發(fā)射50mA以上的電流強度，才能在1秒之內(nèi)完成曝光。大電流出束、高精度調(diào)控、長壽命穩(wěn)定運行成為碳納米管冷陰極X射線源能帶給醫(yī)學(xué)影像巨大優(yōu)勢背后的價碼，在當(dāng)時幾乎沒有企業(yè)能夠完全做到。

直至2016年左右，國內(nèi)外企業(yè)才在高性能碳納米管的制備上完成突破并逐步推廣至醫(yī)學(xué)影像中應(yīng)用。

目前，海外的萬睿視、Micro-X、NanoX，國內(nèi)的新鴻電子、昊志影像、傲鐳科技等企業(yè)，均以各自的技術(shù)路徑實現(xiàn)了一定規(guī)模量產(chǎn)，驗證了碳納米管冷陰極X射線源在高清、快速、低劑量及體積小、節(jié)能等方面的優(yōu)勢。

這其中以Micro-X的單焦點集成和萬睿視、新鴻電子的多焦點陣列式排布兩個技術(shù)路徑最有代表性，后者的技術(shù)難度和挑戰(zhàn)更大。目前，萬睿視則在乳腺機方向上有所突破，國內(nèi)企業(yè)新鴻電子則相繼推出冷陰極多焦點X射線源的系列產(chǎn)品并在醫(yī)學(xué)影像上逐步應(yīng)用。

而在壽命方面，醫(yī)用冷陰極X射線源制造商也不斷實現(xiàn)突破，達(dá)到了能夠與熱陽極射線源同等水平。

在Micro-X進(jìn)行的探測器加速壽命測試中，Micro-X選用三根自研的同樣規(guī)格的碳納米管進(jìn)行高速重復(fù)曝光。其中，碳納米管A在20mAs（臨床中用于腹部）的曝光環(huán)境下進(jìn)行測試，碳納米管B和碳納米管C則分別在2mAs、3.2mAs（臨床中用于胸部）的曝光環(huán)境下進(jìn)行測試。結(jié)果顯示：接受最大20mAs的曝光時，發(fā)射器可持續(xù)使用約10年時間；接受3.2mAs胸部暴露時，發(fā)射器的壽命則超過了20年。

Micro-X碳納米管加速壽命測試（藍(lán)色線為20mAs，橙色線為3mAs，綠色線為2mAs，mAs）

跑得最快的冷陰極，已實現(xiàn)商業(yè)落地

跨時代放射成像的誘人圖景下，大量投資機構(gòu)在醫(yī)用碳納米管制造工藝突破之初便迅速開啟投資布局。據(jù)動脈網(wǎng)統(tǒng)計，目前國內(nèi)能夠量產(chǎn)醫(yī)用冷陰極X射線源的企業(yè)，或多或少得到了資本的加持。

國內(nèi)擁有醫(yī)用冷陰極X射線源產(chǎn)線的相關(guān)企業(yè)融資情況（非完全統(tǒng)計）

同時，初創(chuàng)企業(yè)們自研的產(chǎn)品也確有充分潛力，已在新一代的CT、DR、牙片機等影像設(shè)備上找到獨特的賦能路徑。

■ CT

冷陰極X射線源在CT領(lǐng)域中的應(yīng)用主要圍繞“易于集成”展開，即通過縮小射線源體積釋放CT機架內(nèi)在空間，進(jìn)而縮小CT體積或在CT機架之中置入更多精密儀器，具體應(yīng)用包括靜態(tài)CT與便攜式CT。

靜態(tài)CT是冷陰極X射線源最為成熟且最具商業(yè)前景的應(yīng)用場景之一。要模擬螺旋CT的旋轉(zhuǎn)成像，靜態(tài)CT必須在機架內(nèi)部署大量球管形成圓環(huán)，再用電子脈沖控制每個球管依次瞬間發(fā)射X射線，因而需要大量冷陰極X射線源作為支持。

CT本是各類醫(yī)療機構(gòu)必購置的影像設(shè)備，靜態(tài)CT的環(huán)狀放射源結(jié)構(gòu)又進(jìn)一步擴大的需求量。當(dāng)靜態(tài)CT進(jìn)一步發(fā)展，冷陰極X射線源的需求量還將進(jìn)一步上升。

便攜式CT方面，澳大利亞 X 射線制造商 Micro-X去年發(fā)布了一臺頭部CT掃描儀，內(nèi)置21個迷你X射線碳納米管，用于移動卒中護(hù)理。

該設(shè)備可存放在救護(hù)車的側(cè)面，使用時通過旋轉(zhuǎn)完成組裝，重量約70公斤，不僅減少了對救護(hù)車額外加固的需求，還有效降低了配置成本，使得絕大多數(shù)戶外環(huán)境都能實現(xiàn)實時的CT診斷。

還有一些企業(yè)在CT創(chuàng)新上不斷“做減法”。譬如，2023年獲批FDA批準(zhǔn)的Nanox.ARC是一套多源數(shù)字3D斷層合成系統(tǒng)，可將一系列2D投影圖像重建為成像對象的斷層圖像（或切片）堆棧，從而形成3D可視化。

大刀闊斧砍掉熱陽極放射源后，過去封閉的一體化機架已被肉眼可見的金屬結(jié)構(gòu)取代。雖然看上去有些寒磣，但Nanox.ARC在保證影像質(zhì)量的前提下有效降低了三維成像的成本，尤其使用于一些無力負(fù)擔(dān)傳統(tǒng)CT設(shè)備的貧困地區(qū)。

Nanox.ARC診斷示意圖

■ 牙片機

現(xiàn)有的口腔成像主要由二維的牙片機與三維的CBCT主導(dǎo)，但在臨床中，二維牙片機價格便宜，但常會出現(xiàn)圖像重疊、結(jié)構(gòu)失真的情況，三維CBCT價格昂貴，成像立體，但空間分辨率低，掃描時間長，受照劑量高，易受人體呼吸等運動影響。

此需求下，新鴻電子將冷陰極X射線源引入口腔成像中，進(jìn)而得到全新的口內(nèi)三維成像系統(tǒng)，可以視作實現(xiàn)3D成像的牙片機。在與傳統(tǒng)牙片機相近輻射劑量和操作方式下，該口內(nèi)成像系統(tǒng)能夠帶來更加豐富的三維成像細(xì)節(jié)，對患者的口腔狀況進(jìn)行更清晰、細(xì)致的呈現(xiàn)，更好識別咬合面及鄰位齲齒、根部骨折、表面損傷與裂縫及變異的細(xì)小根管等細(xì)微牙齒病灶，平衡了成像效果和輻射劑量。

新鴻電子“口內(nèi)三維成像系統(tǒng)”

不過，冷陰極X射線源的引入亦增加了系統(tǒng)本身的成本。因而獲得FDA批準(zhǔn)且被納入美國醫(yī)療保險范圍后，新鴻電子的口內(nèi)三維成像系統(tǒng)主要在美國中高端診所中進(jìn)行銷售，并逐漸向歐洲、日本和韓國等發(fā)達(dá)國家地區(qū)滲透。

■ DR

2018年，萬睿視與H+P Advanced Technology合作成立了VEC Imaging，押重碳納米管的開發(fā)。一年后的RNSA上，VEC Imaging發(fā)布了用于三維乳腺診斷的納米級新型多射線束彎曲陣列球管NT-2518C開啟了冷陰極X射線源在DR中的應(yīng)用。

據(jù)公開資料顯示，NT-2518C擁有25個射線源的多X射線束納米球管，采用了多束場發(fā)射納米燈絲（Multibeam Field Emission Cold Cathode Nanotube Emitter）技術(shù)，非常適合應(yīng)用在乳腺三維。與傳統(tǒng)的3D乳腺機相比，它無需傳統(tǒng)乳腺機的機架和球管的旋轉(zhuǎn)，只需按順序激發(fā)每個納米燈絲發(fā)射出電子束即可完成掃描，大幅縮短了乳腺3D掃描時間。

國內(nèi)方面，新鴻電子現(xiàn)階段已針對乳腺、胸部、頭部、關(guān)節(jié)等組織完成相關(guān)解決方案的開發(fā)，并形成移動三維成像解決方案。該方案與移動DR體積相近，輻射劑量遠(yuǎn)低于大型CT設(shè)備，可以輕松地設(shè)置在急診室、ICU、手術(shù)室，可為移動困難、傳染性強的病人提供精準(zhǔn)且安全的診療方案。

國產(chǎn)影像核心零部件躍入世界最前沿的機遇

從技術(shù)角度上談，海內(nèi)外企業(yè)已經(jīng)基本攻克了高性能碳納米管的制備技術(shù)，并制造出各具特色的整機產(chǎn)品。但在市場之中，新技術(shù)在整機系統(tǒng)上的批量應(yīng)用及規(guī)?；虡I(yè)落地仍有一段距離。

首先，冷陰極射線管的價格仍有降低的空間。目前成熟的納米管制備技術(shù)大概可以分為電弧放電法、激光蒸發(fā)法和化學(xué)氣相沉積法三類，不同制備技術(shù)在制備難度、生長速度、碳純度等維度各有優(yōu)劣，但都難以實現(xiàn)成本與產(chǎn)量的并進(jìn)。

其次是需要時間慢慢培養(yǎng)醫(yī)生的使用習(xí)慣。以牙片機為例，過去口腔醫(yī)生習(xí)慣了通過單層的影像進(jìn)行疾病診斷，而如今的口內(nèi)三維成像系統(tǒng)提高到了30多層，雖提供具備更多細(xì)節(jié)的影像，降低了診斷門檻，實現(xiàn)更為精準(zhǔn)的診斷，但也改變了醫(yī)生的思考方式和閱片習(xí)慣。因而，研發(fā)方需要在醫(yī)生培訓(xùn)方面投入充足的資源，才能逐步建立起醫(yī)生群體對于新設(shè)備的共識，進(jìn)而實現(xiàn)產(chǎn)品的規(guī)模落地。

但換個角度，這些技術(shù)與推廣上的挑戰(zhàn)開辟了影像學(xué)的新戰(zhàn)場，挑戰(zhàn)之中潛藏巨大機遇。

畢竟，過去百年，我國醫(yī)學(xué)影像核心零部件始終落后海外。如今走到同一起跑線上，國內(nèi)諸多創(chuàng)新企業(yè)均有希望脫穎而出，在醫(yī)學(xué)影像的新時代中把握機遇。