磁共振成像系统中主磁体的专利技术综述

1、磁共振成像系统中主磁体的专利技术综述1 前言磁共振成像（MRI）技术诞生于1973年，是由美国物理学家保罗·劳特伯尔开发的基于核磁共振（MR）现象的成像技术，发展到今天已然成为一项非常重要的医学检测手段。磁共振是处于静磁场中的原子核在外来电磁波的激励下产生的，又称核磁共振（NMR），磁共振成像（MRI）设备主要包括主磁体、梯度系统、射频系统、计算机系统和辅助系统等五大部分。根据量子力学我们知道，当不受外界静磁场约束时，原子核热运动会使核磁距的空间取向处于杂乱无章状态，宏观总磁矩为零，而磁共振成像装置中的主磁体用于产生一个高度均匀、稳定的静磁场B0，当原子核处于静磁场B0中时，以1H核

2、为例，会产生顺着磁场方向和逆着磁场方向的两种取向，且两种取向的氢核存在能量差，为下一步产生磁共振提供了必要条件。在主磁体的设计研发方面，全世界的科研人员都在不断地探索追求，本文结合专利技术分析总结了磁共振成像设备中主磁体的类型、结构，并通过主要申请人西门子公司的相关专利技术分析了主磁体的技术发展路线和研究热点，希望能够为相关领域的人员提供参考。2 专利数据分析2.1 磁共振系统主磁体专利申请情况 本文选用了DWPI数据库，研究对象包括全球的发明和实用新型专利。为便于分析，本小节仅选取了1996年至2015年的专利申请。图1示出了近20年磁共振系统中主磁体的专利申请趋势。从图中能够发现，该领域每

3、年的申请量总体较为平稳，在2003年至2006年达到最高值，这与当时的世界经济发展状况有关。图12.2 不同磁体类型的专利分布主磁体一般可以是永久磁体、常导磁体或超导磁体。从发展历程上来看，永久磁体最早出现，常导、超导磁体随后问世。在专利申请方面，三种磁体类型均有涉及，通过图2：不同磁体类型的专利申请量分布图能够发现，永久磁体和超导磁体是研究得更多的磁体类型。图2 不同磁体类型的专利申请量分布永久磁体是最早应用与MRI全身成像的磁体，用于制造这种磁体的永磁材料主要有铝镍钴、铁氧体和稀土钴三种类型，由于永磁铁难以制成足够大的快，因此常由多块永磁材料拼接而成，形态呈马蹄形。其优点是结构简单、造价低

4、、能耗低、使用寿命长，主要缺点是磁场均匀性较差、对温度变化敏感、磁场稳定性差、重量可达数十吨、磁场始终存在、磁场强度低（0.5T以下）。超导磁体是一种电磁体，其出现时间晚于永久磁体，这种磁体的磁场来自于超导线圈，其由铜钛合金制成，以液氦作为制冷剂冷冻线圈。超导磁体的优点是高场强、高稳定性、高精度和高均匀性，电流利用率高，必要时场强可调节、磁场可关闭，主要缺点是制造工艺复杂、价格昂贵、运行费用较高，扫描时噪声大，有射频热效应。从图X的数据能够发现，超导磁体的申请量远高于永久磁体和常导磁体，一个比较重要的因素是超导磁体的磁场强度能够达到3.0T，而提高磁场强度能够提高MR图像的信噪比，这是技术人员

5、的普遍追求。从成像原理来分析就不难发现：磁场强度B0影响的是成像物体的纵向磁化强度矢量M0，磁场强度B0越大，纵向磁化强度矢量M0就越大，而MR信号是由纵向磁化翻转到xy平面产生的，MR信号强度和M0成正比，因此磁场强度B0越大，信噪比越高。3 全球主要申请人及其技术路线分析3.1申请量排名前五的申请人 为便于统计分析，本小节从近20年的申请中统计出了申请量排名前五的申请人，如图3所示。申请量最高的申请人为SIEMENS（西门子）公司，其次为HITACHI（日立）公司。申请人主要分布于欧洲、美国和日本。图33.2 西门子公司的专利分析专利布局本小节的检索截止时间为2016年6月7日，获取了西门

6、子公司在该时间前所有公开的关于磁共振系统中主磁体的专利申请，其总量为214件。通过统计分析，得到了其向各主要国家的专利输出量，如图4所示。其中，欧洲的统计方式为合并了公开号国别为EP、DE以及GB的申请量。由于西门子总部设在德国，因此其将欧洲作为最大的专利布局区域是显而易见的，同时，美国、中国以及日本也作为西门子公司十分重要的专利输出国。图43.2.2研发热点的技术发展路线 经过阅读分析，主磁体系统采用超导磁体的专利申请量远超永久磁体和常导磁体的申请量，具体分布关系可以参考图5。超导磁体所提供的超强磁场和经济效益是科研人员趋之若鹜的重要原因，它成为西门子公司的热点技术。图5西门子公司采用超导磁

7、体作为主磁体元件最早公开于申请号为DE3310160A的专利文献，申请日为1983年3月21日。其公开的主磁体系统如图6所示，包括超导线圈、冷却系统以及支撑结构。由于超导线圈必须工作在低温环境，因此冷却系统是必不可少的设施。图6在其后的发展历程中，出于提高磁场性能、改善冷却系统、简化元件配备、降低生产成本、优化患者入口等需求，西门子的技术人员对超导磁体系统作了一系列的改进。对主磁体的改进主要包括对超导线圈、冷却系统等的改进，图7按照年份顺序统计了改进点。图6中“其它”的改进点主要包括减小涡流，优化支撑结构、完善入口设计等。图7从图7能够发现，在超导磁体方面，西门子公司在2000年以后申请量突增

8、，各方面的改进均有涉及，且较为均衡。下面将较详细地分析其技术发展的路线（待完善）。3.3 国内专利现状 专利申请产出占比分析节提到，中国是西门子公司的重要专利输出国，那么中国在自主研发方面以及对外专利输出方面又是怎样的现状呢，本节将从原创申请和专利输出两方面进行分析。在DWPI数据库，笔者从中国的总申请量中分别统计了原创国为中国、日本、美国、欧洲的申请量，对比的结果可以参考图8。图8图8示出了中国申请的现状，约31%来自于本国原创，此外，约有66%来自于日本、美国和欧洲，这是因为以上三个地区拥有着日立、东芝、通用、西门子以及飞利浦等本领域的重要申请人。同时，笔者又对中国原创专利对国外的输出情况进行了统计，结果参考图9。参考图9能够发现，中国的原创申请大部分都停留在中国本土，并未大范围地走出国门，说明在技术的竞争力方面仍有待加强。图9国内重要申请人专利技术现状（待完善）4 展望磁共振成像技术发