基于专利的全球高端磁共振成像发展现状分析

马滢雪，蒿巧利，赵晏强

1. 中国科学院武汉文献情报中心 科技大数据湖北省重点实验室，湖北 武汉 430071；2. 中国科学院大学 经济与管理学院信息资源管理系，湖北 武汉 430071

引言

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）技术最早起源于1946 年美国物理学家Felix Bloch 和Edward Purcell 几乎同时发现的核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）现象[1]。最初，因MRI 条件苛刻、耗时长等缺点，导致其应用受到限制。直到1968 年Richard R. Ernst 团队改进激发脉冲序列和分析算法，MRI 的灵敏度和成像速度大大提升，该技术才逐渐迈向成熟[2]。美国化学家Paul C. Lauterbur 和英国物理学家Peter Mansfield 于1973 年搭建了最初的MRI 系统[3]，并对充满液体的物体进行了成像，得到了著名的“诺丁汉的橙子”磁共振图像，该技术由此进入医学成像领域。1983 年，美苏核危机愈演愈烈，美国放射学会推荐将核磁共振改为磁共振。1984 年，FONAR 公司首次获得MRI 设备的美国食品药品监督管理局许可证，从此MRI设备走向商业化。随后，美国通用电气、荷兰飞利浦、德国西门子等国际医疗设备厂家纷纷推出了各自的MRI产品，MRI 逐渐成为重要的医疗诊断设备之一。

从诞生至今，MRI 在成像方法和硬件系统上均得到快速发展，成为无创获取生物组织形态、功能以及代谢等多种信息的强有力的医学影像手段[4-5]。但MRI 自身也存在局限性，其中最重要的问题是信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）[6]。MRI 图像的SNR 和频谱分辨力随着外磁场强度的增强而增强[7-8]。因此，MRI 目前朝着更高的磁场强度不断发展[9]。现在通常把磁场强度不低于3 T 的MRI 设备列为高端设备，磁场强度不低于7 T的列为超高端设备。除了提高磁场强度，另外一种广泛应用的提高SNR 的方法是超极化[10]。超极化技术打破了原子核塞曼作用的热平衡状态，使原子核极化有数量级的提升，从而大幅度提高MRI 的灵敏度[11]。SNR 的提高，使MRI 快速成像成为可能。基于深度学习的图像重建方法具有信号恢复质量高、重建速度快的优点，在超快速MRI 领域表现出优异的性能，成为最新研究热点[12]。另外，SNR 的提高，可实现非质子核（也称X 核）成像13，例如，13C、17O、23Na、31P 等元素的检测，可更精准体现出人体内代谢方面的信息[14-15]。近年来，人工智能（Artificial Intelligence，AI）、大数据、深度学习等技术的不断融入[16-17]，加速了MRI 成像速度，并提升成像质量。多模态一体化也是目前临床诊断的一大发展趋势，PET/MRI 一体化可将精细的解剖结构和代谢分布准确对位，从而实现解剖结构和功能成像上的精准诊断[18-19]。

在临床医学和生命科学应用需求的牵引下，MRI 设备与技术一直朝着“更高、更快、更强”的方向不断发展。高分辨、超快速、多功能等高端MRI 技术的发展已成为前沿科学研究和临床快速精准诊断的关键。本文跟踪国内外科研界及企业主要研究方向，将高端MRI 归纳总结为以下几个方向，即超高场MRI、以超极化技术为主的超灵敏MRI、利用深度学习进行数据后处理的超快速MRI、多核MRI、搭载人工智能的AI+ MRI，以及多模态成像系统一体化的PET/MRI 技术6 个技术方向。

1 全球高端MRI的专利分析

利用incoPat 对全球高端MRI 专利情况进行分析，利用检索式TIAB=（磁共振成像 OR Magnetic Resonan*Imag* OR MRI OR 核磁成像OR 磁共振谱仪OR 核磁谱仪OR NMR spectr* OR Magnetic Resonan* spectr*） AND（高场OR High field OR 超导OR Superconduct* OR 3.0 T OR 4.0 T OR 4.7 T OR 5.0 T OR 7.0 T OR 9.0 T OR 9.4 T OR 10 T OR 11.7 T OR 12 T OR 14 T OR 24 T OR 30 T OR 深度学习OR Deep Learn* OR 人工智能OR AI OR artificial intelligen* OR 大数据OR big data OR 机器学习OR machine learn* OR 数字科技OR Digital Technology OR 云计算OR cloud comput* OR 超极化OR hyper polariz* OR hyperpolariz* OR 多核OR Multi nucle* OR Multinucle* OR 双核OR Double Nucle* OR dual-nucle*OR 异核OR Hetero nucle* OR Hetero nucle* OR pet OR Positron Emission Tomograph*）进行检索，专利申请日设置为2013—2022 年，经数据清洗后，共检索到相关专利申请6087 件。

1.1 主要国家专利申请数量对比分析

图1 为全球高端MRI 主要国家的专利数量对比，全球高端MRI 专利数量申请最多的国家是中国，为1949 件，全球占比32%；其次是美国，为1202 件，全球占比20%；日本为1043件，全球占比17%；荷兰为365件，全球占比6%。

图1 主要国家高端磁共振成像专利申请数量对比（件）

申请数量的优势说明中国对高端MRI 研究的重视，相关医学影像设备的制造商及科研部门也在国家的政策指引和市场的召唤下，投入大量资金，一边学习国外的先进管理经验，一边进行自主研发。另一方面，从国内专利申请人来看，飞利浦、西门子、日立公司、通用电气、东芝等国外影像巨头在中国的专利申请量均排在前二十行列，见表1。这是由于中国作为高端MRI 的进口大国，市场需求极大，国外的高端MRI 巨头纷纷在将产品出口中国的同时，也通过在中国申请专利来遏制中国企业的仿制。

表1 在中国申请专利的机构或公司TOP 20排名

1.2 主要国家专利质量对比分析

专利授权量是指专利申请量中最终得到专利授权的部分，专利授权率在一定程度上可反映专利申请的质量。对主要国家的专利进行分析，见表2，在专利申请数量上，我国占优势，排名第一，但在专利授权方面，我国专利申请授权率略低，约为53.82%。而英国专利申请量排名第七，授权率却高达84.17%；韩国专利申请量排名第六，授权率高达67.11%；俄罗斯专利申请量排名第十，授权率高达65.63%；日本专利申请量排名第三，授权率为63.95%。这说明英国、韩国、俄罗斯、日本等国家专利申请的整体质量较高，具有一定的技术含量或价值。

表2 主要国家专利申请数量、授权数量及授权率对比分析

2 细分研究方向的专利申请分析

为研究高端MRI 六大技术方向的专利申请情况，本文统计了2013—2022 年的专利，并对其进行分析。由于深度学习和AI 很难进行分割，所以将两类进行合并分析。高端MRI 各个研究方向的专利申请数量占比前三的分别是：超高场（51%）、PET/MRI（21%）、深度学习及AI（19%），超极化和多核研究较少，分别占比5%和4%。下面分别对各个研究方向进行详细分析。

2.1 超高场MRI

MRI 的SNR 和主磁场强成正比，对于MRI 设备，一般都追求高场强，所以全球超高场MRI 的起步较早，研究最多。比较分析2013—2022 年全球超高场MRI 主要国家的专利申请数量，中国的申请数量最多，高达975 件，其次是日本（831 件）和美国（367 件）。

如图2 所示，对全球超高场MRI 的专利申请的主要机构进行分析，日立公司申请数量最多，共计517 件，其次是飞利浦（158 件）和西门子（138 件）。中科院的申请量为107 件，排名第五，中国的联影医疗、复旦大学的专利申请量也在全球TOP 10。中科院系统中，申请量最多的分别是电工研究所（36%）和深圳先进技术研究院（13%）。电工研究所的王秋良院士长期致力于高磁场超导磁体科学研究，2019 年，王秋良团队成功研制出世界最高磁场的超导磁体，中心磁场高达32.35 T[20]。

图2 全球主要机构超高场MRI专利申请情况

从专利申请数量上分析，在超高场MRI 领域，中国的专利主要集中在中科院研究所和高校，公司的占比很少。而日本、德国和荷兰专利比较集中，主要分布在领先的影像公司中，比如日立、飞利浦、西门子。

将专利按国际专利分类表进行区分，从超高场MRI专利申请的技术构成分析，日立公司专利技术主要分布在A61B5（用于诊断目的的测量），占比63%，其次是G01R33（测量磁变量的装置或仪器），占比19%；从技术功效分析，日立公司关注的热点是频率提高、效率提高和精度提高。飞利浦专利技术主要分布在G01R33，占比52%，其次是H01F6（超导磁体、超导线圈），占比16%；从技术功效分析，飞利浦专利关注的热点是可控性、可靠性提高和复杂性降低。西门子专利技术主要分布在G01R33，占比58%，其次是H01F6，占比28%；西门子专利关注的热点是复杂性降低、成本降低和确定性提高。中科院专利技术主要分布在A61B5，占比62%，其次是G01R33，占比30%；从技术功效分析，中科院专利关注的热点是应用范围广、实时性提高和便利性提高。

2.2 深度学习及AI的MRI

基于大数据、深度学习及AI 的MRI 是近年来的新兴方向，也是研究的热点，从2017 年开始，全球专利申请量迅猛增长。中国紧跟世界MRI 的研究趋势，国家层面比较重视，也相继推出了许多科技政策，比如工业和信息化部等十部门联合印发《“十四五”医疗装备产业发展规划》[21]中强调“推动医疗装备智能化、精准化、网络化发展”；国家基金委发布《“十四五”发展规划》[22]，优先发展智能化医疗的基础理论与关键技术领域，重点研究“基于人工智能的医学影像、病理、分子特征一体化识别，大数据风险防控等”。

2013—2022 年，全球基于深度学习及AI 的MRI研究中，中国的专利申请量最多，高达434 件，其次是美国（270 件）和韩国（111 件）。

如图3 所示，从专利申请数量上，对全球基于深度学习及AI 的MRI 专利申请的主要机构进行分析，排名前三的分别是西门子（76 件）、飞利浦（60 件）和中科院深圳先进技术研究院（31 件）。中国的复旦大学、浙江大学和厦门大学也位于全球前十的行列。中科院深圳先进技术研究院的专利主要来自郑海荣、刘新和梁栋等团队，这些团队在MRI 信号及图像处理领域具有突出成就。

图3 全球主要机构深度学习及AI的MRI专利申请情况

中国基于深度学习及AI 的MRI 的专利主要分布在中科院深圳先进技术研究院及各大高校中，国内企业专利申请量很少。德国和荷兰专利申请比较集中，主要在西门子和飞利浦这两个MRI 巨头公司中，表明西门子和飞利浦等全球领先的磁共振影像公司，具有强大的科技研发实力。

从专利技术构成分析，西门子专利技术主要分布在G06T7（图像分析），占比27%，其次是G06T5（图像的增强或者复原），均占比20%；从技术功效分析，西门子关注的热点是速度提高、编辑提高和猜测。飞利浦专利技术主要分布在G06T5 和G01R33，分别占比20%，其次是G16H40[专门用于安排或管理医疗保健资源或设施的信息与通信技术（Information and Communications Technology，ICT）；专门用于经营或运行医疗设备或装置的ICT]，占比16%；从技术功效分析，飞利浦关注的热点是自动化提高、质量提高和准确性提高。中科院深圳先进技术研究院专利技术主要分布在G06T11（二维图像的生成），占比26%，其次是G06N3（基于生物学模型的计算机系统），占比20%；从技术功效分析，中科院深圳先进技术研究院关注的热点是精度提高、效率提高和时间降低。

2.3 超极化MRI

超极化MRI 的研究在高端MRI 中的占比虽不高，但是其灵敏度高，可获得常规MRI 无法获得的一些信息，是常规MRI 技术应用的重要补充。对2013—2022 年全球超极化MRI 的专利申请量进行分析，各国申请量最多的是美国，共计89 件，其次是中国（64 件）和意大利（31 件）。

如图4 所示，从专利申请数量上，对全球超极化MRI 专利申请的主要机构进行分析，中科院的申请数量最多，共计39 件，其次是伯拉考公司和通用电气，均为29 件。中科院的专利申请主要集中在中科院精密测量科学及技术创新研究院（简称“中科院精密测量院”），占比92%。中科院精密测量院的周欣研究员致力于超灵敏MRI 的研究，其研究团队开发的超极化气体MRI，成功“点亮”肺部，解决了传统MRI 对肺部空腔无法清晰成像的难题[23]。

图4 全球主要机构超极化MRI专利申请情况

中科院超极化MRI 专利申请排名全球首位，超过了MRI 的“三巨头”企业——飞利浦、通用电气和西门子。我国的超极化MRI 的专利主要集中在中科院，国内MRI 企业可通过和中科院研究机构合作，强势互补，争取将超极化MRI 上的专利技术优势，转化为高端的MRI 设备，成为我国的优势产业。

从专利技术构成分析，中科院专利技术主要分布在G01R33，占比36%，其次是A61B5，占比29%；从技术功效分析，中科院关注的热点是便利性提高、复杂性降低和速度提高。伯拉考公司专利技术主要分布在A61K49（体内试验用的配制品），占比50%，其次是A61B5，占比19%；从技术功效分析，伯拉考公司关注的热点是便利性提高、精确性提高和应答。通用电气主要分布在G01R33，占比33%，其次是A61B5，占比29%；从技术功效分析，通用电气关注的热点是便利性提高、成像时间和对比度。

2.4 多核MRI

多核MRI 虽在高端MRI 中的占比较少，但却是一个重要的研究方向。2013—2022 年，全球多核MRI 的专利申请数量最多的是中国，高达104 件，远远超过排名第二的美国（42 件）和第三的日本（31 件)。

如图5 所示，从专利申请数量上，对全球多核MRI专利申请的机构进行分析，飞利浦位居第一，申请量总计37 件，其次是中科院（33 件）和哈尔滨医科大学（18 件）。中科院系统中，占比最多的是中科院精密测量院（55%），其次是深圳先进技术研究院（24%）。中科院精密测量院的周欣，深圳先进技术研究院的郑海荣、刘新等在多核MRI 研究上有突出成就。另外，哈尔滨医科大学的申宝忠在该领域也有显著成就[24-25]。

图5 全球主要机构多核MRI像专利申请情况

中国多核MRI 研究的专利主要分布在中科院和哈尔滨医科大学，国内企业专利占比很少，而飞利浦在多核MRI 领域处于世界领先地位。

从专利技术构成分析，飞利浦专利技术主要分布在G01R33，占比40%，其次是A61B5，占比21%；从技术功效分析，飞利浦关注的热点是灵敏度提高、校正和速度提高。中科院专利技术主要分布在A61K49，占比45%，其次是G01R33，占比10%；从技术功效分析，中科院关注的热点是复杂性降低、成本降低和稳定性提高。哈尔滨医科大学专利技术主要分布在A61B5，占比50%，其次是G01R33，占比45%；从技术功效分析，哈尔滨医科大学关注的热点是效率提高、鉴别和精准性提高。

2.5 PET/MRI一体化MRI

对2013—2022 年PET/MRI 专利申请的全球情况进行分析，美国申请量最多，共计415 件，其次是中国（262 件）和荷兰（122 件）。

如图6 所示，对全球PET/MRI 专利申请的主要机构进行分析，飞利浦的专利申请量最多，共计125 件。排名第二和第三的分别是西门子（57 件）和东芝（41 件）。通用电气（23 件）排名第六，联影医疗（14 件）排名第九。

图6 全球主要机构PET/MRI一体化MRI专利申请情况图

我国机构在该领域的专利申请处于劣势，没有特别突出的研究机构和公司，多为西门子和飞利浦等影像巨头在我国国内申请的专利，我国整体研发实力比较薄弱。

从专利技术构成分析，飞利浦专利技术主要分布在G01R33，占比38%，其次是G01T1（X 射线辐射、γ 射线辐射、微粒子辐射或宇宙线辐射的测量），占比29%；从技术功效分析，飞利浦关注的热点是确定性提高、复杂性降低和准确性提高。西门子专利技术主要分布在A61B5，占比37%，其次是A61B6（用于放射诊断的仪器），占比32%；从技术功效分析，西门子关注的热点是复杂性降低、速度提高和适应性提高。东芝专利技术主要分布在G01R33，占比42%，其次是G01T1，占比40%；从技术功效分析，东芝关注的热点是遮蔽、频率提高和画质提高。

综上分析，我国在超极化、多核、深度学习及AI、超高场MRI 领域的专利申请排名靠前，而在PET/MRI一体化领域技术比较薄弱。

整体上，我国在高端MRI 领域的专利申请数量上占优势。但是，中国的专利主要集中在中科院及一些高校中，没有特别突出的公司企业。而飞利浦和西门子等领先的影像公司，在高端MRI 领域上的专利申请排名均靠前。这说明这些影像巨头公司具有强大的技术研发实力，而中国的公司企业整体技术研发实力不强。

中科院作为中国高端MRI 专利申请的主力军，2013—2022 年共申请专利221 件，仅转让21 件，其中转让给科研院所17 件、企业4 件。中科院转让的专利均为发明专利，其中约50%转让专利来自中科院精密测量院，其次是中科院自动化所和大连化学物理研究所。转让的专利主要涉及超极化MRI 方法、超极化气体发生及自主呼吸等装置、肺部射频线圈，以及基于卷积神经网络的脑肿瘤分割方法、MRI 重建方法、斑块识别方法、超导磁体等技术。而主要进行专利申请的高校复旦大学（申请42 件）、厦门大学（申请40 件），均没有专利转化。

因此，国内企业应加大力度建立自己的技术研发团队，增强核心竞争力。同时，加强与国内的科研院所和高校合作，将国家科研项目应用到产业中，形成优势互补，有效利用资源。另外，中科院及高校要重视自身科学技术成果转化问题。

这里值得一提的是联影医疗，虽然与飞利浦、西门子和通用电气相比，还有很大的差距，起步较晚，但发展势头很猛。联影医疗也在和中科院精密测量院、深圳先进技术研究院和复旦大学等研究机构和高校加强合作，增强自身的核心科技竞争力。

国内企业间也应该加强横向联系，构建企业知识产权联盟，交叉许可专利，共享专利权等，将各家积累的技术优势和生产能力结合起来，共同提高行业的整体竞争力，进而提升国内企业在高端医疗影像市场中的话语权。

3 讨论与结论

3.1 推动我国高端MRI研发的建议

3.1.1 产学研相结合

科研机构是技术创新的源头，而商业公司是科研成果的应用出口，是提出仪器研制需求的来源。科研机构与商业公司的密切合作，有利于科研成果顺利转化为产品，并且有利于科学家根据市场需求提出新的研究方向。

3.1.2 相关产业通力合作

磁共振仪器是高精尖的科学仪器，产业链很长，磁共振国产化水平依赖于产业链上下游多个环节。因此，打破国外技术封锁，实现高端磁共振仪器的国产化，需要国内相关产业的同仁共同提高、通力合作。

3.1.3 政策支持国内品牌

由于磁共振技术复杂、资金投入大、研制周期长、国内技术起步较晚等因素，导致国内磁共振仪器需要投入大量资金用于技术研发，且研制的产品要面对国际知名厂商先进产品的竞争，容易出现销售难、收益少、企业陷入常年亏损的困境。建议国家政府对磁共振公司在融资和政策上给予大力扶持，帮助仪器研发初创公司渡过难关。

3.1.4 重视人才培养

中科院等科研院所和各高校是培养磁共振技术研发人才的摇篮。面对目前的科研评价机制，技术研发人员面临许多难题。例如，论文发表数量少、影响因子不高，这些因素阻碍了技术研发人员的职称晋升和待遇提高，从而导致技术研发人员不断流失，阻碍了相关技术的“传帮带”。建议采取切实有效的评价机制及其他措施，稳定技术研发人才队伍。

3.2 结论

从全球高端MRI 专利角度分析，主要的研究国家有美国、德国、中国、英国、日本、荷兰、韩国等，我国专利申请数量占优势，但专利授权率偏低，低于英国、韩国、日本、美国等国家的授权率，我国全球高端MRI专利质量有待提高。

我国的超高场、深度学习及AI、多核及超极化MRI 研发实力均位于全球前列，其中，中科院为主要贡献者。而我国的PET/MRI 一体化MRI 研发实力较弱，需进一步加强。值得一提的是，在超极化MRI 领域，中科院的专利申请数量超过飞利浦、西门子等巨头，排名全球第一。我们要利用专利技术优势，加大科研力度的同时，促进成果转化，企业和研究机构通力合作，发展我国的优势产业。

飞利浦、西门子、通用电气、日立等影像巨头企业在高端MRI 整体及各个细分研究方向上的专利均排名前列，这说明这些公司具有强劲的研发实力，掌握核心技术。而我国的专利主要集中在中科院及一些高校中，企业研发实力薄弱，专利申请较少。所以，国内企业要加强和中科院及高校的合作，将国家科研项目应用到产业中，促进科研成果转化，形成优势互补，提高我国在高端MRI 领域的话语权。