文 | 動(dòng)脈網(wǎng)
高端醫(yī)學(xué)裝備最上游的角落，鮮有人問(wèn)津的“射線(xiàn)源”正在醞釀一場(chǎng)跨時(shí)代的成像革命。
1895年，威廉·倫琴通過(guò)加熱鎢制燈絲產(chǎn)生自由電子并對(duì)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(xiàn)，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(yáng)極射線(xiàn)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(xiàng)年逾百歲的技術(shù)才得以迎來(lái)新的挑戰(zhàn)對(duì)手。
以搭載大量射線(xiàn)源、探測(cè)器的靜態(tài)CT為例，它以探測(cè)器環(huán)脈沖式曝光的方式替代螺旋成像，需要在機(jī)架有限的空間中布置大量射線(xiàn)源及探測(cè)器。因此，此類(lèi)CT的射線(xiàn)源必須兼具小體積、高強(qiáng)度兩項(xiàng)指標(biāo)，而熱陽(yáng)極射線(xiàn)源的體積與射線(xiàn)成正比例關(guān)系，無(wú)法滿(mǎn)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(xiàn)源獲得高能電子束。打破困境的同時(shí)，他們也在書(shū)寫(xiě)放射成像新的史詩(shī)。
醫(yī)療領(lǐng)域，遲了整整20年
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，冷陰極X射線(xiàn)源利用碳納米管制備的陰極發(fā)射電子，通過(guò)電場(chǎng)加速后轟擊陽(yáng)極靶材，進(jìn)而產(chǎn)生射線(xiàn)。由于不需要加熱，冷陰極X射線(xiàn)源較傳統(tǒng)熱陽(yáng)極具備響應(yīng)速度快、功耗低、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。
衡量冷陰極X射線(xiàn)源性能時(shí)，我們可能通過(guò)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(wú)縫管狀結(jié)構(gòu)的一維量子材料，通過(guò)場(chǎng)發(fā)射發(fā)生電子。任何場(chǎng)發(fā)射均可通過(guò)減小金屬表面的長(zhǎng)寬比來(lái)增強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)度，因而理論上講，碳納米管的尖端越尖，產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)。
21世紀(jì)初期，工業(yè)、安檢領(lǐng)域已能規(guī)模生產(chǎn)10mA級(jí)別出束流強(qiáng)的冷陰極X射線(xiàn)，用于檢測(cè)電網(wǎng)、軌道等場(chǎng)景。更大的功率與更長(zhǎng)的壽命之下，冷陰極X射線(xiàn)源迅速實(shí)現(xiàn)了規(guī)模商業(yè)化。
目睹冷陰極X射線(xiàn)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(kāi)啟探索。畢竟，冷陰極X射線(xiàn)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(gè)影像設(shè)備越做越大的時(shí)代，擁有極大的想象空間。
然而，材料制備難度高、場(chǎng)發(fā)射性能不穩(wěn)定、工藝集成難度高及成本等問(wèn)題都在研發(fā)落地過(guò)程中凸顯出來(lái)。
冷陰極X射線(xiàn)源要保證在患者輕微移動(dòng)時(shí)也能得到清晰的圖像，必須能夠發(fā)射50mA以上的電流強(qiáng)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(zhǎng)壽命穩(wěn)定運(yùn)行成為碳納米管冷陰極X射線(xiàn)源能帶給醫(yī)學(xué)影像巨大優(yōu)勢(shì)背后的價(jià)碼，在當(dāng)時(shí)幾乎沒(méi)有企業(yè)能夠完全做到。
直至2016年左右，國(guó)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(wàn)睿視、Micro-X、NanoX，國(guó)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(shí)現(xiàn)了一定規(guī)模量產(chǎn)，驗(yàn)證了碳納米管冷陰極X射線(xiàn)源在高清、快速、低劑量及體積小、節(jié)能等方面的優(yōu)勢(shì)。
這其中以Micro-X的單焦點(diǎn)集成和萬(wàn)睿視、新鴻電子的多焦點(diǎn)陣列式排布兩個(gè)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(wàn)睿視則在乳腺機(jī)方向上有所突破，國(guó)內(nèi)企業(yè)新鴻電子則相繼推出冷陰極多焦點(diǎn)X射線(xiàn)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(xiàn)源制造商也不斷實(shí)現(xiàn)突破，達(dá)到了能夠與熱陽(yáng)極射線(xiàn)源同等水平。
在Micro-X進(jìn)行的探測(cè)器加速壽命測(cè)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(cè)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(cè)試。結(jié)果顯示：接受最大20mAs的曝光時(shí)，發(fā)射器可持續(xù)使用約10年時(shí)間；接受3.2mAs胸部暴露時(shí)，發(fā)射器的壽命則超過(guò)了20年。
Micro-X碳納米管加速壽命測(cè)試（藍(lán)色線(xiàn)為20mAs，橙色線(xiàn)為3mAs，綠色線(xiàn)為2mAs，mAs）
跑得最快的冷陰極，已實(shí)現(xiàn)商業(yè)落地
跨時(shí)代放射成像的誘人圖景下，大量投資機(jī)構(gòu)在醫(yī)用碳納米管制造工藝突破之初便迅速開(kāi)啟投資布局。據(jù)動(dòng)脈網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)能夠量產(chǎn)醫(yī)用冷陰極X射線(xiàn)源的企業(yè)，或多或少得到了資本的加持。
國(guó)內(nèi)擁有醫(yī)用冷陰極X射線(xiàn)源產(chǎn)線(xiàn)的相關(guān)企業(yè)融資情況（非完全統(tǒng)計(jì)）
同時(shí)，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(jī)等影像設(shè)備上找到獨(dú)特的賦能路徑。
■ CT
冷陰極X射線(xiàn)源在CT領(lǐng)域中的應(yīng)用主要圍繞“易于集成”展開(kāi)，即通過(guò)縮小射線(xiàn)源體積釋放CT機(jī)架內(nèi)在空間，進(jìn)而縮小CT體積或在CT機(jī)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(xiàn)源最為成熟且最具商業(yè)前景的應(yīng)用場(chǎng)景之一。要模擬螺旋CT的旋轉(zhuǎn)成像，靜態(tài)CT必須在機(jī)架內(nèi)部署大量球管形成圓環(huán)，再用電子脈沖控制每個(gè)球管依次瞬間發(fā)射X射線(xiàn)，因而需要大量冷陰極X射線(xiàn)源作為支持。
CT本是各類(lèi)醫(yī)療機(jī)構(gòu)必購(gòu)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(kuò)大的需求量。當(dāng)靜態(tài)CT進(jìn)一步發(fā)展，冷陰極X射線(xiàn)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(xiàn)制造商 Micro-X去年發(fā)布了一臺(tái)頭部CT掃描儀，內(nèi)置21個(gè)迷你X射線(xiàn)碳納米管，用于移動(dòng)卒中護(hù)理。
該設(shè)備可存放在救護(hù)車(chē)的側(cè)面，使用時(shí)通過(guò)旋轉(zhuǎn)完成組裝，重量約70公斤，不僅減少了對(duì)救護(hù)車(chē)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(hù)外環(huán)境都能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(duì)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(yáng)極放射源后，過(guò)去封閉的一體化機(jī)架已被肉眼可見(jiàn)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(wú)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(jī)
現(xiàn)有的口腔成像主要由二維的牙片機(jī)與三維的CBCT主導(dǎo)，但在臨床中，二維牙片機(jī)價(jià)格便宜，但常會(huì)出現(xiàn)圖像重疊、結(jié)構(gòu)失真的情況，三維CBCT價(jià)格昂貴，成像立體，但空間分辨率低，掃描時(shí)間長(zhǎng)，受照劑量高，易受人體呼吸等運(yùn)動(dòng)影響。
此需求下，新鴻電子將冷陰極X射線(xiàn)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(shí)現(xiàn)3D成像的牙片機(jī)。在與傳統(tǒng)牙片機(jī)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(lái)更加豐富的三維成像細(xì)節(jié)，對(duì)患者的口腔狀況進(jìn)行更清晰、細(xì)致的呈現(xiàn)，更好識(shí)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(guò)，冷陰極X射線(xiàn)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(guó)醫(yī)療保險(xiǎn)范圍后，新鴻電子的口內(nèi)三維成像系統(tǒng)主要在美國(guó)中高端診所中進(jìn)行銷(xiāo)售，并逐漸向歐洲、日本和韓國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家地區(qū)滲透。
■ DR
2018年，萬(wàn)睿視與H+P Advanced Technology合作成立了VEC Imaging，押重碳納米管的開(kāi)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(jí)新型多射線(xiàn)束彎曲陣列球管NT-2518C開(kāi)啟了冷陰極X射線(xiàn)源在DR中的應(yīng)用。
據(jù)公開(kāi)資料顯示，NT-2518C擁有25個(gè)射線(xiàn)源的多X射線(xiàn)束納米球管，采用了多束場(chǎng)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(jī)相比，它無(wú)需傳統(tǒng)乳腺機(jī)的機(jī)架和球管的旋轉(zhuǎn)，只需按順序激發(fā)每個(gè)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(shí)間。
國(guó)內(nèi)方面，新鴻電子現(xiàn)階段已針對(duì)乳腺、胸部、頭部、關(guān)節(jié)等組織完成相關(guān)解決方案的開(kāi)發(fā)，并形成移動(dòng)三維成像解決方案。該方案與移動(dòng)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(dòng)困難、傳染性強(qiáng)的病人提供精準(zhǔn)且安全的診療方案。
國(guó)產(chǎn)影像核心零部件躍入世界最前沿的機(jī)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(jī)產(chǎn)品。但在市場(chǎng)之中，新技術(shù)在整機(jī)系統(tǒng)上的批量應(yīng)用及規(guī)模化商業(yè)落地仍有一段距離。
首先，冷陰極射線(xiàn)管的價(jià)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(lèi)，不同制備技術(shù)在制備難度、生長(zhǎng)速度、碳純度等維度各有優(yōu)劣，但都難以實(shí)現(xiàn)成本與產(chǎn)量的并進(jìn)。
其次是需要時(shí)間慢慢培養(yǎng)醫(yī)生的使用習(xí)慣。以牙片機(jī)為例，過(guò)去口腔醫(yī)生習(xí)慣了通過(guò)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(mén)檻，實(shí)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(duì)于新設(shè)備的共識(shí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的規(guī)模落地。
但換個(gè)角度，這些技術(shù)與推廣上的挑戰(zhàn)開(kāi)辟了影像學(xué)的新戰(zhàn)場(chǎng)，挑戰(zhàn)之中潛藏巨大機(jī)遇。
畢竟，過(guò)去百年，我國(guó)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(xiàn)上，國(guó)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(shí)代中把握機(jī)遇。