AI技術專利研究系列：Butterfly Network，醫療影像的明星公司
作為一家基於硬體產品的創業公司，要想獲得商業上的成功，只靠技術和價格的優勢通常是不夠的，特別是在一個有巨頭公司參與的市場環境中，如果創業者傾盡心血研發的產品在市場競爭中缺乏有效的專利保護，這是極其危險的，因為巨頭們掌控的渠道和資本很快會將創業者淹沒在殘酷的競爭浪潮中。
Butterfly Network，醫療影像的明星公司
by
砸光司馬缸
將人工智慧應用於醫療影像是一個比較熱門的創業方向，尤其是在醫療數據採集和影像識別診斷方面，人工智慧依靠強大的圖像識別和深度學習技術，將很好地解決醫學影像大數據人工處理中存在的兩大問題，大大提高數據分析的效率和準確性，減輕醫生的壓力，同時也能提高診療的效率和準確率以及成本。國外早已出現了一批將人工智慧用於醫療影像的明星公司，如Enlitic、Butterfly Network、VisExcell、VoxelCloud等。
這些公司都有一個共同的特性，即設立了一個大願景，同時有技術壁壘，還均獲得了巨額的融資。其中，Butterfly Network較為典型，成立三年獲得1億美元投資。
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致力於做最便宜的成像系統
Butterfly Network公司成立於2011年，其聯合創始人兼CEO是著名生物科學企業家Jonathan Rothberg，Rothberg曾為 DNA 測序技術的發展做出了重大貢獻，他先後創辦過幾家醫療健康與生物技術公司，其中的兩家 DNA 測序公司454 Life Sciences與 Ion Torrent Systems更是以數億美元的價格賣出。
Butterfly Network的創始團隊中包括若干來自麻省理工的物理學家和工程師（甚至有出自神秘的林肯實驗室），其中聯合創始人Nevada Sanchez曾設計了一個低成本的無線電望遠鏡，該設備應用的信號處理技巧即被稱為「butterfly network」，這也是這家初創公司名稱的由來。
Butterfly Network公司同時也是從Jonathan Rothberg創立的孵化器4Combinator中脫穎而出的，4Combinator孵化器旨在將醫療感測器與人工智慧中的深度學習相結合。Butterfly Network公司希望建立一個收集數以千計圖像的資料庫，然後使用人工智慧技術從中獲得新的臨床治療手段。他們把打造出足夠便宜的成像系統當作首要目標，立志讓全世界最貧困的角落也都能用得起。
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核心技術：電容式微機械超聲換能器（CMUT)
大多數超聲波檢測儀都是使用小型壓電晶體或者陶瓷來發射和接收聲波，但是連接這些零部件需要特別嚴密，然後再通過電纜連接到一個單獨的盒子處理信號，這些儀器體積龐大很難在急診室中手持操作。
正是基於這一問題，Butterfly Network公司研發了一種電容式微機械超聲換能器（Capacitive Micro-machined Ultrasound Transducer，簡稱CMUT)技術，該技術可將多種超聲波探頭的性能集成到一個由數以千計MEMS組成的2D矩陣陣列中並堆疊在集成電路上。
Butterfly Network公司的這一技術首次公開在專利US8852103B2中，該專利（Transmissive imaging and related apparatus and methods）是基於公司創始人Jonathan Rothberg和Nevada Sanchez於2011年10月17日提交的一項美國臨時申請（US61/548047，Opposed array imaging and related apparatus and methods）為最早優先權的專利。
高質量專利文本：這是一項擁有186項權利要求的專利
專利US8852103B2提出了一項超聲成像裝置，通過將輻射源陣列和輻射感測器陣列多維非線性地排列設置，並使得每兩個相鄰感測器之間的距離大於超聲波長的一半，藉由一個處理電路來區分每個感測器接收的來自多個輻射源所發送的信號，用於檢測諸如折射指數，密度和/或聲速對象的目標特性。
該專利基於上述原理從成像裝置的配置方式上主張了多種排列布置組合的保護，在其長達124頁的授權專利文本中主張了186項權利要求，其中包括7項產品獨立權利要求。
Butterfly Network研發的電容式微機械超聲換能器（CMUT）技術實際上是一種「晶元上的超聲波技術（ultrasound-on-a-chip）」。該技術利用了當今大眾市場上成熟的計算機晶元製造工藝，用CMUT代替了傳統的壓電晶體作為超聲波換能器。CMUT與壓電換能器相比具有良好的帶寬和聲學阻抗匹配性能，可以抑製成像偽跡、提高信號質量以及減小信道計數。
以專利US8852103B2公開的內容作為優先權基礎，公司自2012年始截至本文成稿日，已經陸續就該技術及該技術的延伸培育了一個包含42項專利的家族，遍及美國、澳大利亞、加拿大、歐洲、中國香港等國家和地區。
高質量專利文本：這又是一項主張了207項權利要求的專利
從Butterfly Network於2014年3月31日提交的專利Monolithic ultrasonic imaging devices, systems and methods（該專利在2016年12月20日獲得授權，公告號為US9521991B2）公開的技術來看，CMUT是通過施加電壓來使微型薄膜振動以此產生超聲波，當產生的超聲波傳入人體內後，不同的身體組織又會反射不同頻率的超聲波，反射回的超聲波又被轉換回了電信號，隨後轉換成圖像。
該專利公開的超聲換能器陣列與完全數字超聲前端製造在同一晶元上。根據該專利公開的內容，這種晶元架構可以使得能夠充分訪問完全數字化的信道數據，以允許使用最新水平的、現成的計算機平台來執行複雜的圖像形成演算法。
基於Butterfly Network一貫的專利申請策略，以專利US9521991B2為母案的家族成員有19項，其中，在中國申請專利CN105431749A在其90多頁的專利文件中主張了多達208項權利要求，涉及27個獨立權利要求：
1.一種處理來自超聲換能元件的信號的方法，包括以下動作……
27.一種超聲裝置（對應權1方法的裝置），包括……
53.一種處理來自超聲換能元件的信號的方法，包括以下動作……
59.一種超聲裝置（對應權53方法的裝置），包括……
65.一種配置至少兩個超聲換能器元件的方法，包括以下動作……
76.一種超聲裝置（對應權65方法的裝置），包括……
87.一種使用電壓對超聲換能器元件進行偏置的方法，包括以下動作……
91.一種超聲裝置（對應權87方法的裝置），包括……
95.一種對集成在半導體晶片上的至少一個超聲換能器元件進行偏置的方法，包括以下動作……
100.一種超聲裝置（對應權95方法的裝置），包括集成在半導體晶片上的至少一個超聲換能器元件，其中……
105.一種偏置至少一個超聲換能器元件的方法，包括以下動作……
109.一種被配置成使用至少一個超聲換能器元件對對象進行成像或治療的超聲裝置，其中……
113.一種配置超聲裝置中的第一傳送控制電路和第二傳送控制電路的方法，其中……
118.一種超聲裝置（為權109中第一和第二傳送控制電路具體實現電路），包括……
123.一種配置至少第一波形生成器和第二波形生成器的方法，包括以下動作……
128.一種裝置（實現權123中方法的裝置），包括……
133.一種製作超聲裝置的方法，包括以下動作……
137.一種裝置（藉由權133中方法製得的裝置），包括形成在單個集成電路襯底上的至少一個CMOS超聲換能器元件和數字接收電路……
141.一種製作超聲裝置的方法，包括以下動作……
150.一種超聲裝置（藉由權137中方法製得的裝置），包括……
159.一種處理來自超聲換能器元件的信號的方法，包括以下動作……
178.一種超聲裝置（對應權159方法的裝置），包括……
197.一種操作用於至少第一超聲換能器元件和第二超聲換能器元件的傳送和/或控制電路的方法……
201.一種裝置（對應權197方法的裝置），包括……
205.一種裝置，包括：超聲成像晶元；以及高強度聚焦超聲（HIFU）晶元，其中……
206.一種裝置，包括：單晶元集成超聲成像電路和高強度聚焦超聲（HIFU）電路，其中……
207.一種裝置，包括：CMOS晶圓上的超聲換能器元件的布置；形成在所述CMOS晶圓上並且電耦接至所述超聲換能器元件的布置的集成電路，其中……
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從概念原型到產品上市：靠高質量的專利文本保駕護航
今年10月27日，Butterfly Network 公司的產品基於晶元超聲成像系統Butterfly iQ?收到美國食品及藥品監督管理局（FDA）的上市前通知，這意味著消費者可能在2018年在市場上購買到這款設備。
Butterfly iQ?是一款內置了人工智慧技術的手持式超聲波檢測設備，外形酷似剃鬚刀，小到可以直接放到口袋裡隨身攜帶，插上手機並配以特定的應用軟體就可以看到圖像，圖像也可以在雲端實現儲存。根據Butterfly Network 公司的介紹，該產品用於 13 種臨床檢測，包括腹部、成人心臟、小兒心臟、產婦胎兒、泌尿學等幾乎全身器官或部位。
作為一家對自有知識產權極為重視的公司，早在2013年，Butterfly Network就提出了描述產品基於晶元超聲成像系統Butterfly iQ?的第一件專利（US13/856252，Portable electronic devices with integrated imaging capabilities，申請日為2013年4月3日），該專利在今年5月30日獲得授權，授權公告號為US9667889B2：
在該專利的背景描述中提出了一個問題，即患者在進行例如超聲波或者核磁共振檢查時要支付高昂的費，且受限於醫院環境的固定場合，很多患者也得不到隨時隨地的高效率檢查（據一些醫生介紹，醫院要購買一台功能完整的超聲波儀器，醫院可能要花費2萬美元左右，而高端儀器的單價則高達10萬美元，這一費用在中國或許更高）。
基於上述問題，專利US9667889B2提出了一個非侵入式集成攜帶型電子設備，旨在開發出小巧且通用的超聲掃描儀，可以實時做出3D圖像。把它放在一個人的胸膛上就能看到他身體內的圖像，實現患者可以通過該設備方便在家裡完成超聲檢查的目的。
US9667889B2專利
截止目前，Butterfly Network基於專利US13/856252向美、中、歐、日、韓等主要市場提出了11項同族專利。其中，該專利家族中的中國申請CN105263419A主張了一個很大的保護範圍：
一種設備，包括:
處理器，其被配置為，當所述設備被置於目標的外表面時生成目標的內部特徵的圖像；以及
顯示器，其被配置為顯示該圖像，其中，所述設備為攜帶型電子設備。
Butterfly iQ?從概念到進入市場，Butterfly Network 公司用了8年時間，這在一個資本急於獲利的時代是一個相對漫長的過程，因為在可攜帶式超聲檢測設備市場，而飛利浦（Philips）公司的產品Lumify?、通用電氣（GE）的 Vscan?等產品都早已捷足先登，不過Butterfly Network 公司對Butterfly iQ?不足2000美元的定價足以說明其對自身技術有著足夠的信心。
Lumify（左）、Butterfly iQ（中）、Vscan（右）
圍繞著超聲感測晶元技術，Butterfly Network積極布局相關專利，自公司成立伊始，他們已經在這一技術領域陸續申請了超過176項專利，尤其是隨著其產品Butterfly iQ的公布，其明顯加快了專利的申請節奏：
僅在2016-2017的兩年就申請了近70項專利，其中涉及到的技術細節更是包括超聲感測晶元的隔膜材料、封裝結構、晶元鍵合工藝及製造方法、腔穴結構、延遲電路、時間增益補償電路、頻寬信號處理電路等等。
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基於硬體產品的創業公司的專利思路
作為一家基於硬體產品的創業公司，要想獲得商業上的成功，只靠技術和價格的優勢通常是不夠的，特別是在一個有像GE和Philips這種巨頭公司參與的市場環境中。如果創業者傾盡心血研發的產品在市場競爭中缺乏有效的專利保護，這是極其危險的，因為巨頭們掌控的渠道和資本很快會將創業者淹沒在殘酷的競爭浪潮中。
Butterfly Network自始有著自信且積極的專利態度，他們尤為重視產品的專利保護，在歷年的專利申請中，不乏權利要求數量多達431項的專利，動輒幾百頁的專利文件，以及上百件精心編製的專利網，盡心儘力地守護著他們開發的那顆小小的超聲感測晶元。正是因為如此，才使得他們能夠在巨頭公司的圍追堵截下顯得從容不迫遊刃有餘。
Butterfly Network希望將來可以建立一個龐大的圖像的資料庫，然後使用人工智慧技術從中獲得新的臨床治療手段。Butterfly Network是雲+端的商業模式，通過便攜超聲掃描儀的方式初步診斷病因，然後通過雲端的數據積累提供可參考的治療模式。如果超聲掃描設備、分析軟體和資料庫足夠豐富強大，當然會極大的簡化患者確診的方式，推而廣之，這類產品也許最後會演變成家庭必備的家用醫療儀器。那麼就像PC時代，智能手機時代一樣，最終會給我們的生活、工作帶來革命性的變化。
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※AI技術專利研究系列：Numenta，一家特立獨行的AI公司
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