X线放射诊断和放射治疗设备核心真空电子器件市场分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京真空电子技术研究所 作者:杨 莹

  X线放射诊断和放射治疗设备中的真空电子器件,如X射线管、磁控管、速调管等是射线源的产生装置,这些真空电子器件既是设备的核心部件,也是设备的高值易损耗材。随着世界人口老龄化趋势加剧以及各国对医疗保健需求的增大,X线放射诊断和放射治疗设备的需求量不断增长。相应地,设备核心真空电子器件的需求量也随之增加。本文分别对X射线CT球管、直接数字X线成像系统用X射线管、医用直线加速器用磁控管的市场情况进行了分析,并就国内真空电子行业在医疗器械领域面临的机遇提出了自己的看法和认识。

1、X线放射诊断设备核心真空电子器件市场分析

  1.1、概述

  投照到人体上的均匀X射线一部分被人体吸收和散射,另一部分穿过人体沿原方向传播。由于人体各种组织、器官在密度、厚度等方面的差异,对投照在其上的X射线的吸收量也不同,从而使透过人体的X射线强度分布发生变化并携带人体信息,最终形成X射线信息影像。X射线信息影像不能为人眼识别,需要通过采集、转换、显示系统将X射线强度分布转换成可见光强度分布,最终形成人眼可见的X 射线图像。X线放射诊断设备就是用于获得满足医生诊断要求的特定部位人体X线图像的设备,主要包括:X 线计算机体层扫描设备(Computed Tomography,CT)、乳腺X 线成像设备、常规平面X 线成像设备(数字X 线成像设备(Digital Radiography,DR)、计算机X 线成像设备(Computed Radiography,CR))、数字减影血管造影设(Digital Subtraction Angiography,DSA)等。这类设备的核心真空电子器件主要是用于产生X射线的X射线管。

  X射线管是一个高度真空的二极电子管,由阴极、阳极和封装阴、阳极的管壳组成。当给阴极灯丝加热时,灯丝会逸出自由电子。此时,若在X射线管两端加高压(阳极为正,阴极为负),则阴极灯丝附近的自由电子就会在阴、阳极之间的高压电场作用下向阳极靶面高速运动并最终撞击阳极靶面。在与阳极靶面相撞的过程中,这些自由电子将在电场中获得的巨大动能绝大部分转换成热能和化学能,另有一小部分(<1%)转换成X线。阳极所能存储的最大热量是X射线管的重要性能指标,该指标被定义为X射线管的热容量(Heat Unit,HU)。X射线管热容量主要由阳极靶尺寸、组成成分、散热性能决定,靶面直径越大,热容量越大,散热速度也越快,相应地,X射线管功率也越大。

  核心器件的需求量与整机市场需求密切相关,本文首先分析了目前常用的X线计算机体层扫描设备(CT)和直接数字X线成像系统(DR)的市场情况。在此基础上,分别对设备核心真空器件X射线CT球管和DR用X射线管的市场进行了分析。

  1.2、X线计算机体层扫描设备(CT)及X射线CT球管市场情况

  (1)CT设备市场情况

  由于技术复杂、加工制造工艺要求高等原因,目前只有少数厂家才有生产和制造CT整机的能力。2010年,全球医学影像设备市场额约207亿美元,复合年增长率为4.2%,其中CT约占19.5%。从设备生产厂商的市场占有率看,GE、飞利浦(Philips)、西门子(Siemens)、东芝(Toshiba)的产品占据了90%以上的市场份额。

  根据北京华通人商用信息有限公司(ACMR)的研究,2011年我国影像设备市场规模接近300亿元,增长率在20%左右,其中CT 占24%。截至2011年底,我国CT装机量达12000台。随着我国政府近几年陆续投入大量资金用于推进医疗改革(在2009年至2011年的三年间新增投入8500亿元),未来几年,国内新增及设备更新对CT的年需求量将保持在2000台左右。面对国内庞大的CT整机市场和国内CT市场长期被国外企业垄断的局面,国内企业加大研发力度,已生产出16排和64排螺旋CT,然而这些产品仅能在中低端市场占有一定份额,并且生产这些CT整机所需的关键核心器件(CT球管、探测器、滑环、高压发生器等)全部依赖进口。

  (2)X射线CT球管市场情况

  X射线CT球管是CT设备的关键核心器件,也是高值易损部件,通常在使用一定时间后会出现放电打火等故障,必须进行更换。CT 球管属于高功率、大热容量、旋转阳极X射线管。单、双排螺旋CT用的CT球管热容量通常在~3.5M HU,64排螺旋CT用的CT球管热容量在7~8M HU。除热容量外,球管功率还与阳极转速有关,阳极转速越高,球管功率越大。CT球管的阳极转速在4000~12000r/min,因此对轴承有极高要求。相对于固定阳极、低热容量X射线管的生产,CT球管的生产具有工艺复杂,技术难度高等特点。截至目前,我国CT球管的获取完全依赖进口,CT球管市场长期被国外垄断。世界主要的CT球管生产厂商有:GE、西门子、飞利浦、当立(Dunlee,飞利浦的全资子公司,为全球CT/X光机用户提供最全面的替换球管产品线)、东芝、瓦里安(Varian)。通常,CT球管的使用寿命为一年,对病人量较少的医院,CT球管的使用寿命有所延长。本文以1.5年作为CT球管的平均更换周期,以2011年我国CT装机量12000台计算,当年我国各大医院更换所需的CT球管约为8000支。再加上国内每年新装2000台设备所需的CT球管,当年CT球管的需求量约为10000支。随着近几年国家对医疗投入的增加,我国CT机的保有量持续增长,CT球管的年需求量已达10000支以上。

  目前,国内热容量在2~3M HU 的CT球管每支售价为人民币20~30万元,而热容量为7M HU的CT球管每支售价可达人民币160万元。可以估计,我国每年用于购买CT球管的开支在人民币30亿元以上。CT球管的高昂价格,既增加了国内CT设备整机厂家的生产成本,也增加了医院的CT维护成本,最终导致患者诊断费用的增加。

  1.3、直接数字X线成像系统(DR)及DR用X射线管市场情况

  (1)DR设备市场情况

  直接数字化X 线成像系统(Digital Radiography,DR)是通过平板薄膜晶体管(TFT)或电荷耦合装置(CCD)及X线吸收器(闪烁体材料)将X线转化为模拟视频信号,再经过采样、模/数转换(A/D)后获得数字图像的装置。其主要构成部件包括:X射线管组件、束光器、高压发生器、探测器、图像采集工作站及图像后处理工作站[5]。据中国医学装备协会统计,2007~2011年,我国DR系统年销售量由720台增加到3294台,年均复合增长率达42.8%。DR设备的市场销售额则由2006年的11.51亿元增加到2011年的29.23亿元,年均复合增长率为19.6%。

  2012年我国DR市场销售量3795台,销售额近30亿元,其中GE(15%)、飞利浦(14%)、西门子(20%)、锐柯(>10%)占了约60%的市场份额。国内DR的生产厂家主要有:华润万东、东软、蓝韵医疗等,其中华润万东的国内市场份额达到8%。

  我国县级及县级以下医院数量庞大,而这部分医院的DR装机量仍处于较低水平。近几年国家划拨巨资建设基层医疗卫生服务体系,DR作为常用的放射影像学检查手段,其在基层医疗市场上将出现爆发性增长。预计到2015年,我国DR市场年销量将达到5770台以上。近年来,我国DR的市场保有量持续增加,同时有一些设备更新和淘汰,2011年我国DR 保有量为8968台,预计2015年,我国DR设备保有量将达到27918台(数据来源于中国医学装备协会)。

  (2)DR用X射线管市场情况

  X射线管是DR系统的核心部件之一。DR用X射线管具有热容量高、转速高等特点(最高工作电压>150kV、转速>9700r/min(高速状态)、热容量>300kHU)。国内X射线管的生产厂家主要有杭州万东电子有限公司、杭州凯龙医疗器械有限公司、耐固医疗设备(北京)有限公司等。这些X射线管生产厂家的产品主要涉及固定阳极、低速旋转阳极(2800~3000r/min)、低热容量(<300kHU)、小功率、低性能普通X 射线管产品(行业内属低端产品)。虽然现在已有企业研制出了DR用高性能X射线管产品,但在测试过程中发现该产品在150kV时会出现放电打火,产品性能、质量不稳定,整机厂家无法采用。

  目前,我国DR用X射线管市场基本被国外产品垄断。国外DR用X射线管的生产厂家主要有:东芝、GE、西门子、瓦里安、IAE。GE生产的DR用X射线管仅供自己的DR设备使用,同时GE每年还会向东芝订购一定数量的DR用X射线管。东芝、西门子生产的DR用X射线管为全球销售。西门子X射线管的质量一直备受认可,但因高售价使其在与东芝的竞争中处于劣势,国内DR生产厂家使用的X射线管绝大部分为东芝生产。

  从某大型外资医疗集团X光产品部负责人处了解到,DR用X射线管的更换周期通常为3年;未来几年,国内DR的年销售量将稳定在5000~6000台/年(与中国医学装备协会发布数据吻合)。由此,可以估算出2015年国内DR用X射线管的需求情况:新装机需求5000~6000支,更换需求约9000支,合计需求14000~15000支。对于DR用X射线管,东芝公司给予国内DR整机厂家批量采购的报价为2~3.5万元/支(型号不同,价格不同),以2.8万元/支均价估算,国内企业每年进口DR用X射线管的开支为3.9~4.2亿元。

2、放射治疗设备核心真空电子器件市场分析

  2.1、概述

  放射治疗指利用放射线,如X射线、γ射线,治疗肿瘤疾病的临床方法,是目前治疗恶性肿瘤的重要手段之一。医用直线加速器是上世纪70年代以来国际上最常用的放射治疗设备,此类设备利用微波电场对电子进行加速,可以产生高能X射线和/或电子束,广泛应用于各类肿瘤的远距离外照射放射治疗。

  医用直线加速器系统主要由加速管、微波功率源、微波传输系统、电子枪、束流系统、真空系统、恒温水冷却系统、电源及控制系统、照射头、治疗床等组成。加速器中产生射线的几个高频高压真空部件包括:

  (1)微波源:产生大功率微波,是电子加速的策动源。中低能医用电子直线加速器使用高功率磁控管作为微波功率源;高能医用电子直线加速器使用速调管作为功率源。

  (2)电子枪:发射电子,供加速管对电子进行加速,是数字化控制加速器的关键部件。

  (3)加速管:用于对由电子枪发出的电子,在微波振荡控制下进行加速增能以达到所需的电子能量。

  本文对医用直线加速器用高功率磁控管的市场进行了分析。

  2.2、医用直线加速器用高功率磁控管市场情况

  高功率磁控管是中低能医用直线加速器最重要的部件,同时也是医用直线加速器最昂贵的耗材。高功率磁控管的市场需求与医用直线加速器整机市场需求密切相关。随着现代社会癌症发病率的增加,医用直线加速器需求量和维修服务需求量(更换磁控管)将持续增长。

  中华医学会放射肿瘤学分会《中国大陆地区第六次放疗人员及设备调查》数据显示:截至2011年8月31日,我国有1162个放疗中心,加速器保有量为1900台左右,并且以每年18.7%的复合增长率平缓增长。根据美国医疗卫生工业制造商协会(HIMA)和世界卫生组织(WHO)提出的要求,全球每百万人口平均应拥有医用加速器2~3台[8]。欧美等发达国家每百万人拥有直线加速器已达到5~8台,而我国目前每百万人拥有直线加速器约1台。为达到WHO的基本要求,预计到2020年我国需配置6000台以上直线加速器用于恶性肿瘤放疗。按瓦里安公司预测,中国未来需配置9000台电子直线加速器方可满足恶性肿瘤患者的治疗需求。

  近年来,我国医用直线加速器研制产业得到了长足发展,国内医用直线加速器生产企业已达10多家。然而,医用直线加速器的核心器件磁控管一直依赖进口。事实上,不论是国内企业还是国际知名企业(如医科达、瓦里安),医用直线加速器所需的高功率磁控管几乎都从英国E2V 公司购买。E2V 公司独家把持着全球S波段加速器用2.6MW、5.5MW 磁控管市场。以医科达公司为例,该公司每年2.6MW 磁控管需求量约1000支,5.5MW 磁控管的需求量约700支,这两种磁控管全部从E2V 采购。其中,型号MG5193的2.6MW 高功率磁控管价格约25万元/支;型号MG5028的5.5MW 高功率磁控管价格为50~60万/支。仅高功率磁控管一项,医科达公司每年的采购支出达6~6.7亿元。面对巨大的市场需求和国外企业的垄断,国内真空电子器件领军企业以“研制具有自主知识产权的医用直线加速器核心真空电子器件,实现与国际产品的无缝替代”为目标,积极开展了医用直线加速器核心真空电子器件的研制。目前,这些产品的研制还处于起步段,产品一致性难以保证,距离形成产业和市场规模还有很长的路要走。

3、我国真空电子行业在医疗器械领域面临的机遇

  医疗器械产业是关系到人类生命健康的朝阳产业,近十余年来一直保持较高的增长率和利润率。据统计,全球医疗器械市场销售额从2001年1870亿美元增长到2009年的3553亿美元,复合增长率达8.35%(数据来源:第二届中国医疗器械产业发展与投资CEO峰会报告),医疗器械产业的毛利率可达37.10%(数据来源:东方医疗器械网)。在全球老龄化趋势加快、亚健康状态日益普遍的背景下,医疗健康产业将成为经济发展强有力的新支撑。预计到2015年,全球医疗器械行业市场规模将达4000多亿美元(数据来源:Kalorama Information《全球医疗器械市场》报告)。

  为促进我国医疗器械行业的进一步发展,国家科技部于2012年初出台了《医疗器械科技产业“十二五”专项规划》(以下简称“《规划》”),其中,在进口产品占比较高的高端医学装备市场,《规划》鼓励“国产化”,将“着力突破计算机断层扫描仪(computerized tomography,CT)、磁共振成像仪(MRI)、正电子发射断层扫描仪(PET)、PET-CT、医用加速器等大型(高端)医学装备整机及核心部件”作为我国“十二五”期间医疗器械产业的发展重点之一。2012年12月29日国务院印发的《生物产业发展规划》也将“优先发展高性能医学影像、放射治疗、活体检验、体外诊断等医学装备及核心部件的设计和制造能力,促进高分辨率、低剂量、多模态、数字化和一体化的医学影像装置的产业化发展”作为生物产业发展的主要任务之一。

  健康的市场环境、强大的市场需求和国家政策的强有力支持为我国真空电子行业在高端医疗设备核心真空器件研制领域的发展提供了机遇。

4、对我国真空电子行业开展高端医疗设备核心真空器件研制的建议

  目前,我国高端医疗设备核心真空电子器件面临的主要问题是严重依赖进口,缺乏自主产品。由此导致国内医疗设备整机企业缺乏市场竞争力、国内医院设备维护成本居高、患者诊断费用偏高。建议行业内相关企业结合自身技术特点,借助现有工艺平台和技术基础开展高端医疗设备核心真空器件研制工作。开发具有自主知识产权的、以X 射线CT球管、DR用X射线管、高功率磁控管为代表的高端医疗设备核心真空电子器件,打造国家高端医疗设备核心真空电子器件产业基地。为加快产业化和产品的入市速度,研制企业应做好合理规划,采取有效的技术路径,如“先仿制、再创新、最后形成自主知识产权”的技术路径。诚然,国内高端医疗设备核心真空电子器件制造产业的发展将面临与国外企业激烈的市场竞争,最有效的应对办法就是产品的高性价比和高稳定性。因此,还要重视规范化生产工艺流程和完备化质量控制体系的建立。

  国内真空电子行业在高端医疗设备核心真空电子器件研制领域的成功开拓,必将成为我国医疗器械产业发展的强大支撑。

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