X线机专利技术分析

张红梅

1 X线机技术概述

X线放射摄影技术是最早应用于医学影像的现代医学成像技术，是目前最为普及、方便和廉价的影像诊断技术，在现代医疗中发挥着极为重要的作用[1]。最初的X线成像系统主要由高频高压发生器、X射线管和荧光屏组成。高频高压发生器激励X射线管发出X射线束，该射线束经准直后对准患者需检查的部位，并透射过人体后在荧光屏上产生明暗变化的可见光使胶片感光，从而得到患者检查部位的X光片。

20世纪70年代后期出现计算机X线摄影(computed radiography，CR)技术，CR技术推动了X线成像系统数字化的进程。在CR系统中，利用一种成像板(IP板)取代了荧光屏和胶片[2-3]。人体的X射线信息潜像被记录在一种可反复使用的成像板上，再利用激光对IP板进行扫描，存储在IP板中的能量被释放出来，并经过A/D转换成数字信息。CR系统可安装于传统X射线机中，实现传统屏片式X射线机的数字化。但CR系统还不是真正的直接数字化成像，其图像质量和临床应用仍无法完全替代传统的胶片成像。

20世纪90年代初期出现的数字放射摄影(digital radiography，DR)技术从根本上改变了X线成像系统的工作方式，其成像器件是X射线探测器，可直接将X射线转换成数字信号[4]。相对于CR成像系统，DR减少了光电转换环节而使其图像分辨率大幅提高。DR可获得比传统X线机和CR更好的图像，具有更好的局部和细节特征分辨率。X线机的表现形式突破了原有的平片摄影的单一模式，出现了手术用的移动C型臂X线机，乳腺专用的乳腺机，适于携带的便携式、车载式X线机及牙科机等。目前，X线机技术向着与临床紧密结合日趋明显。

2 X线机产业现状

X线机作为历史悠久的成像设备在临床上发挥着不可取代的作用，其市场需求量很大。X线机在产业发展上主要呈现下述3个特点。

2.1 多种成像技术并存

X线机的产业发展呈现明显的阶段性，其发展经历了胶片成像、CR和DR的发展阶段。虽然采用最新技术的数字化X线机的CR和DR在临床应用上具有胶片模式的X线机无法比拟的优点，但由于X线机是一种普及型、临床必备的成像设备，具有成本优势的胶片型X线机并未退出市场，目前，基于这3种成像方式的X线机在市场上并存，分别在低、中、高端市场上占有一席之地，并且这一状况仍将延续相当长的一段时间。

2.2 功能完善且与临床应用结合紧密

随着医学技术和影像技术的发展，X线机的应用已远不止仅拍摄平片的功能，其与临床应用的紧密结合极大地扩展了X线机的应用范围。先后出现了床旁拍片机、便携式X线机及车载X线机[5-7]。大型血管机的应运而生，成为介入手术必备的设备。为了适应不同部位和组织的拍片需要，出现了乳腺机、胃肠机以及专门适用于脊柱拍片的X线机，为医学诊断和治疗提供了便利[8-11]。近年来出现了X线机与其他影像设备相结合的新型影像设备，进一步拓宽了X线机的应用范围。

2.3 国外大型企业占据高端市场而国内企业力量不足

西门子、飞利浦和GE公司作为医疗设备企业的三大巨头，长期垄断国内的高端X线机市场，东芝、日立和锐柯等国外公司也都占据了很大的市场份额，国内企业主要有万东、迈瑞、东软、蓝韵、上海医疗器械厂等。国内企业虽为数众多，但规模和技术实力均无法与国外跨国公司相比，一些关键部件(如平板探测器和球管)仍大量依赖国外进口。目前，我国的生产企业也开始涉足DR技术的研发，上海奕瑞公司和江苏康众公司均为专门生产DR系统中的平板探测器厂家。我国企业已开始掌握高端X线机的核心技术，逐步缩小与国外跨国公司的距离，扩大了市场占有率。

3 全球X线机的专利申请状况

基于我国中、高端X线机技术长期被国外跨国公司垄断的不利局面，通过对国内和国外X线机的专利申请情况进行分析，从中了解X线机技术发展脉络，摸清技术发展现状，明确关键技术和前瞻性技术及其在我国的专利布局情况，从而为我国相关行业打破国外跨国公司的技术和市场垄断、实现跨越式发展提供有效的参考。

3.1 研究方法

本研究的专利数据来源于中国专利文献数据库(CNPAT)、德温特世界专利索引数据库(WPI)以及欧洲专利局专利文献数据库(EPODOC)。对于中国专利的检索时限设定为截止至2012年7月26日，对国外专利的检索时限设定为截止至2012年9月6日。

(1)对X线机所涉及的技术领域确定其国际分类号(IPC)。X线机所涉及的分类号主要在A61B6中，另外在H05G1，H01J35，H01L031/11，G01T1分类号下也包含涉及X线机电气方面的专利文献。由于在A61B6分类号下还包括CT设备，为了避免噪声，在分类号的基础上确定本领域的关键词，通过分类号结合关键词的方式进行检索。

(2)利用专利分析软件将检索到的结果进行专利分析，获得涉及X线机技术的全球以及中国专利分析结果。

(3)根据专利软件所分析的结果梳理出关于X线机专利技术在国内外的总体状况，重点专利技术状况，国内X线机产业所面临的专利风险和机遇，以及我们应当采取的应对措施。

3.2 X线机全球专利申请情况分析

截至2012年9月6日，在德温特WPI数据库共检索到涉及X线机技术的专利申请共18124项，其中年代以专利申请的优先权日为准，同族申请计为一项进行统计。经统计后的全球历年专利申请量如图1所示。

图1 X线机全球历年专利申请量图

(1)1960-1972年为第一阶段，在此阶段X线机的专利申请量虽然也在逐年上升，但总量小，每年的申请量不足百件。

(2)1973-1997年为第二阶段，在此阶段X线机的专利年申请量超过百件，申请量从100余件逐年上升至400余件，此间在X线机领域一种新的CR技术开始出现并得以快速发展，DR也开始出现，这体现在专利申请数量的稳步增长。

(3)1998-2009年为第三阶段，在此阶段X线机的专利申请量有了迅速的增长，特别是在2000年至2006年间，专利申请量增长迅猛，此间在X线机领域数字化探测技术迅速发展的同时，与数字化X摄影密切相关的成像技术和数据处理技术也得以快速发展，这都带动了在X线机领域专利申请量的迅速增长，其过程一直持续至今(2007年由于经济危机的影响出现短暂下滑)，在数十年间，全球的专利年申请量达到了1000余件。2010年和2011年的数据由于专利文献公开滞后的原因，只作为参考。近年来，X线机技术研发仍很活跃，申请总量维持高位。

3.3 全球X线机专利技术的国家和地区分布

为了研究X线机专利技术的区域分布情况，本研究对采集到的X线机专利数据样本按申请所在国家、地区或组织进行了统计(如图2所示)。

图2 X线机专利技术区域分布

在德温特WPI数据库中检索到的X线机技术的全球专利申请共涉及35个国家、地区以及区域性组织。本研究选取按优先权计首次专利申请量排名靠前的国家、地区以及区域性组织的专利申请数据，从首次申请量排名情况、主要优先权国家的专利申请量历年分布和技术领域分布等对涉及X线机技术领域的全球专利国家区域分布特点进行分析。

(1)日本、美国和德国分别占据了专利申请量的前3位，该3国的专利申请总和已经占了全球专利申请量的60%以上，说明其3个经济强国在X线技术领域拥有强大的技术实力，也表明各个国家之间在X线机技术方面发展极不均衡，核心技术掌握在少数经济强国手中。PCT国际申请量居于第4位，表明各个国家开始趋向于在全球进行专利布局。中国以总量757件占据第6位，表明在我国申请的X线技术专利数量也处于世界前列。

(2)具体到各个国家或地区申请量如图2所示，其中在日本的申请量达到5732项，占据量高达32%，美国以3597项居于第2位，其申请量占到了全球申请量的20%，德国以2668项占据全球申请量的15%，国际申请占到11%，欧洲占8%，其他国家和地区则占据剩余的14%份额。占比图显示，美、日和欧3个国家和地区占据了X线机技术领域的绝大部分申请量，尤其是日本，虽然起步较晚却以32%的份额排名世界第一，不仅表明日本在X线机技术领域拥有强大的技术实力，也表明了日本企业相对于其他国家的企业更重视专利策略。综合而言，在X线技术领域中居于前列的国家或地区，基本既是技术的主要研发国，又是各国相互竞争的重要市场，其技术和经济实力不容小觑。

3.4 重点申请人的专利情况

为了分析X线机技术的主要竞争者，对所采集的国外专利申请数据按主要申请人进行统计，统计中综合考虑了合作申请人的情况。如图3所示，申请量前10位申请人分别为西门子公司(SIEI，2195项)、东芝公司(TOKE，1546项)、岛津公司(SHMA，1277项)、GE公司(GENE，1096项)、佳能公司(CANO，1007项)、日立公司(HITR，853项)、飞利浦公司(PHIG，845项)、富士胶片公司(FUJF，782项)、柯尼卡美能达公司(KONS，547项)和瓦里安公司(VARI，116项)。前10位申请人的专利申请共10264项，占申请总量的56.6%，表明在X线机技术领域行业集中度很高，并且这些技术基本都掌握在著名的跨国公司手中。其中，日本企业所占比例最高，表明日本企业在X线技术领域申请活跃，并非常重视在各国的专利布局。在排名前10的申请人中没有中国申请人，这表明我国目前还没有在X线机领域具有全球竞争力的企业。

图3 全球居于前10位的X线机专利申请人申请量

4 在中国申请的X线机技术的专利申请状况

4.1 X线机专利技术在中国的历年申请情况

截止2012年7月26日，中国专利数据库(CPRS)收录的有关X线机领域的专利申请共1727件，相关专利申请年度变化情况如图4所示。

图4 X线机中国专利历年申请量

图4显示，自1985年中国专利制度建立开始，在X线机技术领域就已有企业申请专利，表明X线机作为一种成熟的医学影像产品，在早期中国已有了一定的发展。但早期在X线机领域的申请量较小，从1985年直到2002年申请量均在年申请量40件以下，从2003年开始，申请量猛增至每年101件，此后一直保持在年申请量100件以上，直到2010年突破200件。可见我国X线机技术领域的专利申请量具有明显的阶段性，其分界点在2003年，由于从那时起国外来华申请开始出现大幅增长，国外企业开始大举进入中国市场。与全球在X线机领域的专利申请量趋于稳定所不同的是，近年在中国申请的X线机技术一直处于快速增长的态势，这种趋势目前还在持续中。

4.2 在中国申请的X线机专利的国家区域分布

如图5所示，在X线机领域中国专利申请分布，其中中国指的是国内申请人。

图5 X线机中国专利申请分布

图4显示，国内申请人的专利申请和国外来华申请量各占50%。国外来华排名前3位的国家分别是日本、美国和德国，充分表明3大经济强国在X线机技术领域所拥有的强大实力。荷兰由于拥有飞利浦一家跨国公司，其申请量居于第4位。其他国家和地区也有小数量的申请，但与上述4个国家相比实力相差甚远。

4.3 在我国申请X线机技术的国内外主要申请人

为了研究X线机领域主要专利申请人情况，对采集的数据按照各主要申请人的申请量占比、各主要申请人历年申请量分别进行统计。在X线机领域中，在中国申请量前10位的申请人如图6所示。

在排名前10位的申请人中日本公司为5个(东芝、岛津、日立、佳能和富士胶片)，德国公司为1个(西门子公司)，荷兰公司为1个(飞利浦公司)，美国公司为1个(GE)，国内申请人为2个(中国科学院和蓝韵公司)。来华申请的日本企业众多，表明日本企业非常重视中国的X线机市场。西门子公司、飞利浦公司和GE公司是老牌的X线机生产企业，其市场占有率高，在中国的专利申请居于前列。中国企业只有深圳蓝韵1家公司进入前10位，表明我国的生产企业在X线机技术领域技术实力薄弱，仍无法与国外大公司相抗衡。

图6 中国申请量居前10位的申请人

5 X线机技术领域重点专利技术解析

X线机的组成结构基本可分为射线发射、射线接收、机械结构、数据和图像处理以及控制装置等部分。数字化探测器技术作为X线机的关键技术在专利申请中占很大比重[9-11]。本研究将详细解析数字化探测器技术在国内外的专利申请情况[12]。

5.1 数字化探测器技术

数字化探测器技术主要包括直接数字转换型平板探测器技术、间接转换型平板探测器技术、基于CCD的数字化探测技术、基于CMOS的数字化探测技术以及线扫描技术[13-15]。其中产业主流的平板探测技术包括直接数字转换型平板探测器技术和间接转换型平板探测器技术，这两项技术是各大公司争相申请专利的热点。

间接转换型探测器采用闪烁体加半导体材料组成，X射线照射到闪烁体晶体(碘化铯)后被转化成可见光，经非晶硅半导体转换成电信号，再经模数转换生成为数字化图像。直接转换型探测器一般采用非晶硒材料，X射线照射到非晶硒半导体后直接转换成电信号，与间接转换型探测器相比，省去将X射线转化为可见光环节。

5.2 数字化探测器技术专利申请情况

在数字化探测器的专利申请数量中，国内申请人的专利申请量占全部有效专利的46.1%，国外来华申请人的专利申请量占全部有效专利的53.9%。其中，有效专利是指在审查进程中和专利权维持的专利，包括发明专利和实用新型专利。就有效的发明专利而言，国内申请人所拥有的有效发明专利占34.2%，国外来华申请人所拥有的有效发明专利占65.8%。有效专利的数量显示，国外来华专利申请占有明显的优势，占据了50%以上的申请量。就专利的稳定性和高度而言，国内申请人所占据的有效发明专利仅占据三分之一，其余三分之二的有效发明专利均被国外申请人所持有。在专利布局中，国外申请人的主体是跨国公司，其在直接转换型数字化探测器和间接转化型数字化探测器方面均进行了专利布局，专利申请内容涉及探测器的材料、制造和抗干扰等数个领域。国内申请人与国外申请人相比，其主体较分散，专利申请仅涉及间接转换型数字化探测器以及某些非主流的探测器，布局不够全面。因此，在数字化探测器领域里国外公司在我国布置了大量专利，使我国企业在该领域存在专利风险。

5.3 数字化探测器技术的主要申请人

在数字化探测器领域的专利申请中占据前10位的申请人是：GE公司、株式会社岛津制作所、皇家飞利浦电子股份有限公司、江苏康众数字医疗设备有限公司、上海奕瑞光电子科技有限公司、株式会社东芝、西门子公司、卡尔斯特里姆保健公司、佳能株式会社及富士胶片株式会社。其中，在国外来华公司中GE公司在数字化探测器的专利申请数量占据首位，其专利内容多数涉及便携式探测器，如适宜便携移动的外壳、防震等专利内容。申请涉及抗电磁干扰、放散射格栅和闪烁体材料。日本岛津公司则继续在非晶硒直接转换型平板探测器方面进行专利申请。西门子公司的有效在审专利均涉及间接数字化技术中的闪烁器。卡尔斯特里姆保健公司(美国锐珂医疗)从2006年开始在我国申请多项数字化探测器技术的专利，其在数字医疗领域拥有多项专利。日本富士胶片公司和浜松光子公司近年开始在数字化探测器领域申请多项专利，其中有多项专利授权前景良好。

我国的数字化探测技术起步较晚，授权的专利数量少于国外，且多为近年授权的专利。其中，上海奕瑞公司和江苏康众公司都有多项专利正在申请。专利申请内容多涉及间接转换型数字化探测器，其中对闪烁体的研究是国内申请人申请的重点。在直接转换型数字化探测器领域尚无国内申请人进行专利申请。其中，江苏康众公司是国内企业拥有数字化探测器技术领域最多发明专利的企业，其专利均涉及平板探测器的制造，具有一定的核心技术。

6 结语

X线机技术的专利分析显示，围绕X线机的专利申请基本从各个国家建立专利制度之初开始出现，尤其是在X线机领域出现重大技术变革的年代，其专利申请量明显上升，并随着整个经济层面的变化出现起落。

全球X线机领域的申请量经历了70年代以前的数量低值期、70年代至90年代的稳步增长期、2000年后的迅速增长期以及目前的发展平缓期。专利数量增长的背后伴随着技术的变革，70年代中期出现了CR，之后80年代初由富士胶片公司推出了成熟的CR产品。而90年代出现的DR推动了X线机的数字化进程。

我国与全球专利申请的历年分布相比较，X线机领域的专利申请量自2003年之后才开始得以快速增长，表明中国的X线机技术在起步阶段已落后于国外经济发达国家。目前，我国企业在专利数量、专利的有效性以及布局的完整性等方面与国外大公司相比均存在较大差距。相对于国外跨国公司在我国积极进行专利布局，我国企业不够重视知识产权。但近年来中国企业开始奋起直追，在X线机的多个技术领域申请专利，其专利申请增长速度超越了国外来华企业，表现出良好的发展势头。我国企业在研发的过程中应当充分关注技术走向，通过专利信息了解行业巨头、竞争对手的技术发展动向，并通过自主知识产权展现自己的硬实力，让品牌深入人心，从而提升企业在市场中的地位。

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