新冠疫情防控背景下電子體溫計專利分析

王 康，檀潤華，李浩宇，孫寅迪，陳夢雨，李林卿

（1.河北工業大學機械工程學院，天津 300401；2.南開大學商學院，天津 300071；3.國家鐵路局市場監測評價中心，北京 100891)

新型冠狀病毒肺炎疫情（以下簡稱“新冠疫情”）暴發以來，疑似及確診病例人數不斷攀升，短時間內疫情對全社會都產生了巨大影響［1］。在新冠疫情防控期間，不管是居家隔離還是出入公共場所，體溫都是衡量人的健康狀況非常重要的一個指標［2］。電子體溫計是傳統水銀體溫計的升級產品，具有讀數方便、測量時間短和對環境無污染等優點［3］。在需求增加與產能不足的雙重刺激下，電子體溫計的價格大幅度上漲，雖然這種高價無法持續，但人們的健康意識和對自身防護的重視卻不會一并下降。數據顯示，2019 年中國電子體溫計的市場規模突破20 億元，預計2020 年將超26 億元［4］。電子體溫計作為一種基礎健康產品，未來的發展前景是光明的。

1 文獻綜述

國內外對于電子體溫計的相關研究從未間斷。如，金安等［5］設計了一種無線式病房體溫監測儀，可以使醫護人員能夠在不接觸患者的情況下監測患者的體溫；鄧振進等［6］以多參數監護儀連續測量電子體溫計的溫度探頭為例，規范了電阻型探頭最大能量耗散的方法；艾海明等［7］研制了耳腔式紅外體溫計的樣機，并用矯正查表法和線性回歸校準算法分別計算出溫度值和校準值，結果表明樣機與黑體標準器對比測溫具有較好的一致性；曾桂珍［8］將電路信號發振回路和數模轉換電路直接與CPU 連接完成數據采集和處理，提高了電子體溫計的測量精度；Beth 等［9］研究了呼吸頻率和冷熱飲料攝入對電子體溫計測量口腔溫度準確性的影響；John 等［10］調查發現，醫院的電子體溫計手柄上存在多種潛伏病原體污染源，這些病原體會擴散到其他類型的設備上和患者的手上，這項研究可能會推進電子體溫計生產廠商對表面抗菌材料和非接觸式測溫的進一步研發。

通過文獻梳理發現，相關文獻的研究者多為一線醫生或企業技術人員，導致研究主要集中在對某項測溫技術的具體改進或對測溫產品使用規范、使用效果的專業分析，沒有形成一個完整的電子體溫計研究脈絡，而以整個行業為對象的宏觀研究，或為收費的商業報告，或者內容簡陋、數據來源不明，不具有參考價值。上述存在的問題阻礙了想要進入電子體溫計領域的企業和設計者的腳步，更不利于非專業人員對電子體溫計的了解。專利具有全面、準確且免費開放的特點，是解決上述問題的可行工具。

專利是技術的有效載體，世界上每年發明創新成果的90%～95%能在專利數據庫中查到，且其中70%是首次公開［11］。充分挖掘專利中蘊含的信息資源，能夠助力企業進行產品研發和創新。例如，閆洪波等［12-14］將技術情報與專利分析相結合，總結了第五代移動通信（5G）、磁制冷、稀土拋光材料等技術的發展歷程，為接下來的產品研發奠定了理論基礎；謝黎等［15］提出的專利地圖三維分析模型，綜合考慮了地理位置、相對位置和虛擬空間位置這3 類因素，并以智能制造產業和生物醫藥產業為例，對提出的模型進行了實證研究；Ji 等［16］以專利作為技術信息來源，分析了中日韓3 國15 家建筑企業，評估了它們的競爭力及發展戰略；Hendrix［17］利用世界知識產權組織的Innography 軟件分析了1 747 份專利文獻，旨在為標準化食品罐裝技術的未來發展提供參考與建議。專利分析的作用已經在上述領域得到了充分驗證，但針對電子體溫計專利方面的研究較少，因此本研究在總結前人專利分析方法的基礎上，根據電子體溫計的技術特點對其進行全面的專利分析。

2 專利檢索

專利檢索是指從專利數據庫中獲取與技術主題相關文檔的過程，是專利分析的基礎。首先要選定數據庫，包括各個國家專利局的免費數據庫和經過二次開發的商業數據庫。本研究選擇智慧芽專利數據庫，該數據庫有9 種便捷的檢索方式，能幫助用戶從116 個國家和地區的超過1.4 億件專利數據中快速找到準確信息。

其次是設置檢索條件，構建完整的檢索式。本研究在前期準備中發現日本企業在這一領域扮演著重要的角色，因此以電子體溫計的中文、英文和日文名稱作為關鍵詞，選擇搜索字段為“標題/摘要/權利要求”，設置每組簡單同族只顯示一個專利代表，同時打開機器翻譯選項，擴大檢索覆蓋范圍。

最后對檢索結果進行數據處理，一般是進行查全查準驗證。查全率是指被檢出的相關文獻數占相關文獻總數的百分比，查準率則是指被檢出的相關文獻數占被檢出文獻總數的百分比［18］。查全查準這兩項工作會經歷“驗證—調整—再驗證”的重復過程，直至檢索結果符合預期要求［19］。本研究主要采用人工閱讀標引的方法，對初始數據進行篩選，經過3 輪修正，最終保留專利2 613 件。

本次專利檢索時間為2020 年6 月，由于大多數國家和地區的專利從申請到授權公開有18 個月的緩沖期，會造成2019 年與2020 年的專利數據不準確。

3 專利分析

3.1 申請狀況

全球電子體溫計專利類型構成如圖1 所示，發明專利占據近一半（48.76%）。分析這些專利隨著時間的變化可以發現，基礎型專利在減少，而應用型專利在增多，這說明技術研發陷入瓶頸期；外觀專利雖然不改變產品的內部結構，但能夠在很大程度上影響消費者的購買決定，因此雖然外觀專利的占比較少（16.38%），也應當重點考慮。

圖1 截至2020 年6 月全球電子體溫計專利類型構成

另外，還發現電子體溫計的專利存在大量失效的情況（見圖2）。這些失效的專利雖然不再被專利法保護，卻仍可以提供龐大的技術信息，利用這些信息能夠有效地縮短企業設計新產品的周期，同時避免有關研發的重復工作和浪費研發資源。

圖2 截至2020 年6 月全球電子體溫計專利法律狀態分布

如圖3 所示，2000—2020 年的全球電子體溫計專利申請趨勢可以大致分為兩個階段：穩定發展期(2000—2008 年)，年均專利申請量維持在40 件左右，且波動不大。此時水銀溫度計仍是中國市場主流產品，企業研發電子體溫計的動力不足。快速增長期(2009—2018 年)，專利申請量大幅度增加。2016 年申請數量高達144件，約為穩定期年均申請量的3倍。2013 年，連同中國在內的92 個國家和地區共同簽署了具有法律約束力的《水俁公約》，大量資本開始進入中國電子體溫計行業。2019 年和2020 年的數據雖然不全，但是可以合理預測的是，由于新冠疫情的影響，電子體溫計的專利申請數量會迎來一個新的高峰。

圖3 全球電子體溫計專利申請趨勢

國際專利分類（IPC）是全球統一的發明和實用新型專利分類與檢索標準，分為部、大類、小類、大組和小組5 級層次。如圖4 所示，電子體溫計專利的IPC 號主要集中在G 部（物理），另外一小部分為A 部（人類生活必需）。（1）G01K7/00表示以利用直接對熱敏感的電或磁性元件為基礎的溫度測量。以中國專利CN106644148B 為例，其利用電路內部電壓的比值，得到熱敏電阻所處環境的溫度［20］。（2）A61B5/01 表示測量某些身體部位的溫度。以美國專利 US7314310 為例，通過加裝單獨的距離傳感器，探針尖端的溫度可以預先升高到正常的人體溫度，使得測溫環節能夠更快進行［21］。（3）A61B5/00 表示用于診斷目的的測量。以日本專利JP2011136105A 為例，強調了在醫療過程中獲取患者包括體溫在內的生物信息［22］。（4）G01K13/00 表示適用于特殊目的的溫度計。以中國專利CN103119409A 為例，其創新點在于抑制了電子體溫計組裝時溫度感測器引線的彎曲及方向偏差，降低成本且熱感應更快［23］。其他分類號的相關專利總數較少，此處不做具體展開。

圖4 截至2020 年6 月全球電子體溫計專利按IPC 分類構成

3.2 地域分布

從國際和國內兩個角度分析電子體溫計專利的地域分布，由圖5 可見，日本和中國在數量上與其他國家拉開了明顯差距，但兩者的定位并不相同。日本是電子體溫計乃至各類數碼產品的傳統研發強國，擁有領先世界的高新技術產業鏈，在日本受理的電子體溫計專利，基本是由其本國企業申請。

圖5 截至2020 年6 月全球電子體溫計專利數量的地域分布

由圖6 可見，全球電子體溫計專利申請量前十的企業中，除第8 名為中國企業，其余均來自日本，尤其是排在前兩位的オムロン（歐姆龍）株式會社和テルモ（泰爾茂）株式會社是電子體溫計領域所有企業在進行專利申請、布局與規避時都無法忽視的存在。中國對電子體溫計的研究起步晚，雖然相關專利數量的增長速度較快，但申請主體相對分散，部分中小企業沒有自己的核心技術，只能進行貼牌加工。在中國受理的電子體溫計專利，還有大量日本企業的申請，這些專利在母國首次申請后，利用優先權規則在中國再次申請，目標是開拓中國廣闊的消費市場。因此，日本的定位是專利輸出國，中國的定位是專利市場國。

圖6 截至2020 年6 月全球電子體溫計專利數量的主要企業分布

中國電子體溫計專利申請量前兩名的地區分別為廣東和浙江（見圖7），其專利申請量占到國內電子體溫計專利總量的三成以上（35.41%），而這兩個省份又長期是國內生產總值（GDP）的前5 名。這說明經濟發展與專利申請是互相促進的，擁有專利能夠使企業更具市場競爭力，從而取得商業上的成功；反過來，企業有更多的資金投入技術研發，最終體現在專利申請數量上。

圖7 截至2020 年6 月中國電子體溫計專利數量的主要地區分布

3.3 元件構成

在專利數據庫中，最早且具有完整技術信息的電子體溫計專利是1965 年在美國申請的，專利號為US3402378［24］。如圖8 所示，該電子體溫計包括裝有電路的方形本體及可拆卸的細長探針，探針的尖端嵌有熱敏電阻，測量時將其放入體腔后，本體上會顯示讀數。該型電子體溫計雖然外形笨重，但已經具備現有產品的基本要素。

圖8 專利US3402378 的結構示意

而中國第一個電子體溫計專利在1987 年才出現，專利號為CN87208357［25］。如圖9 所示，相較于國外同類產品，中國電子體溫計的改進之處是多了加熱電路，預熱使得探頭溫度與被測溫度接近，因此在測溫時能大幅縮短等待時間。

圖9 專利CN87208357 的結構示意

經過多年發展，電子體溫計衍生出大量型號。如圖10 所示，電子體溫計可劃分為內外兩大部分：內部包括測溫元件、電路板和能源模塊，主要發展方向是提高測溫精度且縮短測量時間；外部包括交互模塊和外殼，主要目標是吸引用戶購買且方便用戶使用。

圖10 電子體溫計元件構成

其中，測溫元件可分為兩大類：熱敏電阻與紅外傳感器。采用熱敏電阻元件的電子體溫計屬于接觸式測溫，它的工作原理是半導體的電阻值隨著溫度的升高而急劇減小，通過測量熱敏電阻阻值的變化便可得知被測對象的溫度變化［26］。上述國內外最早的兩件電子體溫計專利都是采用這種技術。在熱敏電阻之后，陸續有專利申請提出還可以利用精度更高的熱電偶、兼具熱敏電阻和熱電偶兩者優勢的半導體PN 結溫度探頭、模塊化便于使用的集成式溫度傳感器芯片等作為電子體溫計的溫度傳感器［27］。如圖11 所示，專利號為CN102106724B 的電子體溫計采用了PN 結元件作為傳感器，將溫度值轉換為電壓值，通過多組同時測量再校正的方式提高測溫精度［28］。

圖11 專利CN102106724B 的結構示意

使用紅外傳感器元件的電子體溫計屬于非接觸式測溫，它的工作原理是普朗克黑體輻射定律，通過測量物體輻射能量的大小及其按波長的分布規律，便能確定對象的表面溫度［29］。如圖12 所示，專利號為CN203195668U 的電子體溫計具有耳朵測溫和額頭測溫兩種模式［30］，人體不同位置的標準溫度存在差異，這種電子體溫計能在感應人體不同位置后自動切換測溫模式。非接觸式測溫能避免由于未能及時對體溫計消毒而造成的交叉感染，適用于在大范圍人群中對發熱患者進行排查［31］。但是紅外傳感器的成本相對較高，且非接觸式測溫的測量精度也容易受到外界環境的干擾［32］。因此，如何消除或補償環境因素的影響是非接觸式測溫未來的研究重點。

圖12 專利CN203195668U 的結構示意

電子體溫計原有的電路板上主要是數模轉換（A/D）、放大、濾波等類型電路，完成基本的測溫功能，隨著用戶需求的增加，電子體溫計電路板上增加了存儲模塊、通信模塊和預測算法。存儲模塊的作用是記錄體溫數據，便于用戶進行比較或醫生了解患者長期健康狀況，如專利號為JP2011062322A的電子體溫計針對女性用戶，增加了記錄生理周期的功能［33］。通信模塊的作用是與其他智能設備進行相互，交互方式包括藍牙、Wi-Fi、4G/5G 信號等，如專利號為CN205268152U 的電子體溫計構建了一個健康檢測系統，能同時收集血壓、心電、體溫和體脂等數據并通過藍牙進行無線傳輸［34］。預測算法的作用是利用提前設置好的程序模擬出長時間測量的效果，進而縮短實際的測量時間，如專利號為CN107887021A 的電子體溫計利用BP 神經網絡模型減小預測誤差［35］，實現了對腋下體溫的快速測量。電子體溫計內部的能源模塊雖然對測量結果沒有直接的影響，但也十分重要，如圖13 所示，專利號為CN210426813U 的電子體溫計設有磁吸充電頭［36］，不需要更換一次性電池，對環境更加友好，而且與手機類似，這種一體化設計能夠讓電子體溫計具有防水的效果。

圖13 專利CN210426813U 的結構示意

互模塊的作用是輸入用戶的操作并將體溫數據輸出，主要包括屏幕、按鍵和發聲裝置三部分。電子體溫計最早是黑白色小屏，后來加入了背光可以在夜間使用，如專利號為CN106137143A 的電子體溫計使用更大尺寸的LED 點陣觸摸屏［37］，兼具了按鍵的功能。電子體溫計的發聲裝置一開始只能發出不同音量的蜂鳴聲提示用戶，專利號為CN203107105U 的電子體溫計可以對體溫進行實時語音播報［38］，極大地方便了視力不好的老年人和視覺障礙群體。外殼是電子體溫計內體積最大的元件，可以從形狀和材料兩方面進行描述。現有電子體溫計的外殼主流是硬質棒式，另外還有軟質式、分體式和便攜式，以滿足不同情況的需要，如圖14 所示，專利號為CN104799833A 的電子體溫計被設計成奶嘴的形狀，奶嘴頭所用材料為醫用導熱硅膠，奶嘴頭內表面緊密貼合測溫探頭［39］，這一電子體溫計讓嬰幼兒容易接受測溫，從而獲得更準確的體溫數據。此外，電子體溫計的材料也從普通的塑料變為更加親膚和多功能的材質，如專利號為CN108955894A的電子體溫計在外殼上使用了銀離子殺菌材料［40］，能防止接觸性皮膚交叉細菌感染。

圖14 專利CN104799833A 的結構示意

3.4 高價值專利

企業產品的核心技術體現在其所擁有的高價值專利上，但目前學術界對專利的“高價值”還沒有統一的界定。智慧芽專利數據庫能夠根據專利的被引用次數、家族規模、權利要求數量和訴訟次數等指標數據給出檢索專利的價值排名［41］，但僅從各種統計指標的角度判斷專利價值是片面的，因為專利本質上是技術知識的集合。本研究基于電子體溫計元件構成，對部分高排名電子體溫計專利進行技術層面的分析，具體的評價標準是在專利文檔中元件方面有一處改進加1 分，改進的層次每深入一層額外加1 分，例如，由熱敏電阻改用熱電偶的專利加1 分、使用PN 節元件的專利加2 分，分數由6名評審獨立給出，依照少數服從多數的原則處理分歧，最終得到技術得分與排名，最后利用兩次排名求算術平方根，結果越小的專利更能被稱作高價值專利。限于篇幅，表1 只展示了排名前十專利重新分析后的結果，整體上保持了原有順序，其中專利EP1857798A1 和CA2448409C 的申請時間較早，可能是導致其技術得分不高的原因。這些高價值專利代表雖然申請地域分布廣泛，但大多屬于老牌企業所擁有且基本為基礎型研究專利，權利轉移的比例較高，從側面印證了它們的價值，值得重點關注與研究。

表1 截至2020 年6 月全球前十高價值電子體溫計專利排名

3.5 專利布局

專利布局的前提是對未來情況的合理預測，本研究采用兩種方法綜合分析。一是三維專利地圖，是結合專利文獻中高頻詞和IPC 號自動生成的可視化分析圖［42］，其優點是可以在短時間內分析最多兩萬件專利。如圖15 所示，電子體溫計專利地圖中曲線為類似普通地圖中的等高線，表示專利數量一致的區域；波峰代表專利密集區，波峰越高表示該技術分支越熱門；波谷代表技術空白點，是新晉企業可以“彎道超車”的領域。從圖15 可以看出，電子體溫計專利申請的方向較為集中，可分為六大區域：溫度傳感器、射頻芯片、一次性使用、醫療系統、電池和數字顯示。

圖15 截至2020 年6 月全球電子體溫計專利地圖

二是技術功效矩陣，是一種借助于專家經驗的定性分析方法，可以深入挖掘專利信息中技術與功能間的關系，由此發現所謂“專利雷區”和“專利空白區”，找到研發的風險和機會。圖16 展示了電子體溫計專利價值前100 位的專利分析結果，其中橫軸表示各技術手段，縱軸表示各技術手段能夠實現的功能效果［43］。對于電子體溫計而言，提高測量精度和減少測量時間仍是最根本的要求，需要硬件和軟件相結合進行改進；還有一些功效是為了滿足個性化需求或特殊場景，比如低成本、避免傳染、提醒報警和數據傳輸等，可以通過改變外形或加裝子模塊的方式實現。

圖16 截至2020 年6 月全球電子體溫計技術功效矩陣

4 結論與建議

電子體溫計在疫情防控過程中扮演了重要的角色，通過對電子體溫計專利檢索與分析，本研究得到以下結論：（1）在保證測量精度的基礎上應提高對電子體溫計外觀專利的重視，而過期的高價值專利是產品研發技術信息的重要來源。（2）隨著民眾健康意識的增加和國家醫療保健新政的實施，電子體溫計的專利申請數量會繼續穩步上升，新冠疫情發生是電子體溫計產品更新換代的契機，相關專利申請可能會產生一次高峰。（3）中國和日本在電子體溫計專利申請數量上遙遙領先，但日本技術優勢明顯，是專利輸出國；中國起步較晚，雖然增長迅速，但目前仍是專利市場國。（4）以歐姆龍和泰爾茂為代表的日本企業在電子體溫計領域占據支配地位，這些企業既是中國要重點監控和研究的對手，也是中國在進行相關人才引進和技術合作時的優先選擇。（5）在基本元件構成已定型的情況下，電子體溫計新產品開發時更需要針對目標群體進行細分設計。（6）雖然高價值專利還沒有統一的標準，但可以根據研發的需要有側重地進行判斷，高價值專利一般是技術發展的新階段或細分領域的開辟者，但在進行專利布局時要避免出現侵權的情況。

基于電子體溫計的專利布局分析，本研究認為未來應當向智能化的方向發展，例如能隨時掌握身體狀況的穿戴式體溫設備，使之成為整個大健康產業鏈中的一環。為實現這一目標，企業需要有計劃地培養或引入技術人才作為研發核心，注重企業內部的技術合作與適度競爭；保持科研經費在總支出中的合理占比，建立一個穩定持續的產品研發基地；同時關注對知識產權的保護，安排專人處理有關專利申請、專利布局、專利侵權和專利失效的事務，避免企業無形資產的損失。政府應提高科研項目立項與結項時的審核標準，在最大程度上避免為獲取科研經費而申請低價值專利的狀況出現；此外，建立科學的評價指標體系以取代過去以數量為考核標準的企業創新評價體系，把好專利研發質量關，引導企業減少不必要的專利申請，以提升專利整體質量，為建設專利強國保駕護航。

對于專利分析而言，雖然已有大量輔助工具，但目前仍以人工為主導，在保持主觀分析與客觀數據平衡的基礎上，未來可行的研究方向主要有3 個方面：首先，自然語言處理（NLP）的深入應用，特別是針對專利文獻語言的特點進行優化，讓程序具有類似專利代理、專利審查員思維的文檔處理方式；其次，統一高價值專利的標準，避免對“腰部”專利的判斷出現分歧，讓企業聚焦于真正的核心技術；最后，專利分析和以TRIZ 為代表的設計方法都基于專利文獻，讓兩者進行跨領域結合，能夠獲得更可信的分析結果與更創新的設計方案。