厂商百花齐放,但CT探测器的发展依然到了瓶颈期!
来源: 创新网 作者: 2020年08月13日 10:26
前言
随着科学技术的发展,CT已经成了放射科的主力设备之一。相关统计显示,目前国内CT保有量约为2.5万台。CT探测器是CT的核心部件之一,被称为“CT的眼睛”。2018年,CT探测器设备市场价值约为14.8亿美元,预计2017-2024年复合增长率4.5%,2024年市值将达19亿美元。虽然国内各家厂家都推出了自主研发的CT探测器,但是CT探测器的发展还是到了瓶颈期。未来,CT探测器又该何去何从呢?

一、CT探测器的作用 

CT的全称是computer tomography,即X线计算机体层扫描仪。CT是在1971年由EMI(电气和音乐工业有限公司)的电气工程师戈高弗雷·纽博尔德·豪斯费尔德爵士(Sir Godfrey Hounsfield)创造发明的。此后,随着探测器数量的增加和扫描时间的减少,它经历了多次改进。CT由X线球管、滤过器、准直器、探测器以及机架组成。X线球管、探测系统和重建算法是对图像质量影响最大的三个CT组件。

CT探测器就是将已经通过人体衰减后的X线转换为光电信号,使计算机系统得以识别并且计算出相应的信息。探测器转换材料应有效地检测(即吸收)入射的X射线量子并将其转换为光(对于闪烁材料)或直接转换为电信号(对于直接转换材料)[1]。转换台对整体成像性能的极强影响使得闪烁体和直接转换材料成为成像检测器的关键技术项目。转换材料的主要特点是:探测效率、灵敏度、空间分辨率和时间分辨率。        


注意检测效率和灵敏度之间的差异非常重要。由于X射线和CT成像受X射线量子通量的噪声支配,因此检测效率应尽可能高。应检测到80%或更多的传入量子。太低的检测效率无法通过增加检测器的灵敏度来恢复。

 二、CT探测器的分类

 CT探测器主要分为固体探测器和气体探测器。其中,固体探测器按照闪烁体的材料区别又分为闪烁探测器和稀土陶瓷探测器;气体常用高压疝气。

1、气体探测器

气体探测器是利用气体(疝气)电离的原理,入射的X线使气体产生电离,透过测量电流的大小来测得入射X线的强度。气体探测器通常做成一个密闭的电离室,密闭的气室内被加入约30个大气压,以增加电离室的电离。电离室的上下夹面由陶瓷拼成,两侧由薄钨片构成,而X线的入射面由薄铝板构成,中心收集电极也由薄钨片构成。当X线入射到电离室后,使疝气电离,由中心收集电极的正、负极接收(正电极接收负离子,负极相反),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线有准直作用,可防止散射线进入电离室。但是气体探测器致命的缺点在于工艺上面只能做成单排探测器,所以在第三代CT后,已经没有使用气体探测器的CT产品了[2]。

2、固体闪烁体探测器 

有些材料当X线或其他带电离子穿过时可以发射出可见光,这种材料被称为闪烁体。为了有效地检测X射线,通常使用含有一些重元素的无机化合物。例如碘化钠(NaI)或钨酸镉(CdWO4)。为了在60 keV或更高的量子能量下实现高检测效率,由于X射线成像需要在探测器处达到100μm左右的精细空间分辨率,所以闪烁体的典型厚度范围为0.3到2.5 mm。碘化铯(CsI)通常用于此应用,因为它可以生长为如图所示的柱状结构。这种结构限制了闪烁光的横向扩散,从而大大有助于实现可接受的空间分辨率。对于与非晶硅光电二极管一起使用,CsI掺杂铊元素,可作为活化剂改变最大的光发射区域。

现代CT被广泛使用的是稀土陶瓷探测器,它实际上是掺杂了钇之类金属元素的超快速氧化陶瓷,采用光学方法使这些材料和光电二极管结合在一起。其特点是稳定性好、光电转换效率高、X线的吸收率达99%、余晖小且容易进行较小的分割(闪烁体是阵列探测器小单元的组成部分,尺寸越小,空间分辨力越高)[2-3]。

在追求“理想的闪烁体”时,评估了满足现代CT扫描仪的高旋转速度,高分辨率和较低患者剂量要求的新材料,安装和几何形状。研究重点是发光量,速度,余辉和透光度。当前在CT检测器中使用的闪烁体的光输出量与Nph=10^6/Eg给出的理论极限相差甚远,其中Nph是每1MeV伽马光子可见光子数,Eg是闪烁体带间隙,β是一个约2.5的数值因子。例如,GOS的理论极限为Nph〜90,000[4]。

 目前许多实验小组正在评估新材料,以用于现代CT应用。一种非常有前途的材料是(Lu,Gd,Y,Tb)3(Ga,Al)5 O 12类型的石榴石。这些材料可以单晶和多晶陶瓷形式提供,具有出色的透光性,增加的光产量,非常短的衰减时间以及与光探测器的光谱匹配性提高。GE Gemstone™是首款商业上用于CT检测的石榴石闪烁体。为飞利浦双层探测器评估的另一组材料是低原子序数闪烁体,例如ZnSe:Te,用于探测低能部分X射线光谱。石榴石型,GOS和ZnSe:Te闪烁体的原材料(晶圆)。其他可能在CT中实现的材料是卤化物“超亮”闪烁体,例如SrI 2:Eu,据报道其光产率超过90,000光子/ MeV[4]。

       

三、 CT探测器国内市场分析

我国医疗影像市场广阔,未来仍有较大潜力:2017年中国医疗影像市场规模达到511亿元(73亿美元),占全球医疗影像市场17.4%;2010年至2017年中国医疗影像市场规模的复合增长率达到6.5%,远超全球增速1.0%。       


从国内政策支持上看,特别审批通道鼓励本土企业创新,国产替代走向正轨。医疗影像进出口价差较大,部分优势领域存在国产替代机会。中国主要医疗影像设备平均进口金额是出口金额的2~12倍:从2018年医疗影像设备进出口数据来看,CT设备进口金额是出口的6倍。借此,国家通过特别通道比如采购国产设备无需医疗配置证等方式,支持国产影像设备。2018年10月国家卫生健康委员会发布《2018-2020年大型医用设备配置规划数量分布表》,明确大型医疗设备采购计划,其中大部分为医疗影像设备。 医疗影像产业链可细分为六个环节:分别为原料生产、零部件生产、核心组件制造、主机制造、系统集成和医院;其中原料和零部件属于上游,核心组件和主机属于中游,系统集成和医院属于下游。中游为医疗影像核心环节:探测器、高压发生器、数据处理系统等均为医疗影像产业的重要组成部分。2018年,探测器设备市场价值约为14.8亿美元,预计2017-2024年复合增长率4.5%,2024年市值将达19亿美元。虽然国内厂商已经相继都推出和创新设计了自己的探测器,但是探测器背后的一些核心元件还是依靠进口。例如:传感器。传感元件是数据采集的重要环节之一,不同成像领域对应不同的传感器,是决定成像质量的关键物理部件,预计2022年不同技术医疗影像传感器市场总额将达到545亿美元。        


另外还包括信号链,信号链是数据采集和处理的关键环节,数据采集和数据处理信号链模拟芯片在医疗影像半导体领域重要性增加。医疗影像领域以信号链为主的模拟芯片重要性提升:医疗影像行业对分辨率、安全性等需求不断增长,使其半导体含量继续增加,预计2020年全球医疗影像半导体相关元件出货量达到73000;其中模拟芯片占比从2014年8.6%提升至2020年20.5%。如果国产公司能在探测器相对应得关键元器件上面有自主创新,即使目前探测器新研发技术遇到瓶颈期得时候,还是可以在国内得市场上有所提升。

四、CT探测器厂商及代表性产品

1、西门子医疗             

德国西门子拥有超过170年历史,在全球范围内持有18,000个专利,西门子医疗是领先的医疗技术公司。在全球超过70个国家约50,000名员工将继续创新,塑造医疗行业的未来。在上海拥有西门子亚洲培训中心,以及装配工厂和研发中心。在深圳有西门子磁共振研发生产部门。

以SOMATOM® X.cite为例,使用的是StellarInfinity detector®,Stellar探测器是西门子医疗集团的首个完全集成的探测器。常规的检测器模块依靠信号处理板,其中光电二极管与模数转换器分开布置。这会导致电子噪声,因为信号在二极管和转换器之间的传播距离相对较长。在Stellar探测器中,简化了电路板,并且将转换器直接布置在光电二极管下方。由于来自光电二极管的模拟信号被直接转换为可靠的数字信号,因此这种完全集成降低了电子噪声,从而显着提高了信噪比(SNR),从而优化了剂量效率和图像质量。更高的通道密度和新的几何形状甚至在复杂区域中也可提供均质的图像质量,具有完全电子集成的TrueSignal技术,边缘技术可生成0.5毫米的图像,单次采集层数可达128,空间分辨率0.3mm,最大旋转速度0.3s。

 2、飞利浦医疗             

荷兰飞利浦医疗作为心脏病、肿瘤、危急护理以及妇女领域的保健专家,始终致力于研发并提供全面的医疗保健解决方案以为用户提供物超所值的保健服务,包含了从疾病预防、放射诊断到治疗,再到健康管理以及监测等等。

以IQon Spectral CT为例,通过新的双层光谱检测器为传统的CT扫描增加了能谱分辨率。借助基于钇的闪烁体(GOS+)可以吸收99%的高能射线,NanoPanel棱镜检测器可同时识别高能和低能光子,不仅可以查看解剖结构,还可以使用颜色来表征关键结构的组织密度含量。与传统的双能CT不同,能谱技术可以运用于任何方式的扫描中。

 3、GE通用医疗             

美国GE医疗是GE集团旗下(NYSE: GE)的医疗健康业务部门,年营收超170亿美元。致力于成为引领精准医疗的创新者,GE医疗提供智能设备、数据分析、软件应用和服务,实现从疾病诊断、治疗到监护的全方位精准医疗生态体系。GE医疗拥有100多年的悠久历史,在全球160多个国家拥有约5.6万名员工。GE医疗从1979年开始在中国开展业务,于1986年在北京成立了第一家办事处。1991年,航卫通用电气医疗系统有限公司在北京成立,成为GE在中国的第一家合资企业,随后成立华伦公司 – 致力于打造中国自己的伦琴,与海鹰集团公司合资成立了无锡工厂。目前,GE医疗在中国建立了包括独资和合资企业在内的多个经营实体,拥有员工近7,000名,包括一支由1,000多名工程师组成的研发团队,为中国和全世界开发领先的医疗产品与技术。

 

以Revolution CT产品为例,在Revolution™CT上引入GSI Xtream,这是第一项旨在改善小病变检测,组织表征和减少金属伪影的体积能谱CT技术,从扫描到重建再到可视化,整个GSI体验得到了增强。借助GemstoneTM净度检测器,上文中所提到的石榴石探测器,有 0.25 msec 超高速 kV 切换功能,16cm宽度探测器,0.23 mm分辨率。

4、佳能医疗 日本佳能公司, 2018年1月4日起,佳能股份有限公司宣布,佳能集团旗下的东芝医疗系统株式会社正式更名为“佳能医疗系统株式会社”(以下简称“佳能医疗系统”)。佳能医疗系统从事用于疾病的早期诊断、早期治疗的CT、MRI、超声波诊断设备、X光诊断设备等影像诊断系统和检查设备的研发和生产,向世界约140个国家和地区提供产品。贯彻执行“Made for Life”的理念,助力医院的运营,为患者提供低负担的医疗系统服务,助力“守护宝贵生命”的医疗事业的发展。       


以 Aquilion Precision为例,使用“微锋”高精度切割技术从固体锭中切割生产闪烁体来实现的, 闪烁体探测器0.25mm,1792通道的16厘米的探测器,可采集320 图像,最大旋转速度0.35s。新的“微锋”精密切割技术用于开发了可光学隔离的离散0.25 mm元件,从而允许光传输而不会发生串扰。这一进步,加上闪烁体效率,检测器电路和其他DAS组件的显着改善,已经使导致了历史上剂量效率最高的检测器。尽管通道数量增加了一倍,行厚度减半,检测器产生的图像噪声的幅度相当于以前的896通道0.5毫米系统。

 国内

1、联影医疗           

 联影医疗公司成立于2011年3月,是目前国内唯一一家拥有全线高端影像设备的公司。特别是全身一体化PETCT,更是开创了世界PETCT的中国制造。

以uCT780为例,也是使用的是闪烁体探测器,但是基于TSV(硅通道)技术,直接输出数字信号,低辐射剂量与高图像质量兼而得之。0.5mm探测器单元,最大旋转速度0.3s,可生成128层图像。 

2、明峰医疗       

明峰医疗系统股份有限公司是成立于2011年,由明峰集团、国家先进制造产业基金、浙江省人才基金、绍兴创业基金及广州越秀产业基金投资的高新技术医疗设备公司。公司总部位于浙江省绍兴市,在中国杭州、中山、郑州、重庆、成都,以及美国俄亥俄州Solon设有研发、生产中心。QuantumEye 799为例,原创球面宽体探测器,512层图像,可以产能谱图像。

3、东软医疗             

东软医疗系统股份有限公司(以下简称“东软医疗”)是中国大型高端医疗设备的推动者之一。东软医疗目前拥有CT、MRI、DSA、XR、PET/CT、RT、US、IVD、MDaaS九大产品线,能够提供放射影像、常规检查、放疗与核医学、临床应用解决方案。以NeuViz Epoch 无极CT为例,使用 全景追光者探测器---16cm轴扫+16cm螺旋覆盖,0.259s的旋转速度,0.17mm图像分辨率。

4、安科医疗            

 深圳安科高技术股份有限公司是在中央领导批示下,由中国科学院与美国Nasdaq上市公司Analogic于1986 年合资成立的中国最早的高科技医疗器械公司,是广东省和深圳市最早的高新技术企业之一。公司主要从事高档医疗电子设备的开发、生产和经营,目前产品涉及医疗影像、医疗信息、医疗电子和治疗等四个领域,有六大类、近三十个品种。以ANATOM128 产品为例,使用了optiwave光波探测器,以及非接触滑环,可采集128层图像。

 结语

 目前各家厂商CT的成像特点不同,CT探测器的特点也有一定的区别,而CT探测器内部的稀有金属材料,其实都并未完全公开。未来很长一段时间CT探测器的发展还是取决于于其材料的改变,以及切割技术方面的突破。另外一点,CT探测器后面的数据转换器核心部件仍然掌握在国外厂商手中,国内市场潜力还是很大,核心技术还需取得突破。 

参考资料:

[1]. Shefer, E., et al., State of the Art of CT Detectors and Sources: A Literature Review. Current Radiology Reports, 2013. 1(1): p. 76-91.

[2]. Melcher CL. Perspectives on the future development of new scintillators. Nucl Instrum Methods Phys Res A. 2005;537:6–14.

[3].van Eijk CWE. Inorganic scintillators in medical imaging. Phys Med Biol. 2002;47:R85–106.

[4]. Development of the HiLight™ scintillator for computer tomography medical imaging. Nucl Instrum Methods Phys Res A. 2003;505:68–71.

[5].部分资料来自企业官网GE、飞利浦、西门子等。


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