帧观德芯科技:量子计数X光探测芯片，已经实现大规模量产

深圳帧观德芯科技有限公司宣布： 量子计数X光探测芯片，已经实现大规模量产；人类历史上第一台医用面阵型量子计数乳腺机也已经开发完成，最快今年年底或明年年初上市销售。量子计数乳腺机只是帧观德芯的第一个产品，未来还会有多个产品发布。

深圳帧观德芯科技有限公司2015年初在深圳前海自贸区成立，获得了IDG资本、中金公司、北极光创投、国科投资等国内外著名投资机构的多轮投资。帧观德芯是世界上第一个在量子计数领域做到大规模产业化的企业，解决了此领域大量技术难题，申请了大量国际专利。

量子计数技术的突破是底层芯片技术革命性的突破：在医学影像、工业和科研X光领域的意义，不亚于液晶显示器替换掉球面显示器，不亚于智能手机取代老式手机。

下图展示了帧观德芯量子计数探测器拍摄图像和传统探测器的图像清晰度区别，左图为传统探测器图像效果，空间分辨率在3lp/mm左右，右图为帧观德芯量子探测器图像效果，分辨率在7lp/mm以上，分辨率高了一倍多。

帧观德芯的量子计数芯片展示了一些令人惊讶的性能，比如：可以看清一只河虾的关节结构，图像清晰到甚至可以给这只河虾做关节手术；可以实现之前探测器无法实现的超高灰度和软组织分辨，甚至可以看清楚一片很薄的树叶。树叶的组成成分是碳氢氧，和人体皮肤的组分类似，意味着这种探测器甚至可以看到皮肤上被蚊子咬的一个包。下图为帧观德芯量子计数探测器的实拍图像，读者可以细细体会。

那么什么是量子计数技术？ 什么又是量子计数芯片呢？这要从X射线成像技术的发展史说起。

伦琴和第一代屏片X射线成像技术

1895年，伦琴发现X射线，并获得了历史上第一个诺贝尔奖。X射线的发现催生了20世纪的物理学、生物学、医学等各个领域的井喷式地发展。

在19世纪末到20世纪中叶很长一段时间里，X射线成像一直沿用伦琴当时所用的办法： 通过对荧光胶片上的感光层曝光，感光层发出荧光，荧光造成胶片感光，再对胶片显影处理得到X射线图像。这种方法需要在暗室里“洗”胶片，获得照片时间长，操作复杂，而且不易保存。随着人类进入信息化时代，科学家们想：能不能找到一种取代胶片的成像方式？

“嫁接”而来的第一代数字X光机：CCD成像系统

1969年，美国贝尔实验室的两位科学家发明了电荷耦合元件（简称CCD），并且在40年后获得了诺贝尔奖。CCD是使用硅基平面工艺制造的可见光传感器，比如我们常用的数码相机就使用CCD。然而CCD在探测X光时有严重问题： X光能量太高，CCD很难将光子拦截，导致无法成像。怎么办呢？

一些在高能物理科学家，使用一种叫做闪烁体的物质将X光转换成可见光，然后再用CCD对可见光进行探测，通过这种间接的方式完成了X光成像。此技术后来演变成为了第一代数字X光机。

但是人们发现，这种X光机也存在问题： CCD由于制造工艺的限制，不能做成大平面，需要用光学耦合把大像素投影到CCD的小像素上，这种结构非常笨重。为了解决这个问题，平板探测器出现了。

间接探测型平板探测器

从1995年美国杜邦公司在北美放射年会上推出第一台平板探测器以来，平板探测技术获得飞速发展。间接平板探测器主要分为非晶硅平板和CMOS间接平板。

非晶硅平板探测器依靠闪烁体将X光转化为可见光，再通过非晶硅将可见光信号转为电信号, 电信号再被TFT（也就是thin film transistor电路，薄膜电路）电路收集，然后被ADC读出。由于非晶硅可以像太阳能电池一样做成大平面，TFT电路在液晶显示器中常用，也可以做得面积很大。“闪烁体+太阳能电池+液晶显示器”三种技术组合，就得到了非晶硅平板。

CMOS间接平板探测器的原理类似，都是使用闪烁体先把X光转化为可见光，然后再探测可见光，不同的是：用类似手机摄像头的CMOS技术替换了“太阳能电池+液晶显示器”的工艺。这种CMOS电路和手机摄像头不同之处在于：（1） 像素较大，可以使用更落后，但是更便宜的工艺去做。（2） 探测器面积较大，需要一种叫做Stitching的工艺（把微电子生产过程中的相邻曝光区域连接在一起），做出一个完整的曝光区。目前Xfab，TowerJazz等微电子代工厂提供标准的stitching工艺服务。芯片stitch之后，面积增大，良率下降，所以一般会把芯片结构做得尽量简单。这种成像方式，成本较高，但是得益于CMOS工艺下器件速度比TFT快，所以目前这种CMOS间接成像探测器常被用于口腔CT等对动态性能要求较高的领域。

直接探测（非晶硒）平板探测器

人们又发现，间接成像的探测器，都存在一个问题：如果提升分辨率，图像就会变模糊。这是为什么呢？

原来，在间接成像方式中，由于有X光转为可见光的过程，而可见光会发生散射，散射的可见光导致了图像的分辨率降低。

打个比方，一个房间的地砖是一个个的像素，屋顶的电灯是对应像素上方的发光点，打开“电灯”，所有的地砖都被照亮。如果每个像素上方都有“电灯”打开，就会造成彼此的灯光相互干扰，图像模糊。要想只照亮一个地板砖就要把电灯紧贴着地板砖放置。同样道理，如果使用间接成像方式，让图像变清晰的办法就是把闪烁体的高度降低，但这样会降低X光吸收率，增大辐射剂量，况且即使降低高度，散射仍不可避免，治标不治本。

非晶硒平板探测器的出现解决了散射导致图象模糊的问题：它采用直接探测的方式，和间接探测方式有本质的不同。非晶硒平板直接在非晶硒介质内将X光光子转化为电荷，由于在介质层两端加了高压，在电场的作用下，所产生的电荷会朝着一个方向运动，不像闪烁体中的光子一样四处散射，没有了像素间串扰，图像清晰度获得极大提高。

非晶硒平板探测器的优异性能早被业界所关注。上世纪90年代，美国杜邦公司投入巨资研发非晶硒探测器，此业务几经并购重组，更名为Direct Ray Company(简称DRC)；1999年，豪洛捷公司（Hologic）收购DRC，进而几乎垄断了非晶硒平板的供应。非晶硒平板探测器被广泛应用于乳腺癌的检查，每年产能供不应求，豪洛捷挣得盆满钵满，市值超过100亿美元。然而，除了乳腺癌检查，非晶硒平板很难在其他领域推广，这又是为何呢？

乳腺癌筛查主要是观察乳房中癌变导致的钙化点和周围组织的形态，这对图像质量的要求很高，非晶硒平板探测器有着绝对优势。但是，非晶硒对工作环境要求苛刻：环境湿度是30%到70%，温度是20度到25度，环境不达标会造成探测器损坏。另外，非晶硒探测器的使用寿命为2年，全球产能一年只有几千个，单价高达将近10万美元。非晶硒探测器靠着优越的图像质量，牢牢地占据着乳腺机的市场，但是昂贵和可靠性差等缺陷，导致其很难在其他领域推广。

有没有性能好，稳定性高，成本低，还能够大规模量产的探测器呢？有！这就是面阵式量子计数探测器。

技术革命： 量子计数型探测器

X光领域的先驱往往来自高能物理领域，量子计数探测器更是如此。上世纪八十年代，高能物理领域对半导体材料的研究达到前所未有的高峰，研制出了很多新型的探测器，如条型(stripe)，和后来出现的面阵式(pixel array)探测器等。这类探测器被称之为混合探测器，并先后经历了积分和量子计数两代技术。目前，面阵型量子计数探测器，靠着优异的性能，成为了高能物理实验中效果最好且应用最广的X光探测器。

面阵型量子计数技术也是直接探测，但和非晶硒技术相比，量子计数可以直接过滤掉暗噪声，在像素内产生数字信号，具有近乎完美的线性度，图象质量远超过非晶硒产品，而且对温度湿度完全不敏感，可靠耐用。然而，量子计数芯片异常复杂：每个像素都是一个复杂的微型系统，数以百万计的这种微型系统还要组成一个复杂的大系统，如果进入民用市场的话，还需要解决诸如像素大小、功耗、散热、良率、成本、产能等一系列问题，这些问题都非常困难，往往顾此失彼，如同走钢丝一般。

目前面阵型量子计数技术广泛应用于世界上最先进的同步辐射加速器，比如欧洲原子能中心（CERN），美国的APS、费米实验室等等。

帧观德芯：面阵型量子计数领域的开拓者

2004年，一位瑞典教授创办了一家叫Sectra的公司，研发了世界上第一台基于条形探测器的量子计数乳腺机,命名为Microdose。7年后，飞利浦用1亿美元买断Microdose乳腺机的销售权，然后给它起了中文名字“木兰”。木兰量子乳腺机图像质量异常优异，但由于采用条形探测器，需要扫描成像，导致曝光时间长达8-20秒。相比面阵型探测器的瞬间成像，条形探测器要落后很多。

至于面阵型探测器，在1997年，CERN就研发出了Medipix系列的面阵型量子计数探测器，前后发展了三代。2006年，Dectris公司在欧洲成立，为同步辐射实验室提供面阵型量子计数探测器，单价高达1400万人民币。由于受到各种技术难题的限制，他们都无法实现民用化量产。

帧观德芯的面阵型量子计数探测器原理相同，不同的是，依靠技术创新，帧观德芯在世界上率先解决了诸如成本、产能、良率、功耗、散热等诸多技术难题，申请了大量国际专利，实现了民用化量产。民用化设备和科研设备的区别有多大呢？见下图。

帧观德芯推出的清照系列量子计数乳腺机，内部搭载自主研发的新一代面阵型量子计数探测器，具有图像更清晰，对温度湿度不敏感，量产成本低，产能大等诸多优势。清照乳腺机还搭载了自主开发的人工智能AI辅助识片平台，协助医生进行早期乳腺癌的诊断，提高检查效率，降低因主观因素造成的误诊。

清照系列量子计数乳腺机，除了成本和产能大幅度优于飞利浦木兰乳腺机之外，还有个重大的性能优势：清照系列是基于面阵型探测器，可以瞬间成像，而木兰是基于条形探测器，需要扫描成像。清照系列乳腺机可以实现乳腺成像中的三维Tomo功能，Tomo需要数秒钟之内拍摄几十张图像进行算法重建，木兰由于单张图像扫描时间是8-20秒，根本无法实现此功能。

在同步辐射领域，帧观德芯“泰山”系列探测器的性能也超过了世界上同类产品：帧速高达3500帧/秒，单个像素边长为70um,未来可以达到40um，优于Dectris的75um的像素。另外，目前世界最先进的Dectris的Eiger系列探测器的计数率随着入射光子的密度增大而迅速饱和，进而下降；泰山探测器计数率却随着光子流密度增大而增大，极限计数率超过了每平方毫米500兆光子，稳如“泰山”。

同步辐射领域还有个更难做的探测器：自由电子激光探测器。自由电子激光是新一代的同步辐射光源，其光强度是之前的同步辐射光源不可比拟的，其中最关键和最复杂的核心器件就是探测器。帧观德芯是有能力在短时间做出这种探测器的。

清照量子乳腺机能能给我们带来什么

宫颈癌疫苗现在市场反应火热，但是女性朋友们也许不知道：宫颈癌在女性高发癌症中排名第九，乳腺癌排名第一，而且发病率越来越高。中晚期乳腺癌的各种治疗方案都不理想，目前最好的办法是早期筛查，进行微创手术治疗。欧美已经广泛使用X线乳腺机进行乳腺癌筛查，这种筛查方法也是唯一被统计数据证实的，可以降低死亡率的方法。X射线乳腺机操作方便，不需要医生就可以完成操作，图象标准化，可以采用人工智能提高筛查效率，最容易推广和铺开。

非晶硒乳腺机产能很低，单价往往超过350万/台，而且保养和维护费用极高，导致目前能够普及乳腺癌筛查的国家，人均GDP都在4万美元以上。中国人均GDP在八千美元左右，无法支撑像美国一样的大规模乳腺癌筛查所产生的巨大财政开支。

帧观德芯的量子计数乳腺机上市之后，价格有望降低80%以上，同时可靠性大增，对环境不敏感，维护费用很低，产能几乎没有上限。再加上帧观德芯布局了大量国际PCT专利，将进入全球市场，乳腺癌筛查领域的游戏规则将被改写。

帧观德芯不光可以向中国妇女提供高性价比的乳腺癌筛查产品，还可以向一带一路和世界上绝大多数国家提供，造福全世界人民。依靠底层核心芯片技术突破，帧观德芯不仅将为中国人民的健康事业做出卓越贡献，也将为世界人民的健康事业做出应有的贡献。

附： X光关键核心技术发展时间轴

（第一次出现中国人）