生活中，我们常见的影像设备如拍摄胸片应用的DR、口腔检查应用的CBCT、急诊外伤和胸腹部检查应用的CT等均为基于X射线实现人体成像的病情探测仪器。X射线除了广泛应用在医学领域中，还覆盖了工业领域和安检领域等。
医学领域的X射线检查设备主要含有X射线发生装置（也就是球管）和X射线探测装置（常称为探测器）等核心零部件，其中，探测器作为最为重要的核心零部件之一，通常占据了整套设备成本的30%以上，其技术工艺将直接影像成像设备的多个核心性能指标，且其性能的高低也将直接决定其成像系统所需的成像剂量。
X射线探测器的开发与制造是一个跨学科的复杂过程，它结合了半导体技术、探测物理学、图像处理算法以及精密制造等多个领域的先进技术。这一过程不仅要求对各个学科有深入的理解和掌握，还需要在实际应用中进行创新和优化，以确保探测器的性能达到预期目标。对于部分类型的探测设备及其组成元件方面，我国尚需进一步提升自主研发与生产能力，目前仍需借助国际资源以填补技术缺口，这在一定程度上限制了我国在该领域的自主发展。但在市场需求不断扩张以及政策的支持下，中国制造商正持续致力于独立研发和自主创新，相信通过不断的技术进步和优化，有望成为该领域中的关键一员，并为医疗诊断、安全检查等领域带来更多的可能性。
目 录
一、认识CT探测器和其核心技术
二、X射线探测器技术的发展与创新
三、X射线探测器的市场格局与发展
四、认识X射线探测器：从技术到市场再到国产化
五、光子计数探测器引领“巨头争霸”
一、认识CT探测器和其核心技术
（一）什么是CT探测器
电子计算机X射线断层扫描技术简称为CT（Computed Tomography），是一架基于X射线的病情探测仪器，三大核心部件为高压发生器、X线球管和探测器。因其可快速捕捉到最轻微的病理变化和位置、大小、数量，并反馈出相对清晰的图像画质而被广泛应用于临床。背后的原理在于X射线的能量强大到足以穿透任何物质，将这一特性应用于医学上使得它可以在不伤害骨骼器官的情况下获得骨骼与器官的图像，利用X射线在穿过人体组织后产生不同程度的衰减，由探测器接收衰减后的X光通过闪烁体后产生的可见光，再由电子器件将其转换为电信号并读出实现数字化，最终传送至终端通过重建形成CT图像，整个CT成像过程中探测器是最核心的部件，其本质为“传感器”。
图 信号转换过程图（来源：医工研习社）
由此可见，CT探测器的基本部件含有：准直器（ASG）、闪烁体、光电二极管和电路板（ASIC）。由于目前大部分CT厂家已掌握了3D打印准直器技术，真正核心部件的开发与竞争落在了闪烁体、光电二极管和ASIC。其中，闪烁体属于材料领域，光电二极管和ASIC属于微电子领域。
（二）核心技术：闪烁体
闪烁体作为一种特殊材料，其功能在于吸收X射线转化为荧光光子并发出可见光。闪烁体需要具备高光输出(发光效率)、快衰减时间、低余晖效应、高X线阻止能力、高化学稳定性、高抗辐射损伤、高透明性、高光谱匹配性等要求。其中最为关键的是光输出、衰减时间和余晖效应，高光输出意味着更低的辐射剂量；快衰减时间和低余辉效应决定了更高的成像精度，对于能谱成像尤其重要。
图 闪烁体(来源：中科院宁波所，医工研习社)
早期的闪烁体多为Nal、BGO等单晶体，但存在密度低、易潮解、衰减时间长、成本高等缺点；随着无机材料制备技术的发展，闪烁陶瓷这一多晶体材料被发现，因其制备工艺简单、尺寸灵活、生产成本低等优点逐渐成为闪烁体的第一选择。目前CT领域中主要是4种商用闪烁陶瓷：
1. HiLight
第一种是GE利用YGO材料所研制成功的HiLight陶瓷闪烁体，主要被应用于GE中低端CT。
2. GOS
第二种陶瓷闪烁体是由日本所研发，采用了一种名为GOS的稀土硫氧化物，后经日立、西门子、飞利浦、东芝等CT厂家对其深入研究并开发出GOS探测器。其中，西门子的超高速陶瓷探测器（Ultrafast Ceramic，UFC）通过不断精进的工艺技术使其光输出达到50000ph/MeV。
GOS凭借其优点成为市面上除GE外被厂商应用最多的闪烁体材料，但我国的国产GOS仍处于追赶阶段，尽管我国几乎所有的CT探测器闪烁体都使用GOS材料，主要依赖于进口厂家，如日本京瓷、日立、东芝等。
此外，GOS材料仍存在双折射效应，转换效率稍低和辐照损伤较高等不足。
3. Gemestone
第三种商用陶瓷闪烁体为GE所研发的宝石（Gemestone）材料和宝石探测器，这是目前性能最好的CT闪烁体，拥有更高的光产额、更短的余晖效应和更好的抗辐照损伤，且已成功被应用在GE高端CT中。
图 集成3D蜂巢准直器的宝石探测器(GE)（来源：医工研习社）
4. Superlight
第四个商用陶瓷闪烁体名为Superlight，所应用的材料是GGAG，由中科院宁波材料技术与工程研究所研发。Superlight和Gemestone一样具有高密度、快衰减、高光输出、短余辉及环境友好等特点，目前已实现大规模量产。
图 4种闪烁体及性能对比图（来源：医工研习社）
（三）核心技术：光电二极管和ASIC
闪烁体接收X射线转化为可见光后传递至光电二极管，光电二极管作为光电传感器件，主要作用是将荧光光子信号转化为电信号。CT探测器中常见的是硅光电二极管（Si Photo Diode），简称为SPD。由于SPD的敏感区对不同波长的光敏感度不同，为了达到最高的灵敏度和转换效率，需要考虑到将SPD的敏感区尽可能地与闪烁体的发射光谱相匹配。目前，大部分CT中安装的光电二极管来自日本滨松光子（HPK）和芬兰Detection Technology（DT）等厂家。
ASIC在CT中指代的是模数转换器（ADC），具有多通道、高速、高分辨率、低噪声等特点，主要功能在于将模拟电信号转化为数字信号，便于图像处理器进行成像，意味着其性能将决定X线剂量和图像质量。
国际知名企业，包括通用电气（GE）、西门子、飞利浦、佳能等，均掌握了自主开发的ASIC技术，并且这些技术通常不对外销售。在国内，几乎所有的国产计算机断层扫描（CT）设备制造商都依赖于艾迈斯（AMS）、亚德诺（ADI）、DT、德州仪器（TI）等行业领先的半导体公司提供的ASIC技术支持。
二、X射线探测器的发展与技术创新
X射线平板探测器如今在医疗影像设备中已被广泛应用于除CT外的所有X线设备。平板探测器最早可追溯至1990年，由美国施乐公司Robert Street等研究人员首次提出，由PIN结构的非晶硅(a-Si)光电二极管阵列结合二维非晶硅TFT(薄膜晶体管)阵列寻址方式实现。而后在20世纪90年代末期，经过各大影像设备企业对该技术的不断研究与实践，开发出了非晶硅平板探测器；非晶硅平板技术在2010年左右得到进一步的扩散，更多的厂商包括传统胶片领域的巨头锐珂和富士等也开发出平板探测器，我国的上海奕瑞、江苏康众也先后推出自己的非晶硅平板探测器。
非晶硅得益于其技术成熟度高、适应性广泛以及成本低廉等优势已发展成为当下平板探测器的主要选择。然而，当涉及到如乳腺、牙科以及外科等动态成像应用场景时，非晶硅平板探测器并非最理想的解决方案。针对这些特定领域的需求，企业进行了相关的技术创新和产品开发。豪洛捷公司在乳腺成像领域推出了采用非晶硒技术的平板探测器；Dalsa公司在牙科（CBCT）和外科（C型臂）等领域中率先研发出了基于CMOS技术的平板探测器；我国成都善思微也成功研发并量产中小尺寸的CMOS探测器。这些进展不仅推动了医疗成像技术的发展，也为不同应用场景提供了更加精准和高效的成像解决方案。
图 X射线探测器发展路线图（来源：医工研习社）
X射线探测器可分为直接成像与间接成像两种技术方向。直接成像是指X射线射出后不需要经过闪烁体，光导半导体材料采集到 X射线后，直接将 X 射线转换为电信号；间接成像则需要X射线经过闪烁体转换为可见光，通过感应X射线穿过物体后的强度映射出可让人观察到的不同灰度等级的图像。目前，市面上占据主导地位的是以主流非晶硅、CMOS及新型IGZO为代表的间接转换探测器，拥有平板探测器近乎90%以上的市场份额。
间接转换探测器
间接转换探测器的基本结构包括闪烁体、传感器及读出电路、外围控制电路，其中，闪烁体和传感器为核心部分，是决定平板探测器的主要性能指标。
（一）闪烁体
探测器的闪烁体材料可分为碘化铯（CsI）平板和硫氧化钆（GdOS）平板两种。二者成像原理基本一致，但因原材料的不同使得在成本和性能上存在较明显差异：GdOS材料因不需要长时间蒸镀沉积过程，所以GdOS平板的生产工艺在相对简单的同时又能拥有稳定可靠的产品，且成本较CsI低20%—30%；但在成像清晰度上碘化铯平板更胜一筹，原因在于针状碘化铯晶体的X射线转换效率相较于GdOS高出30%—40%，横向光扩散也更小，具有更高的空间分辨率。
目前大部分探测器厂商均通过外采的方式购买闪烁体，原因在于闪烁体的生产与制备工艺要求较高，且量产良率控制难度较大。目前，我国的GdOS闪烁体材料主要依靠日本进口，不过，江西东鹏新材料已有能力生产出纯度高达99.999%的碘化铯晶体粉末；在闪烁体制备方面，江苏康众和上海奕瑞分别研制出CsI探测器和GdOS探测器，且其掌握的碘化铯直接生长技术目前几乎接近国际先进水平。
（二）传感器
目前，传感器主要有四大平板技术，分别是非晶硅传感器、柔性传感器、氧化物传感器和CMOS传感器，其中，非晶硅平板以性价比优势暂时处于静态平板探测器和大尺寸动态平板探测器的主流选择。随着技术的发展，CMOS和IGZO等技术将因其高灵敏、低噪声、高帧速等更优性能成为厂商们的研发重点。
图 四大平板技术简略图（来源：医工研习社）
但从应用领域来看，四种技术在不同领域中因不同性能的侧重点而有着各自的优势，之间并非替代关系。IGZO技术凭借其在像素的响应速度和扫描速率的优势而被广泛应用于如DSA、动态DR等的高速、大尺寸动态平板探测器；CMOS因拥有更高的平板分辨率而多被应用于乳腺、牙科、外科等高帧速率、中小尺寸的动态平板探测器。
1. 非晶硅和IGZO探测器
不论是非晶硅，或是IGZO和柔性探测器，都基于TFT面板技术，之间的区别在于其半导体介质。TFT的本质是开关，即液晶显示屏的每个像素都依赖TFT进行开关和驱动，未来TFT技术发展的目标在于更大的尺寸和更低的成本。
图 TFT平板技术逻辑（来源：医工研习社）
（1）非晶硅/柔性探测器
非晶硅平板是指TFT器件的沟道由非晶硅材料制成，并且非晶硅可以淀积在大面积玻璃基板衬底上，具有大面积、工艺成熟稳定、普通放射的能谱范围响应好、材料稳定可靠、环境适应性好等特点，可同时满足静态和动态探测器的需求，是最主流的X射线平板探测器传感器技术。现今的绝大多数探测器厂商都具备生产非晶硅平板的能力，相比起参数，质量和可靠性成了更重要的衡量指标。
柔性探测器是指其TFT衬底是柔性基板，即采用薄而柔软材料（如光学透明的聚亚酰胺）代替传统玻璃基板，制成可形变、可弯折、不易碎裂的柔性平板，具有超窄边框、轻便、抗冲撞、不易破损等特点。柔性探测器已成为当下较前沿的X射线探测器技术，但由于其技术工艺较为复杂，与玻璃基板存在性能差异，且成本较为高昂，目前仅用于特定的场景，如移动医疗。目前，我国拥有相关产品的企业是奕瑞和康众。
（2）IGZO探测器
虽然非晶硅探测器占据目前市场主流，但其电子迁移率只有0.5-1.0cm^2/VS，存在着低剂量DQE差，图像噪声较大，分辨率较低等缺点。于是，另一种Oxide TFT，即氧化物TFT，得到了研发。之所以被称为IGZO，即氧化铟镓锌，是因为IGZO为其中最成功的代表。新的IGZO探测器拥有更高的分辨率和更高的刷新率。
IGZO平板同属于TFT技术平板，区别在于其控制显示像素驱动由TFT升级为速度更快的IGZO，背后的原理在于IGZO电子迁移率是非晶硅的20到50倍，因此可以获得更高的像素读出速度和帧率，同时还可极大缩小晶体管尺寸，增加像素密度，使图像分辨率更高，改善低剂量DQE。
IGZO平板集合了非晶硅平板的大面积制造、低成本等优点，又增添了低噪声、高采集速度、高分辨率等性能优势，成为了可广泛应用在DSA、DRF等X线透视设备中理想的大尺寸高速动态平板探测器。目前，万睿视已成功将IGZO技术引入并实现量产，我国的奕瑞也已初步实现IGZO平板探测器的量产。
2. CMOS探测器
CMOS，即互补金属氧化物半导体，是组成芯片的基本单元。与非晶硅/IGZO探测器的玻璃衬底不同，CMOS探测器的衬底是单晶硅，其电子迁移率是1400cm^2/VS。电子迁移率在非晶硅、IGZO、CMOS等各种技术中作为关键参数之一，当电子迁移率越高时，单个晶体管就可以做得更小，使显示像素更小，图像空间分辨率更高。
CMOS平板探测器指的是在一块晶圆上集成光电二极管、寻址电路和放大器，其中，放大器作为区别CMOS平板探测器和非晶硅/IGZO探测器的重要部分，其功能在于将信号放大后再传输到外面，叠加电子迁移速率更快的单晶硅，使得CMOS平板在高分辨率、高采集速度、高低剂量DQE等性能上明显优于非晶硅与IGZO平板。
图 非晶硅、IGZO、CMOS三种探测器参数对比图（来源：医工研习社）
受限于半导体晶圆尺寸的工艺制作，CMOS平板可广泛应用的晶圆尺寸为8寸，而平板普遍尺寸为13*13cm和15*12cm，也可进行拼接，不过需要更为复杂的工艺技术。尽管如此，CMOS平板在牙科CBCT、外科C型臂、乳腺机等领域的中小尺寸动态X线设备应用上依旧具有明显的优势。
Dalsa和万睿视是目前全球最大的两家CMOS探测器制造商，我国的成都善思微和上海奕瑞均已掌握该技术并具备量产能力，江苏康众也在积极研发中。其中，成都善思微的CMOS平板探测器处于我国的领先地位，几乎所有的国产牙科CBCT厂家都注册了其产品。
直接转换探测器
不同于间接转换探测器，直接转换探测器的原理是在X射线辐照到传感器材料时产生电子-空穴对，因不产生可见光，没有光横向扩散影响，具有更高的空间分辨率。直接转换探测器的基本结构包括传感器及读出电路、外围控制电路，其中，传感器（光导半导体）是核心部分。传感器材料具有较高的原子序数、较大的X射线吸收系数和较高的载流子迁移率；且只需要毫米级厚度就能基本完全吸收百千伏级的X射线，没有任何的延迟或残影。
目前，直接转换探测器主要分为两种：以非晶硒材料为代表的能量积分型探测器；以碲化镉(CdTe)、碲锌镉(CZT)、单晶硅(Si)为代表的光子计数探测器。
（一）非晶硒探测器
目前，非晶硒技术为豪洛捷独有技术，还处于专利保护期中。与非晶硅相同，非晶硒平板一样是基于TFT技术制成，但相较于非晶硅，非晶硒具有以下不足：硒元素对X射线的吸收性能差，受热结晶会导致性能衰减，需要进一步提高工艺稳定性；非晶硒探测器启动偏压电场高达数千伏，会对TFT开关造成不可逆的损伤，使得非晶硒探测器的使用寿命不长；非晶硒平板对于温度非常敏感，使用条件也受到了一定限制；非晶硒薄膜做不厚，不太适合高能X射线的探测。但在乳腺X射线成像领域，非晶硒几乎完全占据了主导地位，高端乳腺机基本均采用非晶硒平板。
（二） 光子计数探测器
光子计数探测器(Photo Counting Detector)源于高能物理的直接X光转换技术，不同于其他基于闪烁体的探测器，光子计数探测器基于半导体材料，其原理是通过设置阈值把信号幅度超过阈值的光子从低于阈值的暗噪声中提取出来，可以消除暗电流导致的假计数，实现真正意义上的零噪声；因直接成像避免闪烁体造成的光散射，能实现更高的高空间分辨率和密度分辨率。同时，光子计数探测器不同于积分型探测器的单色成像，因能实现射线多能谱采样点的多色成像，从而具备物质分辨能力。
CdTe/CZT作为用于硬X射线吸收的半导体材料，能够有效地吸收10-140 keV范围内的X射线，即使在室温下也能提供良好的能量分辨率，但因其晶体价格过于昂贵，极大限制了其在医学影像等领域的应用及推广。部分原因在于受到晶圆尺寸的限制和制造工艺良率的影响，单个光子计数探测器模组一般小于20mm，难以满足医学影像领域对人体组织的成像需求，目前只能通过阵列拼接方式构成大面积探测器。
目前，万睿视旗下Direct Conversion（DC）是当下全球最大的CdTe探测器制造商，其XC-Hydra系列是世界上第一个使用直接转换技术的商业化光子计数探测器。除万睿视之外，GPS、佳能等企业也正积极布局光子计数探测器，研制线阵探测器或小尺寸面阵探测器，并应用于CT、核医学、乳腺成像、血管成像等领域。
我国在这方面的技术研发也在积极进展当中，西北工业大学介万奇教授团队已开发出高性能探测器级CZT晶体及高效率、低成本单晶制备技术和关键设备，并将综合成本降低50%以上。所生长的CZT晶体性能已达到国际先进水平，并被应用在核医学成像、安检和医学成像等领域。成都善思微的光子计数探测器也处于研发阶段；深圳帧观德芯基于单晶硅实现面阵光子计数探测器量产，极大降低光子计数探测器成本，并应用在自家乳腺机。
总结
X射线平板探测器包括直接成像与间接成像两种技术方向，非晶硅/IGZO/CMOS平板探测器属于间接成像，非晶硒探测器和光子计数探测器属于直接成像，间接成像技术占据了平板探测器90%以上的市场份额。
非晶硅、IGZO、CMOS、柔性基板、非晶硒等五种材料技术又并非替代与被替代关系，更多在于其性能上的差别适用于不同的医疗领域场景。非晶硅探测器基于其高性价比的优势成为目前最主流的X射线平板探测器传感器技术，主要应用在DR、DRF、放疗等领域；IGZO探测器凭借其低噪声、高采集速度、高分辨力等性能优势被广泛应用在DSA、DRF等大尺寸高速动态平板探测器；CMOS平板因其高分辨率、高帧速率与低剂量等特点主要安装在牙科CBCT、外科C型臂、乳腺机等领域的中小尺寸动态X线设备；柔性探测器因其超窄边框、轻便、抗冲撞、不易破损等特点已成为当下较前沿的X射线探测器技术，但由于工艺复杂、成本较高使其仅限于特定场景；非晶硒几乎覆盖了乳腺X射线成像领域，直到光子计数探测器得到进一步的研发与普及。
图 不同类型探测器对比图（来源：医工研习社）
我国在平板探测器领域已有数十年的发展与积累，已有一批专注于平板探测器的研发、生产和销售的高科技企业，例如上海奕瑞、江苏康众、成都善思微、上海品臻、上海煜影；同时，万东、深图、安健、帧观德芯等整机企业也基本实现平板探测器的自产自用。从平板性能来看，动态非晶硅和CMOS平板与国际厂商仍有一定差距，静态平板探测器已与进口产品水平相当；但在关键零部件方面，部分非晶硅芯片与通用的ADC、FPGA芯片还未能实现国产化。
三、X射线探测器的市场格局与技术发展
（一）X射线探测器的市场格局
医学影像设备作为现代医学不可或缺的一部分，是医疗器械行业中技术壁垒最高的细分市场。医学影像设备的主要目的在于辅助诊断和治疗过程，通过向人体发送如可见光、X射线、超声波或强磁场等不同类型的物理信号，并捕捉人体对这些信号的响应，生成可视化的图像。这些图像不仅能够清晰地展示人体解剖结构，还能够揭示潜在的病理变化，从而为医生提供重要的临床信息。
中国医疗诊断设备行业虽起步较晚，尚未形成产业集聚高地与完善的上下游产业链，但得益于我国相对成熟的的集成电路行业发展以及各工业产业链的部署，为我国的高端医学影像产业链的发展提供了强有力的支撑。从国内的市场格局来看，联影、东软、安科、明峰等国产设备厂商近年来正快速提升市场份额，尤其在DR领域，以其高性价比优势获得了国内近70%的市场份额；同时，以奕瑞、康众、善思微为代表的X射线探测器企业正依靠我国材料、面板、集成电路等产业优势迅速发展，为医学影像领域的国产化起了突出的代表性作用。
平板探测器作为最为核心的零部件，是典型的技术密度、资金密度、门槛要求极高的领域，且行业高度集中于美国、加拿大、法国、日本、韩国及我国。据IHS Markit数据显示，2018年全球医疗和动物医疗平板探测器市场中，美国万睿视占据了24.1%的市场份额成为全球最大的独立X射线成像组件供应商，也是目前唯一一家掌握并成熟商用非晶硅、CMOS、IGZO及光子计数等四大X射线探测器技术的企业；排名第二的是来自法国的Trixcell，由 THALES(泰雷兹,51%)、西门子(24.5%)和飞利浦(24.5%)联合创建，主要是非晶硅和CMOS探测器技术，产品广泛应用于DR、DRF、DSA；排名第三的是我国的奕瑞，占有8%的市场份额，作为我国排名第一的平板探测器企业，是全球少数几家同时掌握非晶硅、CMOS、IGZO及柔性基板等传感器技术的企业之一。
图 2018年全球医疗和动物医疗平板探测器市场占有率细分图
（来源：IHS Markit）
排名前十的企业中来自日本的企业有三家，分别是富士、佳能、滨松，其中，滨松作为全球光子技术、光产业领导者，同时也是全球最大的光探测器件厂家，拥有探测器设计、闪烁体生产、电子设计、产品集成等探测器核心技术，主要运用非晶硅和CMOS探测器技术。排名前十里的Teledyne Dalsa是唯一一家来自于加拿大的企业，是全球领先的高性能数字成像和半导体技术公司，也是全球最大的CMOS平板探测器供应商，其产品广泛应用于乳腺、牙科、骨密度、外科、工业无损检测（NDT）等领域。此外，作为我国排名第二的平板探测器企业康众在全球市占率中达到3%位列第九，其主要掌握碘化铯直接生长技术，产品应用于医疗、动物医疗、安检、工业等领域，目前主营为非晶硅探测器。
图 平板探测器细分领域（来源：医工研习社）
此外，作为我国首家研制出CMOS平板探测器并已实现量产的企业，善思微也是唯一一家其CMOS平板探测器产品获得了国内主流CBCT厂商的认可和注册。
（二） X射线探测器的市场趋势
X射线平板探测器可根据工作模式区分为动态和静态。静态是指单次X射线曝光成像，如DR、DM(乳腺)等；动态是指连续 X 射线曝光拍片下成像，与静态成像相比，增加了时间维度，用于动态观察，如DSA、DRF(动态DR)、外科C型臂等。相较于传统静态探测器，动态探测器因其高帧速、高分辨以及复杂的传感器、电路设计拥有更高的产品技术含量和市场价值。据Yole数据显示，2018 年全球数字化X线探测器的市场规模约为20亿美元，并预计于2024年市场规模将达到28亿美元，其中，相比于基本维持不变的静态探测器（非晶硅和非晶硒为代表），以CMOS和IGZO为代表的高性能动态探测器具有极强的增长趋势，预计从2.45亿美元大幅增长至7.46亿美元。
目前，静态探测器最主要的应用领域为DR。虽然全球范围内静态探测器增势趋于平稳，但我国的静态探测器需求仍在持续增长。2019年，国家卫健委印发《乡镇卫生院服务能力评价指南（2019年版）》和《社区卫生服务中心服务能力评价指南(2019 年版)》，明确提出 B 档及以上乡镇卫生院和社区卫生服务中心需配备普放DR设备，具备DR摄片能力。
我国动态探测器的市场仍存在巨大的空间，背后原因在于三个方面：一是人们对口腔健康的日益重视，牙科医疗的需求不断上升，我国口腔医院的不断扩张，CBCT的需求量也将随之增加；二是对乳腺癌早期筛查的科普宣传不断加强，依据《乳腺癌诊疗规范（2018年版）》中40岁以上女性每年进行1次乳腺 X 射线检查，未来乳腺X射线、乳腺DBT、乳腺CT增长空间广阔；三是X射线在工业无损检测的应用需求将随着新能源汽车电池检测和半导体后端封装检测的增加而持续增长。
（三）技术的发展与创新
1873年，科学家发现硒元素结晶体感光后能产生电流，诞生“电子影像”后，图像传感器作为一种将光学影像转换成电信号的半导体器件登上了舞台中心。图像传感器又被分为真空成像传感器和固体成像传感器。
1969年，随着半导体工艺的不断发展，贝尔实验室发明CCD（电荷耦合器件），自此开启固体成像传感器时代，此后又出现了非晶硅/柔性、IGZO、CMOS、非晶硒等探测器技术。固态成像传感器凭借其优异性能被广泛应用于X射线成像、CT成像、超声成像、核医学成像等医疗领域。其中，X射线（含CT）成像中常见的四大领域主要是：（1）通用影像，主要涉及静态成像，包括DR和乳腺机(DM)等。2018年，非晶硅与非晶硒因为高性价比和高性能分别占据了95%的DR市场和60%的乳腺市场，随着技术的不断创新发展，预计CMOS和IGZO技术（尤其是CMOS）将逐渐扩散应用在通用影像领域；（2）介入和外科成像，主要涉及动态成像（透视），包括DSA、外科C型臂和动态DR等。目前非晶硅在DSA和DRF中为主流技术，但IGZO凭借其高帧率与高空间分辨率等性能优势逐渐威胁着非晶硅的地位，在外科C型臂领域中CMOS将逐步成为主流，预计2024年，CMOS在介入和外科成像领域将占据近40%的份额；（3）牙科成像，包括口腔内牙片机、全景牙科机和CBCT。其中，CMOS凭借低剂量DQE、高分辨率、高速采集等特点成为CBCT的最优选，预计将长期占据牙科领域60%以上的份额；（4）CT成像，包括常规CT、小动物CT、工业CT及安检CT。不同于X射线技术，在光子计数CT正式上线以前，CT传感器有且只有硅光电二极管阵列这一种。目前，GE、西门子、飞利浦、佳能的光子计数CT原型机均已进入临床评估阶段，西门子光子计数CT基于CdTe，GE则是基于Deep Silicon。
CT、DR/DRF、DSA、DM、C型臂、CBCT等影像设备地不断研发与进步很大程度上依赖于X射线探测器地不断创新与变革。而作为医疗影像设备产业链上游的X射线探测器，唯有不断突破“卡脖子”技术，实现国产化替代，才有机会为产业链中游的影像设备厂家及下游的医院、体检中心、影像中心等带来更多的自主选择权。
四、认识X射线探测器：从技术到市场再到国产化
X射线探测器的分类
（一）平板探测器、线阵探测器和CT探测器
X射线探测器按其形态和工作原理归类可分为三大类：平板探测器、线阵探测器和CT探测器。其中，CT探测器工艺最为复杂、难度最高，但图像信息最为丰富，目前国内厂家尚未完全掌握其技术。
1. 平板探测器
平板探测器是一种由单一模块构成的设备，具备广阔的检测面积覆盖能力。在检测过程中，X射线能够从多个角度穿透被检物体，而平板探测器则能够捕获整个区域的辐射信号。这种探测器技术被广泛应用于多种医疗成像领域，包括但不限于静态成像的数字放射摄影（DR）、动态成像的锥形束计算机断层扫描（CBCT）、数字化胃肠造影机（DRF）、数字减影血管造影系统（DSA）以及C型臂X射线设备（C-Arm）。
图 X射线平板探测器（来源：百榕资本）
2. 线阵探测器
线阵探测器是一种由众多小型探测器按线性排列组成的设备，它们共同构成一个直线型的阵列。这种探测器采用点对点的扫描方式，即每个探测器像素依次对被检测物体进行扫描，通过这种方式实现点射线检测。线阵探测器因其独特的工作原理，主要被应用于口腔锥形束计算机断层扫描（CBCT）、安全检查、工业质量检测、食品安全检测等多个领域。
图 X射线线阵探测器（来源：百榕资本）
3. CT探测器
CT，即计算机断层成像技术，是一架由高压发生器、X线球管和探测器等核心零部件组成的基于X射线的病情探测仪器。在进行CT检测的过程中，X射线球管和探测器会同步围绕被检查者的身体进行旋转扫描，以此收集所需的数据。随后，计算机会对收集到的数据执行一系列的处理，包括校正、验证和卷积处理。接着，利用滤波反投影算法对数据进行图像重建，生成人体特定部位的连续横断面图像。在CT扫描完成后，根据临床需求，可以选择不同厚度的层间距进行图像重建，例如1毫米、5毫米、10毫米等，从而获得一系列连续的横断面图像。基于这些图像，可进一步构建出三维的可视化模型，以便更直观地观察和分析身体内部结构。
CT探测器系统由多个组件构成，包括探测器模组、准直器、散热系统等，这些组件共同组成了一个弧形的结构，并被安装在滑环之上。这种设计的复杂性和制造过程的精密度，相较于平板探测器和线阵探测器来说要高出许多，所以与传统的平板探测器与线阵探测器相比，CT扫描能够展示被检物体内部的多层结构，提供更为丰富和准确的信息。
图 CT扫描的工作原理（来源：百榕资本）
（二）直接转换探测器和简介转换探测器
从不同能量转换的维度来区分时，X射线探测器可分为直接转换探测器与间接转换探测器。目前市面上以间接转换探测器为主流，但随着技术的不断研发创新，具有更高的空间和密度分辨率、更低的射线剂量等特点的直接转换探测器将得到更广泛的运用。
1. 间接转换探测器
间接转换探测器使用的是间接成像技术，X射线经过闪烁体转换为可见光，再由电子器件将其转换为电信号并读出进行模拟和数字转换再传输到计算机进行图像重建。经过两次转换获得的电信号由于在转换过程中产生衰减等多种原因，损失了部分对原始射线能量的分辨力，因此间接转化探测器的能量分辨率相对较差。
间接转换目前的三种主流平板技术是：非晶硅传感器、氧化物（IGZO）传感器和CMOS传感器。这三大技术因其性能特点以及成本等原因，使其应用场景有所同，也有所不同：均可应用于C型臂、DSA、CBCT；CMOS虽拥有更高的性能，但受限于高成本，目前仅限于C型臂、DSA、CBCT这类动态X射线影像设备的高端机型中，而中低端型号则以非晶硅和IGZO探测器为主；此外，非晶硅和IGZO平板探测器还可应用在DR领域中。
2. 直接转换探测器
不同于间接转换探测器，直接转换探测器采用直接成像技术，X射线射出后无需经过闪烁体，由光导半导体材料采集 X射线并直接转换为电信号。其背后的原理是在X射线辐照到传感器材料时产生电子-空穴对，因不产生可见光，没有光横向扩散影响，具有更高的空间分辨率。相较于间接转换的两次转换，直接转换可以更精确地定位光子的相互作用点，这提高了空间分辨率和探测效率，并且没有余辉效应。
图 间接转换与直接转换的信号转换差异图（来源：百榕资本）
目前，直接转换探测器主要分为两种：以非晶硒材料为代表的能量积分型探测器；以碲化镉(CdTe)、碲锌镉(CZT)、单晶硅(Si)为代表的光子计数探测器。其中，光子计数探测器凭借其光子计数方式，通过设定合理的能量阈值达到消除电子噪声的影像，提高信噪比，实现更高的探测效率和分辨率，成为最被看好的下一代探测器技术。但由于其半导体材料CdTe/CZT晶体价格过于昂贵，虽能有效地吸收10-140 keV范围内的X射线，即使在室温下也能提供良好的能量分辨率，但也极大限制了光子计数探测器在医学影像等领域的广泛应用及推广。
X射线探测器的市场规模与发展方向
（一）平板探测器
全球平板探测器市场预计2024年能达到20亿美金规模，其中，以CMOS和IGZO为代表的高性能动态探测器具有极强的增长趋势，全球平板探测器市场也呈现出从静态平板探测器向低剂量、高分辨率、高速动态成像方向发展的趋势。
图 全球X射线平板探测器市场规模（亿美元）（来源：亿欧，百榕资本）
目前，平板探测器主要为非晶硅探测器、氧化物（IGZO）探测器和CMOS探测器，其中，非晶硅平板以性价比优势暂时处于静态平板探测器和大尺寸动态平板探测器的主流选择，近年市场规模维持在11亿美元左右，但其市场已相对成熟且增长幅度趋于平缓；而CMOS和IGZO等技术因其高灵敏、低噪声、高帧速等性能优势正逐渐提高在医疗影像设备的应用范围，尤其是IGZO，因其在部分动态成像应用场景中可替代非晶硅平板探测器，市场规模增速最高。
1. 非晶硅平板探测器
非晶硅平板是指TFT器件的沟道由非晶硅材料制成，并且非晶硅可以淀积在大面积玻璃基板衬底上，具有大面积、工艺成熟稳定、普通放射的能谱范围响应好、材料稳定可靠、环境适应性好等特点，可同时满足静态和动态探测器的需求，且其成本相对低廉，是目前最主流的X射线平板探测器传感器技术。
近年来其市场增量主要依靠下游终端市场，例如DR、口腔CBCT和锂电池等无损检测市场等的快速增长。但相比于CMOS探测器和IGZO探测器的高性能，非晶硅在动态成像和低剂量成像上性能较差，同时随着国内厂商对CMOS探测器愈加成熟的应用和研发突破，以及IGZO探测器的国产化替代和商业化量产的达成，CMOS和IGZO探测器正逐渐在动态成像领域中取代非晶硅平板探测器。
现阶段，我国的非晶硅平板探测器已进入红海竞争阶段，国内的厂家基本实现了设备的自产自研，包括有奕瑞科技、康众医疗、煜影光电、上海品臻等企业。尤其在静态成像领域，国产非晶硅平板探测器在性能和质量两个关键维度上均已成功追赶了国际竞争对手，且良好的性价比优势正助力国产非晶硅平板探测器逐步提升在全球医疗成像设备市场中的市场份额和影响力。
在价格方面，随着平板探测器实现大规模量产，整机价格在全球范围内持续下降，由最初的100万元，下降至30-40万元；对应的非晶硅平板探测器价格也从20-30万元每块下降至数万元每块。
2. CMOS平板探测器
CMOS探测器作为目前主流平板探测器中综合性能最好的技术路线，主要原因在于其单晶硅晶圆材料以及特有的CMOS像素结构。CMOS使用单晶硅晶圆作为衬底，在一块晶圆上集成光电二极管和读出电路。与非晶硅/IGZO探测器的玻璃衬底不同，单晶硅电子迁移率更高，达到1400cm^2/VS，比IGZO高出2个数量级，比非晶硅高出3个数量级。电子迁移率的提高加上半导体制程工艺，使得CMOS可以实现与非晶硅相同像素尺寸时更高的像素区域填充率，提高探测效率，或在相同填充率下制作出更小尺寸的像素，提高空间分辨率。此外，更高的电子迁移率使CMOS探测器有更快的信号读出，实现更高的帧率，非晶硅探测器若想达到相同的帧率需通过2*2像素合并，但其图像分辨率则会降低一倍，且伴随着极其严重的残影问题。
图 CMOS（左）和非晶硅（右）的像素填充示意图（来源：百榕资本）
在像素结构方面，CMOS探测器使用的是CMOS技术工艺，不同于非晶硅与IGZO的TFT面板技术，CMOS探测器的像素结构中每个像素内都有一个放大器，用以将电信号先放大再传输，传输过程中受到的电子噪声影响不会被放大，带来了更高的信噪比，以及低剂量下更高的DQE。DQE是指成像系统中输出信号(信噪比平方)与输入信号(信噪比平方)之比，DQE值越高代表有效量子利用率高，输出信息也就越高，是行业内公认为的评价X射线平板探测器成像质量的核心指标。此外，CMOS工艺的主动像素外加高电子迁移速率带来的另一个优势为低残影，且图像拖尾比非晶硅胜出10倍左右，因此CMOS探测器更加适合于高速动态成像。
图 非晶硅与CMOS像素结构对比图（来源：百榕资本）
目前，CMOS平板探测器供应商主要为欧美和日韩企业，例如加拿大企业Teledyne Dalsa、美国企业万睿视、日本企业滨松光子以及韩国企业Rayence等，其中Teledyne Dalsa作为赛道内的龙头企业，营收超1亿美金。国内仅有奕瑞科技和成都善思微掌握了CMOS探测器的技术并实现量产。
CMOS平板探测器主要受限于半导体晶圆尺寸的工艺制作，CMOS平板可广泛应用的晶圆尺寸为8寸，而平板普遍尺寸为13*13cm和15*12cm，虽也可进行拼接，不过需要更为复杂的工艺技术，主要体现在芯片的设计、拼接，闪烁体的耦合和探测器封装等设计和生产步骤。目前仅有Dalsa、Rayence等少数海外厂商完全掌握，国内的厂商们正在努力研发突破。国内企业善思微率先实现技术突破，截至目前，成都善思微的大面阵CMOS探测器已完成样机研发，关键技术环节已验证跑通，并牵头承担了“ 十四五”国家科技部重点专项课题——研制DSA用低剂量、高分辨率、大面阵CMOS平板探测器。该项目由成都善思微科技有限公司牵头，清华大学、中科院苏州医工所、东软医疗、山东大学齐鲁医院、四川省肿瘤医院等6家单位联合申报承担。预测项目产业化后将最终解决DSA行业高端平板探测器“卡脖子”的困境。
由于晶圆成本占比最高且其外加拼接设计及工艺带来的良率降低，使得大尺寸CMOS平板探测器成本和非晶硅探测器有较大差距，因此往往只用在高端机型或出厂价较高的整机设备中。但CMOS探测器销量的增长和流片成本的下降有助于推动降低CMOS探测器成本，进一步提升其市场渗透率。此外，我国CMOS探测器的市场渗透率远低于发达国家，仍以非晶硅探测器占据主导地位，但随着国内终端市场中患者与医生对剂量和安全性的关注度逐渐提高，有望推动CMOS探测器市场渗透率的进一步提升。
3. 氧化物（IGZO）探测器
IGZO平板探测器同属于TFT技术平板，区别在于其控制显示像素驱动由TFT升级为速度更快的IGZO，背后的原理在于IGZO电子迁移率是非晶硅的20到50倍，因此可以获得更高的像素读出速度和帧率，同时还可极大缩小晶体管尺寸，增加像素密度，使图像分辨率更高。
IGZO平板集合了非晶硅平板的大面积制造、低成本等优点，又增加了低噪声、高采集速度、高分辨率等性能优势，成为了可广泛应用在DSA、DRF等X线透视设备中理想的大尺寸高速动态平板探测器。目前，万睿视已成功将IGZO技术引入并实现量产，我国的奕瑞也已初步实现IGZO平板探测器的量产，随着技术的逐渐成熟，IGZO探测器将会部分替代非晶硅探测器的市场空间，预计至 2024 年销售金额达到约2.4亿美金，其中医疗用探测器销售金额将超过1.8亿美金。
（二）CT探测器
CT设备作为全球医学影像设备市场最大的细分市场，2022年全球CT设备市场规模已超过97亿美元，占医学影像设备总市场规模的13.5%，并预计到2029年市场规模将超过135亿美元。CT探测器作为CT整机核心零部件之一，在生产成本中占比达到20%。随着技术的发展和应用领域的拓展，CT技术已经被广泛应用于医疗、工业和安防等多个重要领域；2022年，全球医疗、工业、安防CT市场规模分别约为160亿美元、67亿、46亿美元。
不同于平板结构的探测器，CT探测器是弧形的线阵结构设计，由多个探测器模块拼接而成，探测器模块上排列着数个探测器模组。
图 CT探测器内部结构及拼接细节（来源：医工研习社，百榕资本）
CT图像的质量与CT探测器的像素尺寸及其数量紧密相关。更小的像素尺寸和更多的像素数量意味着更高的空间分辨率，从而能够产生更清晰的图像。CT探测器的像素大小主要由探测器的排数和X轴的宽度来决定。探测器的排数反映在Z轴上，Z轴代表了探测器的宽度。CT探测器的物理结构呈现网格状，Z轴方向上的单元格数量即为探测器的排数，这也表示了探测器的纵向分辨率。具有较高排数的CT在单次扫描时能够覆盖更大的人体区域，这样可以加快扫描速度，提升图像质量，并减少患者接受辐射的时间。X轴表示探测器的长度，也就是每排探测器中包含的采集单元数量。CT探测器的像素总数即为所有物理单元的总和。整体而言，CT探测器的像素大小和数量直接影响了图像的质量和空间分辨率。通过提高探测器的排数和增加每排的采集单元数，可以有效提升CT扫描的速度和图像质量。
单个探测器模组主要由闪烁体、PD芯片（光电转化功能）、ASIC芯片（Read-out功能）等三大核心部件构成，每个部件的成本占比分别可达到20-35%不等，且三大零部件仍被海外厂商垄断。
闪烁体作为一种特殊材料，在吸收高能光子后发出可见光。市场上主流的两大类闪烁体材料为GOS闪烁体和石榴石结构闪烁体，其中，石榴石结构闪烁体具有高能量分辨率、高光输出，无本地辐射，无潮解等优点，产品质量及成本更具有竞争优势，目前国内已有多家厂商正在努力研发，有助于改善国内CT探测器对进口GOS的强依赖性。目前市面上的主要4种探测器为：HiLight、Gemstone、GOS和Superlight；当下应用最为广泛的是由日本研发的GOS探测器，应用于市面上除GE外所有的CT探测器闪烁体，我国几乎所有的CT探测器闪烁体也均为进口的日本日立、东芝GOS。
PD（光电二极管）芯片的主要作用是将闪烁体发出的低能量可见光转换为电信号，这一过程对于CT系统的整机性能至关重要。PD芯片通常采用单晶硅材料制造，通过精细的半导体制造工艺，形成具有像素化探测区域的芯片。这些芯片具备较低的漏电流和结电容，能够对大部分可见光波段产生高响应性。为了实现最佳的灵敏度和转换效率，PD芯片的敏感区域需要与闪烁体发出的光谱尽可能匹配。在中国，国产PD芯片主要应用于消费电子和光通信等领域，而在CT探测器这一高端医疗设备领域，国内对于PD芯片的研发和生产能力相对较弱，市场需求很大程度上依赖于进口。全球范围内，大部分CT设备使用的PD芯片来自于日本滨松光子和芬兰的Detection Technology等知名厂商。这些厂商凭借其先进的技术和丰富的经验，在全球CT探测器PD芯片市场中占据主导地位。
ASIC芯片在CT中的主要功能是执行模拟信号到数字信号的转换过程，即模数转换。ASIC芯片的性能直接关系到探测器的性能，进而影响到X射线的剂量和最终图像的质量。在全球范围内，一些大型医疗设备制造商，如GE（通用电气）、西门子（Siemens）、飞利浦（Philips）和佳能（Canon）等，已经自主研发了部分ASIC芯片。这些公司往往不将自主研发的ASIC芯片对外销售，而是专门用于自家的CT设备中，以保持技术优势和产品竞争力。对于中国的CT制造商而言，他们所使用的ASIC芯片主要来源于一些国际知名的半导体公司，如艾迈斯半导体（AMS）、亚德诺半导体（ADI)和德州仪器（ TI）等。这些半导体巨头因其在ASIC设计和制造方面的专业技术和经验，成为了CT设备制造商的重要合作伙伴。
CT探测器的供应链可以根据其拼接逻辑分为三个层次，即“系统级”、“模组级”和“芯片级”。CT探测器系统的设计和制造与整机厂商的成像算法、CT结构设计等关键参数紧密相关，因此，整机厂商通常会自行设计和生产探测器系统级产品，或者与专业的供应商合作开发。在中国，CT探测器制造商对芯片级和模组级产品都有较大的采购需求。处于行业领先地位的整机厂商通常具备自行组装探测器模组的能力，他们会外购ASIC、PD、闪烁体等芯片级产品，然后自行组装成探测器模组，并进一步拼接成CT探测器系统。而中小型整机厂商则更多地直接外购探测器模组，然后将其集成到自己的CT探测器系统中。
为了满足不同类型整机厂商的需求，CT上游供应链的厂商需要同时具备芯片级和模组级的生产能力。目前，CT探测器模组的核心零部件大多依赖进口，国产化率相对较低。材料和芯片技术的限制一直是制约国内CT探测器发展的关键因素。然而，近年来，国内厂家正在不断加强自主研发能力，寻求技术突破。例如，明峰医疗自主研发的Superlight闪烁体已经应用于其神光探测器中。在PD和ASIC芯片领域，善思微、芯晟捷创等国内供应商也在不断进行技术研发和突破。随着这些努力的推进，CT探测器核心零部件的国产化率有望逐步提升，从而降低CT生产成本，解决对进口核心零部件的依赖问题。
（三）光子计数探测器
光子计数探测器作为一种创新的CT成像技术，正在逐渐改变医疗成像领域的标准。它通过直接测量穿过患者身体的每个单独的X射线光子，实现了低剂量成像、高空间分辨率、高密度分辨率和高对比度分辨率的突破，满足了临床对高质量成像的日益增长的需求。
与传统的“能量积分探测器”不同，光子计数探测器基于半导体材料，能够直接将X射线光子转换为电信号。这种转换方式大幅度减少了系统噪声和电子学噪声，从而实现了更高的剂量效率。传统CT探测器的X光转化效率大约在60-70%，而光子计数探测器的转化效率可以达到90%以上，这意味着可以用更低的X射线剂量获得高质量的成像结果。此外，光子计数探测器的像素尺寸显著减小，例如使用CdTe（镉碲）材料的探测器，可以实现传统CT像素尺寸的1/16，极大地提高了空间分辨率。这种高分辨率的成像能力对于精细结构的观察和疾病的早期诊断具有重要意义。
光子计数探测器还能够加强对低能量X射线的检测，从而提高密度分辨率和对比度分辨率。由于低能量X射线携带了大部分的对比度信息，光子计数CT探测器在整个能量范围内保持近似恒定的响应度，这使得低能光子的贡献得到提升，特别是在使用碘对比剂的CT增强检查中，能够提供更高的密度分辨率和对比度分辨率。
最后，光子计数探测器的一个显著优势是其多能谱成像能力。与传统CT相比，光子计数CT能够通过设置多个阈值同时读取不同能量域的数据，这种多能量成像方式不仅为特异性物质成像和多材料分解提供了可能性，还能够实现多对比剂的同时成像和靶向分子成像。此外，通过对不同能量域的优化加权，光子计数CT能够进一步提高图像的对比噪声比（CNR），尤其是在增强CT检查中。
2020年标志着光子计数CT技术的重要进展，其中GE和西门子医疗分别发布了各自在该领域的最新研究成果。飞利浦和佳能也在积极布局光子计数CT技术。目前，光子计数CT技术主要基于三种不同的探测材料方案，分别是碲化镉(CdTe)方案、深硅(Si)方案、碲锌镉(CdZnTe)方案。
尽管CdTe和CdZnTe是理想的半导体探测材料，但它们的生产过程非常复杂，对化学原料、生长过程中的化学纯度和晶体结构的完美度都有极为严格的要求。目前，国内厂商也在积极布局光子计数探测器技术。例如，迪泰克和帧观德芯在碲锌镉和硅路线上有所布局，但碲化镉这一关键技术路径在国内尚属空白。东软和联影也在光子计数CT领域有自己的发展规划。联影在其招股书中透露，其光子计数能谱CT目前已处于样机打磨和型式检测阶段，预计在2024年将进入产品注册阶段。
结语
X射线探测器技术的演进是医疗成像领域不断创新和发展的缩影。从早期的CCD-影像增强器，到非晶硅、非晶硒探测器，再到CMOS、IGZO探测器，以及当前的CT探测器和光子计数探测器，技术的每一次迭代都在追求更清晰的图像质量和更安全的辐射剂量，以满足临床和工业应用的高标准需求。
在国内市场上，国产影像设备的市场渗透率持续提升，这直接推动了影像链核心零部件的国产化进程。目前，DR（数字化X射线成像系统）和CBCT（锥形束计算机断层成像）的国产化率已经超过90%，CT（计算机断层成像）的国产化率也已超过50%。随着整机产品国产化率的提升，国内市场竞争日益激烈，整机厂商为了保持竞争力和利润率，将更加倾向于选择性价比更高的国产探测器。
此外，逆全球化的趋势也促使整机厂商从供应链安全的角度出发，寻求国产探测器供应商，这为国内厂商提供了成长和反超的机会。尽管在某些类型的探测器及相关芯片方面，国内产业链与国外领先厂商之间仍存在一定差距，但国产非晶硅平板探测器已基本完成国产替代，CMOS探测器正在尝试技术突破，而IGZO探测器由于出现时间较晚，与国外的差距并不显著。
在CT探测器领域，国产厂商正积极在闪烁体、PD芯片、ASIC芯片等核心零部件领域寻求技术突破，力图实现医疗级和工业级CT探测器的全产业链国产化。同时，在新兴的光子计数探测器技术领域，不仅有老牌国产整机厂商凭借技术积累加速发展，也有新兴整机厂商在新技术路径上不断探索和尝试。
在国家政策的鼓励和支持下，攻克“卡脖子”技术成为行业发展的重点，预计X射线探测器领域将迎来国产替代的加速期。通过不断的技术创新和产业链完善，国内厂商有望在未来的全球市场中占据更重要的地位，为医疗成像技术的进步贡献中国力量。
五、光子计数探测器引领“巨头争霸”
自从20世纪70年代豪斯菲尔德发明了CT技术以来，CT设备经历了显著的进步，从最初的二维黑白成像发展到现在的三维彩色高分辨率成像。随着螺旋CT和多排螺旋CT的引入，CT已经成为现代医学中不可或缺的诊断工具，对于多种疾病的诊断具有重要作用。
光子计数CT技术的出现更是标志着X光探测技术的新时代。与传统探测器不同，光子计数CT能够直接测量X光光子的能级和数量，实现了真正的多能域成像。这一技术不仅提高了成像的精确度，还扩展了CT在功能学领域的应用前景，满足了未来医学影像设备对高性能的需求。光子计数CT技术在数字牙科、乳腺成像、核医学、分子影像学以及超低辐射剂量介入成像等领域具有巨大的应用潜力。
众多国际厂商也开始其战略布局，佳能医疗通过收购加拿大Redlen Technologies公司，加速了其在光子计数CT领域的布局。Redlen Technologies是一家专门开发基于碲化镉锌（CZT）成像探测器的多能量X射线成像模块的制造商，其产品广泛应用于医学成像、安检和无损探测领域。此前，GE、飞利浦和西门子医疗在光子计数CT领域已经取得了显著进展，佳能医疗的加入进一步加剧了这一领域的竞争。
CT探测器成像的进步与光子计数探测器的诞生
CT（计算机断层扫描）技术是一种先进的医学成像方法，通过使用精确的X射线束、γ射线等辐射源，结合高灵敏度的探测器，对人体的特定部位进行层层扫描。探测器的作用是接收穿过人体组织的射线，并将其转换为可见光，随后通过光电转换过程生成电信号。这些电信号经过模拟/数字转换器转换为数字信号，输入计算机终端进行处理和重建，最终形成断层图像。在X射线CT系统中，探测器技术是非常关键的组成部分，它直接影响到成像的质量和效率。目前，CT系统中主要使用的探测器类型有三种：气体探测器，闪烁体探测器和半导体探测器。其中，由于性能提升空间小，气体探测器已被淘汰。
在现代医学CT系统中，固体闪烁探测器的工作原理是将穿透人体组织的X射线转换为可见光，然后通过与闪烁体耦合的光电二极管来检测这些可见光。这一过程中，每个吸收的X射线量子产生的光强度以及相应的电信号与X射线的能量（E）成正比。探测器收集的所有吸收X射线通量N(E)在各种能量E上的积分信号（Sint）是所有能量级别的信号的加权和，其中权重因子也与能量E成正比。
然而，固体闪烁探测器并不具备能量分辨能力，这意味着它们无法区分不同能量的X射线量子。在成像过程中，这可能导致一个问题，因为低能量的X射线量子（尤其是携带物体，如含碘组织）所携带的低对比度信息在集成信号中的权重较小，不如高能量X射线量子的信号显著。
为了解决这一问题，基于半导体的光子计数探测器，如碲化镉（CdTe）或碲化镉锌（CZT），被开发出来。这些探测器能够直接将X射线转换为电信号，省去了可见光转换的步骤。在这些探测器中，吸收的X射线会在半导体材料中产生电子-空穴对。在探测器的阴极和像素化阳极之间的强电场（大约106 V/m）的作用下，这些电子-空穴对被分离。移动的电子会产生短电压脉冲，其脉冲高度与X射线的能量E大致成正比。当脉冲高度超过设定的能量阈值时，每个脉冲都会被单独计数。
光子计数探测器的一个关键特点是它们可以使用不同的能量阈值来区分不同能量的光子。在基本工作模式下，仅使用一个能量阈值E1，所有高于该阈值的X射线量子都会被以相同的权重计数，从而提高图像的对比度噪声比（CNR），尤其是在使用碘化造影剂的CT扫描中。这种探测器只检测高于能量阈值的信号，从而减少了图像噪声，并有助于降低肥胖患者或需要极低辐射剂量扫描的患者的辐射暴露。
不同的能量阈值允许区分光子能量。光子计数探测器还可以同时提供具有不同低能量阈值E1、E2的CT数据，用于光谱分辨测量。这些阈值是通过输入脉冲高度比较器电路的不同电压来实现的。从探测器获得的脉冲高度几乎与探测到的X射线光子的能量成正比，使得在原型设置中可以使用多达六个不同的阈值。
光子计数探测器CT的优势
1. 提升图像空间和密度分辨率：光子计数技术通过直接将X光光子转化为电脉冲，消除了传统探测器中的串扰，显著提高了成像的空间和密度分辨率。这项技术因其零暗噪声、高图像灰阶深度、广阔的动态范围以及低辐射剂量需求等优势，在医学成像领域展现出巨大的潜力和价值。
2. 提高成像质量和信噪比：光子计数探测器通过赋予不同能量的光子以不同权重，显著提升了医学成像的质量和信噪比，尤其在区分密度相近组织方面表现出色。能量权重成像技术的运用，通过设定能量阈值来过滤噪声，进一步增强了图像对比度，对提高诊断准确性具有重要意义。
3. 具有能谱分辨能力：光子计数探测器凭借其能谱分辨能力，能够有效地对X射线的不同能量段进行精确计数，获取高质量的多能谱成像数据。与传统双能CT相比，这种探测器能够直接获取更广泛的能量区域成像结果，极大提高了双能CT重建的精度和效率。
4. 减少辐射和造影剂量：光子计数探测器CT能够以较低的辐射和造影剂量提供高空间分辨率，有助于精确评估小血管和钙化结构，增强成像的特异性和准确性。此外，该技术还能有效减少线束硬化和金属伪影等常见成像问题，对于诊断和治疗计划的制定具有重要意义。
光子计数探测器CT的推广应用
1. GE
GE医疗自1993年起便开始了对光子计数CT（PCCT）技术的研究，并在2006年推出了世界上首台采用镉基探测器的PCCT原型机。尽管镉基探测器存在一些局限性，如晶体结构不完美和潜在的污染问题，但GE医疗通过不断创新，已经在高端智能影像设备领域取得了显著成就，特别是在2019年以33.15%的市场份额领先于竞争对手。
GE的APEX CT系统，作为全球首个获得美国FDA审核认证的基于深度学习重建算法的人工智能CT系统，被誉为“CT届的二次发明”，它采用了创新的深度神经网络学习技术，结合先进的硬件技术，如全数控QUANTIXTM高能球管和16厘米宽体探测器，为医生提供了更清晰、真实的影像，助力更精准的诊治。
此外，GE医疗通过收购瑞典公司Prismatic sensors AB，进一步强化了其在深硅探测器技术上的领先地位。
GE医疗全球CEO Kieran Murphy对Deep Silicon技术的临床潜力表示兴奋，并强调GE医疗致力于开发下一代技术，以改善全球数百万患者的护理标准和生活质量。
2. 西门子医疗
西门子医疗自2003年开始探索光子计数技术，并在2014年进行了临床验证，至今已经发表了近百篇相关科研成果的论文。他们的光子计数探测器使用碲化镉（CdTe）材料经美国梅奥诊所的研究表明，这种探测器能提高CT的空间分辨率，降低辐射和碘造影剂的剂量需求，同时减少图像噪声和伪影。
此外，西门子医疗的全身型PET/CT产品Biograph Vision Quadra获得了FDA的批准，其具有78cm的孔径和106cm的轴向视野，实现了从头顶到大腿同时全身成像，这在临床和科研应用中具有重要意义。
3. 飞利浦
飞利浦在2017年推出了IQon光谱CT，这是一种基于“双层”立体探测器的创新技术，它将能量成像技术带入了常规临床实践。IQon光谱CT提供了丰富的多层光谱数据，使得除了传统的CT值外，还能够通过多种参数如不同keV、有效原子序数、碘密度图等进行更精确的定量和定性诊断。这种光谱CT技术结束了传统黑白CT影像的时代，通过提供彩色CT图像，极大地提高了疾病诊断的准确性，并减少了约45%的重复影像学检查，为患者管理和经济效益带来了显著改善。
4. 日立医疗
日立公司致力于医疗保健领域的创新，提供包括CT、MRI和粒子束治疗系统在内的综合医疗解决方案。
加拿大Redlen技术公司是在医疗成像，安全和无损检测等领域使用的高分辨率碲锌镉（CZT）半导体辐射探测器的领先制造商。
双方于2016年3月宣布合作开发直接转换半导体所需的新光子计数计算机断层摄影系统（PCCT），旨在为通过新功能，其中包括材料歧视，更高的图像分辨率，增加功能成像，并进一步辐射剂量减少诊断CT成像性能的突破进展的潜力。
