基于專利分析的醫用磁共振成像技術成熟度預測

畢帆，李斌

上海交通大學附屬第六人民醫院 醫學裝備處，上海 200233

基于專利分析的醫用磁共振成像技術成熟度預測

畢帆，李斌

上海交通大學附屬第六人民醫院 醫學裝備處，上海 200233

本文介紹了醫用磁共振成像技術的發展現狀，運用發明問題解決理論（TRIZ）中基于S曲線技術成熟度的方法來評估醫用磁共振成像技術的成熟度。通過專利檢索和統計分析相關數據，建立了時間-專利數量曲線和時間-裝機量曲線，將曲線與TRIZ理論中的標準曲線進行對比分析，得出了醫用磁共振成像技術成熟的預測結果，對于醫用磁共振成像技術的發展具有重要的指導意義。

TRIZ；磁共振成像技術；技術成熟度；S-曲線

0 引言

準確地進行產品技術成熟度的預測和評估不管是對于提高企業研發效率還是對于裝備采購都具有重要意義。某項產品的技術成熟度指的是單項技術或技術系統在研發過程所達到的一般性可用程度[1]。早在20世紀70年代國外就有學者開始對技術成熟度進行研究，包括理論、過程和應用的研究，但主要研究重點仍然在技術成熟度的預測和評估上。Stanley R. Sadin在1974年最早提出了基于技術就緒水平（Technology Readiness Levels）的評估方法。而后多種技術成熟度的預測和評估方法相繼出現，但大多數方式是基于專家評審的方式，缺乏客觀的評價標準，評價結果易受到專家知識等主觀因素的影響，說服力較差。而前蘇聯學者Altshuller提出的基于TRIZ理論最為有效。TRIZ理論的預測是根據現有產品的各種信息資源，分析產品的技術狀況，提出產品或技術的未來發展趨勢和方向，不涉及到專家的主觀看法[2]。

國內已有相關文獻[3-4]研究技術成熟度在武器研發、產品技術開發等中的應用，但是在技術后期應用中評價技術成熟度尚屬空白階段。本研究首次將技術成熟度預測和評估理論應用于醫療技術方面，選取醫用磁共振成像技術作為分析對象，應用TRIZ理論進行技術成熟度預測，對該技術的成熟度進行準確定位，對于未來臨床新興技術的購置和應用具有重要的指導意義。以定性定量的方式衡量醫學裝備技術發展狀態，減小采購風險，控制采購成本，最大限度地為臨床提供高可靠性、技術成熟的醫學裝備，同時推動醫學工程領域的進步和醫學裝備建設的發展。

1 醫用磁共振成像技術現狀

醫用磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging）技術具有軟組織分辨率高，任意方向斷層成像，無電離輻射等優勢，從而廣泛應用于臨床，但同時檢查費用高、設備尚未普及，檢查時間較長在一定程度上阻礙了醫用磁共振成像技術的發展。醫用磁共振成像技術應用水平的高低在臨床發展中具有重要作用。

磁共振成像技術是隨著計算機技術、電子電路技術、超導體技術的發展而發展起來的一種成像技術。核磁共振是一種物理現象，它被廣泛運用于物理、化學和生物等領域，直到1973年才運用于臨床檢查。核磁共振技術的原理是將人體置于特定的磁場中，用射頻脈沖激發人體內的氫原子核，引起氫原子的共振，吸收射頻能量。當射頻脈沖停止后，人體內氫原子核按照特定頻率釋放信號并將能量釋放，信號被接收后經計算機處理獲得圖像。磁共振成像技術的發展經歷了較為漫長的過程，1946年美國科學家Felix Bloch等人第一次發現核磁共振現象，1972年美國科學家Raymond Damadian申請磁共振掃描用于人體思路的專利[5]。而后，1977年美國Fonar公司生產出全球第一臺應用于人體的全身磁共振。而后，磁共振成像技術快速發展。當前磁共振成像儀主要向著高場強和低場強兩極化發展。一方面，永磁型低場MRI技術不斷提升，圖像質量和功能穩步提高；我國企業如深圳安科、北京萬東、沈陽東軟和寧波鑫高益等占有一定的市場份額；另一方面，超導MRI向著更高的場強不斷發展。世界范圍內被美國通用、荷蘭飛利浦、德國西門子和幾家日資企業所壟斷。

我國自1985年首臺MRI安裝在南方醫院后，市場需求量逐漸增大，但國內廠商主要以生產永磁型低場強磁共振為主。國內超導型磁共振主要來源于被上述幾家跨國企業所壟斷。我國醫療市場潛力巨大，對磁共振成像儀需求量大，每百萬人擁有磁共振約為5臺，僅為發達國家的十分之一。

2 醫用MRI技術成熟度的預測

2.1 預測原理

Altshuler等人通過對全球250萬件專利進行整理研究的基礎上，構建出一整套系統化的實用的發明問題解決理論（TRIZ）。該理論認為任何一項的技術均滿足圖1所示的S曲線，其中橫坐標代表時間，縱坐標代表性能，S曲線可以代表技術進化的四個周期：嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期。確定某項技術在S曲線上的具體位置稱為技術成熟度預測[6]。通過大量的專利分析發現S曲線上點的位置與專利的數量、利潤、專利等級和性能等指標存在對應相關關系，得出四條標準曲線，分別為時間-專利數量曲線、時間-獲利能力曲線，時間-專利等級曲線和時間-專利性能曲線，如圖2所示。這四條曲線也被分為四個時期，嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期。在嬰兒期階段，專利數量在上升，專利等級較高，但技術性能較低且無獲利能力；當技術發展到成長期時，專利數量經過一個低潮期緩慢增長，專利等級進一步下降，但技術性能有較大幅度提高，獲利能力初步顯現；技術進入成熟期后，專利數量和獲利能力繼續增長達到頂峰，性能也達到最優。當技術進入衰退期時，一項新技術出現，舊技術的專利數量、等級、獲利能力和性能都進入快速下降期。

利用TRIZ理論進行技術成熟度的預測就是根據當前技術的在上述四條曲線的位置，從而確定產品技術在S-曲線上的位置，判斷該產品技術的發展趨勢，為企業的研發決策提供依據。同時，為采購決策提供依據。

圖1 技術發展S曲線

圖2 技術成熟度預測曲線

2.2 建立曲線

本文數據來源于美國專利商標局的專利數據庫（USPTO Patent Full-Text And Image Database），美國專利授權數據庫包含1976年以來各種美國授權專利文獻，包括全文圖像頁、基本著錄項目、文摘和專利全文。美國是當今世界醫療強國，故專利申請也較為全面，在一定程度上可以代表世界專利申請情況，且美國專利數據庫是公開免費的，對于數據來源較為容易。通過設定關鍵詞進行檢索，關鍵詞設置為“MRI”或者“magnetic resonance imaging”，限制優先權年1976年到2014年。因為從專利的申請到公開有一段時間的延遲，故2012年后的數據不做統計。共獲得與醫用磁共振成像技術相關的專利為5391條記錄。然后通過數據篩選和清洗，去除重復記錄和無關記錄，最終得到有效記錄為4014條。

根據專利檢索出數據和通過網上收集的數據，我們建立了時間-專利數量曲線和時間-裝機量曲線，時間-裝機量曲線代表的是2005～2013年全球磁共振的裝機數量，在一定程度上可以代表醫用磁共振成像技術的獲利能力。由于檢索出的專利記錄數量巨大和醫用磁共振成像技術的復雜性，短時間內無法準確確定專利等級，其次醫用磁共振成像技術的構成原理較為復雜，無法定量地衡量專利的性能，故在本研究中沒有建立時間-專利等級曲線和時間-專利性能曲線。因此，我們將專利數和裝機量按照時間段進行統計，繪制出圖3所示的美國醫用磁共振成像技術專利數曲線和圖4所示的全球醫用磁共振專利數量曲線。

圖3 醫用磁共振成像技術領域專利數量曲線

圖4 磁共振裝機量曲線

2.3 分析曲線進行預測

從圖3的時間-專利申請數量曲線可以看出，醫用磁共振成像技術的專利數在1985年前沒有變化，數量均為0件，說明這是醫用磁共振成像技術尚處于研發階段，專利申請尚未出現。

在1985年，專利申請數量僅為2件；但是在1986年數量達到10件，1987年躍升到43件，增長的曲線斜率較大，這與磁共振成像技術的發展有很大關系，當磁共振成像技術剛應用于醫學領域時，技術新穎，受關注度高，這一時期永磁型磁體研制成功，直接促進了醫用磁共振成像技術的發展。而后在1987年到1993年間，專利申請數量較為平穩，年均在40件左右。在1993年到1999年間，專利數量變化不均，振幅較大。此后，從1999年到2009年間，磁共振成像技術的專利數量經歷了兩次快速增長期。第一次是從1999年后，專利數量直線上升，從1999年的55件上升到2003年的182件。這一時期，專利數量的大幅上漲主要是由于磁體技術的快速發展，特別是在2000年短腔大孔徑低溫超導磁體的成功研制[7]和2001年美國食品藥品監督管理局（Food and Drug Administration, FDA）批準3T磁共振進入臨床后，技術發展和政策允許直接促進了專利申請數量的大幅度提高。在2003年到2006年磁共振成像技術進入一個相對瓶頸期，專利數量相比前一個時期的快速發展具有不穩定性。從2006年開始到2010年，磁共振成像技術進入第二個快速發展時期，曲線斜率較大，該時期主要是因為各種成像技術的不斷出現，如射頻多通道發射技術，使得激發視野更為均勻，提高圖像的信噪比和減低偽影。將圖3所示的磁共振成像技術的專利曲線與圖2技術成熟度預測曲線中的專利數量標準曲線進行比較，可以看出，從1981年到1993年專利數量較少但逐步上升，醫用磁共振成像技術屬于嬰兒期，符合在嬰兒期內專利數量較少等數量逐步上升的趨勢；從1993年到現在專利數量大幅度提升但會出現波谷，對照標準曲線，可以初步判定醫用磁共振成像技術處于成長期中后期。從出現波谷來看，醫用磁共振成像技術發展潛力仍然巨大，可進一步向前發展。對于醫用核磁共振技術的獲利能力可以通過核磁共振儀的裝機量近似來替代。由于數據收集的不完整性，磁共振儀的全球裝機量只收集到1984年以及2004年到2013年的數據[8]。1984年，美國FDA批準磁共振儀應用于臨床診斷，當年的裝機量就達到65臺，增加到2004年的一萬多臺。從2004年到2013年，磁共振儀的裝機量保持穩步快速上升趨勢，且2013年的數據第一季度的數據，由此可以預測，2013年的裝機數量較上年將有大幅度提升。將圖4所示的全球磁共振裝機量曲線與圖2技術成熟度預測曲線中的時間-獲利能力曲線進行對比，1984年之前由于FDA尚未批準磁共振成像技術應用于臨床診斷以來，故沒有裝機量，這一階段對應獲利能力的嬰兒期。此后從2004年到2013年，裝機量快速增長，曲線斜率較大，因此可以初步判斷醫用磁共振成像技術處于成長期。

由上述專利數量曲線和裝機量曲線可以判斷，當前醫用磁共振成像技術仍然處于成長期階段。醫用磁共振成像技術自應用于臨床以來，發展較快。MRI在磁體技術、梯度技術、射頻線圈技術和成像技術等方面都發展很快。磁共振成像儀的主磁場強度不斷提高，從最初的0.16 T逐步提升到1.5 T，在相當長的一段時間穩定在1.5 T。在21世紀初3.0T磁共振上市，經過十余年的發展，技術逐漸成熟。而如今已出現科研用的超高場強9.4 T和11.7 T的磁共振成像儀。射頻線圈從最初的單通道線圈發展到如今配合并行采集技術的相控陣線圈，各種快速成像序列相繼出現。正因為醫用磁共振成像技術的不斷發展，預示這該技術仍然處于成長期，具有光明的前景，更多的需求被提出，如超高場的磁共振應用于人體，術中磁共振的推廣和治療型磁共振的研發等。因此根據預測結果，現有的醫用磁共振成像技術仍處于成長期，相關子技術如圖5的進化選擇過程，不斷優化現有技術，改善S曲線。

圖5 產品技術成熟度預測及決策[9]

3 結論

技術成熟的預測是對于研發和應用都具有重要的參考意義。對于技術研發者，可以準確的了解技術所處的位置，及時調整技術戰略，促進產品技術的發展。對于技術應用者來說，可以根據市場變化情況和技術發展，制定相應的技術應用策略，調整技術應用和采購策略。本文首次將技術成熟度評價預測應用于醫療技術評估方面，基于TRIZ的技術成熟度預測理論為基礎，以醫用磁共振成像技術為例，得出現階段醫用磁共振成像技術處于成長期的結論。這對于未來新興醫療技術的評估和應用具有重要的指導意義，同時對醫用磁共振成像技術行業的產品研發、企業戰略的制定、醫療技術的采購起到重要作用。

[1] 朱毅麟.技術成熟度對航天器研制進度的影響[J].航天器工程, 2009,18(2):8-13.

[2] 王秀紅,周九常.TRIZ原理在產品技術成熟度預測中的應用[J].科技進步與對策,2008,25(3):15-17.

[3] 陳華雄,歐陽進良,毛建軍,等.技術成熟度評價在國家科技計劃項目管理中的應用探討[J].科技管理研究,2012,32(16):191-195.

[4] 彭紹雄,薄延珍,李學園,等.技術成熟度評價方法在導彈武器系統中的應用[J].艦船電子工程,2011,31(8):157-159,175.

[5] 唐曉英,劉志文,劉偉峰,等.磁共振成像技術及設備發展策略[J].科技導報,2008,26(9):90-92.

[6] 張換高,趙文燕,檀潤華,等.基于專利分析的產品技術成熟度預測技術及其軟件開發[J].中國機械工程,2006,17(8):823-827.

[7] 倪萍,趙明,陳自謙,等.MR I磁體技術的發展歷程及展望[J].中國醫療設備,2013,(10):6-10.

[8] 曲音.核磁共振行業發展簡析[J].中國醫療器械信息,2014,(1): 36-39.

[9] 檀潤華.創新設計[M].北京:機械工業出版社,2002:1-2.

Prediction of MRI Technology Maturity Based on Patent Analysis

Bi Fan, Li Bin
Department of Medical Equipment, the 6thPeople’s Hospital Affiliated to Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200233, China

This paper introduced the current development of medical MRI (Magnetic Resonance Imaging) and used S-curve technology maturity in TRIZ theories to evaluate the medical MRI technology maturity. Through patent search and data analysis, two curves of Time-Number of MRI Patents and Time-Installed Capacity of MRI were established. Then a comparative analysis of these two curves and standard curves inf TRIZ was made. Consequently, the result of MRI technology maturity was achieved and provided great guiding signifi cance to the development of MRI technology.

TRIZ; magnetic resonance imaging; technology maturity; S-curve

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.05.004

1674-1633(2015)05-0014-04

2014-12-08

李斌，（教授級）高級工程師，碩士研究生導師。

通訊作者郵箱：libin2001@hotmail.com