本文為中國核醫療產業發展研究系列文章之三。核醫療裝備是核技術應用于生物醫學、臨床醫學等相關學科的軟硬件系統的總和，包括核醫學影像裝備、放射治療裝備等，是癌癥、腫瘤等疾病診治所不可或缺的重要手段。課題組深入調研了國內外核醫療裝備產業現狀、技術現狀和面臨的發展形勢，并就如何推動技術進步和產業發展提出了相關建議。

核醫療裝備是同位素及核輻射基礎理論應用于生物和臨床醫學的設備和系統的總和，是癌癥、腫瘤等疾病早期篩查、診斷及治療所不可或缺的重要基礎。核醫療裝備包括以正電子發射型計算機斷層顯像(PET)和單光子發射型計算機斷層掃描技術(SPECT)為核心的核醫學影像裝備和以醫用電子直線加速器、質子和重離子加速器、伽瑪刀等為代表的放射治療裝備。相比其他醫療裝備，核醫療裝備能夠在對人體不產生創傷的前提下獲得組織或器官分子水平的信息，實現功能性成像，并通過X/γ射線、電子束、質子及其他粒子束對癌癥等局部病灶組織照射實現治療，一直以來在現代醫療裝備中占據特殊而重要的位置。

產業發展現狀

核醫學影像裝備方面，目前全球SPECT設備裝機超過25000臺，美國約有15000臺，歐盟約有3200臺;全球PET設備市場保有量在5500臺左右，年均增量800臺，美國和歐洲保有量遙遙領先，總和占全球六成以上[1]。截至2019年底，我國PET類設備已有427臺，是2011年的2.6倍;SPECT類設備810臺，是2011年的1.6倍[2]-[6]。

圖1 國內PET、SPECT設備數量及增長情況統計(2011~2019年)

放療裝備方面，2021年，全球各類放療設備數量已達到18000臺，其中醫用直線加速器接近15000臺，質子重離子治療系統超過140臺，近距離放療設備3350臺。主要發達國家和地區如北美、西歐、日本、澳大利亞等，百萬人口放療設備達到或超過7臺;主要發展中國家或地區如印度、東南亞、拉美等，百萬人口放療設備則不足1臺[7]。我國放療設備目前已超過2000臺[8]，市場規模達30億元左右。截至2021年4月，世界范圍內在運質子和重離子治療裝置共100余臺，另有在建和籌建的裝置約60臺，主要集中在美國、歐洲和日本等國。美國在上世紀60年代起就開始發展質子治療，現有30多臺質子加速器裝置安裝在美國各大醫院;歐洲各國的不少醫院也配備了基于回旋加速器的質子治療裝置;日本側重發展重離子治療，其中上世紀70年代在千葉建設的重離子治療中心HIMAC，已完成了數千個腫瘤病例的治療。在產業界，億比亞(IBA)、住友和瓦里安(Varian)等公司掌握基于回旋加速器的質子放療裝置的制造技術，東芝、三菱、日立等公司主要制造基于同步加速器的重離子放療裝置。

用于醫用同位素生產的回旋加速器全球目前已有2000多臺，主要分布在北美、歐洲、中國、日本及印度等國家。在PET用短壽命同位素的制備及供應上，部分國家和地區采用藥物配送中心統一生產、定時給各醫院配送的方式，部分則由醫院購置回旋加速器自行生產同位素，相關加速器生產廠商包括西門子CTI、通用電氣、億比亞、住友等公司。國內中國原子能科學研究院也先后研制及建造了多種類型的回旋加速器，能量涵蓋10~100MeV。四川玖誼源粒子科技有限公司推出了玖源-11小型質子回旋加速器和18F-FDG放射性藥物制備中心，已在國內實現落地應用。

圖2 國內醫用同位素生產回旋加速器設備數量及增長情況(2011~2019年)

技術發展現狀

影像裝備

在核醫療影像裝備領域，國外廠商長期占據壟斷地位。西門子最新的PET/CT其TOF分辨率達214ps，探測器像素尺寸達0.825mm;通用電氣的高端PET/CT掃描時間可短至3min;飛利浦采用數字光子計數(DPC)探測器技術取代傳統光電倍增管，顯著提高了成像的時間和空間分辨率。我國的聯影醫療在超長軸向視野PET和探測器芯片研制方面取得了新的研究成果，推出了世界首臺全景動態掃描PET/CT，時間分辨率達到190ps，掃描全身時間縮短至30秒。聯影醫療在無機閃爍晶體材料研制方面也取得了較大的進展，其自主研制的硅酸釔镥(LYSO)閃爍晶體已經實現了國產替代。

SPECT成像核心組件掃描模式研究是當前影像儀器發展的熱點。碲鋅鎘(CZT)半導體探測器具有空間分辨率和能量分辨率高、模塊體積和模塊間死區面積小等優勢，通用電氣已在其多款產品上使用這種新型探測器。器官高分辨成像專用的多類型準直器得到了快速發展，在多針孔準直器、Slit-Slat準直器成熟應用的基礎上，通用電氣和西門子等公司又提出了超薄準直器設計，可以進一步減輕SPECT探頭的承重。此外，新型成像模式也是近年研究新方向，如用于心臟成像的C-SPECT成像等。我國SPECT研究起步較晚，國內永新醫療2018年推出了國內首臺可變角雙探頭SPECT，其在整機性能指標方面躋身國際主流水平，可實現全身大視野掃描及對心臟、甲狀腺等小器官快速高效精準的圖像采集。

中核高能與永新研制的可變角雙探頭SPECT

PET、SPECT與CT相結合的多模態融合成像也是當前核醫療影像發展的重點。X射線CT成像技術可以獲得人體組織高清三維結構信息，目前醫用螺旋CT可實現每秒3.5轉左右的滑環高速旋轉掃描，空間分辨率達0.3mm，裝備320排探測器的大視野CT可以實現最高16cm的Z向覆蓋，滑環旋轉一圈即可實現完整的心臟掃描。當前，國內廠商在X射線CT成像儀器研制方面已經躋身國際一線廠商的行列。國內廠商在新一代X射線源、低噪聲探測器等核心部件的自主研發以及低劑量CT重建、AI輔助影像分析等軟件算法研究方面已經部分趕超國際水平。新鴻電子公司于2018年研制成功國際領先的碳納米管冷陰極分布式X射線源，已成功應用于新一代無滑環靜態CT系統;聯影醫療與東軟集團的高端X射線CT機的整機性能已經和國外頭部產品相當。

醫用電子直線加速器

醫用電子直線加速器是最為常用的放療設備之一，近年來國際相關廠商在加速器結構與功能多樣化方面取得了新的發展。瓦里安公司的設備集成了醫學圖像處理系統、呼吸門控設備、四維放療和先進的治療計劃系統，能夠實現腫瘤的精確放療。醫科達公司產品采用四維錐束的非共面放療方式，配備影像/超聲引導系統，支持多樣化的腫瘤治療。安科銳(Accuray)公司的射波刀(Cyber knife)將直線加速器與醫用機器手臂相結合，可實現影像引導下的立體定向放療。ZAP手術系統公司(ZAPss)的ZAP-X采用了形似頭盔的高度自屏蔽防護設計，可以取代傳統的放療倉，有效節省場地占用。此外，閃療(Flash Radiotherapy)是目前最新的放療技術，加速器能提供最大36Gy/s的超高劑量輸出，通過瞬時大劑量照射來減少對人體正常組織的傷害，閃療加速器和放療機制是當前研究的一個重點方向。

我國企業已具備所有能量檔醫用直線加速器的開發能力，在加速器核心關鍵部件研制中，大劑量率加速管(>1500cGy/min)、高功率磁控管(功率>3MW)和高功率固態調制器(峰值脈沖>10MW)等均取得了技術突破。此外，在多葉光柵MLC、氣體電離室、成像板以及治療計劃系統研制和研究上也逐步接近國際先進水平。

質子和重離子治療加速器

2015年以來國內粒子治療裝備呈現出快速發展的局面。中核集團通過核心技術攻關已形成了能量從10MeV到250MeV、流強從0.5pA到520uA的型譜化系列產品，中國原子能科學研究院研制的超導質子回旋加速器及治療端設備已經實現231MeV質子束能量，配合360度旋轉機架，其中心度好于0.3mm。中科院近代物理研究所在重離子加速器HIRFL-CSR上開展重離子臨床治療試驗，并在國內多家醫院建設落地。合肥物質科學研究院等離子體研究所通過和俄羅斯院所合作，研制成功200MeV超導回旋加速器，實現穩定的質子束流引出。北京大學重離子研究所也正在開展基于激光加速的質子治療加速器研制。

伽瑪射線立體定向治療系統(伽瑪刀)

醫科達公司是國際上生產伽馬刀設備的主要廠家，其最新一代的Icon伽瑪刀放射外科治療系統安裝有201個60Co放射源，并能進行帶有圖像引導的自適應精確立體定向放射治療，放射精度(位置配準精度)達到0.15mm。但是該設備由于采用了201個60Co放射源，設備成本較高、焦皮比較低。

我國的伽瑪刀醫療設備技術已達到世界領先水平，通過基于動態旋轉聚焦技術路線的創新，國內伽瑪刀研制減少了鈷源的使用量，降低了設備的成本和換源費用，在治療層面較國外企業醫科達的靜態聚焦技術優勢明顯。中國同輻公司已于2019年實現醫用60Co放射源的國產化，進一步增強了國內產品的市場競爭優勢。目前，國外產品已經開始采用CT等圖像引導技術來提高放射精度、縮短放療時間。國內企業在圖像引導放射治療的相關技術上還有一定差距，以中核高能(天津)裝備有限公司為代表的國內企業正圍繞CBCT圖像引導、高焦點劑量率等技術開展新型頭體合一伽瑪刀設備的研發工作。

中核高能自主研發的CBCT圖像引導、高焦點劑量率等技術開展新型頭體合一伽瑪刀

近距離放療設備(后裝機)

后裝機是利用顆粒狀或線狀放射源進行腔內近距離放療的主要設備，具有劑量率高、治療時間短等優勢。代表性設備制造商是瓦里安公司，其推出的VariSource iX HDR產品采用工業中最小體積的放射源及人體工程學設計，可實現導管與施源器的精確連接,顯著提高了治療成功率。醫科達公司推出的最新一代后裝治療機Flexitron通過全新設計的放射源定位方式和操作流程的改進提升了系統安全性和工作效率。

上世紀80年代，我國醫療市場就引入了德國Buchler高劑量率腔內治療機用于婦科腫瘤的治療。經過幾十年的發展，我國的后裝放射治療機技術已經取得了長足的進步，在主機硬件方面和國外廠家基本處于相同水平。由北京科霖眾公司研制的KLZ-HDR后裝機采用18通道送源，具有升降機頭、模擬源通道探測、緊急回源等特色功能，能夠進行腔內、組織間、術中及皮膚敷貼等多種照射。中國核動力研究設計院設備制造廠推出的基于60Co的GZP系列產品適用于對婦科腫瘤及消化道、鼻咽等腔內腫瘤進行近距離放療，具有放射源到位精度高、重復性好等優點。

硼中子俘獲治療(BNCT)

BNCT于上世紀30年代提出，并于上世紀50年代在美國首次開展了臨床試驗。20世紀下半葉，日本先后研制了多個硼(10B)藥，取得了重要進展。目前，日本已將基于強流質子加速器的BNCT作為戰略產業進行扶持，先后批準了世界首臺BNCT治療裝置和首個硼藥的上市，并將BNCT治療納入醫保，使得BNCT大步邁入產業化推廣階段。荷蘭、芬蘭、澳大利亞、瑞典等30多個國家和地區也正在積極開展BNCT的實驗和應用研究。

早在2009年，我國就建造了中國醫院中子照射器，是當時世界上BNCT治療領域唯一的專用堆，也是我國BNCT治療技術的首次成功嘗試[9]。2020年，中國科學院高能物理研究所成功研制出我國首臺自主研發加速器BNCT試驗裝置，并啟動了細胞和動物試驗。目前，廣東東陽光藥業已可大批量生產10B-BPA藥物，正在申報臨床使用許可。廈門弘愛醫院BNCT腫瘤中心于2021年內建成并用于臨床試驗。中國原子能科學研究院研制的國內首臺用于BNCT癌癥治療的緊湊型強流回旋加速器于2021年底實現高品質出束。目前國內高濃度腫瘤集聚的硼藥研發仍相對滯后，成為BNCT提高療效的瓶頸。

形勢與挑戰

我國核醫療裝備市場前景廣闊。據世衛組織統計，當前我國年新發癌癥占全球的23.7%，癌癥死亡人數占全球的30%，而相應的核醫療裝備數量則大幅落后于發達國家，以核醫療影像裝備為例，目前中國每百萬人PET/CT保有量為0.2臺，僅為美國的3%;每百萬人SPECT/CT保有量為0.3臺，僅為美國的1.2%。在放療設備上，美國、日本、澳大利亞等每百萬人口放療設備超過9臺，我國僅為1.5臺[7][8][10]。造成這一現狀的一個主要原因是設備高昂的購置費用和較高的人均診療支出。近年來隨著核醫療裝備國產化的提速以及核醫療相關診療費用逐漸進入醫保，醫療機構購置核醫療裝備的數量將出現快速的增長，國內核醫療裝備欠缺的局面將得到極大的改善。

圖3 全球主要國家放療設備人均數量對比

核醫療裝備國產化率偏低。長期以來，國外廠商在我國核醫療裝備市場占據絕對主導地位。在核醫學影像設備市場中，通用電氣、飛利浦、西門子等國外廠商占有率超過95%，盡管國產PET、SPECT設備基本實現了初期的整機國產化、中期的主要部件國產化，斷層圖像質量等部分關鍵性能指標距國際先進水平還有差距。在放療類設備市場中，瓦里安和醫科達等進口品牌市場占有率超過90%。在醫用直線加速器、質子和重離子治療加速器整機系統方面，高端裝備仍需依賴進口，后裝機設備在自動化程度及治療計劃系統方面與國際先進水平相比尚待進一步提高。

核醫療裝備核心技術創新亟待加強。目前，如高端PET所需的硅光電倍增器(SiPM)技術難點尚待解決;SPECT的探測器方面，國產NaI晶體以及光電倍增管的性能指標與國際先進水平還有差距。國產CT在核心部件上也部分依賴于國外廠商，例如大功率高壓發生器、液態金屬軸承X射線源等，都亟待自主攻關突破。國產醫用直線加速器運行效率有待提升，定位精度、整機穩定性不高，動態調強技術控制精確度不夠，劑量率伺服與容積調強技術存在差距，立體定向體部放療(SBRT)硬件支持不能得到充分保障等,都是下一步需要深入研究的方向。我國質子和重離子治療在關鍵基礎材料、部件的性能和可靠性、整機系統功能等方面與國際先進水平相比仍然存有差距。國產后裝放療機同樣有較大的提升空間，一方面，放射源的定位精度仍然是整機設計的難點，同時治療過程中對正常器官的有效防護、斷電故障、卡源故障等問題也是下一步研發的重點。

核醫療裝備自主化的政策環境有待加強。國產核醫療裝備的研制和應用落地離不開國家相關政策的系統性支持。我國《“十四五”醫療裝備產業發展規劃》明確將放射診療裝備列為重點發展方向，要求在基礎材料、關鍵零部件、關鍵基礎工藝方面開展產業基礎攻關，推進先進診療裝備使用和臨床應用規范標準落地[11]。由國家原子能機構等八部門聯合發布的《醫用同位素中長期發展規劃(2021-2035年)》提出加大PET、SPECT等核醫療高端診療設備自主研發力度，加快核心零部件及整機的國產化進程[12]。然而，國家層面尚缺乏針對核醫療裝備產學研用一體化的頂層設計和統籌規劃，新型核醫療裝備從應用研究、儀器研制到落地應用的全過程不夠暢通，醫用放射性同位素生產、運輸、儲存監管體系有待進一步提高，納入醫保支付范圍的放射性診療科目及放射性診療藥品種類有待豐富，核醫療裝備配置管理政策也需要與時俱進，大力加強國產核醫療裝備首臺套的推廣應用落地。

措施建議

應堅持以市場需求為牽引大力推進核醫療裝備核心技術攻關，持續推進和完善產學研協同創新體系，以數字信息技術、人工智能技術賦能行業發展，加速產業結構優化升級，持續推進產業鏈建設，提升在全球產業鏈中的主導權和國際競爭力。

一是加大基礎性技術研究，重點突破加速器、射線源、探測器等相關核心技術和先進材料的技術水平，解決核心器件“卡脖子”問題，形成自主設計研制能力，增強產業鏈的安全可靠與自主可控。

二是大力推進高端核醫療裝備自主研發，重點針對診療核素生產的加速器系統、新一代醫用直線加速器、立體定向放療裝備、新型粒子治療系統等開展攻關，形成核醫學影像及放療裝備的高中低端全系列供給能力，性能和質量趕超國際水平。

三是堅持需求牽引，形成以臨床診療和醫學研究需求為導向的技術攻關和產品研制模式，構建研發與應用良性互動、相互促進的高效發展機制，加速核醫療裝備研發成果的落地推廣。

四是完善創新體系，構建優勢互補、成果共享、風險共擔的產學研用協同創新機制，協同高校、科研院所、產業化單位和政府部門推進核醫療裝備研發創新和產業化落地。

五是持續加強跨學科、跨領域合作，推動核醫療裝備與云計算、大數據、物聯網、人工智能等現代信息化技術融合發展，促進核醫療裝備數字化、智能化升級。

六是持續強化國際合作，通過深度融入全球核醫療裝備產業鏈體系，廣泛參與國際競爭，加強國際醫療機構和廠商合作，實現互利共贏、原始創新，綜合提升產業鏈的國際地位和競爭優勢。

七是改善核醫療裝備自主研發的政策和審批支持。對核醫療產業重點研究方向設立國家重大研發和儀器專項，建立核醫療基礎研究和應用研究的穩定支持體制和機制;大力度建設核醫療產業生態，加大關鍵零部件及核心器件的高新技術企業支持力度，優化科技創新環境;簡化審批流程，鼓勵首臺套設備的試點試用，加快國產自主新型核醫療診療裝備的落地推廣和示范應用。

參考文獻：

[1] MEDrays Intell, Nuclear Medicine World Market Report & Directory. 2019.

[2] 中華醫學會核醫學分會, 2020年全國核醫學現狀普查結果簡報. 中華核醫學與分析影像雜志, 40(12):747-749, 2020.

[3] 中華醫學會核醫學分會, 2018年全國核醫學現狀普查結果簡報. 中華核醫學與分析影像雜志, 38(12):813-814, 2018.

[4] 中華醫學會核醫學分會, 2016年全國核醫學現狀普查結果簡報. 中華核醫學與分析影像雜志, 36(5):479-480, 2016.

[5] 中華醫學會核醫學分會, 2014年全國核醫學現狀普查簡報. 中華核醫學與分析影像雜志, 34(5):389, 2014.

[6] 中華醫學會核醫學分會, 2012年全國核醫學現狀普查簡報. 中華核醫學與分析影像雜志,32(5):357, 2012.

[7] The IAEA Directory of Radiotherapy Centres (DIRAC), https:/dirac.iaea.org/ (accessed on 06/2022).

[8] 張燁, 易俊林, 姜威, 等. 2019年中國大陸地區放療人員和設備基本情況調查研究. 中國腫瘤臨床與康復. 29(5): 321-326, 2020.

[9] 中國核學會, 2018-2020核技術應用學科發展報告. 2021.

[10] IAEA. Setting up a radiotherapy programme: clinical, medical physics, radiation protection and safety aspects. 2008.

[11] 工業和信息化部, 等. “十四五”醫療裝備產業發展規劃. 2021.

[12] 國家原子能機構, 等. 醫用同位素中長期發展規劃(2021-2035年). 2021.