基于發明專利的體外膜肺氧合技術創新態勢研究

中國醫學科學院/北京協和醫學院 醫學信息研究所/圖書館，北京 100020

引言

新 型 冠 狀 病 毒 肺 炎（Coronavirus Disease 2019，COVID-19）疫情于2020年年初被列為國際關注的突發公共衛生事件，引起全球的廣泛關注。加強COVID-19重癥患者的救治，是疫情防控的突出重點[1]。在COVID-19重癥病人搶救中，體外膜肺氧合（Extracorporeal Membrane Oxygenation，ECMO）是嚴重心肺功能衰竭最核心的支持手段，多家醫院使用ECMO技術成功將病人從死亡邊緣拉回[2-3]。ECMO俗稱“葉克膜”“人工肺”，是一種醫療急救技術設備，最核心的部分是膜肺和血泵，分別起人工肺和人工心的作用，可以對重癥心肺功能衰竭患者進行短時間心肺支持，為危重癥的搶救贏得寶貴的時間[4-5]。ECMO支持是目前其他醫學技術難以替代的輔助治療措施，在一定程度上代表醫院對危重患者的搶救水平[6]。根據Marketsand Markets研究報告，邁柯唯、美敦力和理諾琺（ECMO品牌為索林）是全球ECMO設備市場的前三名。中國醫師協會體外生命支持專業委員會的數據顯示，截止到2018年底，國內共有260家醫院的體外生命支持中心開展ECMO治療，共計約400臺ECMO設備，大多由上述三家跨國醫療器械企業生產[5]。

專利是技術信息最有效的載體，囊括了全球90%以上的最新技術情報，是世界上最大的技術信息源。專利是技術創新的重要方式和必要資源，在不同層面上反映技術創新活動水平[7-9]。發明專利是指對產品、方法或者其改進所提出的新的技術方案。并不是每個專利申請都能得到授權，尤其是發明專利審查嚴格，需要進行實質審查才能授權，存在一定的授權難度，但授權后的權利穩定性更高。發明專利對新穎性、創造性的要求較高，因此其技術含量較高，法律地位相對穩定，是衡量一個國家/地區科技創新能力的重要指標[10]。本研究基于智慧芽專利數據庫對ECMO領域的發明專利進行分析（檢索時間為2020年3月16日），從全球視角分析ECMO的專利技術布局，通過國際比較揭示中國的技術開發態勢，為企業ECMO研發提供技術支持，推進ECMO國產化進程以填補產品國內空白，實現高端醫療器械產品本土化。

1 數據來源與方法

本研究選擇智慧芽專利數據庫，以“體外膜肺氧合”為主題詞在標題和摘要中進行檢索，數據采集時間為2020年3月16日。智慧芽專利數據庫收錄了從1790年至今的全球116個國家/地區的1.4億多件專利，8000多萬條文獻、科技、政策等數據，每周更新數據，可提供全球專利、引用數據、同族信息，獲悉國內外技術及全球布局情況。智慧芽數據庫可為本研究提供全面可靠的數據來源。

專利計量是以專利中的計量信息作為分析研究的基礎，通過專利計量分析可以洞察某一技術領域的發展狀況，并判斷行業的競爭態勢[8,11]。內容分析法是一種對于內容進行客觀、系統和定量描述的研究方法，其實質是對內容所含信息量及其變化的分析，對顯現的內容進行客觀與系統描述[12-13]。采用專利計量分析結合內容分析對ECMO領域的發明專利進行分析，從全球視角多角度分析ECMO的專利技術布局，揭示其技術創新態勢。一組專利即代表一個技術，在開展技術分析時通常基于合并同族后的專利數量。同族專利是指具有共同優先權的在不同國家或國際專利組織多次申請、多次公布或批準的內容相同或基本相同的一組專利文獻。因此，本研究采用合并同族后的專利數量進行分析。

2 技術創新的時間趨勢分析

全球ECMO領域已積累一定規模的高技術含量成果，創新力持續提升。全球ECMO領域共有發明專利167組（共505條），占該領域全球專利申請量的71.06%，接近3/4，已積累一定規模的高技術含量成果。全球ECMO領域專利申請量和發明專利申請量的年度分布如圖1所示。ECMO領域1970年開始有專利申請，且是發明專利，最初幾十年發展相對緩慢。1970—1990年，這一時期專利申請時斷時續，有連續幾年申請量均為0，ECMO領域還處于萌芽階段。1991—2008年，ECMO領域呈現連續的專利申請，并于2003年（專利申請量7組，發明專利申請量6組）和2007年（專利申請量11組，發明專利申請量5組）達到兩個小高峰，ECMO領域進入緩慢增長時期。

圖1 全球ECMO領域專利申請量和發明專利申請量年度分布

2009—2019年的專利申請量占ECMO領域專利申請量的77.02%，發明專利申請量占該領域發明專利申請量的72.46%，超過70%的專利都是在這一時期申請，ECMO領域的技術創新進入一個新的快速發展期。2009—2018年，ECMO領域專利申請量和發明專利申請量的十年復合增長率分別為29.86%和32.98%，呈現較好的增長態勢，近十年專利申請持續活躍，分別于2016年（專利申請量39組，發明專利申請量21組）和2018年（專利申請量42組，發明專利申請量26組）達到兩個小高峰。

3 技術創新生命周期

“生命周期”這一概念源于生物學領域，其基本內涵概括為：任何事物的發展都有萌芽、生長、成熟、衰老的周期性過程[14]。隨著內涵的逐步引申和擴展，逐步演化為一種重要的研究方法[15]。大量研究表明，專利技術一般遵循生命周期的4個階段，即：萌芽期、發展期、成熟期和衰退期[16-17]。ECMO領域近十年進入一個新的快速發展期，對該領域近十年的發明專利繪制技術創新生命周期圖，客觀地掌握技術發展歷程。

從圖2可以看出，近十年ECMO領域主要經歷了以下幾個發展階段：2010—2013年，發明專利申請量和申請人數量相對較少，處于平穩的增長時期；2014—2016年，發明專利申請量和申請人數量呈線性增長，這一時期取得重要進展，隨著專利申請量的增加，發明專利申請人的數量也在不斷增加，表明不斷有新的技術創新實體投入到ECMO領域的技術開發；2017—2019年，ECMO領域發展進入成熟期，發明專利申請量和申請人數量呈現波動式發展，但絕對值仍較高，技術發展遇到瓶頸，存在一些技術難題需要突破。ECMO最核心的部分是膜肺和血泵，具有頗高的技術門檻。膜肺是為進行氣體交換的裝置，有硅膠膜型與中空纖維型兩種，硅膠膜型和中空纖維型分別存在排氣困難和血漿滲漏的問題需要突破[18]。ECMO離心血泵的技術難點在于要達到足夠的輸出量，最少的血栓形成及血液成分破壞[19]。隨著醫療技術、材料技術、機械技術的不斷發展，ECMO領域的技術難題會不斷突破，進入一個新的發展高峰期。

圖2 ECMO領域技術創新生命周期圖

4 技術創新來源地

發明專利的創新性要求高，技術含量較高，通過發明專利申請人所在國家/地區分析可以在一定程度上反映技術創新來源地[10,12]。ECMO領域全球共有發明專利167組，技術創新來源地如圖3所示。美國是該領域發明專利申請最多的國家，有51組，處于第一位，占該領域全球發明專利申請量的30.54%，接近1/3，領先優勢明顯；其次是中國，專利申請數量37組，發明專利全球占比22.16%，超過1/5，全球ECMO領域超過1/2的技術創新成果來源于中美兩國。此外，俄羅斯有14組，全球占比8.38%；德國有9組，全球占比5.39%；法國和韓國各有5組，全球占比2.99%；英國有4組，全球占比2.40%。其他國家/地區的發明專利數量均在3組以下。中美兩國是全球ECMO領域的主要技術創新來源地。

圖3 ECMO領域技術創新來源地

通過技術創新來源地的申請趨勢變化可以分析技術活躍趨勢，ECMO領域的主要技術創新來源地的時間趨勢如圖4所示。美國是ECMO領域全球第一大技術創新來源地，美國每年的發明專利申請量在全球處于較突出地位。中國是全球第二大技術創新來源地，2016年后每年的發明專利申請量超越美國，居全球第一位，且領先優勢明顯，表明中國近幾年在ECMO領域技術創新活躍，有較好的發展前景。

圖4 ECMO領域技術創新來源地的時間趨勢

5 技術創新實體

5.1 全球技術創新實體

通過對全球技術創新實體的分析，可以了解ECMO領域競爭對手情況[10,12]。ECMO領域主要技術創新實體（發明專利申請量≥3組），有8個，其中美國的機構最多，有5個，包括3家公司和2所高校；俄羅斯有2個，分別是高校和研究機構；中國有1個，是1家企業。發明專利數量最多的技術創新實體是美國的Therox公司，有6組；其次是美國的馬里蘭大學巴爾的摩分校，發明專利有5組；中國廣東順德工業設計研究院（廣東順德創新設計研究院）和俄羅斯聯邦衛生部國家科學中心各有4組；其余4個技術創新實體的發明專利數量均為3組（圖5）。可以看出，各技術創新實體發明專利數量不多，可能與ECMO領域涉及的關鍵部件較多且技術門檻較高有關，技術創新難度較高。

圖5 ECMO領域全球主要技術創新實體（發明專利申請量≥3組）

5.2 中國技術創新實體

中國是ECMO領域全球第二大技術創新來源地，在該領域的技術創新占據重要地位，尤其是2016年后發展勢頭迅猛，每年的發明專利申請量遠超美國。通過對中國的技術創新實體進行分析，來揭示中國在該領域的競爭對手情況。中國在ECMO領域的技術創新實體類別及其發明專利數量（圖6），共有5種類別，分別包括企業10個，發明專利15組；個人10個，發明專利10組；醫院9個，發明專利11組；研究所2個，發明專利2組；高校1個，發明專利1組。除去個人技術創新實體，中國ECMO領域的技術創新實體以企業和醫院為主，發明專利數量占比（66.41%）超過中國該領域發明專利數量的3/5，中國的企業在ECMO領域的技術創新占據主導地位，發揮了重要作用。

圖6 中國ECMO領域的技術創新實體類別及其發明專利數量

中國ECMO領域的技術創新實體詳細信息如表1所示，其中發明專利申請量最多的是廣東順德工業設計研究院（廣東順德創新設計研究院），有4組，發明主要側重于裝置及控制方法，4組發明專利均處于審中狀態。深圳漢諾醫療科技有限公司、珠海鵬宇汽車有限公司、中國人民解放軍北部戰區總醫院、贛南醫學院第一附屬醫院各有2組發明專利，其他技術創新實體（不包含個人）的發明專利均只有1組。深圳漢諾醫療科技有限公司的發明聚焦于便攜式ECMO的技術開發，珠海鵬宇汽車有限公司的發明主要針對ECMO急救的智能救護裝置，這2家企業的發明專利也是均處于審中狀態。中國人民解放軍北部戰區總醫院的2組發明專利已拿到授權，分別涉及ECMO的膜肺和離心血泵兩個核心部件。贛南醫學院第一附屬醫院的2組發明專利也是處于審中狀態，分別是關于ECMO余血回收及預充裝置的技術。

從表1可以看出，共有7組發明專利已經授權，包括2家企業、2家醫院、1家研究所和1所高校，有6組還處于有效狀態，中國人民解放軍第四軍醫大學的發明專利（CN101450231B，一種用于肺功能損傷現場救治的體外循環自供氧系統）由于未繳年費已經失效。6組有效的授權發明專利詳細信息如表2所示，從6組發明涉及主題來看，主要是針對ECMO核心部件的技術布局。

成都測迪森生物科技有限公司的發明（CN106421951B）是一種ECMO裝置，該技術具有性能可靠、能夠減少血栓、降低對血細胞破壞、更加穩定的特點。北京邁凌醫療技術發展有限公司的發明（CN104800902B）開發了一種用于救治多器官功能衰竭的體外循環生命支持設備，支持/替代心、肺、肝、腎功能衰竭。中國人民解放軍北部戰區總醫院的2組授權發明發生了權利轉移，均是由發明人王輝山將專利權轉讓給了醫院，發明CN105816927B公開了一種體外循環中膜肺連接用卡具，方便安裝與拆卸，大大節約了手術時間；發明CN105268040B公開了一種磁耦合驅動的離心式血泵，使得離心泵與驅動分離，實現血液循環回路的全封閉，減少血液污染，方便拆卸更換，同時離心血泵轉子葉片的流線型設計可使血液平穩流出泵體，減少血栓形成。首都醫科大學附屬北京中醫醫院的發明CN107308513B提供一種ECMO膜肺沖洗液滴的收集裝置，既保證ECMO工作環境的安全衛生，也可以有效利用液滴作為化驗標本進行微生物血檢測，為ECMO運行狀況以及護理環境的評價提供有價值的數據和參考。中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所的發明CN105396187B提供了一種體外膜氧合器，降低了生產制造的工藝難度。

6 技術創新的核心技術

專利被引頻次是體現專利價值的重要標準，被大量引用的專利對后來的發明創造具有重要的啟示作用和極大的參考價值，通過對專利被引頻次的分析，可以了解專利的重要性和價值[20]。一般來說，專利被引頻次越高，代表專利相關技術的先進性和創新性越強，專利價值越大。被引頻次較高的專利是廣泛應用且不斷被借鑒的技術，這些專利更具影響力，并代表著一個領域技術創新的核心技術[12]。

表3是ECMO領域被引頻次超過100次的專利，是該領域的核心創新技術，共有5組，均是美國專利，再次印證美國是ECMO領域全球第一大技術創新發源地。被引頻次最高（239次）的是Jostra Bentley公司的專利US5270005，該發明涉及一種體外血液氧合系統，包括血液處理單元以及遠程控制操作臺。ECMO領域的最早的專利申請是在1970年，其中1組核心專利即是麻省理工學院于1970年申請的US3673612，被引頻次115次，該專利主要涉及非血栓形成材料及其制備方法，該非血栓形成材料可用于血液透析和氧合等可植入和體外生物醫學裝置，抗凝技術的完善使得ECMO長時間安全運行。

表1 中國ECMO領域的技術創新實體

表2 中國ECMO領域的技術創新實體

表3 ECMO領域的核心專利（被引頻次≥100）

7 技術創新熱點

高頻詞在一定程度上可以很好地反映技術創新主題[21]，通過對ECMO領域發明專利標題、摘要的高頻詞進行提取，構建技術創新詞云（圖7），可以了解該領域最熱門的技術主題詞，有助于揭示技術創新熱點[22]。ECMO技術創新熱點主要聚焦在體外循環（41組）、體外生命支持（23組）、中空纖維（16組）、ECMO設備（15組）、血液處理（11組）等方向，圍繞核心部件膜肺和血泵進行技術開發和布局。體外循環主要涉及再循環、循環輔助、ECMO系統、血液充氧、肺功能等技術創新主題；體外生命支持主要是控制方法、體外生命支持系統、器官衰竭、血液出口、功能衰竭等相關的技術主題；中空纖維涉及氣體過飽和、血液透析、血液充氧、氣體轉移等技術；ECMO設備的技術主題有急救設備、患者模塊、輔助裝置等；血液處理包括血液透析、ECMO系統、控制單元、ECMO管路、血管擴張（11組）等技術開發方向。從技術創新熱點涉及的技術主題詞可以看出，這些技術創新熱點不是孤立存在的，而是互相交叉，彼此之間有著緊密的聯系。ECMO領域的技術創新涉及一系列輔助環節，包括方法、技術、軟硬件產品等，是一個多學科綜合的研究主題。

圖7 ECMO領域的技術創新熱點

8 討論與總結

專利是技術創新的重要方式和必要資源，發明專利因其審查嚴格，創新性要求高，技術含量高，是衡量一個國家/地區科技創新能力的重要指標。本研究基于智慧芽專利數據庫對ECMO領域的發明專利進行分析，從技術創新的時間趨勢、技術創新生命周期、技術創新來源地、技術創新實體、技術創新的核心技術、技術創新熱點等角度揭示技術創新態勢，研究得出以下結論：全球ECMO領域已積累一定規模的高技術含量成果，創新力持續提升，技術發展處于成熟期，但依然存在技術瓶頸需要突破，將為ECMO未來發展帶來新的契機；中美兩國是主要的技術創新主體，美國技術創新實體引領全球發展，中國企業在ECMO技術創新發揮了重要作用；技術創新圍繞核心部件膜肺和血泵進行布局，技術創新熱點主要聚焦在體外循環、體外生命支持、中空纖維、ECMO設備、血液處理等方向，各技術主題互相交叉且聯系緊密。ECMO技術創新是一個多學科綜合的研究主題，需要心血管外科、體外循環、重癥監護等多學科的技術支撐及密切合作，根據產品結構和關鍵指標開展標準和技術研究，重點圍繞其安全性和有效性，整合國內頂尖技術資源，聯合開展技術攻關。本研究從情報學角度為企業ECMO研發提供技術支持，推進ECMO國產化進程以填補產品國內空白， 實現高端醫療器械產品本土化。