X射线成像检测技术对现代社会的意义

1895年，伦琴发现X射线“标志着近代物理学的到来”。人们通过X射线照射，发现了本应通过解剖才能看到的病变，由此打开了放射临床诊疗的大门。作为一种高能电磁辐射，X射线具有穿透性强、和物质相互作用种类多样等特点，以此为基础的医学成像应用很快得到普及。现如今，X射线成像技术已经应用到人类社会的各个方面，医院的X光机、医用CT机，工业无损探伤、工业质检，行包/货物安检，X射线荧光仪等等，都是X射线在临床医学、公共安全、无损检测、生物制药等诸多学科领域的重要应用。

△ 利用X射线进行医学成像

国内X射线源技术的发展机遇与挑战

在X射线成像系统中，X射线源(也称X射线管、X射线球管)是其核心部件，直接决定着成像的分辨率、对比度、扫描效率等关键性能指标，设计和研发先进的X射线源不仅能推动X射线无损检测技术的发展，更能够对相关应用领域带来变革、推动行业发展。以应用广泛的医疗诊断行业为例，X射线源对CT设备成像质量影响巨大，且成本约占CT整机设备生产制造成本的20%~30%，被称为CT之“芯”。然而长期以来，医用高性能X射线源始终需要依赖国外进口，很难寻到质量稳定、性能可靠的国产球管。自2011年开始至今，我国在“十二五”“十三五”“十四五”连续3个五年计划中均提到将X射线机、CT球管等影像成像行业关键技术及部件列为重点突破和发展的高端战略产品，持续推动相关技术方向的发展和突破。然而，X射线源的国产自主不仅需要长期持续的研发和攻关，还要在现有X射线源企业海量的专利布局中突出重围，想要在较短的时间内快速实现超越，面临着巨大的困难与挑战。

从实验室到各行业全面开花  新鸿电子“一骑绝尘”的背后

目前被广泛采用的X射线源技术，依靠“阴极加热发出电子，电子打到阳极靶盘，发射X射线”，整个过程X射线源始终处于高压、高热、高转速的状态，且需要保证高效的散热、较高的稳定性和较长的工作寿命，近年来一直都难有跨越式的发展。以安检行业CT查验设备为例，受CT滑环转速、旋转精度以及环上器件在高转速下的可靠性等的限制，安检CT的成像质量和扫描效率几乎达到极限，设计新型X射线源、研究相应的扫描成像方法，从根本上改变CT依赖滑环旋转这一成像方式，已成为当前理论研究与应用技术发展的重要难题与挑战。采用分布式X射线源实现静态CT超快速成像是近年来辐射成像理论和应用发展的新热点，为上述难题的解决带来新的希望。19世纪末，科学家陆续发现电子在常温下还可以从阴极表面通过量子隧穿效应逃逸，称其为“冷阴极”发射。1991年，伊吉玛教授发现碳纳米管这一全新的碳基材料结构，其超大的长径比、极高的电导率、较强的机械强度和化学稳定性等特点，被认为是理想的“冷阴极”材料。2002年，美国北卡罗莱纳大学的Otto Zhou团队首次实现碳纳米管“冷阴极”X射线源10mA级别的出束流强，达到工业、安检成像所需水平，由此打开“冷阴极”X射线源规模化商用的大门。2007年，清华大学辐射成像团队基于分布式X射线源开展了CT三维成像应用的早期研究，对分布式射线源静态CT系统、快速静态CT成像方法等方面开展了大量研究工作。国内外高校团队的早期探索，给了创新技术的发展和成熟提供了最好的土壤。

△ 碳纳米管冷阴极X射线源示意图

2015年，在北卡罗莱纳大学、清华大学等多方合作下，新鸿电子有限公司成立，致力于为医疗、安检、工业无损探伤等辐射成像领域提供全新的““冷阴极”X射线源成像解决方案。在近10年的发展中，新鸿电子陆续研制出多款分布式光源产品，实现焦点毫米间距排布，单管焦点数量可达数百个，24小时持续出束功率可达10kW量级。其在安检行业迅速投入应用，助力静态CT查验装备的突破，显著提升了民航安检和海关通关查验效率。2022年，由同方威视、新鸿电子等单位共同研制成功的“碳纳米管冷阴极分布式X射线源的静态安检CT智能安检系统”入选国家原子能机构“近年来核技术应用领域十大事件”，并获日内瓦国际发明展览会金/银奖奖项，在X射线源及应用相关领域开创了全新的技术发展方向。目前，新鸿电子拥有碳纳米管“冷阴极”分布式X射线源的完整知识产权，是全球唯一能提供安检及医用多焦点分布式X射线源的企业，也是唯一能大规模生产“冷阴极”分布式X射线源的企业。

△ 新鸿电子应用于安检行业的静态CT

新技术为全球口腔诊疗创造“未来产品”

△ 新鸿电子“口腔低剂量3D成像系统”

碳纳米管“冷阴极”分布式X射线源利用场致发射原理，阴极无需维持高温、无待机功耗，可实现瞬间启停、无延时响应等优点，多焦点的设计也解决了球管寿命短的问题，采用电子控制系统进行不同位置X射线焦点的切换，无需机械移动，扫描速度更快、图像质量更高。这些新特性为行业应用带了更多的可行性——“静态三维快速成像技术”便是由此催生的新一代X射线成像应用。

近年来，全球口腔医疗和美容保健需求激增，《中国口腔流行病调查》数据显示，我国口腔整体发病率达90%左右，且随着直播、短视频等新媒体的兴起，公众对口腔美观的需求越来越高，对口腔诊疗的效率和质量也提出了更高要求。新鸿电子基于碳纳米管“冷阴极”X射线源技术的“口腔低剂量3D成像系统”攻克了传统成像技术中“分辨率低、结构不清晰、图像伪影大、剂量高”等问题，能够从多个角度对牙齿组织进行超快速扫描，并实现无任何机械旋转运动的静态三维成像，在相同图像分辨率和相近辐射剂量水平下，使牙片成像从“二维平片”跨入“三维立体视觉”新阶段，可以说是X射线源创新技术在全球口腔诊疗领域的新突破。

△ 新鸿电子口腔低剂量3D成像系统及技术原理

今年8月，新鸿电子X射线源创新技术及“口腔低剂量3D成像系统”一举斩获第二届中核科创大赛一等奖。大赛历时1年，吸引中核集团内外部100多支优秀团队、1188个项目参赛，共同寻找“下一个核工业独角兽”，此次获奖无疑是对新鸿电子创新项目市场前景的高度认可。事实上，早在2021年，新鸿电子“分布式X射线源”便成功在北美投入应用，相应的口内3D成像系统目前已获美国FDA认证。今年初，口内3D成像检查被正式纳入美国医保，技术推广及临床应用潜力巨大，发展前景无限广阔。

核技术应用“独角兽”——新鸿电子带着“全球领先”进入公众视野

“创新，为创造”，新鸿电子为行业技术创新，为人类发展创造。从实验室产品到行业首个、全球唯一，从前沿技术到“国际领先”，新鸿电子历经近十年的砥砺奋进与开拓创新，打造全球领先的新一代X射线源产品，助力工业、安检、医疗等行业的高速发展。作为百年历程X射线源领域的新兵，为不断推动X射线影像技术进步迈出重要步伐。

延伸阅读

在中核集团第二届科创大赛中，中国宝原全系统累计获奖15项，现选取部分获奖项目，近距离探寻其背后的故事。本期为本届大赛主体赛一等奖项目：纳米冷阴极多焦点X射线源及口腔低剂量3D成像系统。