全自動(dòng)體外診斷分析儀樣本輸送模塊專利技術(shù)分析

裴芳瑩 施宏杰

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津 300300）

0 引言

體外診斷（In Vitro Diagnosis，IVD）指通過(guò)化驗(yàn)人體的組織如血液或體液而得到疾病相關(guān)信息的診斷方法［1］。隨著技術(shù)發(fā)展，體外診斷作為一種簡(jiǎn)便的疾病診斷方法已在臨床醫(yī)療中普及開來(lái)，全自動(dòng)體外診斷分析儀在國(guó)內(nèi)外各大醫(yī)院及醫(yī)療機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用［2-3］。全自動(dòng)體外診斷分析儀一般包括樣本前處理模塊、樣本輸送模塊、取樣模塊、反應(yīng)模塊、清洗模塊、檢測(cè)模塊等部分，其中，樣本輸送模塊是影響全自動(dòng)體外診斷分析儀檢測(cè)效率和自動(dòng)化程度的重要部分。本研究以全球?qū)＠麛?shù)據(jù)（截至2020 年）為樣本，針對(duì)樣本輸送模塊開展了專利分析和技術(shù)路線梳理，為相關(guān)企業(yè)技術(shù)研發(fā)和專利布局提供參考。

1 全球及中國(guó)專利態(tài)勢(shì)分析

1.1 全球申請(qǐng)態(tài)勢(shì)

樣本輸送模塊全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)如圖1所示，整體呈波動(dòng)式上漲趨勢(shì)。1979 年之前，專利申請(qǐng)量較少，維持在50 件/年以下。1980—2009 年，專利申請(qǐng)量整體上呈波動(dòng)式上漲趨勢(shì)。2010 年之后，專利申請(qǐng)量繼續(xù)呈持續(xù)上漲趨勢(shì)，說(shuō)明該領(lǐng)域的技術(shù)仍在發(fā)展。申請(qǐng)人數(shù)量與專利申請(qǐng)量的變化趨勢(shì)基本一致。2011 年之后申請(qǐng)人數(shù)量增長(zhǎng)緩慢，但全球申請(qǐng)總量在增加，說(shuō)明投入該技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)的企業(yè)仍在增加。

圖1 樣本輸送模塊全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)

樣本輸送模塊技術(shù)全球前10 申請(qǐng)人及其申請(qǐng)數(shù)量見表1。全球前10申請(qǐng)人共申請(qǐng)了2 011件，占全球申請(qǐng)總數(shù)量的24.4%。全球申請(qǐng)人數(shù)量眾多，技術(shù)分散性明顯，頭部公司領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)明顯，但無(wú)壟斷優(yōu)勢(shì)。國(guó)外申請(qǐng)人占據(jù)申請(qǐng)人前10 位中的8 個(gè)席位，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人占據(jù)其中的2個(gè)席位。

表1 樣本輸送模塊技術(shù)全球前10位申請(qǐng)人及其申請(qǐng)量

來(lái)自日本的日立公司獨(dú)占鰲頭，以552 件的申請(qǐng)數(shù)量居世界第一，占前10 位申請(qǐng)人申請(qǐng)數(shù)量的27.4%，領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)明顯；來(lái)自瑞士的羅氏公司以274件申請(qǐng)數(shù)量居世界第二，占前10 位申請(qǐng)人申請(qǐng)數(shù)量的13.6%；來(lái)自日本的希森美康公司以234件申請(qǐng)數(shù)量居世界第三，占前10位申請(qǐng)人申請(qǐng)數(shù)量的11.6%。世界前3位申請(qǐng)人共申請(qǐng)1 060件，占前10位申請(qǐng)人申請(qǐng)數(shù)量的52.7%，顯示技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。來(lái)自我國(guó)的邁瑞生物以206 件申請(qǐng)數(shù)量居世界第四，占前10位申請(qǐng)人申請(qǐng)數(shù)量的10.2%，技術(shù)實(shí)力強(qiáng)勁；來(lái)自我國(guó)的邁克醫(yī)療以163 件申請(qǐng)居世界第五，占前10 位申請(qǐng)人申請(qǐng)數(shù)量的8.1%；來(lái)自我國(guó)的蘇州長(zhǎng)光華醫(yī)以114 件申請(qǐng)居世界第八，占前10 位申請(qǐng)人申請(qǐng)數(shù)量的5.7%；來(lái)自我國(guó)的3 位全球前10 申請(qǐng)人共申請(qǐng)483 件，占前10 位申請(qǐng)人申請(qǐng)數(shù)量的24%，形成了較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

1.2 國(guó)內(nèi)主要申請(qǐng)人

樣本輸送模塊技術(shù)國(guó)內(nèi)前10 位申請(qǐng)人及其申請(qǐng)量見表2。在國(guó)內(nèi)申請(qǐng)的前10 位申請(qǐng)人共申請(qǐng)1 275 件，日立以339 件申請(qǐng)數(shù)量占據(jù)第一，占前10位申請(qǐng)人申請(qǐng)數(shù)量的26.6%，在國(guó)內(nèi)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)與在國(guó)際領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)基本持平。邁瑞生物以206 件申請(qǐng)數(shù)量位居第二，占前10位申請(qǐng)人申請(qǐng)數(shù)量的16.2%；希森美康公司以184 件申請(qǐng)數(shù)量位居第三，占前10位申請(qǐng)人申請(qǐng)數(shù)量的14.4%；邁克醫(yī)療以163件申請(qǐng)數(shù)量位居第四，占前10位申請(qǐng)人申請(qǐng)數(shù)量的12.8%；新產(chǎn)業(yè)以65件申請(qǐng)數(shù)量位居第六；安圖生物以39件申請(qǐng)數(shù)量居第八位；科斯邁生物以33 件申請(qǐng)數(shù)量位居第九；中國(guó)的5 位申請(qǐng)人共申請(qǐng)506 件，占前10 位申請(qǐng)人申請(qǐng)數(shù)量的39.7%，本土公司占比優(yōu)勢(shì)明顯。而世界申請(qǐng)占第二位的羅氏在國(guó)內(nèi)以157 件排名第五，顯示其在中國(guó)的策略與其他排名靠前公司有所不同，其公司策略更傾向于海外的市場(chǎng)。

表2 樣本輸送模塊技術(shù)國(guó)內(nèi)前10位申請(qǐng)人及其申請(qǐng)量

1.3 技術(shù)分支及申請(qǐng)趨勢(shì)

把技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)一步細(xì)分，樣本輸送模塊包括樣本輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、試樣容器、掃碼識(shí)別、輸送控制、樣本調(diào)度優(yōu)化五個(gè)技術(shù)分支，全球及中國(guó)相關(guān)申請(qǐng)量見表3。由表3可知，我國(guó)在這些技術(shù)分支中與全球存在較大差距。

表3 樣本輸送模塊技術(shù)分支

樣本輸送模塊各技術(shù)分支全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)如圖2 所示。在全球范圍內(nèi)，樣本輸送模塊的專利申請(qǐng)中，樣本輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、試樣容器兩個(gè)分支起步較早，分別于1949、1950 年出現(xiàn)首件申請(qǐng)，然而大部分早期申請(qǐng)集中在樣本輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，1965 年以后年申請(qǐng)量達(dá)到10 件以上，此后持續(xù)波動(dòng)增長(zhǎng)；掃碼識(shí)別、輸送控制和樣本調(diào)度優(yōu)化三個(gè)分支的專利申請(qǐng)?jiān)?970 年前后首次出現(xiàn)，其中，掃碼識(shí)別發(fā)展較早，1987 年以后開始穩(wěn)步增長(zhǎng)；輸送控制和樣本調(diào)度優(yōu)化發(fā)展較晚，在2000 年以前年申請(qǐng)量?jī)H有個(gè)位數(shù)，此后開始快速增長(zhǎng)。從近幾年各分支申請(qǐng)數(shù)量看，樣本輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)起步最早，申請(qǐng)量最多，試樣容器申請(qǐng)量位居第二，輸送控制近幾年的專利申請(qǐng)量與試樣容器接近，掃碼識(shí)別和樣本調(diào)度優(yōu)化分別位居第四、第五。整體而言，近年來(lái)，樣本輸送模塊各技術(shù)分支的專利申請(qǐng)均保持較高的活躍度。

圖2 樣本輸送模塊各技術(shù)分支全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)

樣本輸送模塊中國(guó)專利申請(qǐng)趨勢(shì)如圖3 所示。樣本輸送模塊相關(guān)的國(guó)外來(lái)華專利申請(qǐng)起步于1988 年，比國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)?jiān)?4 年。在2006 年之前，國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)量維持在個(gè)位數(shù)，國(guó)外來(lái)華申請(qǐng)已達(dá)到年申請(qǐng)量40 件的水平，之后二者均呈穩(wěn)步上漲趨勢(shì)。從整體上看，2016 年之前，國(guó)外來(lái)華申請(qǐng)始終占據(jù)主導(dǎo)地位，2017 年，國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)量成倍增長(zhǎng)，超過(guò)國(guó)外來(lái)華專利申請(qǐng)量；自2017 年開始，國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)量開始占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖3 樣本輸送模塊中國(guó)專利申請(qǐng)趨勢(shì)

樣本輸送模塊起到了聯(lián)通樣本、試劑及反應(yīng)物的作用，樣本輸送模塊的作用對(duì)分析儀整體運(yùn)行效果有重要影響。從技術(shù)功效來(lái)看，主要包括提高檢測(cè)效率、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、提高自動(dòng)化程度、小型化、提高檢測(cè)精度、避免污染、降低成本等方面。2015年以前，用于提高樣本輸送模塊自動(dòng)化程度的申請(qǐng)占到了最大比重，同時(shí)，降低成本、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的申請(qǐng)也在逐漸增加。進(jìn)入2016 年，提高檢測(cè)效率的申請(qǐng)占到最大比重，可見近年來(lái)提高檢測(cè)效率是各廠家最注重的方面，而降低成本、提高檢測(cè)準(zhǔn)確度、小型化等方向也為各廠家所重視。企業(yè)在做專利布局時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注提高檢測(cè)效率方面的熱點(diǎn)技術(shù)，同時(shí)兼顧其他方面。

2 技術(shù)演進(jìn)路線

全自動(dòng)體外診斷分析儀整體朝著高效、精準(zhǔn)、自動(dòng)化、小型化、低成本的全性能提升方向發(fā)展［4］。對(duì)于樣本輸送模塊，其屬于分析儀器的主要機(jī)械單元，其負(fù)責(zé)樣本、試劑的移動(dòng)控制，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化分析檢測(cè)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，樣本輸送模塊結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)改進(jìn)可很大程度提高檢測(cè)效率。本研究選取代表性的專利，梳理出樣本輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的技術(shù)演進(jìn)路線（如圖4所示）。

圖4 樣本輸送結(jié)構(gòu)技術(shù)演進(jìn)路線

樣本輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)早期專利申請(qǐng)較少，且多為盤式輸送結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)70年代開始，出現(xiàn)軌道式或傳送帶等直線型輸送結(jié)構(gòu)，例如，羅氏公司在US3832140A 提出利用兩端連接半圓形的反向傳送部分的兩個(gè)平行的傳輸軌道構(gòu)成環(huán)形軌道代替盤式樣品運(yùn)輸器，實(shí)現(xiàn)了易于分析通道的擴(kuò)展、組合并提高了檢測(cè)效率。

21 世紀(jì)以后，樣本輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)朝向高容量、高精度、小型化等方向發(fā)展。例如，貝克曼公司申請(qǐng)的US2006159587A1，采用雙層盤式結(jié)構(gòu)提高容量；2009 年，南京勞拉電子公司在CN201600377U 中采用帶有定位光耦的軌道運(yùn)送比色皿，提高了定位精度；2010 年，山東博科生物公司在CN101806809A 中采用將承載比色皿的移動(dòng)臺(tái)設(shè)置在水平移動(dòng)的軌道上的方法，通過(guò)移動(dòng)臺(tái)與軌道的結(jié)合，相對(duì)于傳統(tǒng)軌道提高了運(yùn)輸容量，相對(duì)于傳統(tǒng)比色皿承載臺(tái)提高了定位精度；同年，日立公司在US2012266698A1 中提出將用于運(yùn)輸試管架的試管架軌道和運(yùn)輸試管夾的軌道合二為一，提供一種能夠使試管架和試管夾在相同的路線上工作的樣品輸送系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊且可靠性高。

近10 年，隨著檢測(cè)需求增大，軌道式輸送結(jié)構(gòu)中的變軌技術(shù)逐漸發(fā)展成熟。例如，羅氏公司在US2012301358A1 中率先提出了連接多條運(yùn)輸主線軌道接頭結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)變軌的方法，接頭結(jié)構(gòu)包括轉(zhuǎn)盤及多條旁路輸送線，并利用可控主/旁路開關(guān)用于引導(dǎo)樣品實(shí)現(xiàn)軌道間切換，實(shí)現(xiàn)了不同工作單元之間的軌道互聯(lián)，該結(jié)構(gòu)功能強(qiáng)大但很復(fù)雜。隨后國(guó)內(nèi)公司將變軌結(jié)構(gòu)朝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化方向改進(jìn)。例如，2012年，深圳市新產(chǎn)業(yè)生物醫(yī)學(xué)工程股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱深圳新產(chǎn)業(yè)）在CN202735360U 中提出了一種新的變軌結(jié)構(gòu)：在四條平行軌道的末端設(shè)置與此四條軌道垂直移動(dòng)的變軌機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸樣品的變軌，適合大批量樣品測(cè)試。之后，深圳新產(chǎn)業(yè)在CN210465461U中進(jìn)一步改進(jìn)，使變軌機(jī)構(gòu)包括和樣品輸送軌道相接的輸送結(jié)構(gòu)及與之垂直的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)使變軌機(jī)構(gòu)的輸送結(jié)構(gòu)變換相對(duì)接的樣品輸送軌道實(shí)現(xiàn)變軌。2016 年，四川邁克生物在CN105929187A 中結(jié)合新的需求提出了采用結(jié)構(gòu)結(jié)合控制邏輯實(shí)現(xiàn)變軌，選擇關(guān)閉與輸送軌道連接的前后兩個(gè)進(jìn)樣軌道靠前的進(jìn)樣軌道，以在預(yù)留插隊(duì)的空間以使靠后的進(jìn)樣軌道插入緊急樣品實(shí)現(xiàn)加急樣品的及時(shí)處理。2017年，貝克曼在CN110462406A中提出了一種新的變軌機(jī)構(gòu)：月牙形的轉(zhuǎn)移元件，其位于兩個(gè)相互靠近的平行傳送通道之間，月牙形的轉(zhuǎn)移元件旋轉(zhuǎn)時(shí)利用月牙形缺口將其中一個(gè)傳送通道內(nèi)的筒形對(duì)象承載件傳送到另一個(gè)軌道，并設(shè)計(jì)了用于阻擋對(duì)象承載件并可以固定轉(zhuǎn)移元件位置的可旋轉(zhuǎn)門，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的變軌操作。2019 年邁瑞醫(yī)療在CN210514342U 中提出了一種相似的變軌機(jī)構(gòu)：位于上下軌道間可轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤使上下軌道內(nèi)的樣本進(jìn)行變軌的軌道系統(tǒng)。2018 年，中實(shí)醫(yī)療在CN207717793U 中提出了具有主軌道和與之連接的副軌道的軌道結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)置撥轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)變軌，提高了檢測(cè)效率。

除單純的變軌結(jié)構(gòu)外，軌道的阻擋機(jī)構(gòu)及利用阻擋機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)變軌及阻擋機(jī)構(gòu)結(jié)合變軌機(jī)構(gòu)的專利被相繼提出。2016 年，寧波美康盛德生物在CN106771283A中提出了阻擋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在傳輸軌道末端設(shè)置限位擋板機(jī)構(gòu)，配合推樣機(jī)構(gòu)及垂直的與之對(duì)接的軌道，提高了樣品架的緩沖量。2017年，江西特康科技在CN106829422A 中采用在軌道上設(shè)置觸碰元件及推動(dòng)元件的方法實(shí)現(xiàn)樣品從輸送軌道到測(cè)試軌道的變軌，觸碰元件同時(shí)起到了阻擋件的作用。長(zhǎng)光華醫(yī)在CN107228948A 中提出采用在輸送軌道下設(shè)置與之平行的阻擋件軌道的方法，實(shí)現(xiàn)阻攔滑塊的移動(dòng)，并設(shè)置通軌道前后兩個(gè)擋塊，保障取樣依次進(jìn)行；安圖生物在CN207036875U 中提出在平行的急診樣本軌道、常規(guī)樣本軌道和回收樣本軌道上設(shè)置伸縮定位樣本傳送裝置、樣本架限位阻擋件，并設(shè)置樣本軌道切換裝置的方法，實(shí)現(xiàn)了樣本架的精確傳送及回收。2019 年，邁瑞醫(yī)療在CN210514343U 中提出了采用位于軌道上的撥爪及具有弧面的擋塊來(lái)實(shí)現(xiàn)變軌的方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究以全球?qū)＠麛?shù)據(jù)為依托，針對(duì)全自動(dòng)體外診斷分析儀的樣本輸送模塊開展了專利分析和技術(shù)路線梳理，分析了全球和中國(guó)專利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)、主要申請(qǐng)人、技術(shù)分支及技術(shù)發(fā)展方向。從樣本輸送模塊的專利布局情況和技術(shù)演進(jìn)路線可知，提高檢測(cè)效率一直是重點(diǎn)改進(jìn)方向，同時(shí)，技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出提高自動(dòng)化程度、降低成本、小型化、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等多元發(fā)展方向。