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什么卡住了国产CT的脖子

时间:2018-06-28 17:29:21 来源:21ic 作者:laura 关键字:CT   国产CT   探测器   转换器   

不知道大家在医院就医的时候是否有这样的体验:做个CT价格不菲,而且只能自费无法报销。当你吐槽的时候,医院或许也是无奈的:CT等高端医学影像医疗设备,基本被国际跨国公司垄断,设备价格动辄百万、千万。

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设备被外国公司垄断,价格居高不下

在国内市场上,超过80%的CT,MR,PET/CT等大型医疗产品设备都被GE、Philips、Siemens、Toshiba等少数几家国外公司“包揽”。

与此同时,我国癌症发生率逐年提高、冠心病患者每年以将近20%速度增加,单是两大疾病的早发现早治疗,也亟需精准、高端的医学影像医疗设备作为依托。

而突围之路,只有一条——就是尽快提高我国医疗设备研发水平,走医疗设备国产化之路。那么目前,我国没有自己的CT设备吗?

尚未掌握核心工艺,打破垄断很困难

近年来,一些进口高端CT机通过技术创新有所突破,主要是在探测器上下足功夫。“进口的高端CT机为什么贵,一些实力雄厚的医院购买也要掂量掂量,主要贵在探测器上。”一位医学影像设备研发人员介绍,每个探测器单元价值几万元,最高端的320排CT探测器要上千万元。

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“排”是指CT扫描机探测器的阵列数,排数越多,探测器宽度越宽,一次扫描完成的宽度也就越大。如果CT探测器配备了320排探测单元,每排0.5毫米,一次扫描就可覆盖正常成年人的心脏。

在接收X射线的同时,探测单元还必须成矩阵地高速旋转,速度之快就像“武功高手”能让一个弧面围成一个“铁桶”,而每旋转一圈就要从2400—9600个不同角度对心脏的投影成像,感应速度要快,才能使整个心脏的一管一脉在这个“铁桶”里被捕捉。

工艺方面,探测器的拼接工艺要求极高,排数越多生产工艺复杂程度成倍数增加。两个探测单元排列在一起,中间的间隙如何做到最小,多个单元如何排列才能让探测器单位面积上接收到X光的效率最高,这些都是工艺上要考虑的问题。

中科院分子影像重点实验室团队做过一次调研显示,在传统医学成像(CT、磁共振等)上,我国最早的专利比美国平均晚20年。在专利数量上,美国是我国的10倍。这意味着整个产业已经完全掌握在国外企业的手里了,所有的知识产权,所有的原创成果,所有的科研积累都在国外,中国只占很少的一部分。更现实的情况是,在这一“赛道”中,已领先发展50年的国外龙头企业布下大量的“专利”壁垒,限制了后来者的跟随和超越。

CT探测器材质是机密

“X光射线穿过生物体后,由探测器捕捉。探测器捕捉灵敏度如何,单位面积上能获得X光的感应力度如何,决定了探测器的好坏。”行业专家王坤说,这取决于探测器使用的感应材质。

业内一篇题为《谁是顶级CT的老大?》的文章中列举了飞利浦、西门子等顶级医学影像设备制造商的CT机。对于探测器选用的材质,各大国际生产企业都讳莫如深,犹如独门机密般以代号性词语描述——GE将其Revolution CT的探测器晶体命名为“宝石”,而西门子则称其为“独有光子晶片”。

相关资料显示,CT成像系统中探测器的首选方案为闪烁探测器,其中的关键部分是可将入射的不可见X光子转换为可见光的闪烁晶体或荧光物质,完成后续成像。中国闪烁晶体从业的科研人员较少,闪烁晶体方面的人才培养单位只有上海硅酸盐所等个别单位,自主开发的新型闪烁晶体较少,晶体生长和性能研究方面的结合较少。

探测器占据这么重要的位置,那么它的作用是什么呢?

CT设备的核心结构有哪些?

一台CT机主要是由X线发生部分、X线检测部分、机械运动部分、计算机部分、图像显示及存储部分和工作站组成,而X线检测部分又至关重要。

探测器

CT探测器是CT数据采集系统中的核心部件,其结构相当复杂。它直接接收X线束穿过被照物后的光子信号,通过其自身的特性转换为相应的电信号。一个典型的CT探测器包括介质(如气体、闪烁体等)、光电转换阵列和电子学部分,此外还有准直器、电源等辅助设备。

根据材料工艺的不同,处在实用阶段的CT探测器大体上可以分为闪烁体探测器和气体探测器。

20世纪70年代末至80年代初的CT机大都使用钨酸镉探测器,80年代至90年代初则改用闪烁晶体和高压氙气探测器。光两极管探测器的主要部件是一个半导体,它有一个P-N结点,曝光时该结点允许电流通过,其前端有一光学镜片,用来聚焦从闪烁晶体到P-N结点的入射射线。当入射射线到达结点后,产生电子空穴对,电子移动到结点的N极,空穴则相应移动到P极,产生的电流量和入射线量成正比,由于两极管的输出量很小,通常光两极管探测器中还有一个放大器,此外,光两极管的响应速度也相当快,一般约在0.5~250纳秒之间。

固体探测器优点是灵敏度较高,有较高的光子转换效率。缺点是相邻的探测器之间存在缝隙,X射线辐射的利用率相对较低;其次是晶体发光后余辉较长影响响应函数,使高低密度交界处的图像会产生拖尾伪影;最后是整个探测器阵列中的各个探测器不易做得完全一致,造成误差影响成像质量。

最新的固体探测器是采用两种新型的闪烁晶体材料耦合光两极管做成,它们分别是钨酸钙和高纯度的、稀土氧化物陶瓷。稀土氧化陶瓷实际上是掺杂了一些像钇、钆之类金属元素的超快速氧化陶瓷,其采用光学方法使这些材料和光两极管结合在一起。钨酸钙的转换效率和光子俘获能力是99%,动态范围为1 000 000:1;而氧化稀土陶瓷的吸收效率也是99%,闪烁晶体的发光率却是钨酸钙的三倍。目前最先进的多层螺旋机的探测器都采用后一类超快速稀土陶瓷材料做成。

第三代CT扫描机和部分厂家的螺旋CT扫描机曾采用了气体探测器。气体探测器多采用氙气,利用气体电离的原理,入射的X射线使气体产生电离,然后测量电流的大小测得入射X射线的强度。气体探测器通常做成一个密封的电离室,密封的气室内被加入约30个大气压,以增加气体分子的电离,电离室的上下夹面由陶瓷拼成,每个电离室两侧用薄钨片构成,中心收集电极也由钨片构成,而X射线入射面由薄铝片构成,所有的分隔相互联通。电离室内充满氙气,当入射X射线进入电离室后使氙气电离,其正电离子由中心收集电极接收,通过前置放大器放大后送入数据采集系统。电离室侧面的钨片对X射线有准直作用,可防止被检测物体产生的散射线进入电离室。研究发现,增加气室的深度可提高电离的效率,如深度为一英寸的电离室的电离效率是36%,而深度增加为二英寸,则电离效率可提高到42%。总体来说,气体探测器的稳定性好、响应时间快、无余辉产生。然而,气体探测器的光子转换效率比固体探测器要低,采用高压氙气可提高一些,又因为气体探测器电离室的间隔为很薄的钨片,其几何利用率高于固体探测器,因此气体探测器与锗酸铋、钨酸镉做成的固体探测器的总剂量效率大致上相近,约在50%~70%。另外,气体探测器的各电离室相互联通,处于同一环境条件,有较好的一致性。气体探测器的主要缺点是吸收效率较低。

模数、数模转换器

模数转换器是CT数据采集系统(Data Acquisition System,DAS)的主要组成部分。CT最初探测到的模拟信号是连续的随时间变化而不断变化,它可由电压表读取或由示波器显示,但无法被计算机识别。模数转换器的作用是将来自探测器的输出信号放大、积分后多路混合变为数字信号送入计算机处理。模数转换器由一个频率发生器和比较积分器组成,后者是一组固态电路,被称为“时钟”,它的作用是把模拟信号通过比较积分后转变成数字信号。同样数模转化器是上述的逆向运算,它的“时钟”电路根据输入的数字信号转换成相应的模拟信号。

谈及转换器,首先不得不提的是TI(德州仪器),早在2006年,TI就已经推出了20位、32通道的电流输入模数转换器DDC232,该款器件将电流至电压转换与A/D转换相结合,以便32位独立式低电平电流输出器件(例如光电二极管)可以直接连接到它的输出端和实现数字化。在此之前TI类似的产品有双电流输入 20 位模数转换器DDC112、DDC114和八路电流输入20位模数转换器DDC118。但之后TI电流转换器件的推出略显乏力,在2008年推出了一款16位、16通道电流输入模数转换器DDC316。

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另外一个不得不提的数据转换器厂商就是亚德诺半导体(ADI)了。代表产品之一是ADAS1128,它可替代以前较低通道集成度的转换器,它在一平方厘米的单芯片上集成了一个24位分辨率ADC(模数转换器)、128个同步采样的数据转换器通道(可选的采样率最高达20kSPS)、片上温度传感器和参考缓冲器。除了通道数提高四倍以外,与目前市场上的任何一种解决方案相比,ADAS1128还可提供3倍以上的吞吐量。在全速状态下,ADAS1128消耗的功率(4.5毫瓦/通道)不到其它解决方案(10毫瓦/通道)的一半。它还可以提供优越的整体性能规格,如无电荷损失、更多的满量程范围选择和超低噪声(对低剂量X射线系统来说可降到0.4 fC)。如果单以性能最为接近的DDC232做比较,作为后来者的ADAS1128仍颇具竞争力。

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我国CT机发展现状

我国生产CT机的企业主要有沈阳东软医疗系统有限公司、上海联影医疗科技有限公司、深圳安科高技术股份有限公司、明峰医疗系统股份有限公司等。东软医疗从1998年自主研发了我国第一台国产CT机至今已近20年的发展历史,目前在我国国产CT的研发中仍处于领先地位,2012年其自主研发的中国首台64层螺旋CT成功问世,2015年,NeuViz 128排螺旋CT获得CFDA、FDA、CE等多方认证。128排CT也是目前国产CT的最高水平。上海联影医疗科技有限公司是近几年发展起来的公司,引进了大量的国外高尖端人才致力于CT技术的开发,在16排CT产品推出一年内直接跨越式推出128排CT。深圳安科和明峰医疗目前已上市产品为16排CT,正致力于64排CT的研发和注册阶段。

目前国外厂商掌握的CT核心技术不断进步,而尚没有CT机的替代技术出现。唯一的出路就是发展国产CT机。就目前的技术水平发展的差距来看,我国国产化CT机的发展仍任重而道远。

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