磁共振成像系統(tǒng)中主磁體的專利技術(shù)綜述

磁共振成像系統(tǒng)中主磁體的專利技術(shù)綜述1前言磁共振成像（MRI）技術(shù)誕生于1973年，是由美國物理學(xué)家保羅?勞特伯爾開發(fā)的基于核磁共振（MR）現(xiàn)象的成像技術(shù)，發(fā)展到今天已然成為一項非常重要的醫(yī)學(xué)檢測手段。磁共振是處于靜磁場中的原子核在外來電磁波的激勵下產(chǎn)生的，又稱核磁共振NMR）,磁共振成像（MRI）設(shè)備主要包括主磁體、梯度系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等五大部分。根據(jù)量子力學(xué)我們知道，當(dāng)不受外界靜磁場約束時，原子核熱運動會使核磁距的空間取向處于雜亂無章狀態(tài)，宏觀總磁矩為零，而磁共振成像裝置中的主磁體用于產(chǎn)生一個高度均勻、穩(wěn)定的靜磁場B0，當(dāng)原子核處于靜磁場B0中時，以舊核為例，會產(chǎn)生順著磁場方向和逆著磁場方向的兩種取向，且兩種取向的氫核存在能量差，為下一步產(chǎn)生磁共振提供了必要條件。在主磁體的設(shè)計研發(fā)方面，全世界的科研人員都在不斷地探索追求，本文結(jié)合專利技術(shù)分析總結(jié)了磁共振成像設(shè)備中主磁體的類型、結(jié)構(gòu)，并通過主要申請人——西門子公司的相關(guān)專利技術(shù)分析了主磁體的技術(shù)發(fā)展路線和研究熱點，希望能夠為相關(guān)領(lǐng)域的人員提供參考。2專利數(shù)據(jù)分析磁共振系統(tǒng)主磁體專利申請情況本文選用了DWPI數(shù)據(jù)庫，研究對象包括全球的發(fā)明和實用新型專利。為便于分析，本小節(jié)僅選取了1996年至2015年的專利申請。圖1示出了近20年磁共振系統(tǒng)中主磁體的專利申請趨勢。從圖中能夠發(fā)現(xiàn)，該領(lǐng)域每年的申請量總體較為平穩(wěn)，在2003年至2006年達(dá)到最高值，這與當(dāng)時的世界經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r有關(guān)。19961997199819992000200120022003200420052006200720082009201020112012201320142015年份401±19961997199819992000200120022003200420052006200720082009201020112012201320142015年份401±圖1不同磁體類型的專利分布主磁體一般可以是永久磁體、常導(dǎo)磁體或超導(dǎo)磁體。從發(fā)展歷程上來看，永久磁體最早出現(xiàn)，常導(dǎo)、超導(dǎo)磁體隨后問世。在專利申請方面，三種磁體類型均有涉及，通過圖2：不同磁體類型的專利申請量分布圖能夠發(fā)現(xiàn)，永久磁體和超導(dǎo)磁體是研究得更多的磁體類型。6831271360■6831271360■永久磁體■常導(dǎo)磁體■超導(dǎo)磁體圖2不同磁體類型的專利申請量分布永久磁體是最早應(yīng)用與MRI全身成像的磁體，用于制造這種磁體的永磁材料主要有鋁鎳鈷、鐵氧體和稀土鈷三種類型，由于永磁鐵難以制成足夠大的快，因此常由多塊永磁材料拼接而成，形態(tài)呈馬蹄形。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、造價低、能耗低、使用壽命長，主要缺點是磁場均勻性較差、對溫度變化敏感、磁場穩(wěn)定性差、重量可達(dá)數(shù)十噸、磁場始終存在、磁場強度低（0.5T以下）。超導(dǎo)磁體是一種電磁體，其出現(xiàn)時間晚于永久磁體，這種磁體的磁場來自于超導(dǎo)線圈，其由銅鈦合金制成，以液氦作為制冷劑冷凍線圈。超導(dǎo)磁體的優(yōu)點是高場強、高穩(wěn)定性、高精度和高均勻性，電流利用率高，必要時場強可調(diào)節(jié)、磁場可關(guān)閉，主要缺點是制造工藝復(fù)雜、價格昂貴、運行費用較高，掃描時噪聲大，有射頻熱效應(yīng)。從圖X的數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)磁體的申請量遠(yuǎn)高于永久磁體和常導(dǎo)磁體，一個比較重要的因素是超導(dǎo)磁體的磁場強度能夠達(dá)到3.0T，而提高磁場強度能夠提高M(jìn)R圖像的信噪比，這是技術(shù)人員的普遍追求。從成像原理來分析就不難發(fā)現(xiàn)：磁場強度B0影響的是成像物體的縱向磁化強度矢量M0,磁場強度B0越大，縱向磁化強度矢量M0就越大，而MR信號是由縱向磁化翻轉(zhuǎn)到xy平面產(chǎn)生的，MR信號強度和M0成正比，因此磁場強度B0越大，信噪比越高。3全球主要申請人及其技術(shù)路線分析申請量排名前五的申請人為便于統(tǒng)計分析，本小節(jié)從近20年的申請中統(tǒng)計出了申請量排名前五的申請人，如圖3所示。申請量最高的申請人為SIEMENS（西門子）公司，其次為HITACHI（日立）公司。申請人主要分布于歐洲、美國和日本。SIEMENSGENERALHITACHIKONINKTOSHIBAELECTRIC PHILIPS申請人圖3西門子公司的專利分析專利布局本小節(jié)的檢索截止時間為2016年6月7日，獲取了西門子公司在該時間前所有公開的關(guān)于磁共振系統(tǒng)中主磁體的專利申請，其總量為214件。通過統(tǒng)計分析，得到了其向各主要國家的專利輸出量，如圖4所示。其中，歐洲的統(tǒng)計方式為合并了公開號國別為EP、DE以及GB的申請量。由于西門子總部設(shè)在德國，因此其將歐洲作為最大的專利布局區(qū)域是顯而易見的，同時，美國、中國以及日本也作為西門子公司十分重要的專利輸出國。

圖43.2.2研發(fā)熱點的技術(shù)發(fā)展路線經(jīng)過閱讀分析，主磁體系統(tǒng)采用超導(dǎo)磁體的專利申請量遠(yuǎn)超永久磁體和常導(dǎo)磁體的申請量，具體分布關(guān)系可以參考圖5。超導(dǎo)磁體所提供的超強磁場和經(jīng)濟效益是科研人員趨之若鶩的重要原因，它成為西門子公司的熱點技術(shù)。1833173永久磁體1833173永久磁體■常導(dǎo)磁體■超導(dǎo)磁體圖5西門子公司采用超導(dǎo)磁體作為主磁體元件最早公開于申請?zhí)枮镈E3310160A的專利文獻(xiàn)，申請日為1983年3月21日。其公開的主磁體系統(tǒng)如圖6所示，包括超導(dǎo)線圈、冷卻系統(tǒng)以及支撐結(jié)構(gòu)。由于超導(dǎo)線圈必須工作在低溫環(huán)境，因此冷卻系統(tǒng)是必不可少的設(shè)施。

圖6圖6在其后的發(fā)展歷程中，出于提高磁場性能、改善冷卻系統(tǒng)、簡化元件配備、降低生產(chǎn)成本、優(yōu)化患者入口等需求，西門子的技術(shù)人員對超導(dǎo)磁體系統(tǒng)作了一系列的改進(jìn)。對主磁體的改進(jìn)主要包括對超導(dǎo)線圈、冷卻系統(tǒng)等的改進(jìn)，圖7按照年份順序統(tǒng)計了改進(jìn)點。圖6中“其它”的改進(jìn)點主要包括減小渦流，優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)、完善入口設(shè)計等。605040304030201001983-1987 1988-1992 1993-1997 1998-2002 2007-2003 2012-2008 2013-2016年份圖7從圖7能夠發(fā)現(xiàn)，在超導(dǎo)磁體方面，西門子公司在2000年以后申請量突增，各方面的改進(jìn)均有涉及，且較為均衡。下面將較詳細(xì)地分析其技術(shù)發(fā)展的路線（待完善）。國內(nèi)專利現(xiàn)狀3.3.1專利申請產(chǎn)出占比分析節(jié)提到，中國是西門子公司的重要專利輸出國，那么中國在自主研發(fā)方面以及對外專利輸出方面又是怎樣的現(xiàn)狀呢，本節(jié)將從原創(chuàng)申請和專利輸出兩方面進(jìn)行分析。在DWPI數(shù)據(jù)庫，筆者從中國的總申請量中分別統(tǒng)計了原創(chuàng)國為中國、日本、美國、歐洲的申圖8圖8示出了中國申請的現(xiàn)狀，約31%來自于本國原創(chuàng)，此外，約有66%來自于日本、美國和歐洲，這是因為以上三個地區(qū)擁有著日立、東芝、通用、西門子以及飛利浦等本領(lǐng)域的重要申請人。同時，筆者又對中國原創(chuàng)專利對國外的輸出情況進(jìn)行了統(tǒng)計，結(jié)果參考圖9。參考圖9能夠發(fā)現(xiàn)，中國的原創(chuàng)申請大部分都停留在中國本土，并未大范圍地走出國門，說明在技術(shù)的競爭力方面仍有待加強。圖9國內(nèi)重要申請人專利技