X射線成像檢測技術(shù)對現(xiàn)代社會的意義

1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)X射線“標志著近代物理學的到來”。人們通過X射線照射，發(fā)現(xiàn)了本應通過解剖才能看到的病變，由此打開了放射臨床診療的大門。作為一種高能電磁輻射，X射線具有穿透性強、和物質(zhì)相互作用種類多樣等特點，以此為基礎(chǔ)的醫(yī)學成像應用很快得到普及。現(xiàn)如今，X射線成像技術(shù)已經(jīng)應用到人類社會的各個方面，醫(yī)院的X光機、醫(yī)用CT機，工業(yè)無損探傷、工業(yè)質(zhì)檢，行包/貨物安檢，X射線熒光儀等等，都是X射線在臨床醫(yī)學、公共安全、無損檢測、生物制藥等諸多學科領(lǐng)域的重要應用。

△ 利用X射線進行醫(yī)學成像

國內(nèi)X射線源技術(shù)的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)

在X射線成像系統(tǒng)中，X射線源(也稱X射線管、X射線球管)是其核心部件，直接決定著成像的分辨率、對比度、掃描效率等關(guān)鍵性能指標，設(shè)計和研發(fā)先進的X射線源不僅能推動X射線無損檢測技術(shù)的發(fā)展，更能夠?qū)ο嚓P(guān)應用領(lǐng)域帶來變革、推動行業(yè)發(fā)展。以應用廣泛的醫(yī)療診斷行業(yè)為例，X射線源對CT設(shè)備成像質(zhì)量影響巨大，且成本約占CT整機設(shè)備生產(chǎn)制造成本的20%~30%，被稱為CT之“芯”。然而長期以來，醫(yī)用高性能X射線源始終需要依賴國外進口，很難尋到質(zhì)量穩(wěn)定、性能可靠的國產(chǎn)球管。自2011年開始至今，我國在“十二五”“十三五”“十四五”連續(xù)3個五年計劃中均提到將X射線機、CT球管等影像成像行業(yè)關(guān)鍵技術(shù)及部件列為重點突破和發(fā)展的高端戰(zhàn)略產(chǎn)品，持續(xù)推動相關(guān)技術(shù)方向的發(fā)展和突破。然而，X射線源的國產(chǎn)自主不僅需要長期持續(xù)的研發(fā)和攻關(guān)，還要在現(xiàn)有X射線源企業(yè)海量的專利布局中突出重圍，想要在較短的時間內(nèi)快速實現(xiàn)超越，面臨著巨大的困難與挑戰(zhàn)。

從實驗室到各行業(yè)全面開花  新鴻電子“一騎絕塵”的背后

目前被廣泛采用的X射線源技術(shù)，依靠“陰極加熱發(fā)出電子，電子打到陽極靶盤，發(fā)射X射線”，整個過程X射線源始終處于高壓、高熱、高轉(zhuǎn)速的狀態(tài)，且需要保證高效的散熱、較高的穩(wěn)定性和較長的工作壽命，近年來一直都難有跨越式的發(fā)展。以安檢行業(yè)CT查驗設(shè)備為例，受CT滑環(huán)轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)精度以及環(huán)上器件在高轉(zhuǎn)速下的可靠性等的限制，安檢CT的成像質(zhì)量和掃描效率幾乎達到極限，設(shè)計新型X射線源、研究相應的掃描成像方法，從根本上改變CT依賴滑環(huán)旋轉(zhuǎn)這一成像方式，已成為當前理論研究與應用技術(shù)發(fā)展的重要難題與挑戰(zhàn)。采用分布式X射線源實現(xiàn)靜態(tài)CT超快速成像是近年來輻射成像理論和應用發(fā)展的新熱點，為上述難題的解決帶來新的希望。19世紀末，科學家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)電子在常溫下還可以從陰極表面通過量子隧穿效應逃逸，稱其為“冷陰極”發(fā)射。1991年，伊吉瑪教授發(fā)現(xiàn)碳納米管這一全新的碳基材料結(jié)構(gòu)，其超大的長徑比、極高的電導率、較強的機械強度和化學穩(wěn)定性等特點，被認為是理想的“冷陰極”材料。2002年，美國北卡羅萊納大學的Otto Zhou團隊首次實現(xiàn)碳納米管“冷陰極”X射線源10mA級別的出束流強，達到工業(yè)、安檢成像所需水平，由此打開“冷陰極”X射線源規(guī)模化商用的大門。2007年，清華大學輻射成像團隊基于分布式X射線源開展了CT三維成像應用的早期研究，對分布式射線源靜態(tài)CT系統(tǒng)、快速靜態(tài)CT成像方法等方面開展了大量研究工作。國內(nèi)外高校團隊的早期探索，給了創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展和成熟提供了最好的土壤。

△ 碳納米管冷陰極X射線源示意圖

2015年，在北卡羅萊納大學、清華大學等多方合作下，新鴻電子有限公司成立，致力于為醫(yī)療、安檢、工業(yè)無損探傷等輻射成像領(lǐng)域提供全新的““冷陰極”X射線源成像解決方案。在近10年的發(fā)展中，新鴻電子陸續(xù)研制出多款分布式光源產(chǎn)品，實現(xiàn)焦點毫米間距排布，單管焦點數(shù)量可達數(shù)百個，24小時持續(xù)出束功率可達10kW量級。其在安檢行業(yè)迅速投入應用，助力靜態(tài)CT查驗裝備的突破，顯著提升了民航安檢和海關(guān)通關(guān)查驗效率。2022年，由同方威視、新鴻電子等單位共同研制成功的“碳納米管冷陰極分布式X射線源的靜態(tài)安檢CT智能安檢系統(tǒng)”入選國家原子能機構(gòu)“近年來核技術(shù)應用領(lǐng)域十大事件”，并獲日內(nèi)瓦國際發(fā)明展覽會金/銀獎獎項，在X射線源及應用相關(guān)領(lǐng)域開創(chuàng)了全新的技術(shù)發(fā)展方向。目前，新鴻電子擁有碳納米管“冷陰極”分布式X射線源的完整知識產(chǎn)權(quán)，是全球唯一能提供安檢及醫(yī)用多焦點分布式X射線源的企業(yè)，也是唯一能大規(guī)模生產(chǎn)“冷陰極”分布式X射線源的企業(yè)。

△ 新鴻電子應用于安檢行業(yè)的靜態(tài)CT

新技術(shù)為全球口腔診療創(chuàng)造“未來產(chǎn)品”

△ 新鴻電子“口腔低劑量3D成像系統(tǒng)”

碳納米管“冷陰極”分布式X射線源利用場致發(fā)射原理，陰極無需維持高溫、無待機功耗，可實現(xiàn)瞬間啟停、無延時響應等優(yōu)點，多焦點的設(shè)計也解決了球管壽命短的問題，采用電子控制系統(tǒng)進行不同位置X射線焦點的切換，無需機械移動，掃描速度更快、圖像質(zhì)量更高。這些新特性為行業(yè)應用帶了更多的可行性——“靜態(tài)三維快速成像技術(shù)”便是由此催生的新一代X射線成像應用。

近年來，全球口腔醫(yī)療和美容保健需求激增，《中國口腔流行病調(diào)查》數(shù)據(jù)顯示，我國口腔整體發(fā)病率達90%左右，且隨著直播、短視頻等新媒體的興起，公眾對口腔美觀的需求越來越高，對口腔診療的效率和質(zhì)量也提出了更高要求。新鴻電子基于碳納米管“冷陰極”X射線源技術(shù)的“口腔低劑量3D成像系統(tǒng)”攻克了傳統(tǒng)成像技術(shù)中“分辨率低、結(jié)構(gòu)不清晰、圖像偽影大、劑量高”等問題，能夠從多個角度對牙齒組織進行超快速掃描，并實現(xiàn)無任何機械旋轉(zhuǎn)運動的靜態(tài)三維成像，在相同圖像分辨率和相近輻射劑量水平下，使牙片成像從“二維平片”跨入“三維立體視覺”新階段，可以說是X射線源創(chuàng)新技術(shù)在全球口腔診療領(lǐng)域的新突破。

△ 新鴻電子口腔低劑量3D成像系統(tǒng)及技術(shù)原理

今年8月，新鴻電子X射線源創(chuàng)新技術(shù)及“口腔低劑量3D成像系統(tǒng)”一舉斬獲第二屆中核科創(chuàng)大賽一等獎。大賽歷時1年，吸引中核集團內(nèi)外部100多支優(yōu)秀團隊、1188個項目參賽，共同尋找“下一個核工業(yè)獨角獸”，此次獲獎無疑是對新鴻電子創(chuàng)新項目市場前景的高度認可。事實上，早在2021年，新鴻電子“分布式X射線源”便成功在北美投入應用，相應的口內(nèi)3D成像系統(tǒng)目前已獲美國FDA認證。今年初，口內(nèi)3D成像檢查被正式納入美國醫(yī)保，技術(shù)推廣及臨床應用潛力巨大，發(fā)展前景無限廣闊。

核技術(shù)應用“獨角獸”——新鴻電子帶著“全球領(lǐng)先”進入公眾視野

“創(chuàng)新，為創(chuàng)造”，新鴻電子為行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，為人類發(fā)展創(chuàng)造。從實驗室產(chǎn)品到行業(yè)首個、全球唯一，從前沿技術(shù)到“國際領(lǐng)先”，新鴻電子歷經(jīng)近十年的砥礪奮進與開拓創(chuàng)新，打造全球領(lǐng)先的新一代X射線源產(chǎn)品，助力工業(yè)、安檢、醫(yī)療等行業(yè)的高速發(fā)展。作為百年歷程X射線源領(lǐng)域的新兵，為不斷推動X射線影像技術(shù)進步邁出重要步伐。

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在中核集團第二屆科創(chuàng)大賽中，中國寶原全系統(tǒng)累計獲獎15項，現(xiàn)選取部分獲獎項目，近距離探尋其背后的故事。本期為本屆大賽主體賽一等獎項目：納米冷陰極多焦點X射線源及口腔低劑量3D成像系統(tǒng)。