基于发明专利的体外膜肺氧合技术创新态势研究

中国医学科学院/北京协和医学院 医学信息研究所/图书馆，北京 100020

引言

新 型 冠 状 病 毒 肺 炎（Coronavirus Disease 2019，COVID-19）疫情于2020年年初被列为国际关注的突发公共卫生事件，引起全球的广泛关注。加强COVID-19重症患者的救治，是疫情防控的突出重点[1]。在COVID-19重症病人抢救中，体外膜肺氧合（Extracorporeal Membrane Oxygenation，ECMO）是严重心肺功能衰竭最核心的支持手段，多家医院使用ECMO技术成功将病人从死亡边缘拉回[2-3]。ECMO俗称“叶克膜”“人工肺”，是一种医疗急救技术设备，最核心的部分是膜肺和血泵，分别起人工肺和人工心的作用，可以对重症心肺功能衰竭患者进行短时间心肺支持，为危重症的抢救赢得宝贵的时间[4-5]。ECMO支持是目前其他医学技术难以替代的辅助治疗措施，在一定程度上代表医院对危重患者的抢救水平[6]。根据Marketsand Markets研究报告，迈柯唯、美敦力和理诺珐（ECMO品牌为索林）是全球ECMO设备市场的前三名。中国医师协会体外生命支持专业委员会的数据显示，截止到2018年底，国内共有260家医院的体外生命支持中心开展ECMO治疗，共计约400台ECMO设备，大多由上述三家跨国医疗器械企业生产[5]。

专利是技术信息最有效的载体，囊括了全球90%以上的最新技术情报，是世界上最大的技术信息源。专利是技术创新的重要方式和必要资源，在不同层面上反映技术创新活动水平[7-9]。发明专利是指对产品、方法或者其改进所提出的新的技术方案。并不是每个专利申请都能得到授权，尤其是发明专利审查严格，需要进行实质审查才能授权，存在一定的授权难度，但授权后的权利稳定性更高。发明专利对新颖性、创造性的要求较高，因此其技术含量较高，法律地位相对稳定，是衡量一个国家/地区科技创新能力的重要指标[10]。本研究基于智慧芽专利数据库对ECMO领域的发明专利进行分析（检索时间为2020年3月16日），从全球视角分析ECMO的专利技术布局，通过国际比较揭示中国的技术开发态势，为企业ECMO研发提供技术支持，推进ECMO国产化进程以填补产品国内空白，实现高端医疗器械产品本土化。

1 数据来源与方法

本研究选择智慧芽专利数据库，以“体外膜肺氧合”为主题词在标题和摘要中进行检索，数据采集时间为2020年3月16日。智慧芽专利数据库收录了从1790年至今的全球116个国家/地区的1.4亿多件专利，8000多万条文献、科技、政策等数据，每周更新数据，可提供全球专利、引用数据、同族信息，获悉国内外技术及全球布局情况。智慧芽数据库可为本研究提供全面可靠的数据来源。

专利计量是以专利中的计量信息作为分析研究的基础，通过专利计量分析可以洞察某一技术领域的发展状况，并判断行业的竞争态势[8,11]。内容分析法是一种对于内容进行客观、系统和定量描述的研究方法，其实质是对内容所含信息量及其变化的分析，对显现的内容进行客观与系统描述[12-13]。采用专利计量分析结合内容分析对ECMO领域的发明专利进行分析，从全球视角多角度分析ECMO的专利技术布局，揭示其技术创新态势。一组专利即代表一个技术，在开展技术分析时通常基于合并同族后的专利数量。同族专利是指具有共同优先权的在不同国家或国际专利组织多次申请、多次公布或批准的内容相同或基本相同的一组专利文献。因此，本研究采用合并同族后的专利数量进行分析。

2 技术创新的时间趋势分析

全球ECMO领域已积累一定规模的高技术含量成果，创新力持续提升。全球ECMO领域共有发明专利167组（共505条），占该领域全球专利申请量的71.06%，接近3/4，已积累一定规模的高技术含量成果。全球ECMO领域专利申请量和发明专利申请量的年度分布如图1所示。ECMO领域1970年开始有专利申请，且是发明专利，最初几十年发展相对缓慢。1970—1990年，这一时期专利申请时断时续，有连续几年申请量均为0，ECMO领域还处于萌芽阶段。1991—2008年，ECMO领域呈现连续的专利申请，并于2003年（专利申请量7组，发明专利申请量6组）和2007年（专利申请量11组，发明专利申请量5组）达到两个小高峰，ECMO领域进入缓慢增长时期。

图1 全球ECMO领域专利申请量和发明专利申请量年度分布

2009—2019年的专利申请量占ECMO领域专利申请量的77.02%，发明专利申请量占该领域发明专利申请量的72.46%，超过70%的专利都是在这一时期申请，ECMO领域的技术创新进入一个新的快速发展期。2009—2018年，ECMO领域专利申请量和发明专利申请量的十年复合增长率分别为29.86%和32.98%，呈现较好的增长态势，近十年专利申请持续活跃，分别于2016年（专利申请量39组，发明专利申请量21组）和2018年（专利申请量42组，发明专利申请量26组）达到两个小高峰。

3 技术创新生命周期

“生命周期”这一概念源于生物学领域，其基本内涵概括为：任何事物的发展都有萌芽、生长、成熟、衰老的周期性过程[14]。随着内涵的逐步引申和扩展，逐步演化为一种重要的研究方法[15]。大量研究表明，专利技术一般遵循生命周期的4个阶段，即：萌芽期、发展期、成熟期和衰退期[16-17]。ECMO领域近十年进入一个新的快速发展期，对该领域近十年的发明专利绘制技术创新生命周期图，客观地掌握技术发展历程。

从图2可以看出，近十年ECMO领域主要经历了以下几个发展阶段：2010—2013年，发明专利申请量和申请人数量相对较少，处于平稳的增长时期；2014—2016年，发明专利申请量和申请人数量呈线性增长，这一时期取得重要进展，随着专利申请量的增加，发明专利申请人的数量也在不断增加，表明不断有新的技术创新实体投入到ECMO领域的技术开发；2017—2019年，ECMO领域发展进入成熟期，发明专利申请量和申请人数量呈现波动式发展，但绝对值仍较高，技术发展遇到瓶颈，存在一些技术难题需要突破。ECMO最核心的部分是膜肺和血泵，具有颇高的技术门槛。膜肺是为进行气体交换的装置，有硅胶膜型与中空纤维型两种，硅胶膜型和中空纤维型分别存在排气困难和血浆渗漏的问题需要突破[18]。ECMO离心血泵的技术难点在于要达到足够的输出量，最少的血栓形成及血液成分破坏[19]。随着医疗技术、材料技术、机械技术的不断发展，ECMO领域的技术难题会不断突破，进入一个新的发展高峰期。

图2 ECMO领域技术创新生命周期图

4 技术创新来源地

发明专利的创新性要求高，技术含量较高，通过发明专利申请人所在国家/地区分析可以在一定程度上反映技术创新来源地[10,12]。ECMO领域全球共有发明专利167组，技术创新来源地如图3所示。美国是该领域发明专利申请最多的国家，有51组，处于第一位，占该领域全球发明专利申请量的30.54%，接近1/3，领先优势明显；其次是中国，专利申请数量37组，发明专利全球占比22.16%，超过1/5，全球ECMO领域超过1/2的技术创新成果来源于中美两国。此外，俄罗斯有14组，全球占比8.38%；德国有9组，全球占比5.39%；法国和韩国各有5组，全球占比2.99%；英国有4组，全球占比2.40%。其他国家/地区的发明专利数量均在3组以下。中美两国是全球ECMO领域的主要技术创新来源地。

图3 ECMO领域技术创新来源地

通过技术创新来源地的申请趋势变化可以分析技术活跃趋势，ECMO领域的主要技术创新来源地的时间趋势如图4所示。美国是ECMO领域全球第一大技术创新来源地，美国每年的发明专利申请量在全球处于较突出地位。中国是全球第二大技术创新来源地，2016年后每年的发明专利申请量超越美国，居全球第一位，且领先优势明显，表明中国近几年在ECMO领域技术创新活跃，有较好的发展前景。

图4 ECMO领域技术创新来源地的时间趋势

5 技术创新实体

5.1 全球技术创新实体

通过对全球技术创新实体的分析，可以了解ECMO领域竞争对手情况[10,12]。ECMO领域主要技术创新实体（发明专利申请量≥3组），有8个，其中美国的机构最多，有5个，包括3家公司和2所高校；俄罗斯有2个，分别是高校和研究机构；中国有1个，是1家企业。发明专利数量最多的技术创新实体是美国的Therox公司，有6组；其次是美国的马里兰大学巴尔的摩分校，发明专利有5组；中国广东顺德工业设计研究院（广东顺德创新设计研究院）和俄罗斯联邦卫生部国家科学中心各有4组；其余4个技术创新实体的发明专利数量均为3组（图5）。可以看出，各技术创新实体发明专利数量不多，可能与ECMO领域涉及的关键部件较多且技术门槛较高有关，技术创新难度较高。

图5 ECMO领域全球主要技术创新实体（发明专利申请量≥3组）

5.2 中国技术创新实体

中国是ECMO领域全球第二大技术创新来源地，在该领域的技术创新占据重要地位，尤其是2016年后发展势头迅猛，每年的发明专利申请量远超美国。通过对中国的技术创新实体进行分析，来揭示中国在该领域的竞争对手情况。中国在ECMO领域的技术创新实体类别及其发明专利数量（图6），共有5种类别，分别包括企业10个，发明专利15组；个人10个，发明专利10组；医院9个，发明专利11组；研究所2个，发明专利2组；高校1个，发明专利1组。除去个人技术创新实体，中国ECMO领域的技术创新实体以企业和医院为主，发明专利数量占比（66.41%）超过中国该领域发明专利数量的3/5，中国的企业在ECMO领域的技术创新占据主导地位，发挥了重要作用。

图6 中国ECMO领域的技术创新实体类别及其发明专利数量

中国ECMO领域的技术创新实体详细信息如表1所示，其中发明专利申请量最多的是广东顺德工业设计研究院（广东顺德创新设计研究院），有4组，发明主要侧重于装置及控制方法，4组发明专利均处于审中状态。深圳汉诺医疗科技有限公司、珠海鹏宇汽车有限公司、中国人民解放军北部战区总医院、赣南医学院第一附属医院各有2组发明专利，其他技术创新实体（不包含个人）的发明专利均只有1组。深圳汉诺医疗科技有限公司的发明聚焦于便携式ECMO的技术开发，珠海鹏宇汽车有限公司的发明主要针对ECMO急救的智能救护装置，这2家企业的发明专利也是均处于审中状态。中国人民解放军北部战区总医院的2组发明专利已拿到授权，分别涉及ECMO的膜肺和离心血泵两个核心部件。赣南医学院第一附属医院的2组发明专利也是处于审中状态，分别是关于ECMO余血回收及预充装置的技术。

从表1可以看出，共有7组发明专利已经授权，包括2家企业、2家医院、1家研究所和1所高校，有6组还处于有效状态，中国人民解放军第四军医大学的发明专利（CN101450231B，一种用于肺功能损伤现场救治的体外循环自供氧系统）由于未缴年费已经失效。6组有效的授权发明专利详细信息如表2所示，从6组发明涉及主题来看，主要是针对ECMO核心部件的技术布局。

成都测迪森生物科技有限公司的发明（CN106421951B）是一种ECMO装置，该技术具有性能可靠、能够减少血栓、降低对血细胞破坏、更加稳定的特点。北京迈凌医疗技术发展有限公司的发明（CN104800902B）开发了一种用于救治多器官功能衰竭的体外循环生命支持设备，支持/替代心、肺、肝、肾功能衰竭。中国人民解放军北部战区总医院的2组授权发明发生了权利转移，均是由发明人王辉山将专利权转让给了医院，发明CN105816927B公开了一种体外循环中膜肺连接用卡具，方便安装与拆卸，大大节约了手术时间；发明CN105268040B公开了一种磁耦合驱动的离心式血泵，使得离心泵与驱动分离，实现血液循环回路的全封闭，减少血液污染，方便拆卸更换，同时离心血泵转子叶片的流线型设计可使血液平稳流出泵体，减少血栓形成。首都医科大学附属北京中医医院的发明CN107308513B提供一种ECMO膜肺冲洗液滴的收集装置，既保证ECMO工作环境的安全卫生，也可以有效利用液滴作为化验标本进行微生物血检测，为ECMO运行状况以及护理环境的评价提供有价值的数据和参考。中国科学院苏州生物医学工程技术研究所的发明CN105396187B提供了一种体外膜氧合器，降低了生产制造的工艺难度。

6 技术创新的核心技术

专利被引频次是体现专利价值的重要标准，被大量引用的专利对后来的发明创造具有重要的启示作用和极大的参考价值，通过对专利被引频次的分析，可以了解专利的重要性和价值[20]。一般来说，专利被引频次越高，代表专利相关技术的先进性和创新性越强，专利价值越大。被引频次较高的专利是广泛应用且不断被借鉴的技术，这些专利更具影响力，并代表着一个领域技术创新的核心技术[12]。

表3是ECMO领域被引频次超过100次的专利，是该领域的核心创新技术，共有5组，均是美国专利，再次印证美国是ECMO领域全球第一大技术创新发源地。被引频次最高（239次）的是Jostra Bentley公司的专利US5270005，该发明涉及一种体外血液氧合系统，包括血液处理单元以及远程控制操作台。ECMO领域的最早的专利申请是在1970年，其中1组核心专利即是麻省理工学院于1970年申请的US3673612，被引频次115次，该专利主要涉及非血栓形成材料及其制备方法，该非血栓形成材料可用于血液透析和氧合等可植入和体外生物医学装置，抗凝技术的完善使得ECMO长时间安全运行。

表1 中国ECMO领域的技术创新实体

表2 中国ECMO领域的技术创新实体

表3 ECMO领域的核心专利（被引频次≥100）

7 技术创新热点

高频词在一定程度上可以很好地反映技术创新主题[21]，通过对ECMO领域发明专利标题、摘要的高频词进行提取，构建技术创新词云（图7），可以了解该领域最热门的技术主题词，有助于揭示技术创新热点[22]。ECMO技术创新热点主要聚焦在体外循环（41组）、体外生命支持（23组）、中空纤维（16组）、ECMO设备（15组）、血液处理（11组）等方向，围绕核心部件膜肺和血泵进行技术开发和布局。体外循环主要涉及再循环、循环辅助、ECMO系统、血液充氧、肺功能等技术创新主题；体外生命支持主要是控制方法、体外生命支持系统、器官衰竭、血液出口、功能衰竭等相关的技术主题；中空纤维涉及气体过饱和、血液透析、血液充氧、气体转移等技术；ECMO设备的技术主题有急救设备、患者模块、辅助装置等；血液处理包括血液透析、ECMO系统、控制单元、ECMO管路、血管扩张（11组）等技术开发方向。从技术创新热点涉及的技术主题词可以看出，这些技术创新热点不是孤立存在的，而是互相交叉，彼此之间有着紧密的联系。ECMO领域的技术创新涉及一系列辅助环节，包括方法、技术、软硬件产品等，是一个多学科综合的研究主题。

图7 ECMO领域的技术创新热点

8 讨论与总结

专利是技术创新的重要方式和必要资源，发明专利因其审查严格，创新性要求高，技术含量高，是衡量一个国家/地区科技创新能力的重要指标。本研究基于智慧芽专利数据库对ECMO领域的发明专利进行分析，从技术创新的时间趋势、技术创新生命周期、技术创新来源地、技术创新实体、技术创新的核心技术、技术创新热点等角度揭示技术创新态势，研究得出以下结论：全球ECMO领域已积累一定规模的高技术含量成果，创新力持续提升，技术发展处于成熟期，但依然存在技术瓶颈需要突破，将为ECMO未来发展带来新的契机；中美两国是主要的技术创新主体，美国技术创新实体引领全球发展，中国企业在ECMO技术创新发挥了重要作用；技术创新围绕核心部件膜肺和血泵进行布局，技术创新热点主要聚焦在体外循环、体外生命支持、中空纤维、ECMO设备、血液处理等方向，各技术主题互相交叉且联系紧密。ECMO技术创新是一个多学科综合的研究主题，需要心血管外科、体外循环、重症监护等多学科的技术支撑及密切合作，根据产品结构和关键指标开展标准和技术研究，重点围绕其安全性和有效性，整合国内顶尖技术资源，联合开展技术攻关。本研究从情报学角度为企业ECMO研发提供技术支持，推进ECMO国产化进程以填补产品国内空白， 实现高端医疗器械产品本土化。