什么卡住了國產(chǎn)CT的脖子

不知道大家在醫(yī)院就醫(yī)的時(shí)候是否有這樣的體驗(yàn)：做個(gè)CT價(jià)格不菲，而且只能自費(fèi)無法報(bào)銷。當(dāng)你吐槽的時(shí)候，醫(yī)院或許也是無奈的：CT等高端醫(yī)學(xué)影像醫(yī)療設(shè)備，基本被國際跨國公司壟斷，設(shè)備價(jià)格動(dòng)輒百萬、千萬。

設(shè)備被外國公司壟斷，價(jià)格居高不下

在國內(nèi)市場(chǎng)上，超過80%的CT，MR，PET/CT等大型醫(yī)療產(chǎn)品設(shè)備都被GE、Philips、Siemens、Toshiba等少數(shù)幾家國外公司“包攬”。

與此同時(shí)，我國癌癥發(fā)生率逐年提高、冠心病患者每年以將近20%速度增加，單是兩大疾病的早發(fā)現(xiàn)早治療，也亟需精準(zhǔn)、高端的醫(yī)學(xué)影像醫(yī)療設(shè)備作為依托。

而突圍之路，只有一條——就是盡快提高我國醫(yī)療設(shè)備研發(fā)水平，走醫(yī)療設(shè)備國產(chǎn)化之路。那么目前，我國沒有自己的CT設(shè)備嗎?

尚未掌握核心工藝，打破壟斷很困難

近年來，一些進(jìn)口高端CT機(jī)通過技術(shù)創(chuàng)新有所突破，主要是在探測(cè)器上下足功夫。“進(jìn)口的高端CT機(jī)為什么貴，一些實(shí)力雄厚的醫(yī)院購買也要掂量掂量，主要貴在探測(cè)器上。”一位醫(yī)學(xué)影像設(shè)備研發(fā)人員介紹，每個(gè)探測(cè)器單元價(jià)值幾萬元，最高端的320排CT探測(cè)器要上千萬元。

“排”是指CT掃描機(jī)探測(cè)器的陣列數(shù)，排數(shù)越多，探測(cè)器寬度越寬，一次掃描完成的寬度也就越大。如果CT探測(cè)器配備了320排探測(cè)單元，每排0.5毫米，一次掃描就可覆蓋正常成年人的心臟。

在接收X射線的同時(shí)，探測(cè)單元還必須成矩陣地高速旋轉(zhuǎn)，速度之快就像“武功高手”能讓一個(gè)弧面圍成一個(gè)“鐵桶”，而每旋轉(zhuǎn)一圈就要從2400—9600個(gè)不同角度對(duì)心臟的投影成像，感應(yīng)速度要快，才能使整個(gè)心臟的一管一脈在這個(gè)“鐵桶”里被捕捉。

工藝方面，探測(cè)器的拼接工藝要求極高，排數(shù)越多生產(chǎn)工藝復(fù)雜程度成倍數(shù)增加。兩個(gè)探測(cè)單元排列在一起，中間的間隙如何做到最小，多個(gè)單元如何排列才能讓探測(cè)器單位面積上接收到X光的效率最高，這些都是工藝上要考慮的問題。

中科院分子影像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)做過一次調(diào)研顯示，在傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)成像(CT、磁共振等)上，我國最早的專利比美國平均晚20年。在專利數(shù)量上，美國是我國的10倍。這意味著整個(gè)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)完全掌握在國外企業(yè)的手里了，所有的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，所有的原創(chuàng)成果，所有的科研積累都在國外，中國只占很少的一部分。更現(xiàn)實(shí)的情況是，在這一“賽道”中，已領(lǐng)先發(fā)展50年的國外龍頭企業(yè)布下大量的“專利”壁壘，限制了后來者的跟隨和超越。

CT探測(cè)器材質(zhì)是機(jī)密

“X光射線穿過生物體后，由探測(cè)器捕捉。探測(cè)器捕捉靈敏度如何，單位面積上能獲得X光的感應(yīng)力度如何，決定了探測(cè)器的好壞。”行業(yè)專家王坤說，這取決于探測(cè)器使用的感應(yīng)材質(zhì)。

業(yè)內(nèi)一篇題為《誰是頂級(jí)CT的老大?》的文章中列舉了飛利浦、西門子等頂級(jí)醫(yī)學(xué)影像設(shè)備制造商的CT機(jī)。對(duì)于探測(cè)器選用的材質(zhì)，各大國際生產(chǎn)企業(yè)都諱莫如深，猶如獨(dú)門機(jī)密般以代號(hào)性詞語描述——GE將其Revolution CT的探測(cè)器晶體命名為“寶石”，而西門子則稱其為“獨(dú)有光子晶片”。

相關(guān)資料顯示，CT成像系統(tǒng)中探測(cè)器的首選方案為閃爍探測(cè)器，其中的關(guān)鍵部分是可將入射的不可見X光子轉(zhuǎn)換為可見光的閃爍晶體或熒光物質(zhì)，完成后續(xù)成像。中國閃爍晶體從業(yè)的科研人員較少，閃爍晶體方面的人才培養(yǎng)單位只有上海硅酸鹽所等個(gè)別單位，自主開發(fā)的新型閃爍晶體較少，晶體生長和性能研究方面的結(jié)合較少。

探測(cè)器占據(jù)這么重要的位置，那么它的作用是什么呢?

CT設(shè)備的核心結(jié)構(gòu)有哪些?

一臺(tái)CT機(jī)主要是由X線發(fā)生部分、X線檢測(cè)部分、機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分、計(jì)算機(jī)部分、圖像顯示及存儲(chǔ)部分和工作站組成，而X線檢測(cè)部分又至關(guān)重要。

探測(cè)器

CT探測(cè)器是CT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的核心部件，其結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。它直接接收X線束穿過被照物后的光子信號(hào)，通過其自身的特性轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。一個(gè)典型的CT探測(cè)器包括介質(zhì)(如氣體、閃爍體等)、光電轉(zhuǎn)換陣列和電子學(xué)部分，此外還有準(zhǔn)直器、電源等輔助設(shè)備。

根據(jù)材料工藝的不同，處在實(shí)用階段的CT探測(cè)器大體上可以分為閃爍體探測(cè)器和氣體探測(cè)器。

20世紀(jì)70年代末至80年代初的CT機(jī)大都使用鎢酸鎘探測(cè)器，80年代至90年代初則改用閃爍晶體和高壓氙氣探測(cè)器。光兩極管探測(cè)器的主要部件是一個(gè)半導(dǎo)體，它有一個(gè)P-N結(jié)點(diǎn)，曝光時(shí)該結(jié)點(diǎn)允許電流通過，其前端有一光學(xué)鏡片，用來聚焦從閃爍晶體到P-N結(jié)點(diǎn)的入射射線。當(dāng)入射射線到達(dá)結(jié)點(diǎn)后，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，電子移動(dòng)到結(jié)點(diǎn)的N極，空穴則相應(yīng)移動(dòng)到P極，產(chǎn)生的電流量和入射線量成正比，由于兩極管的輸出量很小，通常光兩極管探測(cè)器中還有一個(gè)放大器，此外，光兩極管的響應(yīng)速度也相當(dāng)快，一般約在0.5~250納秒之間。

固體探測(cè)器優(yōu)點(diǎn)是靈敏度較高，有較高的光子轉(zhuǎn)換效率。缺點(diǎn)是相鄰的探測(cè)器之間存在縫隙，X射線輻射的利用率相對(duì)較低;其次是晶體發(fā)光后余輝較長影響響應(yīng)函數(shù)，使高低密度交界處的圖像會(huì)產(chǎn)生拖尾偽影;最后是整個(gè)探測(cè)器陣列中的各個(gè)探測(cè)器不易做得完全一致，造成誤差影響成像質(zhì)量。

最新的固體探測(cè)器是采用兩種新型的閃爍晶體材料耦合光兩極管做成，它們分別是鎢酸鈣和高純度的、稀土氧化物陶瓷。稀土氧化陶瓷實(shí)際上是摻雜了一些像釔、釓之類金屬元素的超快速氧化陶瓷，其采用光學(xué)方法使這些材料和光兩極管結(jié)合在一起。鎢酸鈣的轉(zhuǎn)換效率和光子俘獲能力是99%，動(dòng)態(tài)范圍為1 000 000：1;而氧化稀土陶瓷的吸收效率也是99%，閃爍晶體的發(fā)光率卻是鎢酸鈣的三倍。目前最先進(jìn)的多層螺旋機(jī)的探測(cè)器都采用后一類超快速稀土陶瓷材料做成。

第三代CT掃描機(jī)和部分廠家的螺旋CT掃描機(jī)曾采用了氣體探測(cè)器。氣體探測(cè)器多采用氙氣，利用氣體電離的原理，入射的X射線使氣體產(chǎn)生電離，然后測(cè)量電流的大小測(cè)得入射X射線的強(qiáng)度。氣體探測(cè)器通常做成一個(gè)密封的電離室，密封的氣室內(nèi)被加入約30個(gè)大氣壓，以增加氣體分子的電離，電離室的上下夾面由陶瓷拼成，每個(gè)電離室兩側(cè)用薄鎢片構(gòu)成，中心收集電極也由鎢片構(gòu)成，而X射線入射面由薄鋁片構(gòu)成，所有的分隔相互聯(lián)通。電離室內(nèi)充滿氙氣，當(dāng)入射X射線進(jìn)入電離室后使氙氣電離，其正電離子由中心收集電極接收，通過前置放大器放大后送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。電離室側(cè)面的鎢片對(duì)X射線有準(zhǔn)直作用，可防止被檢測(cè)物體產(chǎn)生的散射線進(jìn)入電離室。研究發(fā)現(xiàn)，增加氣室的深度可提高電離的效率，如深度為一英寸的電離室的電離效率是36%，而深度增加為二英寸，則電離效率可提高到42%?？傮w來說，氣體探測(cè)器的穩(wěn)定性好、響應(yīng)時(shí)間快、無余輝產(chǎn)生。然而，氣體探測(cè)器的光子轉(zhuǎn)換效率比固體探測(cè)器要低，采用高壓氙氣可提高一些，又因?yàn)闅怏w探測(cè)器電離室的間隔為很薄的鎢片，其幾何利用率高于固體探測(cè)器，因此氣體探測(cè)器與鍺酸鉍、鎢酸鎘做成的固體探測(cè)器的總劑量效率大致上相近，約在50%~70%。另外，氣體探測(cè)器的各電離室相互聯(lián)通，處于同一環(huán)境條件，有較好的一致性。氣體探測(cè)器的主要缺點(diǎn)是吸收效率較低。

模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器

模數(shù)轉(zhuǎn)換器是CT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Data Acquisition System，DAS)的主要組成部分。CT最初探測(cè)到的模擬信號(hào)是連續(xù)的隨時(shí)間變化而不斷變化，它可由電壓表讀取或由示波器顯示，但無法被計(jì)算機(jī)識(shí)別。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的作用是將來自探測(cè)器的輸出信號(hào)放大、積分后多路混合變?yōu)閿?shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換器由一個(gè)頻率發(fā)生器和比較積分器組成，后者是一組固態(tài)電路，被稱為“時(shí)鐘”，它的作用是把模擬信號(hào)通過比較積分后轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。同樣數(shù)模轉(zhuǎn)化器是上述的逆向運(yùn)算，它的“時(shí)鐘”電路根據(jù)輸入的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào)。

談及轉(zhuǎn)換器，首先不得不提的是TI(德州儀器)，早在2006年，TI就已經(jīng)推出了20位、32通道的電流輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器DDC232，該款器件將電流至電壓轉(zhuǎn)換與A/D轉(zhuǎn)換相結(jié)合，以便32位獨(dú)立式低電平電流輸出器件(例如光電二極管)可以直接連接到它的輸出端和實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。在此之前TI類似的產(chǎn)品有雙電流輸入 20 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器DDC112、DDC114和八路電流輸入20位模數(shù)轉(zhuǎn)換器DDC118。但之后TI電流轉(zhuǎn)換器件的推出略顯乏力，在2008年推出了一款16位、16通道電流輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器DDC316。

另外一個(gè)不得不提的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器廠商就是亞德諾半導(dǎo)體(ADI)了。代表產(chǎn)品之一是ADAS1128，它可替代以前較低通道集成度的轉(zhuǎn)換器，它在一平方厘米的單芯片上集成了一個(gè)24位分辨率ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)、128個(gè)同步采樣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器通道(可選的采樣率最高達(dá)20kSPS)、片上溫度傳感器和參考緩沖器。除了通道數(shù)提高四倍以外，與目前市場(chǎng)上的任何一種解決方案相比，ADAS1128還可提供3倍以上的吞吐量。在全速狀態(tài)下，ADAS1128消耗的功率(4.5毫瓦/通道)不到其它解決方案(10毫瓦/通道)的一半。它還可以提供優(yōu)越的整體性能規(guī)格，如無電荷損失、更多的滿量程范圍選擇和超低噪聲(對(duì)低劑量X射線系統(tǒng)來說可降到0.4 fC)。如果單以性能最為接近的DDC232做比較，作為后來者的ADAS1128仍頗具競爭力。

我國CT機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

我國生產(chǎn)CT機(jī)的企業(yè)主要有沈陽東軟醫(yī)療系統(tǒng)有限公司、上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司、深圳安科高技術(shù)股份有限公司、明峰醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司等。東軟醫(yī)療從1998年自主研發(fā)了我國第一臺(tái)國產(chǎn)CT機(jī)至今已近20年的發(fā)展歷史，目前在我國國產(chǎn)CT的研發(fā)中仍處于領(lǐng)先地位，2012年其自主研發(fā)的中國首臺(tái)64層螺旋CT成功問世，2015年，NeuViz 128排螺旋CT獲得CFDA、FDA、CE等多方認(rèn)證。128排CT也是目前國產(chǎn)CT的最高水平。上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司是近幾年發(fā)展起來的公司，引進(jìn)了大量的國外高尖端人才致力于CT技術(shù)的開發(fā)，在16排CT產(chǎn)品推出一年內(nèi)直接跨越式推出128排CT。深圳安科和明峰醫(yī)療目前已上市產(chǎn)品為16排CT，正致力于64排CT的研發(fā)和注冊(cè)階段。

目前國外廠商掌握的CT核心技術(shù)不斷進(jìn)步，而尚沒有CT機(jī)的替代技術(shù)出現(xiàn)。唯一的出路就是發(fā)展國產(chǎn)CT機(jī)。就目前的技術(shù)水平發(fā)展的差距來看，我國國產(chǎn)化CT機(jī)的發(fā)展仍任重而道遠(yuǎn)。