文 | vb 动脉网
高端医学装备最上游的角落，鲜有人问津的“ 射线源” 正在酝酿一场跨时代的成像革命。
1895 年，威廉· 伦琴通过加热钨制灯丝产生自由电子并对其进行高压加速，迫使它们撞击金属靶材，成功激发出了 X 射线，奠定了现代医学检查的理论基础。
此后百年，一代代医学影像设备风云变幻，唯有热阳极射线源的迭代，未曾脱离这一核心原理。直至 21 世纪后创新影像设备的不断涌现，这项年逾百岁的技术才得以迎来新的挑战对手。
以搭载大量射线源、探测器的静态 CT 为例，它以探测器环脉冲式曝光的方式替代螺旋成像，需要在机架有限的空间中布置大量射线源及探测器。因此，此类 CT 的射线源必须兼具小体积、高强度两项指标，而热阳极射线源的体积与射线成正比例关系，无法满足要求。
为突破这一物理瓶颈，部分创新企业选择另辟蹊径，借助冷阴极 X 射线源获得高能电子束。打破困境的同时，他们也在书写放射成像新的史诗。
医疗领域，迟了整整 20 年
简单来说，冷阴极 X 射线源利用碳纳米管制备的阴极发射电子，通过电场加速后轰击阳极靶材，进而产生射线。由于不需要加热，冷阴极 X 射线源较传统热阳极具备响应速度快、功耗低、易于集成等优点。
衡量冷阴极 X 射线源性能时，我们可能通过碳纳米管轻易判断优劣。后者为由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲成同轴中空无缝管状结构的一维量子材料，通过场发射发生电子。任何场发射均可通过减小金属表面的长宽比来增强电场强度，因而理论上讲，碳纳米管的尖端越尖，产生的电场强度越强。
21 世纪初期，工业、安检领域已能规模生产 10mA 级别出束流强的冷阴极 X 射线，用于检测电网、轨道等场景。更大的功率与更长的寿命之下，冷阴极 X 射线源迅速实现了规模商业化。
目睹冷阴极 X 射线源在上述领域中的成功，包括 GPS 在内的全世界球管生产厂商迅速开启探索。毕竟，冷阴极 X 射线源能在室温下产生高能离子束，性能稳定，还能有效缩小成像设备的体积，在这个影像设备越做越大的时代，拥有极大的想象空间。
然而，材料制备难度高、场发射性能不稳定、工艺集成难度高及成本等问题都在研发落地过程中凸显出来。
冷阴极 X 射线源要保证在患者轻微移动时也能得到清晰的图像，必须能够发射 50mA 以上的电流强度，才能在 1 秒之内完成曝光。大电流出束、高精度调控、长寿命稳定运行成为碳纳米管冷阴极 X 射线源能带给医学影像巨大优势背后的价码，在当时几乎没有企业能够完全做到。
直至 2016 年左右，国内外企业才在高性能碳纳米管的制备上完成突破并逐步推广至医学影像中应用。
目前，海外的万睿视、Micro-X、NanoX，国内的新鸿电子、昊志影像、傲镭科技等企业，均以各自的技术路径实现了一定规模量产，验证了碳纳米管冷阴极 X 射线源在高清、快速、低剂量及体积小、节能等方面的优势。
这其中以 Micro-X 的单焦点集成和万睿视、新鸿电子的多焦点阵列式排布两个技术路径最有代表性，后者的技术难度和挑战更大。目前，万睿视则在乳腺机方向上有所突破，国内企业新鸿电子则相继推出冷阴极多焦点 X 射线源的系列产品并在医学影像上逐步应用。
而在寿命方面，医用冷阴极 X 射线源制造商也不断实现突破，达到了能够与热阳极射线源同等水平。
在 Micro-X 进行的探测器加速寿命测试中，Micro-X 选用三根自研的同样规格的碳纳米管进行高速重复曝光。其中，碳纳米管 A 在 20mAs（临床中用于腹部） 的曝光环境下进行测试，碳纳米管 B 和碳纳米管 C 则分别在 2mAs、3.2mAs（临床中用于胸部） 的曝光环境下进行测试。结果显示：接受最大 20mAs 的曝光时，发射器可持续使用约 10 年时间；接受 3.2mAs 胸部暴露时，发射器的寿命则超过了 20 年。
Micro-X 碳纳米管加速寿命测试 （蓝色线为 20mAs，橙色线为 3mAs，绿色线为 2mAs，mAs）
跑得最快的冷阴极，已实现商业落地
跨时代放射成像的诱人图景下，大量投资机构在医用碳纳米管制造工艺突破之初便迅速开启投资布局。据动脉网统计，目前国内能够量产医用冷阴极 X 射线源的企业，或多或少得到了资本的加持。
国内拥有医用冷阴极 X 射线源产线的相关企业融资情况 （非完全统计）
同时，初创企业们自研的产品也确有充分潜力，已在新一代的 CT、DR、牙片机等影像设备上找到独特的赋能路径。
■ CT
冷阴极 X 射线源在 CT 领域中的应用主要围绕“ 易于集成” 展开，即通过缩小射线源体积释放 CT 机架内在空间，进而缩小 CT 体积或在 CT 机架之中置入更多精密仪器，具体应用包括静态 CT 与便携式 CT。
静态 CT 是冷阴极 X 射线源最为成熟且最具商业前景的应用场景之一。要模拟螺旋 CT 的旋转成像，静态 CT 必须在机架内部署大量球管形成圆环，再用电子脉冲控制每个球管依次瞬间发射 X 射线，因而需要大量冷阴极 X 射线源作为支持。
CT 本是各类医疗机构必购置的影像设备，静态 CT 的环状放射源结构又进一步扩大的需求量。当静态 CT 进一步发展，冷阴极 X 射线源的需求量还将进一步上升。
便携式 CT 方面，澳大利亚 X 射线制造商 Micro-X 去年发布了一台头部 CT 扫描仪，内置 21 个迷你 X 射线碳纳米管，用于移动卒中护理。
该设备可存放在救护车的侧面，使用时通过旋转完成组装，重量约 70 公斤，不仅减少了对救护车额外加固的需求，还有效降低了配置成本，使得绝大多数户外环境都能实现实时的 CT 诊断。
还有一些企业在 CT 创新上不断“ 做减法”。譬如，2023 年获批 FDA 批准的 Nanox.ARC 是一套多源数字 3D 断层合成系统，可将一系列 2D 投影图像重建为成像对象的断层图像 （或切片） 堆栈，从而形成 3D 可视化。
大刀阔斧砍掉热阳极放射源后，过去封闭的一体化机架已被肉眼可见的金属结构取代。虽然看上去有些寒碜，但 Nanox.ARC 在保证影像质量的前提下有效降低了三维成像的成本，尤其使用于一些无力负担传统 CT 设备的贫困地区。
Nanox.ARC 诊断示意图
■ 牙片机
现有的口腔成像主要由二维的牙片机与三维的 CBCT 主导，但在临床中，二维牙片机价格便宜，但常会出现图像重叠、结构失真的情况，三维 CBCT 价格昂贵，成像立体，但空间分辨率低，扫描时间长，受照剂量高，易受人体呼吸等运动影响。
此需求下，新鸿电子将冷阴极 X 射线源引入口腔成像中，进而得到全新的口内三维成像系统，可以视作实现 3D 成像的牙片机。在与传统牙片机相近辐射剂量和操作方式下，该口内成像系统能够带来更加丰富的三维成像细节，对患者的口腔状况进行更清晰、细致的呈现，更好识别咬合面及邻位龋齿、根部骨折、表面损伤与裂缝及变异的细小根管等细微牙齿病灶，平衡了成像效果和辐射剂量。
新鸿电子“ 口内三维成像系统”
不过，冷阴极 X 射线源的引入亦增加了系统本身的成本。因而获得 FDA 批准且被纳入美国医疗保险范围后，新鸿电子的口内三维成像系统主要在美国中高端诊所中进行销售，并逐渐向欧洲、日本和韩国等发达国家地区渗透。
■ DR
2018 年，万睿视与 H+P Advanced Technology 合作成立了 VEC Imaging，押重碳纳米管的开发。一年后的 RNSA 上，VEC Imaging 发布了用于三维乳腺诊断的纳米级新型多射线束弯曲阵列球管 NT-2518C 开启了冷阴极 X 射线源在 DR 中的应用。
据公开资料显示，NT-2518C 拥有 25 个射线源的多 X 射线束纳米球管，采用了多束场发射纳米灯丝 （Multibeam Field Emission Cold Cathode Nanotube Emitter） 技术，非常适合应用在乳腺三维。与传统的 3D 乳腺机相比，它无需传统乳腺机的机架和球管的旋转，只需按顺序激发每个纳米灯丝发射出电子束即可完成扫描，大幅缩短了乳腺 3D 扫描时间。
国内方面，新鸿电子现阶段已针对乳腺、胸部、头部、关节等组织完成相关解决方案的开发，并形成移动三维成像解决方案。该方案与移动 DR 体积相近，辐射剂量远低于大型 CT 设备，可以轻松地设置在急诊室、ICU、手术室，可为移动困难、传染性强的病人提供精准且安全的诊疗方案。
国产影像核心零部件跃入世界最前沿的机遇
从技术角度上谈，海内外企业已经基本攻克了高性能碳纳米管的制备技术，并制造出各具特色的整机产品。但在市场之中，新技术在整机系统上的批量应用及规模化商业落地仍有一段距离。
首先，冷阴极射线管的价格仍有降低的空间。目前成熟的纳米管制备技术大概可以分为电弧放电法、激光蒸发法和化学气相沉积法三类，不同制备技术在制备难度、生长速度、碳纯度等维度各有优劣，但都难以实现成本与产量的并进。
其次是需要时间慢慢培养医生的使用习惯。以牙片机为例，过去口腔医生习惯了通过单层的影像进行疾病诊断，而如今的口内三维成像系统提高到了 30 多层，虽提供具备更多细节的影像，降低了诊断门槛，实现更为精准的诊断，但也改变了医生的思考方式和阅片习惯。因而，研发方需要在医生培训方面投入充足的资源，才能逐步建立起医生群体对于新设备的共识，进而实现产品的规模落地。
但换个角度，这些技术与推广上的挑战开辟了影像学的新战场，挑战之中潜藏巨大机遇。
毕竟，过去百年，我国医学影像核心零部件始终落后海外。如今走到同一起跑线上，国内诸多创新企业均有希望脱颖而出，在医学影像的新时代中把握机遇。
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