高麗娜

（西安外事學(xué)院 工學(xué)院，陜西 西安 710077）

CT（Computerized Tomography）——計算機斷層成像，是一種在不破壞物體結(jié)構(gòu)的前提下，根據(jù)物體周邊所獲取的某種物理量（如波速、X線光強、電子束強等）的投影數(shù)據(jù)，運用一定的數(shù)學(xué)方法，通過計算機處理，重建物體特定層面上的二維圖像以及依據(jù)一系列上述二維圖像構(gòu)成三維圖像的技術(shù)[1]。CT最引人注目的應(yīng)用是在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域，其理論研究及設(shè)備制造技術(shù)在相當(dāng)程度上與醫(yī)學(xué)科學(xué)有關(guān)。從1971年Hounsfielld發(fā)明頭顱CT至今，CT技術(shù)進展神速，不斷更新?lián)Q代，至今已開發(fā)出第五代產(chǎn)品，第一、二代產(chǎn)品已被淘汰，CT技術(shù)如今已推廣到世界各國，成為不可缺少的常規(guī)診斷的主要手段之一。

X射線管是CT機的關(guān)鍵核心器件之一，同時是CT機需要定期更換的易損件，據(jù)報道1只X線管的平均壽命是曝光4萬次，如果是滿負載運行，最多只能使用1年[2]。據(jù)資料統(tǒng)計50%以上的X射線管的損壞是由于陽極靶的失效引起的[3]。目前國內(nèi)現(xiàn)有服役的CT機其易損件的更換幾乎都是進口的，由于國外不單獨更換靶材，所以由陽極靶材的失效而引起的X射線管的失效，最終只能更換整個X線管，而更換一只X射線管需要幾十萬元人民幣。因此，占有CT機X射線管用旋轉(zhuǎn)陽極的市場份額具有巨大經(jīng)濟效益。目前，我國的CT機X射線管用旋轉(zhuǎn)陽極靶材仍是個薄弱環(huán)節(jié)，為此開發(fā)CT機用旋轉(zhuǎn)陽極靶材具備廣闊的市場前景。以此為導(dǎo)向開展技術(shù)調(diào)研作出此產(chǎn)品的市場研究和預(yù)測報告具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 工作原理及其失效分析

CT機性能的好壞，很大程度上取決于X射線管的質(zhì)量，陽極靶是X射線管至關(guān)重要的部件，它直接影響X射線發(fā)射強度及管子的使用壽命。下面就CT機X射線管用旋轉(zhuǎn)陽極靶材的工作原理及其失效形式進行簡單的介紹。

1.1 X射線管的組成及其結(jié)構(gòu)

圖1為旋轉(zhuǎn)陽極式X射線管結(jié)構(gòu)簡圖。如圖1所示，X線管主要由陽極、陰極和真空管殼等部分組成。陰極由燈絲和圍繞燈絲的集射罩所組成，起著發(fā)射電子和聚焦電子的作用；陽極由承受從陰極發(fā)射的電子沖擊的靶材（陽極靶）和導(dǎo)熱系數(shù)高的空心銅轉(zhuǎn)子構(gòu)成；管殼是用來支撐陰陽兩極和保持真空度的硬質(zhì)玻璃作成。

圖1 旋轉(zhuǎn)陽極式X射線管結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of X-ray tube with rotary anode targe

1.2 陽極靶材工作原理

CT機中X線管陽極靶材質(zhì)量的好壞、能否長期穩(wěn)定地工作是影響CT機壽命的關(guān)鍵因素之一，也是高質(zhì)量X線管國產(chǎn)化的主要難點。X線管工作時，陽極靶受高能電子束的轟擊而發(fā)射X射線。但是，能量的轉(zhuǎn)換率非常低，大概只有2%左右，約98%以上的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，而且熱量主要集中在陽極上。這個熱量分布在轉(zhuǎn)動著的具有一定傾斜角度的靶面上，形成一個圓環(huán)狀的受熱面積。陽極靶在真空環(huán)境中，交變熱負荷的使用條件下，散熱主要依靠熱輻射。熱輻射的效率是比較低的，在連續(xù)負載時，整個靶體溫度可以升得很高。據(jù)報道X線管工作時的環(huán)境溫度在1 300℃以上，其局部溫度可高達2 600℃。因此，CT機旋轉(zhuǎn)陽極靶材一般采用熔點高、原子序數(shù)高、蒸汽壓低的金屬鎢作為靶面材料[4]，同時，陽極靶材采用旋轉(zhuǎn)式。與固定陽極靶相比，旋轉(zhuǎn)靶能承受更高的熱負荷。當(dāng)電子束轟擊時，通過高速旋轉(zhuǎn)靶盤，靶的表面作為焦點區(qū)域的部分總是處于冷卻狀態(tài)，并且通過旋轉(zhuǎn)也可以更快速地散發(fā)熱量而冷卻。

1.3 陽極靶材的失效形式

但是，由于X射線管是間斷式工作，時冷時熱，靶面材料容易產(chǎn)生龜裂，而鎢具有切口敏感效應(yīng)，容易導(dǎo)致裂紋的擴展、加深，從基體上剝離，損壞X射線管。此外，裂紋擴展加深后，會使基體材料暴露在電子束轟擊下而產(chǎn)生不需要的波長的X射線，混雜在所需波長的X射線之中。因此，對于必須使用某一特定波長的X射線情況來說，必須進行過濾，從而降低了X射線管的效率。正常使用情況下，陽極靶材曝射萬次后X射線輸出要下降50%以上，并且還會發(fā)生焦點擴大和散焦，使成像質(zhì)量下降，導(dǎo)致CT機性能惡化而無法正常使用。另外CT機在使用中還有一些偶然損壞事件，如管子靶面撕脫，工作面非正常灼傷等必須立即更換。目前CT機普遍使用的玻殼管，在更換燈絲和靶面后可重新使用，可以在很大程度上降低更換X射線管的成本。

2 CT機的巨大市場需求

2.1 CT機維修市場

據(jù)2011年10月15日，由中國醫(yī)學(xué)裝備協(xié)會、北京華通人商用信息公司共同在北京發(fā)布的 《中國CT市場發(fā)展分析報告》顯示，2001年底我國縣及縣以上醫(yī)院配置的CT數(shù)量達到了4 760臺，2008年底達到了9 109臺，2009年為10 101臺，截止到2010年CT機的保有量達到11242臺[5]。根據(jù)我國CT機的市場保有量，每只X射線管正常使用一年更換一次，按照50%的幾率來計算，每年的需維修、更換的旋轉(zhuǎn)陽極靶材需求量為5 621只。由此可見旋轉(zhuǎn)陽極靶材的維修更換量是一個巨大的市場，而且隨著CT機保有量的逐年增長，這一數(shù)據(jù)將會隨之增長。

2.2 CT機出口市場

1997年10月，中國第一臺可以投入臨床應(yīng)用的全身CT機在中國醫(yī)療器械博覽會上展出、正式問世，當(dāng)即引起國內(nèi)外醫(yī)療市場的轟動。隨著國內(nèi)CT機生產(chǎn)商的陸續(xù)加盟，我國已成為繼美國、德國、日本之后的世界第四大CT整機生產(chǎn)國和出口國。據(jù)中國醫(yī)藥保健品進出口商會統(tǒng)計，2009年我國CT機出口總量為1 466臺，每臺CT機至少需配置一只旋轉(zhuǎn)陽極X射線管（不含備份管），因此用于出口的旋轉(zhuǎn)陽極的年需求量超過1 466個。

2.3 巨大的潛在市場需求

我國人口基數(shù)龐大，醫(yī)院數(shù)量高居全球之首，從總體配置數(shù)量上來看，我國CT設(shè)備的配置總數(shù)量已經(jīng)遠遠超過了大多數(shù)發(fā)達國家的水平，但是從人均水平來看，中國仍不能達到許多發(fā)達國家的配置水平。2006年，日本每百萬人口擁有CT機達98臺，澳大利亞為51臺，比利時為40臺。而在我國2001年每百萬人口擁有CT機僅有3.7臺，2006年增長至5.5臺，截止到2010年底達到8.6臺，雖然保持了較快的增長水平，但是與發(fā)達國家相比，擁有量仍偏低。

而且，從配置年份上分析，目前有45.6%的CT機購買于2004～2009年，37.4%的設(shè)備購買于 2000～2004年， 購買于2000年以前的設(shè)備占17%。由于CT機的使用年限為10～15年，因此，目前需要更新?lián)Q代的CT機占總保有量的15%～17%。目前，我國三級醫(yī)院基本上都配備了CT機，有些三級醫(yī)院已完成CT機的更新?lián)Q代；而國內(nèi)僅38%的二級醫(yī)院配備了CT機；至于廣大一級醫(yī)院（尤其是鄉(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)生院），由于經(jīng)費制約而較少配置CT機。但是，隨著國家對基層醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域扶持力度的加大，后者有望成為近幾年醫(yī)療成像設(shè)備采購主力。因此，要達到發(fā)達國家每百萬人口的CT擁有量，我國對CT機還有很大的需求潛力。

綜上所述，2010年我國CT機市場對X射線管用旋轉(zhuǎn)陽極靶材的年需求量超過7 000只，這是一個相當(dāng)大的數(shù)值，而且隨著CT機產(chǎn)業(yè)的進一步壯大，其數(shù)值將會在一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定增長。因此只有高質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)陽極靶材實現(xiàn)國產(chǎn)化，不再依賴進口，才能從根本上解決X射線管的巨額維修、更換費用，從而降低我國民眾在體檢時支付的相當(dāng)可觀的檢查費用。

3 我國CT機X射線管用陽極靶材產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

靶材作為高速荷能粒子轟擊的目標材料，作為一種特殊材料在工業(yè)上有廣泛的應(yīng)用。但目前的研究主要集中在半導(dǎo)體行業(yè)、表面工程領(lǐng)域以及微電子等方面，對于醫(yī)用X-射線靶材研究較少。旋轉(zhuǎn)陽極靶材作為CT機X射線管中重要的零部件主要依靠進口。目前我國CT機市場為少數(shù)幾家跨國公司所壟斷。據(jù)統(tǒng)計，2010年，通用醫(yī)療、西門子、飛利浦3家企業(yè)在我國CT機市場中所占份額合計達到70%[6]。目前，國內(nèi)僅有少數(shù)一些廠家能夠生產(chǎn)純鎢旋轉(zhuǎn)靶、鎢/鉬復(fù)合靶、鎢/石墨復(fù)合靶等醫(yī)用X-射線靶材。但是其生產(chǎn)的鎢靶材的實際密度達不到鎢的理論密度，在受到高能電子束的轟擊時，產(chǎn)生X射線的效率不如進口鎢靶材高，在同樣強度的工作條件下，其壽命與國外進口靶材相比仍有一定差距。

4 開發(fā)國產(chǎn)CT機用旋轉(zhuǎn)陽極靶材的建議

廣泛開展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的旋轉(zhuǎn)陽極靶材的研究，不僅能夠打破國外對此技術(shù)領(lǐng)域的壟斷，提高我國放射類醫(yī)療器械的綜合水平，同時能夠改善該領(lǐng)域長期受制于國外的被動局面。

4.1 充分整合現(xiàn)有資源，聯(lián)手開發(fā)

可整合相關(guān)研究領(lǐng)域研究所及高校的科研力量和國內(nèi)現(xiàn)有的國產(chǎn)CT機生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)力量共同合作，進行自主研發(fā)，并通過成果孵化，最終形成高質(zhì)量醫(yī)用X射線靶材的國產(chǎn)化。

4.2 加速引進專有技術(shù)人才

旋轉(zhuǎn)陽極X射線管工程專家中有不少華裔專家，他們擁有專業(yè)專有技術(shù)知識，對開發(fā)國產(chǎn)CT機X射線管旋轉(zhuǎn)陽極靶材會有促進作用。

5 結(jié)束語

隨著我國醫(yī)療改革的進一步推廣，X射線管在今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)都會具有巨大的市場，旋轉(zhuǎn)陽極靶材的市場也必將更加廣闊。目前在我國，這部分市場非常薄弱，需要國家投入大量的資金以及科技力量來填補這一空白。

[1]高麗娜，陳文革.CT技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展及前景[J].CT理論與應(yīng)用研究，2009，18（1）:99-109.GAO Li-na，CHEN Wen-ge.The application and prospect of CT[J].Computerized Tomography Theory and Applications，2009，18（1）:99-109.

[2]沈培宏.CT用旋轉(zhuǎn)陽極X射線管市場研究與預(yù)測 [J].光電子技術(shù)，2000，20（2）：153-155.SHEN Pei-hong.Research and forecast about the market of rotating anode X-ray tube used for CT[J].Optoelectronic Technology，2000，20（2）：153-155.

[3]彭志輝.國外X射線管用旋轉(zhuǎn)陽極靶材概況 [J].稀有金屬與硬質(zhì)合金，1987（Z1）：121-124.PENG Zhi-hui.A survey of the rotating anode target of X-ray tube abroad[J].Rare Metals and Cemented Carbides，1987（Z1）：121-124.

[4]高麗娜，陳文革.W/Mo/石墨復(fù)合靶材的制備與研究[J].稀有金屬，2008，32（5）:605-609.GAO Li-na，CHEN Wen-ge.A study of tungsten/Molybdenum/Graphite Composite Target Materials[J].Rare Metals，2008，32（5）:605-609.

[5]徐錚奎.CT用途漸廣預(yù)示市場機遇[N].醫(yī)藥經(jīng)濟報，2006.

[6]陳海榮.我國醫(yī)療器械市場現(xiàn)狀分析[J].上海生物醫(yī)學(xué)工程，2002，23（4）:64-65.CHEN Hai-rong.Status analysis on the market of medical device in China[J]. Shanghai Journal of Biomedical Engineering，2002，23（4）:64-65.