全球手術機器人的發(fā)展現狀及前景

1、全球手術機器人的發(fā)展現狀及前景機器人手術系統(tǒng)是集多項現代高科技手段于一體的綜合體。主要用于心臟外科和前列腺切除術。外科醫(yī)生可以遠離手術臺操縱機器進行手術，完全不同于傳統(tǒng)的手術概念，在世界微創(chuàng)外科領域是當之無愧的革命性外科手術工具。第一代手術機器人已經用于世界各地的許多手術室中。這些機器人不是真正的自動化機器人，它們不能自已進行手術，但是它們向手術提供了有用的機械化幫助。這些機器仍然需要外科醫(yī)生來操作它們并對其輸入指令。這些手術機器人的控制方法是遠程控制和語音啟動。雖然說手術機器人比人手有一些優(yōu)點，但是要用自動化的機器人在沒有人參與的情況下對人體進行手術，還有很長的一段路要走。但是，隨著計算機能

2、力和人工智能的發(fā)展，在本世紀將會設計出一種機器人，可以找出人體中的異常，進行分析并校正這些異常而不需要任何人指導。組成部件之所以將機器人引入醫(yī)療，是因為在微創(chuàng)手術中，它們可以實現對外科儀器前所未有的精準控制。目前為止，這些機器已經用來定位內窺鏡、進行膽囊手術以及胃灼熱和胃食管反流的矯治。機器人手術領域的最終目標是設計一種機器人，可以用來進行不開胸口的心臟手術。某制造商表示，僅在美國，機器人設備每年可以用于超過350萬個醫(yī)療手術中。機器人。1、達芬奇手術系統(tǒng)2、ZEUS機器人手術系統(tǒng)3、AESOP機器人系統(tǒng)2000年7月11日，美國食品和藥物管理局（FDA）批準了達芬奇手術系統(tǒng)，使其成為美國第一

3、個可在手術室使用的機器人系統(tǒng)。由IntuitiveSurgical公司開發(fā)的達芬奇系統(tǒng)使用的技術使外科醫(yī)生可以到達肉眼看不到的外科手術點，這樣他們就可以比傳統(tǒng)的外科手術更精確地進行工作。價值1百萬美元的達芬奇系統(tǒng)由兩個主要部件組成：1、外科醫(yī)生控制臺：主刀醫(yī)生坐在控制臺中，位于手術室無菌區(qū)之外，使用雙手(通過操作兩個主控制器)及腳(通過腳踏板)來控制器械和一個三維高清內窺鏡。正如在立體目鏡中看到的那樣，手術器械尖端與外科醫(yī)生的雙手同步運動。2、床旁機械臂系統(tǒng)：床旁機械臂系統(tǒng)(PatientCart)是外科手術機器人的操作部件，其主要功能是為器械臂和攝像臂提供支撐。助手醫(yī)生在無菌區(qū)內的床旁機械臂

4、系統(tǒng)邊工作，負責更換器械和內窺鏡，協(xié)助主刀醫(yī)生完成手術。為了確?；颊甙踩?，助手醫(yī)生比主刀醫(yī)生對于床旁機械臂系統(tǒng)的運動具有更高優(yōu)先控制權。3、成像系統(tǒng)：成像系統(tǒng)(VideoCart)內裝有外科手術機器人的核心處理器以及圖象處理設備，在手術過程中位于無菌區(qū)外，可由巡回護士操作，并可放置各類輔助手術設備。外科手術機器人的內窺鏡為高分辨率三維(3D)鏡頭，對手術視野具有10倍以上的放大倍數，能為主刀醫(yī)生帶來患者體腔內三維立體高清影像，使主刀醫(yī)生較普通腹腔鏡手術更能把握操作距離，更能辨認解剖結構，提升了手術精確度。操作方法外科醫(yī)生站在控制臺邊，離手術臺幾十厘米遠，透過探視鏡向里看，來研究病人體內的照相機

5、發(fā)送的3-D圖像。圖像顯示的是手術點以及兩個固定在上述兩根桿端點上的手術儀器。像操縱桿一樣的控制手柄，位于屏幕的正下方，外科醫(yī)生用來操作手術儀器。每次操縱桿移動時，計算機就向儀器發(fā)送電子信號，儀器就和外科醫(yī)生的手同步移動。另一個即將被FDA批準的機器人系統(tǒng)是ZEUS系統(tǒng)，由ComputerMotion公司制作，在歐洲已經可以使用。但是，無論是達芬奇系統(tǒng)還是ZEUS系統(tǒng)，用來進行手術計劃的每一道程序都必須得到政府部門的批準。價值75萬美元的ZEUS系統(tǒng)與達芬奇的裝置類似。它有一個計算機工作站、一個視頻顯示器和控制手柄，用于移動手術臺上安裝的手術儀器。ZEUS系統(tǒng)目前在美國只被批準用于醫(yī)療試驗，而

6、德國醫(yī)生已經使用此系統(tǒng)進行了冠心病搭橋手術。ZEUS系統(tǒng)得到了自動化內窺鏡定位（AESOP）機器人系統(tǒng)的協(xié)助。由ComputerMotion公司于1994年發(fā)布的AESOP是FDA批準使用的第一臺可以用于手術室協(xié)助手術的機器人。AESOP比達芬奇系統(tǒng)和ZEUS系統(tǒng)要簡單得多。AESOP基本上只是一個機械臂，用于醫(yī)生定位內窺鏡一種插入病人體內的外科照相機。腳踏板或聲音軟件用于醫(yī)生定位照相機，這就讓醫(yī)生的手空出來繼續(xù)進行手術。加拿大卡爾加利大學日前宣布，該校外科專家加內特·薩瑟蘭德博士帶領的研究小組與研制航天飛機機械手的MDA公司合作，研制出名為“神經臂”的外科手術機器人系統(tǒng)。有關專家認

7、為，該系統(tǒng)將為外科手術帶來變革，從而使顯微手術產生革命性的突破。未來研究外科手術特別是神經外科手術，受到人手準確性的限制。發(fā)展于上世紀60年代的顯微外科技術，使外科醫(yī)生超越了人手精準、靈活和持久的極限，而“神經臂”系統(tǒng)則又極大地提高了外科手術的精準率，使外科手術水平從器官級發(fā)展到細胞級。利用該系統(tǒng)，外科醫(yī)生可通過操縱計算機工作站，使“神經臂”與核磁共振圖像儀協(xié)同作戰(zhàn)，從而在顯微尺度下使用器械從事微細手術。據研究人員介紹，“神經臂”需要與具有強磁場的核磁共振成像儀一起運行，它的開發(fā)是由包括醫(yī)療、物理、電子、軟件、光學和機械工程師等的合作進行的。項目啟動時，MDA公司的工程人員與卡爾加里大學外科醫(yī)

8、生一起，確定了設計“神經臂”機器人的技術需求。由于醫(yī)生和工程人員僅擅長于各自的專業(yè)，難以溝通，把外科術語翻成技術詞匯面臨很大的挑戰(zhàn)。目前薩瑟蘭德博士的研究小組正與卡爾加里衛(wèi)生局、卡大醫(yī)療教育的教師合作開展一個培訓項目，對將使用“神經臂”系統(tǒng)的外科醫(yī)生進行培訓。薩瑟蘭德博士表示，他們不僅要研制“神經臂”機器人，還要為其設計一套醫(yī)療機器人教學大綱。他們希望這一新技術能夠在世界范圍得到應用。為實現這一目標，他準備更多地向學生和年輕專家宣傳該技術，因為他們更推崇新技術，也是臨床新技術應用的中堅力量。前景展望在現在的手術室，一般會有兩到三名外科醫(yī)生，一名麻醉師和幾名護士，即使是最簡單的手術也需要這么多人

9、。大多數外科手術需要將近十來個人在手術室。手術機器人全部都是自動化的，這會最大限度地減少操作人員。展望一下未來，外科手術可能只需要一名外科醫(yī)生、一名麻醉師以及一到兩名護士。在這個寬敞的手術室中，醫(yī)生坐在手術室內或手術室外的計算機控制臺前，使用手術機器人來完成以前需要很多人才能完成的手術。使用計算機控制臺從稍遠的地方進行手術開創(chuàng)了遠程手術的概念，就是讓醫(yī)生從離病人很遠的地方來進行精密的手術。如果醫(yī)生不用站在病人的身旁進行手術，而是在離病人幾十厘米遠的計算機臺旁遠程控制機器人手臂，那么下一步將是從離得更遠的位置來進行手術。如果可以使用計算機控制臺來實時移動機器人手臂，則在加利福尼亞的醫(yī)生就可以對身

10、在紐約的病人進行手術。遠程手術的主要障礙就是醫(yī)生手的移動和機器人手臂做出的反應之間的時間延遲。當前，醫(yī)生必須與病人同在一室，以便機器人系統(tǒng)可以根據醫(yī)生手的移動快速做出反應。手術室中人員的減少以及醫(yī)生可以遠距離對病人進行手術減少了醫(yī)療保健的費用。除了成本效益高之外，機器人手術還有比傳統(tǒng)手術更優(yōu)越之處，包括更加精確以及減少病人創(chuàng)傷。例如，心臟搭橋手術現在需要在病人的胸口“切開”一個30.48厘米長的切口。而如果使用達芬奇或ZEUS系統(tǒng)，可能是在胸口處做三個切口來進行心臟手術，每個切口直徑僅有1厘米。因為外科醫(yī)生做手術時切口非常小，而不是沿著胸口向下的很長的一個刀口，病人受的痛苦也會少一些、流血也會

11、減少，恢復的就快一些。機器人還使醫(yī)生在長達幾個小時的手術過程中節(jié)省了體力。外科醫(yī)生在如此長的手術過程中會很疲憊，結果可能手會顫動。即使最穩(wěn)定的人手也比不上手術機器人的手臂。達芬奇系統(tǒng)經過程序設定可對手的顫動這個缺點進行補償，因此如果醫(yī)生的手顫動，計算機會忽略此顫動，使機械臂保持穩(wěn)定。達芬奇手術機器人治療疾病的優(yōu)勢：一、達芬奇手術機器人擁有三維影像技術，可以向術者提供高清晰的三維影像，突破了人眼的極限，并且能夠將手術部位放大10-15倍，使手術的效果更加精準。二、達芬奇手術機器人的機器手臂非常靈活，而且具有無法比擬的穩(wěn)定性及精確度，能夠完成各類高難度的精細手術。三、達芬奇手術機器人治療疾病創(chuàng)傷非

12、常小，不需要開腹，手術創(chuàng)口僅在1厘米左右，大大減少了患者的失血量及術后疼痛，住院時間也明顯縮短，有利于術后的康復。近年來，機器人不僅用于工業(yè)領域，在醫(yī)療系統(tǒng)也已得到推廣應用。如大名鼎鼎的手術機器人（SurgicalRobot）的問世不過短短10年，但同樣取得重大進展。目前，關于機器人在醫(yī)療界中的應用的研究主要集中在外科手術機器人、康復機器人、護理機器人和服務機器人方面。其中，外科手術機器人是目前應用范圍最廣且最具前景，其提供的強大功能克服了傳統(tǒng)外科手術中精確度差、手術時間過長、醫(yī)生疲勞、和缺乏三維精度視野等問題實際上，手術機器人是一組器械的組合裝置。它通常由一個內窺鏡（探頭）、刀剪等手術器械、

13、微型攝像頭和操縱桿等器件組裝而成。據國外廠商介紹，目前使用中的手術機器人的工作原理是通過無線操作進行的外科手術，即醫(yī)生坐在電腦顯示屏前，通過顯示屏和內窺鏡仔細觀察病人體內的病灶情況，然后通過機器人手中的手術刀將病灶精確切除（或修復）。這種被國外科學家命名為MIS的系統(tǒng)是設計一切手術機器人的基礎。以目前各國醫(yī)院使用中的達·芬奇手術機器人為例，只要在病人皮膚表面開一個極小的口子，將探頭塞進體內，即可觀察到病人病灶所在位置，然后再用機器人手中的手術刀將其切除。DaVinciSi手術機器人手術此外，手術機器人還可做器官修補、血管吻合或骨磨削等需要十分精細的手術。近年來，手術機器人被用于做包括

14、基因移植、神經手術和遠程手術等在內的各種重要手術，從而大大提高了危重病人的存活率。那么，這么厲害的手術機器人發(fā)展情況如何？有哪些研發(fā)公司？又有哪些細分領域？國內情況如何？未來將如何發(fā)展？別急，聽我慢慢道來。新興力量今年3月初，谷歌最新發(fā)布的一則通告顯示，公司已同醫(yī)療器械公司強生達成合作協(xié)議，將共同研發(fā)一款機器人平臺，來幫助醫(yī)生們進行外科手術。據悉，這款機器人手術平臺將有助于外科微創(chuàng)手術技術的的進步，解決病人諸如修疤、疼痛、恢復期漫長等方面的問題。谷歌將為這款機器人平臺注入視覺系統(tǒng)和圖像分析軟件，能為外科醫(yī)生提供更好的視覺空間，并幫助其獲取其他相關信息。到了5月中旬的時候，博實股份公告，公司擬投

15、資1億元，設立全資子公司博實高端醫(yī)療裝備有限公司，同時擬通過博實股份或子公司投資微創(chuàng)外科手術機器人及智能器械項目。2015年7月31日的時候，東京工業(yè)大學和東京醫(yī)科齒科大學創(chuàng)立的RIVERFIELD公司宣布，內窺鏡手術輔助機器人“EMARO：EndoscopeMAnipulatorRObot”將于2015年8月上市。EMARO是主刀醫(yī)生可通過頭部動作自己來操作內窺鏡的系統(tǒng)，無需助手（把持內窺鏡的醫(yī)生）的幫助。東京醫(yī)科齒科大學生體材料工學研究所教授川嶋健嗣和東京工業(yè)大學精密工學研究所副教授只野耕太郎等人，從著手研究到EMARO上市足足用了約10年時間。其作為手術輔助機器人，首次采用了氣壓驅動方式

16、。用自主的氣壓控制技術，實現了靈活的動作，在工作中“即使接觸到人，也可以躲開其作用力”（只野）等，可保證高安全性。與馬達驅動的現有內窺鏡夾持機器人相比，整個系統(tǒng)更加輕量小巧也是一大特點。該系統(tǒng)平時由主刀醫(yī)生由頭部的陀螺儀傳感器來操作，發(fā)生緊急情況時，還可以手動操作?？衫脵C體上附帶的控制面板的按鈕來操作。它誕生的背景是，近年為取代對患者造成很大負擔的開腹手術，使用內窺鏡的低創(chuàng)手術日益普及，就是以“切個1日元硬幣的口就可完成全部手術”（東京醫(yī)科齒科大學理事兼副校長森田育男）為目標的療法。其典型代表是從在患者腹部切開的小口插入鉗子和內窺鏡、切除癌癥等的腹腔鏡手術。作為手術輔助機器人代名詞的美國直覺

17、外科公司的“達芬奇系統(tǒng)（daVinciSurgicalSystem）”也是輔助內窺鏡手術的系統(tǒng)。TiRobot骨科手術機器人雖然內窺鏡手術日益普及，但內窺鏡手術所需要的“助手難以保證”。尤其，在中小型醫(yī)院，助手不足據說是一個嚴重的問題。EMARO的問世就是為了解決這一問題。據稱，RIVERFIELD的機器人鉗子系統(tǒng)已在作動物和模擬內臟器官的實驗，正在開發(fā)第7號產品。預定2019年上市。最初考慮用于跟達芬奇系統(tǒng)一樣的疾病和手術，原口充滿信心地表示“還要推廣到達芬奇系統(tǒng)無法應對的領域”。超越達芬奇系統(tǒng)的日本產機器人誕生了。EMARO將成為第一塊試金石。2015年11月，專注于跨境醫(yī)療投資的基金匯橋

18、資本集團（“AllyBridgeGroup”）宣布，將以可轉債及認股權證的形式對法國公司MedtechSA投資1500萬美元。Medtech是一家創(chuàng)新的手術機器人系統(tǒng)開發(fā)商，目前在泛歐證券交易所掛牌。MedtechSA成立于2002年，總部設在法國南部蒙彼利埃，是一家全球領先的手術輔助機器人系統(tǒng)研發(fā)商。公司的旗艦產品ROSA腦部機器人已經獲得歐洲、美國、中國、加拿大和澳大利亞的批準。2014年7月，ROSA脊柱機器人也已獲得CEmark認證，預計很快將會獲得美國FDA的批準。目前公司在全球范圍內已安裝51個手術系統(tǒng)，分布在全球各大頂級的神經外科中心，包括克利夫蘭診所和馬薩諸塞州總醫(yī)院。目前，4

19、家中國頂級的神經外科醫(yī)院也已安裝ROSA機器人手術系統(tǒng)2013年，公司被全球增長咨詢公司Frost&Sullivan評為神經外科機器人類別的“歐洲年度企業(yè)”隨著機器人產業(yè)的快速發(fā)展，醫(yī)療機器人的發(fā)展已經受到了全球高度關注，美國已經把手術治療機器、假肢機器人、康復機器人、心理康復輔助機器人、個人護理機器人、智能健康監(jiān)控系統(tǒng)定為未來發(fā)展的六大研究方向。歐洲計劃將建立“RoboticsforHealth-care”網絡，促進醫(yī)療機器人在歐洲的發(fā)展和應用。一切事物的發(fā)展都有其源頭，在進一步探索手術機器人之前，我們先來了解一下手術機器人從伊索到達芬奇的這段發(fā)展歷程。全球研發(fā)情況據WinterGr

20、eenResearch報告，手術機器人市場規(guī)模在2014年為32億美元，報告表示目前北美市場目前為最大市場，而由于政府醫(yī)療投入加大，醫(yī)療系統(tǒng)重組和人們對微創(chuàng)手術意識加強，未來市場重心將逐漸往亞洲市場轉移。并且，伴隨著下一代設備、系統(tǒng)和器械的發(fā)布，手術機器人將從目前的大型開放手術，覆蓋到身體中的微小部分。預計2021年將達到200億美元。近20年來，伴隨著技術的突破和醫(yī)療水平的前進，手術機器人已完成了三次升級，從單臂機器人伊索到三臂機器人宙斯，直至最先進的四臂機器人達芬奇。達芬奇系統(tǒng)由美國IntuitiveSurgical（ISRG）公司開發(fā)和制造，1999年獲得歐洲CE市場認，次年被FDA正式

21、批準投入使用。此手術系統(tǒng)最初主要用于泌尿外科的微創(chuàng)手術，例如前列腺切除手術，現在被越來越多地應用于心外科，婦科以及小兒外科等外科微創(chuàng)手術。根據IFR發(fā)布的統(tǒng)計數據，2013年全球外科手術輔助機器人總銷售額達14.95億美元，其中達芬奇機器人全球銷售額達6.33億美元，占比42.43%。截至2014年底，全球共裝機達芬奇機器人3266臺，其中美國2223臺，歐洲549臺，亞洲350臺，我國內地共29臺，其中9臺在北京。手術機器人系統(tǒng)開發(fā)者除了美國IntuitiveSurgical公司外，還有剛剛進入手術機器人的老牌醫(yī)療公司Stryker。Stryker公司是全球骨科356億美元市場中最大的公司之

22、一，自從HomerStryker醫(yī)生于1941年研制并生產第一臺產品至今，已擁有30家現代化工廠。公司產品涉及關節(jié)臵換、創(chuàng)傷、顱面、脊柱、手術設備、神經外科、耳鼻喉、介入性疼痛管理、微創(chuàng)手術、導航手術、智能化手術室及網絡通訊、生物科技、醫(yī)用床、急救推床等。由于業(yè)績良好，史賽克公司分別被美國著名的財富雜志及BusinessWeek評為財富500強公司及全美50大醫(yī)療公司之一。2014年，公司營業(yè)收入96.75億美元，同比增加7.25%；營業(yè)利潤22.26億元，同比增加5.50%。此外，公司研發(fā)投入穩(wěn)步增加，占營業(yè)收入比重保持5%-6%。2013年，Stryker以16.5億美元收購Mako外科治

23、療公司及其相關核心技術。Mako總部位于佛羅里達州，其主打產品包括Makoplasty全髖關節(jié)臵換系統(tǒng)等。MAKOplasty由具有高精確性的RIO機械臂系統(tǒng)和創(chuàng)新性的髖膝關節(jié)假體系統(tǒng)組成，二者突破了傳統(tǒng)工具的限制，用微創(chuàng)的手術方式，精確植入假體，恢復自然的髖關節(jié)和膝關節(jié)。MAKOplasty膝關節(jié)系統(tǒng)針對早到中期膝關節(jié)骨性關節(jié)炎患者，可進行單間室或多間室的假體臵換。允許醫(yī)生術中實時調整膝關節(jié)力線和軟組織平衡。并通過微創(chuàng)的手術方式保留更多骨質和組織，病人恢復更快。MAKOplasty髖關節(jié)臵換手術可以通過機械臂精確限定關節(jié)銼進入的深度并指導方向和角度，從而達到手術更加精確和安全的目的。另外，國

24、際上一些公司已經開始把注意力集中在眼科、神經外科、骨科這些達芬奇系統(tǒng)還未占領的領域，例如CUREXOTechnology的ROBODOC外科手術系統(tǒng)、英國Acrobot公司的外科醫(yī)療手術系統(tǒng)等。以上提到的手術機器人由于專攻市場小、設備昂貴等缺陷使他們未能在市場上受到特別關注，但也都是手術機器人商品化的成功案例。國內研發(fā)情況由于目前外科手術機器人生產商的技術和市場壟斷，使得手術機器人的購置費用高、手術成本高、維護費用高。這就直接導致我國醫(yī)院手術機器人的普及率遠低于歐美，也不及亞洲日、韓等近鄰。目前，國內研究人員正在加緊研制各種手術機器人及其輔助設備、耗材。從長遠看，當前的手術機器人技術和市場的壟

25、斷地位可能被打破，手術機器人使用成本的下降是必然趨勢。我國自主研發(fā)手術機器人領域起步較晚，仍處于試驗領域。主要有以下幾個研究機構：a.海軍總醫(yī)院與北京航天航空大學聯合開發(fā)的機器人系統(tǒng)CRAS（ComputerandRobotAssistedSurgery，CRAS）。CRAS是國內手術機器人系統(tǒng)的先行者，已完成第五代的研制和臨床應用。該系統(tǒng)系統(tǒng)選用PUMA260、262機器人作為系統(tǒng)輔助操作的執(zhí)行機構。第一代機器人于1997年5月首次應用于臨床。第二代1999年研制成功，實現了無框架立體定向手術。第五代機器人除了前四代機器人的特點外，自動定位功能更加先進，實現了視覺自動定位，使手術誤差更小，手

26、術操作更加快捷安全。該系統(tǒng)能通過互聯網實施遠程操作手術。2005年12月12日，在北京與延安之間利用互聯網成功進行了2例立體定向手術。雖然如此，CARS手術機器人在擴大適用范圍和實用性方面還是有許多問題需要解決。b.2013年11月，國家“863”計劃資助項目“微創(chuàng)腹腔外科手術機器人系統(tǒng)”，由哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所研制成功，并通過國家“863”計劃專家組的驗收。據哈工大機器人研究所的研發(fā)人員介紹，國產微創(chuàng)腹腔外科手術機器人系統(tǒng)具有我國自主知識產權，研究人員針對微創(chuàng)外科手術的多種術式，在手術機器人系統(tǒng)的機械設計、主從控制算法、三維（3D）腹腔鏡與系統(tǒng)集成等關鍵技術上都進行了重要突破，并申請了

27、多項國家發(fā)明專利。這個項目的突破被看做是打破了進口達芬奇手術機器人的技術壟斷，將加快實現國產微創(chuàng)手術機器人輔助外科手術。c.2014年04月，中南大學湘雅三醫(yī)院順利完成了3例國產機器人手術，這是我國自主研制的手術機器人系統(tǒng)首次運用于臨床。該手術機器人就是天津大學研發(fā)的具有自主知識產權的微創(chuàng)外科手術機器人系統(tǒng)“妙手S”?！懊钍諷”系統(tǒng)較國外同類產品有三點技術優(yōu)勢，第一是運用了微創(chuàng)手術器械多自由度絲傳動解耦設計技術，解決了運動耦合問題，固定、防滑、防松，更有利于精度保持。第二是實現了從操作手的可重構布局原理與實現技術，使機器人的“胳膊”更輕，更適應手術的需要。第三是運用系統(tǒng)異體同構控制模型構建技術，解決了立體視覺環(huán)境下手-眼-器械運動的一致性。據了解