手術(shù)機(jī)器人發(fā)展脈絡(luò)、工作原理及專利分析

從工作原理看，大體上手術(shù)機(jī)器人通過感知、分析和行動(dòng)三個(gè)步驟來執(zhí)行輔助手術(shù)的工作。

手術(shù)機(jī)器人是 20 世紀(jì) 80 年代以來，伴隨著微創(chuàng)外科手術(shù)的發(fā)展而逐步出現(xiàn)并且發(fā)展起來的高端醫(yī)療設(shè)備，主要用于以微創(chuàng)的手段來消除手術(shù)造成的大面積創(chuàng)傷對(duì)患者的不利影響，進(jìn)而達(dá)到減少患者痛苦和加快術(shù)后恢復(fù)速度等目的，同時(shí)還可以降低常規(guī)手術(shù)中因醫(yī)生手部震顫等造成的不可控的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。此外，對(duì)于對(duì)精度要求很高的骨科、神經(jīng)外科及口腔科等外科手術(shù)，手術(shù)機(jī)器人還具有精準(zhǔn)定位、手術(shù)規(guī)劃、精準(zhǔn)成像等功能，并且能大幅減少手術(shù)中醫(yī)生所受輻射傷害和感染風(fēng)險(xiǎn)。 手術(shù)機(jī)器人發(fā)展脈絡(luò)：從 1985 年手術(shù)機(jī)器人發(fā)展起步開始至今30 余年，大致可以分為三個(gè)階段，1985 年到 1999 年為起步階段，2000 年到2010 年為發(fā)展階段，從 2011年至今是創(chuàng)新階段。

機(jī)器人在外科手術(shù)中的應(yīng)用起源于 1985 年的美國(guó)，洛杉磯醫(yī)院的醫(yī)生使用工業(yè)機(jī)械臂 Puma 560 完成了全球首個(gè)機(jī)器人輔助的外科手術(shù)——機(jī)器人輔助定位的神經(jīng)外科腦部活檢手術(shù)。 80 年代末，斯坦福大學(xué)研究院是最早進(jìn)行外科手術(shù)機(jī)器人研發(fā)的機(jī)構(gòu)，此后在 1992 年由 IT 公司 IBM 和加州大學(xué)聯(lián)合推出了全球首個(gè)醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人ROBODOC 用于骨科手術(shù)中的關(guān)節(jié)置換。到 1995 年，出身于斯坦福大學(xué)研究院的 Frederic Moll 博士創(chuàng)立了當(dāng)今全球最為出名的醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人公司——直觀外科公司（Intuitive Surgical），并開啟了手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域的商業(yè)化道路。而此時(shí)的中國(guó)才剛剛開始在手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域的探索，研發(fā)制造進(jìn)度較美國(guó)滯后了十年以上。1999 年全球首個(gè)可正式應(yīng)用于手術(shù)室中的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人率先在歐洲獲批上市，這是一款由美國(guó)直觀外科公司研發(fā)制造的腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人。

2010 年我國(guó)上市了首款國(guó)產(chǎn)手術(shù)機(jī)器人，是由天智航研發(fā)制造的骨科手術(shù)機(jī)器人，從產(chǎn)品上市角度看，我國(guó)同樣滯后于美國(guó)十年，但是在2010 年以后，發(fā)展進(jìn)程明顯加快，到目前為止，已上市的國(guó)產(chǎn)手術(shù)機(jī)器人產(chǎn)品數(shù)量已達(dá)9個(gè)，包含 2 個(gè)骨科手術(shù)機(jī)器人，5 個(gè)神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人和1 個(gè)口腔手術(shù)機(jī)器人。我國(guó)手術(shù)機(jī)器人是以 “定位類” 機(jī)器人為開端，在 “操作類” 機(jī)器人的推廣中走向大眾，并逐步在更細(xì)分的領(lǐng)域中進(jìn)化升級(jí)。

從工作原理看，大體上手術(shù)機(jī)器人通過感知、分析和行動(dòng)三個(gè)步驟來執(zhí)行輔助手術(shù)的工作。首先機(jī)器人通過傳感器系統(tǒng)（如視覺、觸覺、溫度等）感知外部環(huán)境信息。然后機(jī)器人通過人工智能算法對(duì)各類信息進(jìn)行分析、學(xué)習(xí)，并給出下一步的動(dòng)作指令。最后，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)分析指令完成具體動(dòng)作并實(shí)施反饋狀態(tài)信息給控制系統(tǒng)。按照手術(shù)部位分類常見的手術(shù)機(jī)器人有七類分別是腔鏡手術(shù)機(jī)器人、骨科手術(shù)機(jī)器人、血管介入手術(shù)機(jī)器人、經(jīng)自然腔道手術(shù)機(jī)器人、經(jīng)皮穿刺手術(shù)機(jī)器人、神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人和眼科手術(shù)機(jī)器人。

截止 2022 年 11 月，全球計(jì)算機(jī)手術(shù)輔助設(shè)備相關(guān)的專利總量為67015件，下圖為近 20 年內(nèi)全球計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)設(shè)備的專利申請(qǐng)趨勢(shì)圖，從申請(qǐng)時(shí)間上看，全球計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)設(shè)備在 2003 年到 2005 年間，年均專利僅有800 件左右，僅有少數(shù)的研發(fā)者關(guān)注該領(lǐng)域，2005 年至 2018 年的十四年間，全球計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)設(shè)備的年均專利申請(qǐng)從 828 件漲至 6746 件，年均增長(zhǎng)率在18%左右，2018 年的專利申請(qǐng)數(shù)量是 2005 年的專利申請(qǐng)數(shù)量的八倍，整體增長(zhǎng)趨勢(shì)穩(wěn)定；2018 年后到 2020 年基本穩(wěn)定在 6500 件專利左右，從總體趨勢(shì)來看這兩年計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)設(shè)備的專利申請(qǐng)趨于穩(wěn)定，增長(zhǎng)趨勢(shì)不明顯，在計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)設(shè)備的專利賽道上研發(fā)數(shù)量有所緩和，但是隨著計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)設(shè)備的大面積推廣應(yīng)用，市場(chǎng)持續(xù)擴(kuò)大，計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)設(shè)備的年專利申請(qǐng)量還會(huì)持續(xù)維持在較高的水平，設(shè)備優(yōu)化類專利申請(qǐng)會(huì)繼續(xù)增加，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈。

計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)設(shè)備的類型分布，發(fā)明專利占據(jù)主導(dǎo)最多為 64361 件，占專利總量的96%，實(shí)用新型的專利數(shù)量較少僅有 2654 件，占專利總量的 4%；右圖為計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)設(shè)備的法律狀態(tài)分布，其中有效專利最多，有 25646 件，占總量的38%；其次是審中專利，有 17722 件，占總量的 26%；再次是失效專利，有14480 件，占專利總量的22%；而 PCT 指定期滿，有 7786 件，占專利總量的12%；最后還有少量PCT尚在指定期內(nèi)的專利，僅有 1196 件，占專利總量的 2%，可以看出其相關(guān)專利中，申請(qǐng)類型主要為新創(chuàng)性要求較高的發(fā)明專利，專利的總體有效性較高，審中專利較多，失效專利也相對(duì)較少，全球關(guān)于計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)設(shè)備的創(chuàng)新力持久，整體專利質(zhì)量高，從 PCT 專利申請(qǐng)期滿和指定期內(nèi)的數(shù)量來看，關(guān)于計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)設(shè)備的跨國(guó)申請(qǐng)是計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)設(shè)備專利的重要部分，大部分技術(shù)具有開創(chuàng)性和前瞻性，搶占全球市場(chǎng)非常重要，因此侵權(quán)的風(fēng)險(xiǎn)較高，知識(shí)產(chǎn)權(quán)的競(jìng)爭(zhēng)激烈。