本文围绕高端医学装备中鲜有人问津的“射线源”展开，详细介绍了冷阴极X射线源的原理、发展历程、在医疗领域的应用情况，以及当前面临的挑战和潜在机遇，探讨了其在医学影像领域引发的变革。
在高端医学装备最上游的隐秘角落，那个鲜少被关注的“射线源”，正悄然酝酿着一场具有跨时代意义的成像革命。
回溯到1895年，伟大的科学家威廉·伦琴进行了一项开创性的实验。他通过加热钨制灯丝产生自由电子，并对这些电子施加高压进行加速，迫使它们撞击金属靶材。这一过程成功激发出了X射线，而这一发现也为现代医学检查奠定了坚实的理论基础。
在此后的百年时间里，医学影像设备如同走马灯般不断更迭、变化。然而，热阳极射线源的迭代却始终未曾脱离这一核心原理。直到21世纪，随着创新影像设备如雨后春笋般不断涌现，这项有着逾百年历史的技术才迎来了新的挑战对手。
以搭载大量射线源、探测器的静态CT为例，它采用探测器环脉冲式曝光的方式来替代传统的螺旋成像。这就要求在机架有限的空间中布置大量的射线源及探测器。因此，此类CT的射线源必须同时具备小体积和高强度这两项关键指标。但热阳极射线源的体积与射线强度成正比例关系，根本无法满足这一要求。
为了突破这一物理瓶颈，部分创新企业另辟蹊径，将目光投向了冷阴极X射线源，借助它来获得高能电子束。在打破困境的同时，它们也开启了放射成像的新篇章。
医疗领域，迟了整整20年
简单来讲，冷阴极X射线源是利用碳纳米管制备的阴极发射电子，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，相较于传统的热阳极射线源，冷阴极X射线源具有响应速度快、功耗低、易于集成等显著优点。
当我们衡量冷阴极X射线源的性能时，可以通过碳纳米管来轻易判断其优劣。碳纳米管是一种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，它通过场发射来产生电子。从理论上讲，任何场发射都可以通过减小金属表面的长宽比来增强电场强度，所以碳纳米管的尖端越尖，产生的电场强度就越强。
早在21世纪初期，工业、安检领域就已经能够规模生产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。由于具备更大的功率和更长的寿命，冷阴极X射线源迅速实现了规模商业化。
看到冷阴极X射线源在上述领域取得的成功，包括GPS在内的全世界球管生产厂商纷纷迅速开启探索。毕竟，冷阴极X射线源能够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，它拥有着极大的发展想象空间。
然而，在研发落地的过程中，诸多问题逐渐凸显出来，如材料制备难度高、场发射性能不稳定、工艺集成难度高以及成本较高等。
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，就必须能够发射50mA以上的电流强度，这样才能在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了碳纳米管冷阴极X射线源能带给医学影像巨大优势背后的必要条件，而在当时，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取得突破，并逐步将其推广至医学影像领域应用。
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，均以各自独特的技术路径实现了一定规模的量产，充分验证了碳纳米管冷阴极X射线源在高清、快速、低剂量以及体积小、节能等方面的显著优势。
这其中，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这两个技术路径最具代表性，而后者的技术难度和挑战更大。目前，万睿视在乳腺机方向上取得了突破，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，并逐步在医学影像领域得到应用。
在寿命方面，医用冷阴极X射线源制造商也不断取得突破，已经达到了能够与热阳极射线源同等的水平。
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
在跨时代放射成像那诱人的图景之下，大量投资机构在医用碳纳米管制造工艺取得突破之初，便迅速开启了投资布局。据相关统计，目前国内能够量产医用冷阴极X射线源的企业，或多或少都得到了资本的加持。
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展现出了充分的潜力，已经在新一代的CT、DR、牙片机等影像设备上找到了独特的赋能路径。
■ CT
冷阴极X射线源在CT领域中的应用主要围绕“易于集成”这一特点展开。即通过缩小射线源体积，释放CT机架内部的空间，进而缩小CT的整体体积，或者在CT机架中置入更多的精密仪器。其具体应用包括静态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本就是各类医疗机构必备的影像设备，静态CT的环状放射源结构又进一步扩大了对射线源的需求量。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。
在便携式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。它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”。例如，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。虽然看上去有些简陋，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，尤其适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。
在此需求下，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射线源的引入也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，着重开展碳纳米管的开发。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
从技术角度来看，海内外企业已经基本攻克了高性能碳纳米管的制备技术，并制造出了各具特色的整机产品。但在市场方面，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同步提升。
其次，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，虽提供了具备更多细节的影像，降低了诊断门槛，实现了更为精准的诊断，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。
但换个角度看，这些技术与推广上的挑战也开辟了影像学的新战场，挑战之中潜藏着巨大的机遇。
毕竟，在过去的百年时间里，我国医学影像核心零部件始终落后于海外。如今，国内企业与海外企业站在了同一起跑线上，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。
本文详细介绍了冷阴极X射线源在医学影像领域的发展历程、技术原理、应用场景以及面临的挑战和机遇。冷阴极X射线源凭借其独特优势，在CT、牙片机、DR等设备上展现出巨大潜力，尽管目前在成本和医生使用习惯培养方面存在挑战，但也为国产影像核心零部件提供了跃入世界前沿的机会。
