深圳幀觀德芯科技有限公司宣布： 量子計數(shù)X光探測芯片，已經(jīng)實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)；人類歷史上第一臺醫(yī)用面陣型量子計數(shù)乳腺機也已經(jīng)開發(fā)完成，最快今年年底或明年年初上市銷售。量子計數(shù)乳腺機只是幀觀德芯的第一個產(chǎn)品，未來還會有多個產(chǎn)品發(fā)布。

深圳幀觀德芯科技有限公司2015年初在深圳前海自貿(mào)區(qū)成立，獲得了IDG資本、中金公司、北極光創(chuàng)投、國科投資等國內(nèi)外著名投資機構(gòu)的多輪投資。幀觀德芯是世界上第一個在量子計數(shù)領(lǐng)域做到大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)，解決了此領(lǐng)域大量技術(shù)難題，申請了大量國際專利。

量子計數(shù)技術(shù)的突破是底層芯片技術(shù)革命性的突破：在醫(yī)學(xué)影像、工業(yè)和科研X光領(lǐng)域的意義，不亞于液晶顯示器替換掉球面顯示器，不亞于智能手機取代老式手機。

下圖展示了幀觀德芯量子計數(shù)探測器拍攝圖像和傳統(tǒng)探測器的圖像清晰度區(qū)別，左圖為傳統(tǒng)探測器圖像效果，空間分辨率在3lp/mm左右，右圖為幀觀德芯量子探測器圖像效果，分辨率在7lp/mm以上，分辨率高了一倍多。

幀觀德芯的量子計數(shù)芯片展示了一些令人驚訝的性能，比如：可以看清一只河蝦的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，圖像清晰到甚至可以給這只河蝦做關(guān)節(jié)手術(shù)；可以實現(xiàn)之前探測器無法實現(xiàn)的超高灰度和軟組織分辨，甚至可以看清楚一片很薄的樹葉。樹葉的組成成分是碳?xì)溲?，和人體皮膚的組分類似，意味著這種探測器甚至可以看到皮膚上被蚊子咬的一個包。下圖為幀觀德芯量子計數(shù)探測器的實拍圖像，讀者可以細(xì)細(xì)體會。

那么什么是量子計數(shù)技術(shù)？ 什么又是量子計數(shù)芯片呢？這要從X射線成像技術(shù)的發(fā)展史說起。

倫琴和第一代屏片X射線成像技術(shù)

1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)X射線，并獲得了歷史上第一個諾貝爾獎。X射線的發(fā)現(xiàn)催生了20世紀(jì)的物理學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域的井噴式地發(fā)展。

在19世紀(jì)末到20世紀(jì)中葉很長一段時間里，X射線成像一直沿用倫琴當(dāng)時所用的辦法： 通過對熒光膠片上的感光層曝光，感光層發(fā)出熒光，熒光造成膠片感光，再對膠片顯影處理得到X射線圖像。這種方法需要在暗室里“洗”膠片，獲得照片時間長，操作復(fù)雜，而且不易保存。隨著人類進入信息化時代，科學(xué)家們想：能不能找到一種取代膠片的成像方式？

“嫁接”而來的第一代數(shù)字X光機：CCD成像系統(tǒng)

1969年，美國貝爾實驗室的兩位科學(xué)家發(fā)明了電荷耦合元件（簡稱CCD），并且在40年后獲得了諾貝爾獎。CCD是使用硅基平面工藝制造的可見光傳感器，比如我們常用的數(shù)碼相機就使用CCD。然而CCD在探測X光時有嚴(yán)重問題： X光能量太高，CCD很難將光子攔截，導(dǎo)致無法成像。怎么辦呢？

一些在高能物理科學(xué)家，使用一種叫做閃爍體的物質(zhì)將X光轉(zhuǎn)換成可見光，然后再用CCD對可見光進行探測，通過這種間接的方式完成了X光成像。此技術(shù)后來演變成為了第一代數(shù)字X光機。

但是人們發(fā)現(xiàn)，這種X光機也存在問題： CCD由于制造工藝的限制，不能做成大平面，需要用光學(xué)耦合把大像素投影到CCD的小像素上，這種結(jié)構(gòu)非常笨重。為了解決這個問題，平板探測器出現(xiàn)了。

間接探測型平板探測器

從1995年美國杜邦公司在北美放射年會上推出第一臺平板探測器以來，平板探測技術(shù)獲得飛速發(fā)展。間接平板探測器主要分為非晶硅平板和CMOS間接平板。

非晶硅平板探測器依靠閃爍體將X光轉(zhuǎn)化為可見光，再通過非晶硅將可見光信號轉(zhuǎn)為電信號, 電信號再被TFT（也就是thin film transistor電路，薄膜電路）電路收集，然后被ADC讀出。由于非晶硅可以像太陽能電池一樣做成大平面，TFT電路在液晶顯示器中常用，也可以做得面積很大。“閃爍體+太陽能電池+液晶顯示器”三種技術(shù)組合，就得到了非晶硅平板。

CMOS間接平板探測器的原理類似，都是使用閃爍體先把X光轉(zhuǎn)化為可見光，然后再探測可見光，不同的是：用類似手機攝像頭的CMOS技術(shù)替換了“太陽能電池+液晶顯示器”的工藝。這種CMOS電路和手機攝像頭不同之處在于：（1） 像素較大，可以使用更落后，但是更便宜的工藝去做。（2） 探測器面積較大，需要一種叫做Stitching的工藝（把微電子生產(chǎn)過程中的相鄰曝光區(qū)域連接在一起），做出一個完整的曝光區(qū)。目前Xfab，TowerJazz等微電子代工廠提供標(biāo)準(zhǔn)的stitching工藝服務(wù)。芯片stitch之后，面積增大，良率下降，所以一般會把芯片結(jié)構(gòu)做得盡量簡單。這種成像方式，成本較高，但是得益于CMOS工藝下器件速度比TFT快，所以目前這種CMOS間接成像探測器常被用于口腔CT等對動態(tài)性能要求較高的領(lǐng)域。

直接探測（非晶硒）平板探測器

人們又發(fā)現(xiàn)，間接成像的探測器，都存在一個問題：如果提升分辨率，圖像就會變模糊。這是為什么呢？

原來，在間接成像方式中，由于有X光轉(zhuǎn)為可見光的過程，而可見光會發(fā)生散射，散射的可見光導(dǎo)致了圖像的分辨率降低。

打個比方，一個房間的地磚是一個個的像素，屋頂?shù)碾姛羰菍?yīng)像素上方的發(fā)光點，打開“電燈”，所有的地磚都被照亮。如果每個像素上方都有“電燈”打開，就會造成彼此的燈光相互干擾，圖像模糊。要想只照亮一個地板磚就要把電燈緊貼著地板磚放置。同樣道理，如果使用間接成像方式，讓圖像變清晰的辦法就是把閃爍體的高度降低，但這樣會降低X光吸收率，增大輻射劑量，況且即使降低高度，散射仍不可避免，治標(biāo)不治本。

非晶硒平板探測器的出現(xiàn)解決了散射導(dǎo)致圖象模糊的問題：它采用直接探測的方式，和間接探測方式有本質(zhì)的不同。非晶硒平板直接在非晶硒介質(zhì)內(nèi)將X光光子轉(zhuǎn)化為電荷，由于在介質(zhì)層兩端加了高壓，在電場的作用下，所產(chǎn)生的電荷會朝著一個方向運動，不像閃爍體中的光子一樣四處散射，沒有了像素間串?dāng)_，圖像清晰度獲得極大提高。

非晶硒平板探測器的優(yōu)異性能早被業(yè)界所關(guān)注。上世紀(jì)90年代，美國杜邦公司投入巨資研發(fā)非晶硒探測器，此業(yè)務(wù)幾經(jīng)并購重組，更名為Direct Ray Company(簡稱DRC)；1999年，豪洛捷公司（Hologic）收購DRC，進而幾乎壟斷了非晶硒平板的供應(yīng)。非晶硒平板探測器被廣泛應(yīng)用于乳腺癌的檢查，每年產(chǎn)能供不應(yīng)求，豪洛捷掙得盆滿缽滿，市值超過100億美元。然而，除了乳腺癌檢查，非晶硒平板很難在其他領(lǐng)域推廣，這又是為何呢？

乳腺癌篩查主要是觀察乳房中癌變導(dǎo)致的鈣化點和周圍組織的形態(tài)，這對圖像質(zhì)量的要求很高，非晶硒平板探測器有著絕對優(yōu)勢。但是，非晶硒對工作環(huán)境要求苛刻：環(huán)境濕度是30%到70%，溫度是20度到25度，環(huán)境不達標(biāo)會造成探測器損壞。另外，非晶硒探測器的使用壽命為2年，全球產(chǎn)能一年只有幾千個，單價高達將近10萬美元。非晶硒探測器靠著優(yōu)越的圖像質(zhì)量，牢牢地占據(jù)著乳腺機的市場，但是昂貴和可靠性差等缺陷，導(dǎo)致其很難在其他領(lǐng)域推廣。

有沒有性能好，穩(wěn)定性高，成本低，還能夠大規(guī)模量產(chǎn)的探測器呢？有！這就是面陣式量子計數(shù)探測器。

技術(shù)革命： 量子計數(shù)型探測器

X光領(lǐng)域的先驅(qū)往往來自高能物理領(lǐng)域，量子計數(shù)探測器更是如此。上世紀(jì)八十年代，高能物理領(lǐng)域?qū)?a target="_blank">半導(dǎo)體材料的研究達到前所未有的高峰，研制出了很多新型的探測器，如條型(stripe)，和后來出現(xiàn)的面陣式(pixel array)探測器等。這類探測器被稱之為混合探測器，并先后經(jīng)歷了積分和量子計數(shù)兩代技術(shù)。目前，面陣型量子計數(shù)探測器，靠著優(yōu)異的性能，成為了高能物理實驗中效果最好且應(yīng)用最廣的X光探測器。

面陣型量子計數(shù)技術(shù)也是直接探測，但和非晶硒技術(shù)相比，量子計數(shù)可以直接過濾掉暗噪聲，在像素內(nèi)產(chǎn)生數(shù)字信號，具有近乎完美的線性度，圖象質(zhì)量遠超過非晶硒產(chǎn)品，而且對溫度濕度完全不敏感，可靠耐用。然而，量子計數(shù)芯片異常復(fù)雜：每個像素都是一個復(fù)雜的微型系統(tǒng)，數(shù)以百萬計的這種微型系統(tǒng)還要組成一個復(fù)雜的大系統(tǒng)，如果進入民用市場的話，還需要解決諸如像素大小、功耗、散熱、良率、成本、產(chǎn)能等一系列問題，這些問題都非常困難，往往顧此失彼，如同走鋼絲一般。

目前面陣型量子計數(shù)技術(shù)廣泛應(yīng)用于世界上最先進的同步輻射加速器，比如歐洲原子能中心（CERN），美國的APS、費米實驗室等等。

幀觀德芯：面陣型量子計數(shù)領(lǐng)域的開拓者

2004年，一位瑞典教授創(chuàng)辦了一家叫Sectra的公司，研發(fā)了世界上第一臺基于條形探測器的量子計數(shù)乳腺機,命名為Microdose。7年后，飛利浦用1億美元買斷Microdose乳腺機的銷售權(quán)，然后給它起了中文名字“木蘭”。木蘭量子乳腺機圖像質(zhì)量異常優(yōu)異，但由于采用條形探測器，需要掃描成像，導(dǎo)致曝光時間長達8-20秒。相比面陣型探測器的瞬間成像，條形探測器要落后很多。

至于面陣型探測器，在1997年，CERN就研發(fā)出了Medipix系列的面陣型量子計數(shù)探測器，前后發(fā)展了三代。2006年，Dectris公司在歐洲成立，為同步輻射實驗室提供面陣型量子計數(shù)探測器，單價高達1400萬人民幣。由于受到各種技術(shù)難題的限制，他們都無法實現(xiàn)民用化量產(chǎn)。

幀觀德芯的面陣型量子計數(shù)探測器原理相同，不同的是，依靠技術(shù)創(chuàng)新，幀觀德芯在世界上率先解決了諸如成本、產(chǎn)能、良率、功耗、散熱等諸多技術(shù)難題，申請了大量國際專利，實現(xiàn)了民用化量產(chǎn)。民用化設(shè)備和科研設(shè)備的區(qū)別有多大呢？見下圖。

幀觀德芯推出的清照系列量子計數(shù)乳腺機，內(nèi)部搭載自主研發(fā)的新一代面陣型量子計數(shù)探測器，具有圖像更清晰，對溫度濕度不敏感，量產(chǎn)成本低，產(chǎn)能大等諸多優(yōu)勢。清照乳腺機還搭載了自主開發(fā)的人工智能AI輔助識片平臺，協(xié)助醫(yī)生進行早期乳腺癌的診斷，提高檢查效率，降低因主觀因素造成的誤診。

清照系列量子計數(shù)乳腺機，除了成本和產(chǎn)能大幅度優(yōu)于飛利浦木蘭乳腺機之外，還有個重大的性能優(yōu)勢：清照系列是基于面陣型探測器，可以瞬間成像，而木蘭是基于條形探測器，需要掃描成像。清照系列乳腺機可以實現(xiàn)乳腺成像中的三維Tomo功能，Tomo需要數(shù)秒鐘之內(nèi)拍攝幾十張圖像進行算法重建，木蘭由于單張圖像掃描時間是8-20秒，根本無法實現(xiàn)此功能。

在同步輻射領(lǐng)域，幀觀德芯“泰山”系列探測器的性能也超過了世界上同類產(chǎn)品：幀速高達3500幀/秒，單個像素邊長為70um,未來可以達到40um，優(yōu)于Dectris的75um的像素。另外，目前世界最先進的Dectris的Eiger系列探測器的計數(shù)率隨著入射光子的密度增大而迅速飽和，進而下降；泰山探測器計數(shù)率卻隨著光子流密度增大而增大，極限計數(shù)率超過了每平方毫米500兆光子，穩(wěn)如“泰山”。

同步輻射領(lǐng)域還有個更難做的探測器：自由電子激光探測器。自由電子激光是新一代的同步輻射光源，其光強度是之前的同步輻射光源不可比擬的，其中最關(guān)鍵和最復(fù)雜的核心器件就是探測器。幀觀德芯是有能力在短時間做出這種探測器的。

清照量子乳腺機能能給我們帶來什么

宮頸癌疫苗現(xiàn)在市場反應(yīng)火熱，但是女性朋友們也許不知道：宮頸癌在女性高發(fā)癌癥中排名第九，乳腺癌排名第一，而且發(fā)病率越來越高。中晚期乳腺癌的各種治療方案都不理想，目前最好的辦法是早期篩查，進行微創(chuàng)手術(shù)治療。歐美已經(jīng)廣泛使用X線乳腺機進行乳腺癌篩查，這種篩查方法也是唯一被統(tǒng)計數(shù)據(jù)證實的，可以降低死亡率的方法。X射線乳腺機操作方便，不需要醫(yī)生就可以完成操作，圖象標(biāo)準(zhǔn)化，可以采用人工智能提高篩查效率，最容易推廣和鋪開。

非晶硒乳腺機產(chǎn)能很低，單價往往超過350萬/臺，而且保養(yǎng)和維護費用極高，導(dǎo)致目前能夠普及乳腺癌篩查的國家，人均GDP都在4萬美元以上。中國人均GDP在八千美元左右，無法支撐像美國一樣的大規(guī)模乳腺癌篩查所產(chǎn)生的巨大財政開支。

幀觀德芯的量子計數(shù)乳腺機上市之后，價格有望降低80%以上，同時可靠性大增，對環(huán)境不敏感，維護費用很低，產(chǎn)能幾乎沒有上限。再加上幀觀德芯布局了大量國際PCT專利，將進入全球市場，乳腺癌篩查領(lǐng)域的游戲規(guī)則將被改寫。

幀觀德芯不光可以向中國婦女提供高性價比的乳腺癌篩查產(chǎn)品，還可以向一帶一路和世界上絕大多數(shù)國家提供，造福全世界人民。依靠底層核心芯片技術(shù)突破，幀觀德芯不僅將為中國人民的健康事業(yè)做出卓越貢獻，也將為世界人民的健康事業(yè)做出應(yīng)有的貢獻。

附： X光關(guān)鍵核心技術(shù)發(fā)展時間軸

（第一次出現(xiàn)中國人）