超导MRI系统硬件市场前景

超导MRI系统硬件市场前景

加速器以加速器为代表的大科学工程自上世纪80年代以来一直是高技术发展水平和综合国力发展的象征，以超导磁体为核心的加速器系统是相关装置的核心。高能质子加速器是超导磁体在大科学工程中应用的一个重要的领域，其包括超导直线加速器、超导回旋加速器、超导同步加速器等设备。超导材料是加速器磁体的重要组成部分，超导磁体的应用可以在很小的激磁功率下产生强大的约束磁场，从而大幅缩减加速器的尺寸，降低加速器功率消耗，从而优化超导加速器的经济效益。随着加速器市场需求的增加，超导线材和超导磁体的市场需求也将变得更为明确。超导材料产业链上游为矿资源，如钇、钡、铋、锶、硼等金属;中游是超导材料，如YBCO、BSCCO和MgB2等;下游是超导应用产品，如超导电缆、超导限流器、超导滤波、超导储能以及超导发电机等。超导材料产业链上游为原材料，如铌、钛、钇、钡、铋、锶、硼等金属材料，中游为超导材料相关公司，如江苏中天科技、特变电工、西部超导、青岛汉缆、北京英纳超导等，下游为超导设备应用。超导磁体行业发展概况磁共振成像技术（MagneticResoceImaging，简称MRI）是一种先进的人体无损成像技术，广泛应用于人体各个部位疾病的诊断。该系统的基本原理是在外磁场的作用下，某些绕主磁场（外磁场）进动的自旋质子（包括人体中的氢质子）在短暂的射频电波作用下，进动角增大。当射频电波停止后，质子又会逐渐恢复到原来的状态，并同时释放与激励波频率相同的射频信号。MRI便是利用这一原理，在主磁场中附加一个脉冲梯度磁场，选择性地激发所需位置的人体内原子核，然后接收原子核产生的核磁共振信号，最后在计算机中进行傅立叶变换，对这些信号进行频率编码和相位编码，从而建立一幅完整的磁共振图像。MRI设备主要有五大部分组成，即主磁体、梯度系统、射频系统、谱仪系统和计算机及其他辅助设备，其中主磁体、梯度系统、射频系统为MRI设备的核心硬件，覆盖MRI设备成本达90%以上。主磁体是设备的核心组成部分，提供强大静磁场，保持均匀的磁场强度。一般可分永磁体、常导磁体和超导磁体。永磁体和常导磁体的磁场强度较低，一般在0．5T及以下，且在能源消耗、重量、体积、稳定性和操控性等方面具有难以克服的缺陷。超导磁体通过低温超导原理产生高强磁场，在各方面性能均具有明显优势。梯度系统由梯度线圈、梯度放大器组成，谱仪系统的梯度脉冲发生器产生空间编码和定位所需的信号，经过梯度放大器放大信号，传输到梯度线圈上形成梯度磁场。射频系统主要包括射频发射线圈、射频探测器和射频放大器，射频发射线圈接收到射频放大器放大的脉冲信号，产生射频激励磁场，之后射频探测器采集成像体产生的磁共振信号再传输给谱仪系统。谱仪系统主要是由梯度脉冲发生器和射频脉冲发生器组成。计算机及其他辅助设备包括主控计算机、图像显示、检查床及射频屏蔽、磁屏蔽、UPS电源、冷却系统等，其作用是保证自检查开始到获得图像的过程能井然有序、精确无误地进行。区别于X射线和CT，核磁共振所获得的图像具有清晰、精细、分辨率高、对比度好、信息量大等特点，对软组织层次显示具有显著优势，而且不具有伤害性，在临床上的应用十分广泛。超导材料发展理论超导材料的发展离不开理论的支撑，1933年，德国物理学家迈斯纳（W．Meissner）和奥林菲尔德（R．Ochsenfeld）共同发现了超导体的另一个重要特征完全抗磁性，即当材料处于超导状态时，将完全排斥磁场，超导体内的磁感应强度为零，人们将这种现象称为迈斯纳效应。因此，判断一种材料是否具备超导电性，必须要看其是否同时具备完全导电性和完全抗磁性。随后，巴丁（J．Bardeen）、库珀（L．V．Cooper）和施里弗（J．R．Schrieffer）在195K年提出了著名的BCS理论，它把超导现象看作一种宏观量子效应，成功地解释了金属或合金超导体的超导电性微观机理。由于电阻是由电子定向运动时与金属晶格发生碰撞而形成的，而在超导临界温度以下，超导体中的电子通过与晶格振动声子的交换来实现无损耗运动，即没有电阻产生，因此能够实现超导电性。至此，超导体的三大基本特性完全导电性、完全抗磁性和宏观量子效应均已奠定。宏观量子效应是超导电子学的基础，众多科学家及学者根据BCS理论作出了一系列的理论延伸：1）1962年，剑桥大学的约瑟夫森（B．Josephson）预言，电子对能够穿过薄绝缘层（量子隧穿），当由薄绝缘层隔开的两块超导体（约瑟夫森结结构）之间有电流通过时，其中并不会出现电压，这一现象被称为约瑟夫森效应。换言之，该现象是一种横跨约瑟夫森结的超电流现象，即超导电流可以在超导体一绝缘体一超导体的结构中产生；2）1968年，美国物理学家麦克米兰根据BCS理论得到超导体临界温度上限的公式，推算出超导体的临界温度一般不太可能超过39K（约-234℃），39K这个温度也被称为麦克米兰极限。该极限温度曾一度被主流学界所接受，直到1980年代高温超导体的蓬勃发展突破了这个理论极限。超导材料发展综述人们对超导材料的探究得益于低温物理学的发展，而超导材料的诞生则源于人们对金属电阻与温度之间的关系探索。超导，全称超导电性，是二十世纪最重要的科学发现之一，指的是当某些材料在温度降低到某一临界温度（Tc）时电阻突然消失，电流可以在其间无损耗流动的现象，具备这种特性的材料则被称为超导材料或超导体。超导体的诞生要追溯到二十世纪初，人们在气体理论的指导下不断将各种气体液化，创下了一系列的低温记录，荷兰物理学家昂尼斯（H．K．Onnes）在1908年成功液化了地球上最后一种顽固气体—-氦气，并且获得了接近绝对零度的低温：4．2K（约-269℃）。氦作为分子质量最小的稀有气体，是最不活泼的元素之一，也是唯一不能在标准大气压下固化的物质，而液氦的成功获得极大地推进了低温物理学的发展，这也为超导现象的发现埋下了伏笔。1911年，昂尼斯等人用液氦冷却金属汞以研究金属在低温下的电阻行为时发现，汞的电阻并不像预期中随温度降低而逐渐减小，而是在温度降至4．2K左右（Tc=4．2K，等同于-268．98C）时急剧下降，以至完全消失。这也就是超导体的第一个基本特征完全导电性，指当降低至某一温度以下，电阻突然消失的现象。1913年，昂尼斯因液氦的成功制备和超导现象的发现而获得了当年的诺贝尔物理学奖，并首次以超导一词来表达这一现象，寓意为超级导电。自此以后，人们把处于超导状态的导体称为超导材料，其凭借独特的性能和具有潜力的各项应用而持续地吸引着全球各地众多科学家的不断探索。超导磁体行业发展现状及未来前景（一）超导磁体市场现状医学影像设备在医学诊断中起着举足轻重的作用，医生可以通过设备直接对人体内部组织器官结构进行影像信息的分析判断，为病症确诊提供科学客观的依据。实践中存在X线成像、计算机断层扫描（CT）、超声成像、核医学成像、医用内镜和MRI等多种类型，产品种类不断增加，市场规模不断扩大。1、超导磁体市场规模情况2020年全球医学影像市场规模约3，100亿元，市场规模较大且仍然保持稳定增速；中国医学影像行业虽发展较晚，但增速较快，中国医学影像市场规模为537亿元，2015年至2020年的复合增长率为12%。国内医学影像市场中，CT成像占据约为32%的市场份额，X线成像市场份额约为23%、超声成像约为19%，MRI约为17%。从全球市场来看，2020年，MRI系统的市场规模达到93亿美元，预计到2030年将达到145亿美元。中国市场MRI系统销售规模在2020年达到89亿元，预计到2030年将增长至244亿元，年复合增长率超过10%。目前1．5T系统仍然是市场上的主要产品，其保有量大概是3．0T系统的3倍，预计未来3．0T系统将成为市场新的增长点。根据中国医学装备协会的数据，截至2020年末，中国超导MRI系统的保有量为10，713台，每百万人的保有量约为7台。而美国的每百万人保有量约为55台，我国差距较为明显，提升空间巨大。除了人口基数大导致每百万人保有量差异巨大外，单价高是导致超导MRI系统在我国推广速度偏慢的重要原因。因此，通过国产化提升产品性价比，是未来中国市场的发展趋势。2、超导磁体竞争格局全球医学影像市场近70%的份额被GPS占据。在中国市场也不例外，2021年，据医招采公开数据统计，国内共采购1，061台超导MRI系统（含1．5T、3．0T及其他品种），GE、Siemens和Philips分别占据28%、25%和18%的市场份额，销售金额占比分别为31%、29%、20%，国产化率仍有待提升。随着我国加大力度推进高端医疗器械产业的发展，超导MRI系统的国产化趋势日益显著。截至2021年末，共有18家国内企业拥有超导MRI系统的注册证，基本均为1．5T超导MRI系统。（二）超导磁体市场前景2021年安徽省医保局和省卫健委等四部门下发《完善全省乙类大型医疗设备集中采购工作实施方案》，首次提出大型医疗设备带量采购方案，意味着高端医疗器械的集采从我国省级层面拉开序幕，以量换价对于国外厂商构成挑战，有助于国产厂商获得竞争优势。国家财政部及工信部联合发布《政府采购进口产品审核指导标准》（2021年版）通知，明确规定政府机构（事业单位）采购国产医疗器械及仪器的比例要求。137种医疗器械全部要求100%采购国产；12种医疗器械要求75%采购国产；24种医疗器械要求50%采购国产；5种医疗器械要求25%采购国产。其中1．5T、3．0TMRI系统要求审批建议比例为100%采购国产，为国产医学影像设备顺利进院提供便利条件。医学影像在临床应用的领域十分广泛，疾病的早期影像筛查和体检影像检测常规化将会对后续预防和治疗起到决定性的判断作用，临床价值巨大，有望成为大面积推广的检测手段，满足我国居民各种医疗需求。2021年，国家卫健委发布《社会办医疗机构大型医用设备配置证照分离改革实施方案》，意味着全国社会办医疗机构大型设备配置全面放开，利好我国医学影像产业发展。超导磁体行业主要壁垒（一）超导磁体技术壁垒超导MRI设备的设计和生产涉及到理论知识的交叉和复杂的工艺技术，长期积累的研发设计、组件设计和优化、调试和测试的方法是重要的技术门槛。射频探测器工作频率高，各种寄生参数影响大，需要大量调试工作，很难做到完全的流水线式生产，需要反复调试、测试。超导磁体的制作工艺复杂，涉及电磁学、力学、低温、真空、机械、焊接、电子应用等多学科专业技术。针对产品所要求的极端标准和条件，往往需要设计出独特的工艺方案，达到性能要求后还需要进一步优化工艺来减少成本，产品设计中Know-How的掌握是重要的技术壁垒和核心竞争力，涉及射频探测器调试、超导磁体绕线及浸渍、超导接头制作、磁体支撑系统调节装配及真空薄壁件焊接等多项工艺。（二）超导磁体人才壁垒行业产品属于技术密集型产品，对研发设计人员和生产人员的理论基础和操作技能有很高要求，需要经历长时间培训、实践才能独立工作。研发人员培养周期长、成本高，具有显著的人才壁垒，除了要求扎实的理论基础，还需要在实践中不断地摸索、积累经验，才能应对研发过程中各种突发问题，攻克技术难关。生产过程中，高级技术人才所掌握的生产工艺需要在一次次失败中不断完善。生产人员既要保证元器件各项指标的合理、可控，还要对产品进行大量调试。一名技术生产人员从入职、培训、试生产到正式生产，往往需要一年以上的时间，导致行业内熟练工相对稀缺、培训成本高的现状。（三）超导磁体资质壁垒医疗器械由于直接作用于人体，直接关系人的生命健康，一直是世界各国政府重点监控的领域，再加上各国政府出于保护本国企业的考虑，每个国家都有一套市场进入方面的规章制度。对于超导MRI设备，其部件在国外也需按照医疗器械进行管理，受到严格的标准管控；在我国，整机系统需要取得Ⅲ类医疗器械注册证方可生产销售。（四）超导磁体资金壁垒磁体作为MRI设备的核心部件之一，标准的医用影像磁体体积大，投入物料价值高，需要大面积的厂房设备和大量的原材料支撑，在研发过程中存在较高的失败率，企业需要同时保证正常经营及加大研发投入。在销售端，相关产品推广进院的难度大，寻找下游客户需要大量人力物力投入，因此需要企业具备一定的资金实力，从而构建了该行业的资本壁垒。超导磁体行业技术水平特点超导MRI系统现已成为业界公认的高端医学影像设备中皇冠上的明珠，应用基础涉及物理、化学、数学、生物等基础学科的支撑和交叉。MRI设备的发展物理学基础是基于科学家对微观世界和磁场的研究。发展至20世纪中期，MRI被应用于化学物质的鉴定和探索，在医学领域则通过MRI来区分癌变组织和正常组织的不同特性。MRI设备的制造需要技术人员在实操和工艺层面上不断摸索和总结规律，涉及力学、低温、真空、机械、焊接、电子应用等多个工学专业技术，技术实践性强，需要在实操过程中不断试错、总结经验，才能提高制造成功率。在关键的生产流程中，培养熟练的技术工程师来进行生产，例如在射频探测器的调试环节，需要反复调试电感电容的分布，降低寄生参数影响，主要依靠工程师的经验而非统一的标准方法。超导环境要求始终维持在严格的低温4．2K环境（约为-268．8℃），超导线才会达到零电阻特性，电流通过时不会产生热损耗，可以毫无阻力地在导线中流动，产生超强磁场。通常通过液氦和抽真空的方法来建立低温环境，要求磁体中液氦无挥发以及高密闭性和持续制冷，防止失超现象发生，对制冷系统、磁体骨架的搭建、真空浸渍的效果和严密的焊接工艺等提出挑战。1T以上的磁场强度约为10，000高斯，地球的磁场强度约为0．5高斯，1．5T超导磁体场强约为地球磁场的3万倍。在磁体电源的作用下给超导线加以电流，从而建立预订磁场的过程称为励磁。励磁一旦成功，超导线将在不消耗能量的情况下提供强大稳定均匀的磁场。励磁的难度在于高精度大功率的励磁电源以及匀场技术和绕线工艺。强磁场环境中，通电的梯度线圈因受力产生剧烈晃动，形成噪音，是绝大多数超导MRI系统的通病。为减少晃动，在磁体前后两端加入固定装置，尽量抵消掉晃动的力，从而降噪。变化的磁场在其周围的金属体内会产生感应电流，并在金属体内自行闭合，产生涡流，影响磁场均匀性。最常用解决方案就是在主磁体线圈与磁体之间增加一个屏蔽线圈，该线圈的磁场方向和梯度线圈相反，使得合成梯度为零，最终减小涡流情况出现。目前国内的大多数医学影像类超导MRI系统市场份额仍然被GPS占据。国外厂商发展早、技术完备性高、产业链布局广、产品更新迭代快，具备一定的先发优势和客户黏性。国内厂商主要采购核心元部件，依赖上游核心部件厂商，在产业链中的竞争力不强，成本控制能力及议价权受限。在科研领域，超导MRI设备被国外产品垄断的现场更为突出，国内厂商缺乏自制能力，而且产品定制化要求高，更考验厂商的设计能力和服务质量。因为缺乏竞争对手，国外厂商的设备定价长期较高。国内厂商如具备核心部件自制能力，能够通过自身的技术工艺控制成本，从而获取价格竞争优势。因此，高端医疗器械的性价比是衡量竞争力的关键指标，该指标同样适用于逻辑中的科研仪器和设备。从需求端来看，该行业的客户资源主要分为两种类型：处在产业链中下游的系统集成商，由于该行业的科技属性较强、壁垒较高，行业内玩家数量较少，能够获得Ⅲ类医疗器械注册证的企业数量有限，因此和拥有注册证的系统集成商建立良好稳固合作关系，可保证产品订单量。处在产业链需求端的终端客户，包括医院、高校和科研机构等。和优质客户建立并保持合作关系，有利于在行业内建立市场知名度，有利于拓展新的客户资源。超导体更高的临界温度按照超导体的临界温度，可以将超导体分为低温超导和高温超导材料：Tc<25K的超导材料称为C温超导材料，目前已实现商业化的包括NbTi（铌钛，Tc=9．5K）和Nb3Sn（铌三锡，Tc=18k）。由于NbTi和Nb3Sn具有优良的机械加工性能和成本优势，其制备技术与工艺已经相当成熟。目前低温超导的下游应用主要包括加速器磁体、核聚变工程用超导磁体、核磁共振磁体、通用超导磁体等，基于低温超导材料的应用装置一般工作在液氦温度（约4．2K）。在相当长的时期内，低温超导材料仍将是最主要的超导产业支柱性材料；Tc≥25K的超导材料为高温超导材料，具备实用价值的主要包括铋系（例如Bi-Sr-Ca-Cu-O，BSCCO，Tc=110K）、钇系（例如Y-Ba