一、CT探測器的作用?

CT的全稱是computer tomography，即X線計算機體層掃描儀。CT是在1971年由EMI（電氣和音樂工業(yè)有限公司）的電氣工程師戈高弗雷·紐博爾德·豪斯費爾德爵士（Sir Godfrey Hounsfield）創(chuàng)造發(fā)明的。此后，隨著探測器數(shù)量的增加和掃描時間的減少，它經(jīng)歷了多次改進。CT由X線球管、濾過器、準直器、探測器以及機架組成。X線球管、探測系統(tǒng)和重建算法是對圖像質(zhì)量影響最大的三個CT組件。

CT探測器就是將已經(jīng)通過人體衰減后的X線轉(zhuǎn)換為光電信號，使計算機系統(tǒng)得以識別并且計算出相應(yīng)的信息。探測器轉(zhuǎn)換材料應(yīng)有效地檢測（即吸收）入射的X射線量子并將其轉(zhuǎn)換為光（對于閃爍材料）或直接轉(zhuǎn)換為電信號（對于直接轉(zhuǎn)換材料）[1]。轉(zhuǎn)換臺對整體成像性能的極強影響使得閃爍體和直接轉(zhuǎn)換材料成為成像檢測器的關(guān)鍵技術(shù)項目。轉(zhuǎn)換材料的主要特點是：探測效率、靈敏度、空間分辨率和時間分辨率。?? ? ? ?

注意檢測效率和靈敏度之間的差異非常重要。由于X射線和CT成像受X射線量子通量的噪聲支配，因此檢測效率應(yīng)盡可能高。應(yīng)檢測到80％或更多的傳入量子。太低的檢測效率無法通過增加檢測器的靈敏度來恢復。

?二、CT探測器的分類

?CT探測器主要分為固體探測器和氣體探測器。其中，固體探測器按照閃爍體的材料區(qū)別又分為閃爍探測器和稀土陶瓷探測器；氣體常用高壓疝氣。

氣體探測器是利用氣體（疝氣）電離的原理，入射的X線使氣體產(chǎn)生電離，透過測量電流的大小來測得入射X線的強度。氣體探測器通常做成一個密閉的電離室，密閉的氣室內(nèi)被加入約30個大氣壓，以增加電離室的電離。電離室的上下夾面由陶瓷拼成，兩側(cè)由薄鎢片構(gòu)成，而X線的入射面由薄鋁板構(gòu)成，中心收集電極也由薄鎢片構(gòu)成。當X線入射到電離室后，使疝氣電離，由中心收集電極的正、負極接收（正電極接收負離子，負極相反），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X線有準直作用，可防止散射線進入電離室。但是氣體探測器致命的缺點在于工藝上面只能做成單排探測器，所以在第三代CT后，已經(jīng)沒有使用氣體探測器的CT產(chǎn)品了[2]。

2、固體閃爍體探測器?

有些材料當X線或其他帶電離子穿過時可以發(fā)射出可見光，這種材料被稱為閃爍體。為了有效地檢測X射線，通常使用含有一些重元素的無機化合物。例如碘化鈉（NaI）或鎢酸鎘（CdWO4）。為了在60 keV或更高的量子能量下實現(xiàn)高檢測效率，由于X射線成像需要在探測器處達到100μm左右的精細空間分辨率，所以閃爍體的典型厚度范圍為0.3到2.5 mm。碘化銫（CsI）通常用于此應(yīng)用，因為它可以生長為如圖所示的柱狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)限制了閃爍光的橫向擴散，從而大大有助于實現(xiàn)可接受的空間分辨率。對于與非晶硅光電二極管一起使用，CsI摻雜鉈元素，可作為活化劑改變最大的光發(fā)射區(qū)域。

在追求“理想的閃爍體”時，評估了滿足現(xiàn)代CT掃描儀的高旋轉(zhuǎn)速度，高分辨率和較低患者劑量要求的新材料，安裝和幾何形狀。研究重點是發(fā)光量，速度，余輝和透光度。當前在CT檢測器中使用的閃爍體的光輸出量與Nph=10^6/Eg給出的理論極限相差甚遠，其中Nph是每1MeV伽馬光子可見光子數(shù)，Eg是閃爍體帶間隙，β是一個約2.5的數(shù)值因子。例如，GOS的理論極限為Nph?90,000[4]。

?目前許多實驗小組正在評估新材料，以用于現(xiàn)代CT應(yīng)用。一種非常有前途的材料是(Lu,Gd,Y,Tb)3(Ga,Al)5 O 12類型的石榴石。這些材料可以單晶和多晶陶瓷形式提供，具有出色的透光性，增加的光產(chǎn)量，非常短的衰減時間以及與光探測器的光譜匹配性提高。GE Gemstone?是首款商業(yè)上用于CT檢測的石榴石閃爍體。為飛利浦雙層探測器評估的另一組材料是低原子序數(shù)閃爍體，例如ZnSe:Te，用于探測低能部分X射線光譜。石榴石型，GOS和ZnSe:Te閃爍體的原材料（晶圓）。其他可能在CT中實現(xiàn)的材料是鹵化物“超亮”閃爍體，例如SrI 2：Eu，據(jù)報道其光產(chǎn)率超過90,000光子/ MeV[4]。

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三、 CT探測器國內(nèi)市場分析

我國醫(yī)療影像市場廣闊，未來仍有較大潛力：2017年中國醫(yī)療影像市場規(guī)模達到511億元（73億美元），占全球醫(yī)療影像市場17.4%；2010年至2017年中國醫(yī)療影像市場規(guī)模的復合增長率達到6.5%，遠超全球增速1.0%。? ? ? ?

從國內(nèi)政策支持上看，特別審批通道鼓勵本土企業(yè)創(chuàng)新，國產(chǎn)替代走向正軌。醫(yī)療影像進出口價差較大，部分優(yōu)勢領(lǐng)域存在國產(chǎn)替代機會。中國主要醫(yī)療影像設(shè)備平均進口金額是出口金額的2~12倍：從2018年醫(yī)療影像設(shè)備進出口數(shù)據(jù)來看，CT設(shè)備進口金額是出口的6倍。借此，國家通過特別通道比如采購國產(chǎn)設(shè)備無需醫(yī)療配置證等方式，支持國產(chǎn)影像設(shè)備。2018年10月國家衛(wèi)生健康委員會發(fā)布《2018-2020年大型醫(yī)療器械創(chuàng)新網(wǎng)配置規(guī)劃數(shù)量分布表》，明確大型醫(yī)療設(shè)備采購計劃，其中大部分為醫(yī)療影像設(shè)備。?醫(yī)療影像產(chǎn)業(yè)鏈可細分為六個環(huán)節(jié)：分別為原料生產(chǎn)、零部件生產(chǎn)、核心組件制造、主機制造、系統(tǒng)集成和醫(yī)院；其中原料和零部件屬于上游，核心組件和主機屬于中游，系統(tǒng)集成和醫(yī)院屬于下游。中游為醫(yī)療影像核心環(huán)節(jié)：探測器、高壓發(fā)生器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等均為醫(yī)療影像產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。2018年，探測器設(shè)備市場價值約為14.8億美元，預計2017-2024年復合增長率4.5%，2024年市值將達19億美元。雖然國內(nèi)廠商已經(jīng)相繼都推出和創(chuàng)新設(shè)計了自己的探測器，但是探測器背后的一些核心元件還是依靠進口。例如：傳感器。傳感元件是數(shù)據(jù)采集的重要環(huán)節(jié)之一，不同成像領(lǐng)域?qū)?yīng)不同的傳感器，是決定成像質(zhì)量的關(guān)鍵物理部件，預計2022年不同技術(shù)醫(yī)療影像傳感器市場總額將達到545億美元。?? ? ? ?

另外還包括信號鏈，信號鏈是數(shù)據(jù)采集和處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理信號鏈模擬芯片在醫(yī)療影像半導體領(lǐng)域重要性增加。醫(yī)療影像領(lǐng)域以信號鏈為主的模擬芯片重要性提升：醫(yī)療影像行業(yè)對分辨率、安全性等需求不斷增長，使其半導體含量繼續(xù)增加，預計2020年全球醫(yī)療影像半導體相關(guān)元件出貨量達到73000；其中模擬芯片占比從2014年8.6%提升至2020年20.5%。如果國產(chǎn)公司能在探測器相對應(yīng)得關(guān)鍵元器件上面有自主創(chuàng)新，即使目前探測器新研發(fā)技術(shù)遇到瓶頸期得時候，還是可以在國內(nèi)得市場上有所提升。

1、西門子醫(yī)療? ? ? ? ? ? ?

德國西門子擁有超過170年歷史，在全球范圍內(nèi)持有18,000個專利，西門子醫(yī)療是領(lǐng)先的醫(yī)療技術(shù)公司。在全球超過70個國家約50,000名員工將繼續(xù)創(chuàng)新，塑造醫(yī)療行業(yè)的未來。在上海擁有西門子亞洲培訓中心，以及裝配工廠和研發(fā)中心。在深圳有西門子磁共振研發(fā)生產(chǎn)部門。

以SOMATOM? X.cite為例，使用的是StellarInfinity detector?，Stellar探測器是西門子醫(yī)療集團的首個完全集成的探測器。常規(guī)的檢測器模塊依靠信號處理板，其中光電二極管與模數(shù)轉(zhuǎn)換器分開布置。這會導致電子噪聲，因為信號在二極管和轉(zhuǎn)換器之間的傳播距離相對較長。在Stellar探測器中，簡化了電路板，并且將轉(zhuǎn)換器直接布置在光電二極管下方。由于來自光電二極管的模擬信號被直接轉(zhuǎn)換為可靠的數(shù)字信號，因此這種完全集成降低了電子噪聲，從而顯著提高了信噪比（SNR），從而優(yōu)化了劑量效率和圖像質(zhì)量。更高的通道密度和新的幾何形狀甚至在復雜區(qū)域中也可提供均質(zhì)的圖像質(zhì)量，具有完全電子集成的TrueSignal技術(shù)，邊緣技術(shù)可生成0.5毫米的圖像，單次采集層數(shù)可達128，空間分辨率0.3mm，最大旋轉(zhuǎn)速度0.3s。

?2、飛利浦醫(yī)療? ? ? ? ? ? ?

荷蘭飛利浦醫(yī)療作為心臟病、腫瘤、危急護理以及婦女領(lǐng)域的保健專家，始終致力于研發(fā)并提供全面的醫(yī)療保健解決方案以為用戶提供物超所值的保健服務(wù)，包含了從疾病預防、放射診斷到治療，再到健康管理以及監(jiān)測等等。

以IQon Spectral CT為例，通過新的雙層光譜檢測器為傳統(tǒng)的CT掃描增加了能譜分辨率。借助基于釔的閃爍體（GOS+）可以吸收99%的高能射線，NanoPanel棱鏡檢測器可同時識別高能和低能光子，不僅可以查看解剖結(jié)構(gòu)，還可以使用顏色來表征關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的組織密度含量。與傳統(tǒng)的雙能CT不同，能譜技術(shù)可以運用于任何方式的掃描中。

?3、GE通用醫(yī)療? ? ? ? ? ? ?

美國GE醫(yī)療是GE集團旗下（NYSE: GE）的醫(yī)療健康業(yè)務(wù)部門，年營收超170億美元。致力于成為引領(lǐng)精準醫(yī)療的創(chuàng)新者，GE醫(yī)療提供智能設(shè)備、數(shù)據(jù)分析、軟件應(yīng)用和服務(wù)，實現(xiàn)從疾病診斷、治療到監(jiān)護的全方位精準醫(yī)療生態(tài)體系。GE醫(yī)療擁有100多年的悠久歷史，在全球160多個國家擁有約5.6萬名員工。GE醫(yī)療從1979年開始在中國開展業(yè)務(wù)，于1986年在北京成立了第一家辦事處。1991年，航衛(wèi)通用電氣醫(yī)療系統(tǒng)有限公司在北京成立，成為GE在中國的第一家合資企業(yè)，隨后成立華倫公司 – 致力于打造中國自己的倫琴，與海鷹集團公司合資成立了無錫工廠。目前，GE醫(yī)療在中國建立了包括獨資和合資企業(yè)在內(nèi)的多個經(jīng)營實體，擁有員工近7,000名，包括一支由1,000多名工程師組成的研發(fā)團隊，為中國和全世界開發(fā)領(lǐng)先的醫(yī)療產(chǎn)品與技術(shù)。

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4、佳能醫(yī)療?日本佳能公司， 2018年1月4日起，佳能股份有限公司宣布，佳能集團旗下的東芝醫(yī)療系統(tǒng)株式會社正式更名為“佳能醫(yī)療系統(tǒng)株式會社”（以下簡稱“佳能醫(yī)療系統(tǒng)”）。佳能醫(yī)療系統(tǒng)從事用于疾病的早期診斷、早期治療的CT、MRI、超聲波診斷設(shè)備、X光診斷設(shè)備等影像診斷系統(tǒng)和檢查設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)，向世界約140個國家和地區(qū)提供產(chǎn)品。貫徹執(zhí)行“Made for Life”的理念，助力醫(yī)院的運營，為患者提供低負擔的醫(yī)療系統(tǒng)服務(wù)，助力“守護寶貴生命”的醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展。? ? ? ?

以 Aquilion Precision為例，使用“微鋒”高精度切割技術(shù)從固體錠中切割生產(chǎn)閃爍體來實現(xiàn)的, 閃爍體探測器0.25mm，1792通道的16厘米的探測器，可采集320 圖像,最大旋轉(zhuǎn)速度0.35s。新的“微鋒”精密切割技術(shù)用于開發(fā)了可光學隔離的離散0.25 mm元件，從而允許光傳輸而不會發(fā)生串擾。這一進步，加上閃爍體效率，檢測器電路和其他DAS組件的顯著改善，已經(jīng)使導致了歷史上劑量效率最高的檢測器。盡管通道數(shù)量增加了一倍，行厚度減半，檢測器產(chǎn)生的圖像噪聲的幅度相當于以前的896通道0.5毫米系統(tǒng)。

?國內(nèi)

1、聯(lián)影醫(yī)療? ? ? ? ? ?

?聯(lián)影醫(yī)療公司成立于2011年3月，是目前國內(nèi)唯一一家擁有全線高端影像設(shè)備的公司。特別是全身一體化PETCT，更是開創(chuàng)了世界PETCT的中國制造。

以uCT780為例，也是使用的是閃爍體探測器，但是基于TSV（硅通道）技術(shù)，直接輸出數(shù)字信號，低輻射劑量與高圖像質(zhì)量兼而得之。0.5mm探測器單元,最大旋轉(zhuǎn)速度0.3s，可生成128層圖像。?

2、明峰醫(yī)療?? ? ??

明峰醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司是成立于2011年，由明峰集團、國家先進制造產(chǎn)業(yè)基金、浙江省人才基金、紹興創(chuàng)業(yè)基金及廣州越秀產(chǎn)業(yè)基金投資的高新技術(shù)醫(yī)療設(shè)備公司。公司總部位于浙江省紹興市，在中國杭州、中山、鄭州、重慶、成都，以及美國俄亥俄州Solon設(shè)有研發(fā)、生產(chǎn)中心。QuantumEye 799為例，原創(chuàng)球面寬體探測器，512層圖像，可以產(chǎn)能譜圖像。

3、東軟醫(yī)療? ? ? ? ? ? ?

東軟醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司（以下簡稱“東軟醫(yī)療”）是中國大型高端醫(yī)療設(shè)備的推動者之一。東軟醫(yī)療目前擁有CT、MRI、DSA、XR、PET/CT、RT、US、IVD、MDaaS九大產(chǎn)品線，能夠提供放射影像、常規(guī)檢查、放療與核醫(yī)學、臨床應(yīng)用解決方案。以NeuViz Epoch 無極CT為例，使用 全景追光者探測器---16cm軸掃+16cm螺旋覆蓋，0.259s的旋轉(zhuǎn)速度，0.17mm圖像分辨率。

4、安科醫(yī)療? ? ? ? ? ??

?深圳安科高技術(shù)股份有限公司是在中央領(lǐng)導批示下，由中國科學院與美國Nasdaq上市公司Analogic于1986 年合資成立的中國最早的高科技醫(yī)療器械公司，是廣東省和深圳市最早的高新技術(shù)企業(yè)之一。公司主要從事高檔醫(yī)療電子設(shè)備的開發(fā)、生產(chǎn)和經(jīng)營，目前產(chǎn)品涉及醫(yī)療影像、醫(yī)療信息、醫(yī)療電子和治療等四個領(lǐng)域，有六大類、近三十個品種。以ANATOM128 產(chǎn)品為例，使用了optiwave光波探測器，以及非接觸滑環(huán)，可采集128層圖像。

?結(jié)語

?目前各家廠商CT的成像特點不同，CT探測器的特點也有一定的區(qū)別，而CT探測器內(nèi)部的稀有金屬材料，其實都并未完全公開。未來很長一段時間CT探測器的發(fā)展還是取決于于其材料的改變，以及切割技術(shù)方面的突破。另外一點，CT探測器后面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器核心部件仍然掌握在國外廠商手中，國內(nèi)市場潛力還是很大，核心技術(shù)還需取得突破。?

參考資料：

[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].部分資料來自企業(yè)官網(wǎng)GE、飛利浦、西門子等。