PET探测器全球专利竞争格局分析

总第149期 桂叶晨 国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心室主任 刘晴 国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心PCT审查员发表,[专利]文章

  引言

  医用正电子断层成像(PET)系统是一种尖端核医学成像系统,在神经疾病以及癌症的早期筛查中起着举足轻重的作用。PET中的一个关键组件是探测器模块,探测器模块的空间、时间与能量分辨率从根本上决定了PET成像后续质量。每一次探测器技术的革新,都为PET成像注入新的活力[1][2]。

  近几年来,PET成像系统在中国的医用市场开始崭露头角[3]。在“十三五”战略规划中,包括PET在内的医学影像设备已经成为政府大力促进创新发展的重点领域。卫建委在2018年发布的《大型医用设备许可管理目录中》,将其配置的许可管理权限进一步放宽[4];同时,为了帮助国内设备打开市场、提高国产化替代进程,国家提出了“首台套”政策,并鼓励政府在采购中优先采购实现了核心部件重大技术突破、拥有知识产权的产品,这对于国内企业而言,无疑是重大的利好。可以想见,若能把握方向、成功实现探测器技术创新,国内企业实现PET市场的国产替代将指日可待。

  本文通过国家知识产权专利信息检索和分析平台,对国际PET探测器领域专利情报进行检索分析,深入研究PET探测器的技术发展方向,分析当前全球各国技术竞争格局,明确我国在该领域所处的技术地位,同时旨在为我国企业在该领域的发展提供参考。检索数据截止日期为2017年12月,为了便于分析,本文结合探测器技术研发人员的惯用分解方式[5][6],对探测器的技术分支进行分解,具体包括闪烁晶体、光电转换、读出芯片、整体规划、多模态联用这五个关键技术分支。

  全球专利情报分析

  (一)申请年度趋势分析

  图1 探测器申请年份趋势图

  图1给出了探测器申请年份趋势图,从该图来看,探测器申请经历了从缓慢发展到快速腾飞的过程,尤其随着本世纪飞行时间技术(Time of Flight, TOF)的出现,系统的信噪比得到大大的提高,申请量也出现了快速提升,2000年以后至今的申请总量是之前30年申请总量的3倍之多。可以说,目前,PET成像系统的申请呈现出厚积薄发、方兴未艾的趋势。

  (二)专利技术区域对比

  技术来源国可以揭示专利技术的各国研发布局,同时在五局(美国、日本、欧洲、中国、韩国)授权的分布情况也可揭示某一地域在某一领域技术的专利技术实力,进而了解该地的市场格局[7][8]。

  表1给出了来自排名靠前的技术来源国在五局的申请总量排名以及发明授权情况。

  表1 技术来源国家/地区发明专利获权情况(单位:件)

  从表1的“申请总量”一栏来看,专利的技术来源国中美国(1014件)和日本(683件)的数量最多,占到了申请总量的71%,两国对探测器技术研发的绝对领先地位以及对探测器市场旺盛的需求可见一斑。来自中国的申请合计为260件,相比于美国和日本要落后不少;而就技术掌握的程度而言,中国申请人的最早申请是在1997年提起的,比美国几乎落后了20年;在1997-2010年的十多年间,来自中国的年申请量甚至连美国和日本的1/10都不到,直到2010年以后,中国申请人在P ET探测器技术方面的申请才开始呈现出快速增长的趋势。得益于全球技术渗透以及国家“十二五”规划中对“突破20-30项关键技术和核心部件,形成核心专利200项”的政策扶持,来自于中国的申请量从2008年开始奋起直追,并在2012年之后出现了小的峰值,超过了日本。

  从表1反映的申请授权比例来看,来自美国的申请人体现出了其强大的技术领先实力。美国专利不但申请量大,且授权率高,获得了69%的授权;同时,韩国的申请量虽然较少,但授权率也较高,为63%;再次为日本,授权率为58%;随后为德国和欧专局,授权率分别为56%和50%。而首次申请国为中国的申请数量尽管排名第三,但授权率仅为29%,且结合实际的数据来看,中国的授权发明专利绝大多数是国外申请人所贡献的。由此可见,中国在探测器领域的技术发展还十分滞后,与先进发达国家尚有差距。

  此外,从授权布局地区来看,来自美国的申请在美国本土的授权量远大于其在其他国家的授权量,可见美国专利申请人对于其他国家和地区的市场重视程度,相对美国本土明显要低。不过,值得注意的是,尽管中国起步较晚,但近两年来,中国已经超过了日本,成为了美国、日本、德国等申请人在美国本土以外最为重视的布局国家,中国在该领域的市场前景可期,技术保护仍存在大片“处女地”,因而成为各国竞相布局的“香饽饽”。来自日本的首次申请除了在日本获得较高的授权量(合计308件)之外,其在美国的授权量(145件)也十分可观,说明来自日本的申请首选的国外布局地是美国。而欧洲申请人在美国的授权专利占其全球申请总量的41%,接近在欧洲本土占比的2倍,由此可见,来自欧洲的申请较多在美国进行布局。而来自中国的首次申请,在本国的授权量(21件)远远高出了其在美国的授权量(4件),这一方面说明来自中国的首次申请主要在中国进行布局,另一方面也说明中国探测器技术发展相对滞后,与他国技术相比尚处于下风。

  (三)探测器专利技术研究热点分析

  1.整体技术研究热点的演化

  图2 探测器各二级技术分支全球申请数量以及每三年累计申请趋势

  由图2可知,探测器各二级技术分支的全球申请中,读出芯片技术的申请量最大,达到了893件,其次为闪烁晶体技术(615件),随后为整体规划(603件)及光电转换技术(355件),最后为涉及到PET探测的多模态联用技术(223件)。由于进行符合探测最关键的因素在于准确识别光子的位置、能量以及时间信息,因而,探测器的读出芯片技术一直以来都是各大企业及研究机构研发的焦点。此外,由于闪烁晶体决定了对湮灭光子的能量的阻止程度,不少企业也对其改进做出了相当的努力。

  图2中的“各技术分支每三年累计”柱形图,则更好地展现了探测器的各个技术分支的热度及其演变情况。可以看出,光电转换技术自2010年以来申请规模逐年缩减,呈现出快速下滑的趋势,而读出芯片在业界一直受到极高的关注,这或许与近年来基于硅光电倍增管(SiPM)及雪崩光电二极管(APD)在结构或排布方面的问题业已攻克,而如何解决其输出信号敏感性的技术方案已经转移到对读出芯片的改进上有关。值得关注的还有闪烁晶体与探测器的整体规划申请量的相对变化。在2006年之前,关于探测器整体规划的申请量一直比探测器规划的申请总量要少,而2010年之后,探测器的整体规划的申请总量就已经与闪烁晶体旗鼓相当,这也许是在晶体阵列已经被切割得足够精细的情况下,解决光串扰和有效光吸收的技术问题被交给了对探测器整体规划的改进。而多模态联用技术从2000年开始才正式浮出水面。该分支尽管目前申请量少,但涨势明显。伴随着对PET-CT,PET-MRI临床联用对肿瘤信息的准确互补,多模态联用的申请量开始飞速增长,2005年以后,多模态联用已经成为企业的又一个研发重点[9]。相信未来的几年内,该技术分支仍将保持上涨势头。

  2.各技术来源国技术分支申请偏好

  对技术来源国各技术分支申请偏好进行对比,可以从数量上一窥各国的技术集中情况,从而为各国企业之间乃至政府之间的竞争与合作提供一定参考。

  图 3 重点技术来源国技术分支申请偏好

  (颜色越红代表该国对该技术分支越青睐)

  图3给出了各重要技术来源国的技术分支申请偏好,可知,各国创新主体对探测器技术均各有侧重。其中,美国、日本、中国主要的技术申请均集中于读出芯片,这与其本身是电子产品大国有密切关联,不过三国的申请偏好仍然有所差别:美国、日本对读出芯片的技术申请数量为光电转换这一分支数量的三倍之多。这说明美国、日本能够准确把握技术发展趋势,能够将主要的研发投入集中于读出芯片,而非整体已处于技术饱和期的光电转换。而中国在读出芯片方面的申请量尽管占据优势,但其与其他技术分支申请量的差别不大,这或许与中国在探测器技术领域整体发展的时间较短,因而各技术分支专利申请呈现出较为平衡的态势有关。

  德国主要在多模态联用方面提出申请,由于西门子等重要的德国企业均致力于研发PET-CT、PET-MRI中磁场梯度以及RF信号的干扰等技术,因此,德国在多模态联用方面的研发力度也较大。法国、韩国、英国则不仅侧重于读出芯片,在探测器整体规划的技术创新中也投注了相当的精力。俄罗斯则主要致力于对闪烁晶体这一分支的技术改进。

  结论

  综上,PET探测器技术目前处于快速发展的时期。从技术热点来看,光电转换技术目前遇冷,而与之相对应的,多模态联用这一技术分支尽管起步时间较晚,然而随着PET与CT以及MRI技术融合的不断深入,未来几年中极有可能会处于较快的上升势头,中国企业可考虑在该分支中投入较大的研发精力,从而提前“圈地”。

  从技术区域的布局来看,美国、日本占据绝对的技术优势,在读出芯片这一分支有所侧重,形成了自身的专利群。同时,中国申请人在读出芯片分支中尽管起步较晚,但申请量增速较快,不过授权占比较低,可见中国在该领域的技术水平与其他重要国家相比仍有较大差距。同时,由于技术起步较晚,中国在各技术分支的申请量均较为均衡,考虑到美国、日本均对光电转换分支不再青睐,中国企业可在研制自身探测器时,考虑购买美国、日本申请人在光电转换分支的核心专利,甚至有效利用其无效专利。同时需要注意的是,目前中国申请人在国外布局的意愿较弱,在当前美国对中国发起多起“337调查”的背景之下,中国申请人可考虑在潜在市场中提前布防。另外,尽管韩国申请人的申请量较低,然而其授权占比却排名第三,中国企业、政府均可考虑与其进行技术合作,从而达成该领域中的“双赢”局面。而对于新兴的多模态联用分支,德国具有显著的技术优势,中国企业及政府也可考虑与德国加深技术融合,以获得更为合理的发展。

  参考文献:

  [1] R. Ota:Timing-performance evaluation of Cherenkov-based radiation detectors,Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, 2019年第1期,第1–4页。

  [2] 谢肇恒:用于核医学成像的硅光电倍增管光电探测器的研究进展,中国医疗设备 2016年第31卷 09期,第73-79页。

  [3] 王玉为:医疗器械行业跨国公司中国本土化战略研究,《CNKI中国优秀硕士论文集》。

  [4] 孙跃武:医械市场一枝独秀 影像领域蓄势待发 《医药经济报》 2019年第11版第2期 第4页。

  [5] 朱雪洲:用于TOF-PET的SiPM阵列探测器读出电路研究,《CNKI中国优秀硕士论文集》。

  [6] A custom front-end ASIC for the readout and timing of 64 SiPM photosensors[J] . M.G. Bagliesi,C. Avanzini,G. Bigongiari,R. Cecchi,M.Y. Kim,P. Maestro,P.S. Marrocchesi,F.

  Morsani. Nuclear Physics B (Proceedings Supplements) . 2011 (1).

  [7] 张杰:聚酰亚胺中空纤维国际专利情报实证分析,《情报科学》第35卷第11期,2017年11月,108-113页。

  [8] 程心旻:全球银杏叶制剂专利概况,《全球银杏叶制剂专利概况》第38 卷第 17 期,2013年9月,第2889-2892页。

  [9] The current state, challenges and perspectives of MR-PET[J] . Hans Herzog,Uwe Pietrzyk,N. Jon Shah,Karl Ziemons. Neuroimage . 2009 (3).



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