超导MRI系统硬件行业市场需求与投资规划

超导MRI系统硬件行业市场需求与投资规划

超导磁体行业的周期性区域性和季节性（一）超导磁体周期性医用影像类超导MRI设备属于医院检验科室的刚需。从存量角度，随着技术不断升级，原有设备仍有替代需求；从增量角度，大型高端医疗器械配置许可正在逐渐放量，政府指导文件和规划纲要强调优先使用国产产品，将会推动国产设备被医院采用；特种超导磁体的应用范围更为广泛，包括动物实验、物理研究、半导体产业、污水处理、石油化工等领域，潜在需求量巨大。综上，行业具备较好的行业景气度。（二）超导磁体区域性由于超导MRI设备单价较高，经济发达地区医院配置能力更为充沛，主要的生产厂商也集中在长三角、北京及深圳等地区，产业的集聚效应比较明显。（三）超导磁体季节性大型医用设备行业的终端客户群体一般为医疗机构，医疗机构购买大型医用设备的前置程序较为繁琐，通常在一季度进行预算审批，第二季度和第三季度进行招标和采购，四季度发货验收。因此，设备商及其上游的核心部件供应商的销售具备一定季节性特征。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。产业化的突进根据超导材料的基本特性，其不仅在临界温度下具有零电阻特性，而且在一定的条件下还具备完全抗磁性和宏观量子效应等常规导体所不具备的特性，这些性质使超导体能够实现大电流传输、获得强磁场、实现磁悬浮、检测微弱磁场信号等多种应用，因此其被广泛应用在电子通信、电力能源、交通运输、国防、医疗器械等诸多领域。由于超导材料和技术涉及的领域之，发达国家不惜投入巨资开展前期研究和产业化应用实验。我国在产业政策方面也对超导材料的发展方向做出了相关支持，历年出台的各类新材料行业发展政策推动了超导材料的发展和革新。《中国制造2025》将超导材料列为前沿颠覆性新材料中需重点发展的项目，《十三五国家战略性新兴产业发展规划》指出应积极参与国际热核聚变实验堆计划（ITER），不断完善全超导托卡马克核聚变实验装置等国家重大科技基础设施。由于超导材料的应用不仅能提高电力生产、传输等领域的工作效率，也能对资源的节约起到举足轻重的作用，在这个能源紧缺的时代，超导材料科研技术和生产技术的飞跃势必带来新一轮的能源革命。目前全球超导市场以低温超导为主，国内低温超导材料及应用占超导市场总量的90%以上，高温超导材料仍处于商业化初期。经过数十年的潜心发展，我国已成为国际超导材料和应用技术研发的中坚力量，目前已基本掌握了各种实用化超导材料的制备技术，实现了低温超导材料的商业化生产。低温超导方面，尽管我国在商业化、超导强电和弱电应用技术等方面已基本达到国际先进水平，但由于产学研用结合不紧密、创新链和产业链不完整，导致我国在高端医疗设备、分析仪器、科研装备等超导技术应用方面存在明显差距，相关材料和装备仍然依赖进口。未来低温超导材料产业需着力提升整体研发水平，提高自主创新能力，向世界领先水平迈进。高温超导方面，我国在高温超导材料基础研究和工艺研究方面均已实现一定进展，材料性能已基本满足应用需求，目前正逐渐开始商业化，但和国际水平仍存在着明显的差距，未来高温超导料商业化的核心仍需围绕低成本、大规模批量制备技术。以下章节将对低温超导和高温超导材料各自的产业链、下游应用及发展前景作出梳理和展望。中国超导行业业务发展情况业务竞争格局方面，各家公司涉足低温超导产业链领域均不相同。与低温超导产业链相关的领域包括NbTi锭棒和线材、Nb3Ti线材、超导磁体和超导设备。全球各家公司所涉足的领域均有不同，仅有少数几家公司掌握低温超导线材的生产技术，分布在英德日中等国家。在NbTi锭棒领域，国内仅有西部超导掌握相关技术，西部超导NbTi合金铸锭、棒材的工程化制备相关技术获授权专利6项，相关技术成果获国家技术发明二等奖，产品实现了批量化生产且成功应用于ITER项目及MRI超导线材制备任务。在超导线材领域，西部超导采用青铜法和内锡法两种方法生产Nb3Sn线材，其他公司目前还未进行布局。在超导磁体领域，有多家企业拥有制备能力，国内主要有宁波健信、西部超导和潍坊新力，成都奥泰拥有自由的超导磁体工厂，但所生产产品不对外出售。在超导设备领域，目前高端超导MRI市场被GE、PHILIPS、SIEMENS三家国外公司垄断，主流产品以3．0T为主，而SIEMENS已经开始量产7T产品。国内成都奥泰、苏州安科等多家企业目前已实现1．5T、3T超导MRI的商业化生产。超导磁体行业分析表示，超导材料是国家科技创新规划中新材料领域重点发展的前沿材料之一，在能源、医疗、交通、国防工业等领域都有广阔的应用前景，但因为其使用条件苛刻、成本高，技术难度大，因此商业化应用速度较慢。目前全球超导市场以低温超导材料为主。除ITER项目外，超导技术在民用领域应用较为广泛，主要包括MRI（核磁共振）、MCZ（用于半导体单晶硅）、大科学工程（CFETR、重离子加速器）等领域。随着全球超导技术的不断研发，以及超导在各个领域的应用规模不断扩大，全球超导行业已然进入火热年代。其中，超导材料是超导应用的基础，所以是最先产业化的部分，也是未来最具确定性的领域。超导材料根据临界转变温度的不同可以划分为低温超导材料和高温超导体材料。目前全球的超导行业以低温超导为主，2018年其市场规模为58．81亿欧元，市场份额高达95．61%;而高温超导材料的市场规模为2．7亿欧元，市场份额仅为4．39%，但其增长速度较为迅速。从低温超导产业市场参与者来看，与低温超导产业链相关的生产企业来自包括超导锭棒、超导线材、超导磁体和超导设备领域。从全球来看，部分企业专注于单一领域的研发生产，例如美国ATI公司;而另一部分企业则是横跨多个领域，如英国Oxford公司等。目前，全球仅有少数几家企业掌握低温超导线生产技术，主要分布在英国、德国、日本和中国。值得注意的是，中国企业西部超导的业务涉及NbTi锭棒和线材、Nb3Sn线材（包括青铜法和内锡法）和超导磁体的生产，是全球唯一的铌钛（NbTi）锭棒、超导线材、超导磁体的全流程生产企业。未来一段时间，医用超导磁体仍将是市场研究热点，同时也是市场需求热点，需求量将不断增加。超导磁体行业技术研究将主要集中在两个方面：一是运用智能技术等新技术，提高超导磁体产品的科技含量;二是加大医疗领域3．0T及更高端的超导磁体研究，推动医疗行业转型升级。今后，中国超导材料及其应用领域应进一步加强超导材料及其应用装置的制备工艺研究，不断探索更高临界温度的超导体，并加强与超导技术应用密切相关的低温制冷技术和低温系统的研究，以进一步全面提升中国的超导材料及其应用技术的发展水平。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