医疗机器人：产业未来新革命

对于未来医疗来说，医疗机器人将会被应用到更多的医疗场景中，并将成为改变医疗商业模式的新动力。本书通过对知名医疗机器人公司的梳理和研究，阐述了医疗机器人的行业动态及其对产业变革医疗机器人：产业未来新革命/王豫，樊瑜波编著．—北京：Ⅳ.①R-39策划编辑：杨冰责任编责任校对：郭明磊责任印制：孙炜项目编委会总编：胡昆坪序1我国的大健康产业正迎来前所未有的发展机遇，这不仅得益于党中央、国务院以及各级政府管理部门的坚定支持，也受益于广大人民对健康和美好生活的强烈向往和需求。作为专注于医药医疗大健康领域的展览和会议组织者，国药励展公司在过去17年的发展历程中，随着时代的节拍，通过不断完善自身的平台建设，发展范围从原有的医我们有幸亲历了我国大健康产业波澜壮阔的发展历程，同时也见证了贯穿大健康产业链的创新力量，立足于产业前沿，持续引领推动产业科技的进步与高质量发展。我们也欣喜地看到，越来越多的机构和有识之士投身到我国的大健康事业建设中来，作为“世界媒体500强”之一的机械工业出版社，与我们一起合作打造开放式产业研究平台，通过整合产业专家的智库资源，进行系统的选题研究和图书出版，使产业专家们能“观”能“执”的智慧分享进一步突破时空的限制，为人类“国药励展·大健康产业新知”系列是我们与机械工业出版社共同打“国药励展·大健康产业新知”系列首次在第80届中国国际医疗器械博览会（CMEF）上推出，共计五种，分别是《精准医疗》《重构大健康》《医疗投资》《医疗+保险》《AI+医疗健康》。推出之后，受到了业界的广泛好评，但这仅仅是双方合作计划的开始，在此基础上，2019年10月，在第82届中国国际医疗器械博览会（CMEF）上，我们又将推出了该系列的最新研究成果，共计7种，分别是《5G+医疗：新技术如何改变医疗产业商业模式》《医疗后市场：商业模式与投资热点》《医疗投资：资本如何赋能医疗产业（案例篇）》《医疗机器人：产业未来新革命》《医疗商业模式：深度解析企业发展成败因素》以及《未来医疗：医疗4.0引领第四次医疗产业变革》和《医疗机构的战略管理：利益相关者管理方法》。未来我们每年还将依据产业发展的热点与变革，持续推出该系列研究产品的后续内容，从前沿新知到实践探索，出版更多优秀的图书，助推医疗产业的技术发展与择善固执，莫忘初衷。在此，谨以这些研究成健康产业的高质高效发展、也为助力“健康中国”的实现略致绵薄之序2医疗机器人产业占据了“大健康”和“机器人”两大行业风口，成为重点发展行业。关注医疗机器人产业的发展，对于把握未来医疗市场、技术的发展趋势，紧跟时代潮流十分必要。医疗大健康市场是未来老龄化社会中“银发经济”的主要市场，医疗机器人更是占据高门槛、高利润、高回报的核心领域。无论是从国家层面还是从企业层面，在医疗机器人行业发展的潮流之中占据一席之地，把握新技术、本书共分为四个章节，第一章介绍医疗机器人技术源起，当前的竞争格局和未来发展趋势；第二章讲述医疗机器人的分类，并对未来医疗机器人技术的发展进行展望；第三章分析了医疗机器人的市场格局和行业特点；第四章剖析了典型公司的发展路径，为相关从业人员、公司管理者提供参考。本书从战略高度出发，全方位分析了医疗本书的一大特点是摒弃了晦涩难懂的专业名词，以通俗易懂的语言为广大读者描绘了医疗机器人产品未来的发展趋势和临床应用场景，让非专业人士能够轻松掌握医疗机器人的发展脉络和技术核心；打开了人类对未来医疗技术的想象，并对科技发展改善人类生活的前景进行了展望。临床医生则能够从中感受到医疗机器人对传统临床治疗手段的冲击和改变，跟上技术发展的进程，从而推动临床从业者思本书的另一大特色是分析了医疗机器人发展30多年来，具有代表性的医疗机器人公司的发展路径，对于国内医疗机器人初创公司的发展，医疗机器人行业的投资者具有重要的参考价值；分析了这类公司发展历程中的关键节点事件，对产品迭代规律，技术开拓手段等全方位的描述，有利于中国的医疗机器人公司掌握未来行业发展的主动权；对医疗机器人行业发展特点进行了总结，对于从事医疗机器人是一个多学科交叉行业，涉及临床医学、光学、材料学、工程学、人工智能、机器人学等多学科多领域的交叉，仅凭一本书的内容无论是从技术还是从临床应用、产品形态都无法全面论述，需要该领域学科众多学者的通力合作。本书挑选了代表性的临床应用产品和技术，显微知著，便于读者在较短的时间了解医疗机器人产业我们需要不断地开发新的医疗机器人临床应用，改善创新环境和模式，提升制造业水平，完善产业链配套。这是一个值得国家全力投入的战略性新产业，需要各行各业人士集思广益、群策群力，并使整个行业生态不断完善。衷心祝愿我国医疗机器人领域人才辈出，能够有越来越多的人参与到该领域，推动国家经济、人民健康事业的发前言医疗机器人自诞生之日起便是前沿科技的典型代表，并站在机器人和医疗健康两大风口的交汇处，无论是对于资本市场还是科学研究来说，医疗机器人都是关注的热点之一。在当前的医疗机器人市场中，美国拥有直觉外科、美敦力、Stryker（MAKO）等一众优秀的医疗机器人企业。直觉外科是全球市值最高的医疗机器人公司，其全面的技术专利储备体系形成了难以跨越的技术壁垒。预计在2021年，全球医疗机器人的市场规模将达到207亿美元，年平均增长率超过15%，未来将逐步成长为一个近万亿美元的巨大市场。我国也将医疗机器人作为重点扶持的先进制造业，希望在未来行业和技术竞争中取得突医疗机器人的发展承载着人们对未来生活的美好畅想，也是科技进步的标识。医疗机器人在代替医生进行手术等方面，具有独特优势，主要表现为精度高、视野好、创口小、稳定、术后恢复快。然而，医疗机器人的发展能否完全取代医生，这也是研究者一直争论的话题之一，甚至出现了机器人威胁论。想要破除人们对医疗机器人的误解，关键是要让更多的人了解医疗机器人，知道其技术原理和应用场景，这样才能更好地将机器人融入我们的日常生活，发挥医疗机器目前，对于医疗机器人系统介绍的书并不多，现有的图书也多从技术角度进行解读，读起来通常晦涩难懂。对于大部分人来说，医疗机器人还是一个复杂的技术集成系统，完全了解和掌握相关技术细节也并不容易。此外，从医疗机器人行业视角出发，并结合医疗机器人技术的发展趋势、市场情况做全面的剖析的作品更是少之又少。因此，市场上需要一本既从技术出发，又能描绘宏观市场的术研究者、投资者、从业者甚至普通大众对医疗机器人有一个全面的本书作者之一王豫是北京航空航天大学生物与医学工程学院教授以及北航医疗器械研究所副所长。2003年起他从事医疗手术机器人方向的研究，师从北京航空航天大学王田苗教授（北航机器人研究所所长、北航机械工程及自动化学院院长、机械工业服务机器人重点实验室主任与智能技术与机器人工程技术中心主任）和约翰·霍普金斯大学计算机集成手术系统和技术研究中心主任罗塞尔·H.泰勒（RussellH.Taylor）教授（手术机器人和计算机辅助手术系统领域奠基人，主持研发了世界首台骨科手术机器人ROBDOC）。王豫曾参与国内首台骨科手术机器人系统研发，完成国内首例机器人辅助骨科手术和首例远程骨科手术，主持参与国家自然科学基金以及国家重点研发计划等项目；发表论文30余篇，申获发明专利10余项，其中美国专利1全球顶尖的医疗机器人研究机构约翰·霍普金斯大学LCSR实验室保持本书第一章从技术源起、产业发展的角度描述了医疗机器人产业发展现状及未来行业竞争趋势，为读者描绘了宏观环境下全球医疗机器人竞争格局及我国医疗机器人在当前格局中所处的行业地位。第二章从医疗机器人产品门类、相应的技术标准和临床应用场景对医疗机器人做了全面的介绍，并畅想了未来医疗机器人技术的发展趋势和由此带来的巨大改变。读者通过本章能够对医疗机器人全产品线建立全面的概念，并进一步感受医疗机器人对未来人们生活、就医方式带来的改变和冲击。第三章结合医疗机器人现有的行业特点，分析了医疗机器人行业在发展过程中受到的阻力因素，也有可能成为巨大的发展推力。第四章着重分析了国内外具有代表性的医疗机器人企业，希望医疗机器人企业高层管理者和创业者能够从这些企业的技术积累、发本书的编写得到了北京航空航天大学机器人研究所所长王田苗教授的大力支持和帮助，并有幸邀请到王田苗教授作序。希望本书能帮助到那些对医疗机器人行业感兴趣的读者，推动中国医疗机器人事业的发展，让更多的人参与到医疗机器人事业的研发创新和市场推广中1.3医疗机器人产业“烽烟四起”4.2MazorRobotics——全球脊柱4.3EKSOBionics—全球市值最高的外骨4.6MAKOplasty——最成功4.8AurisHealth——足以威胁达芬奇的外4.9天智航——国内第一家CFDA认证的医4.10大艾机器人——国内首家获得CFDA认证的外骨骼机器人4.11Remebot——国内首家获CFDA认证的神经外科手术机器人第1章医疗机器人源起、发展与未来2019年新年伊始，一则新闻如同平地惊雷轰动医疗圈。强生公司以总计逾57亿美元（约合386亿元人民币）的价格，收购了私器人公司AurisHealth。让我们再把时间线往前延伸，不难发现，这些市值千亿的医疗器械巨头们，都在纷纷布局医疗机器人产业。2013年，史赛克斥资16.5亿美元迎娶MAKO机器人；2015年，施乐辉以2.75亿美元将Bluebelt收入囊中；2016年，美敦力以16.4亿美元收购MazorRobotic；2016年，捷迈邦美（ZimmerBiomet）以1.32亿美元收购Medtech，并将其ROSA机器人传统医械巨头竞相收购医疗机器人公司的原因和逻辑显而易见：机器人技术正在引领未来医疗变革，这些巨头一旦错失良机很可能将在未来的竞争中居于劣势，甚至黯然离场。事实上，从医疗机器人行业最成功的企业——直觉外科（IntuitiveSurgical，达芬奇手术机器人的制造商）的股价上就可以看出来：直觉外科是为数不多股价增长可以跑赢谷歌的公司。由此可见，医疗机器人将对未来医疗产生革命性而在国内，医疗机器人产业和相关公司也开始初露锋芒。据不完司披露获得融资，不少上市公司也扩展了医疗机器人业务。而在这条赛道上走得较快的骨科手术机器人制造商天智航和磁控胶囊胃镜机器如今，医疗机器人已经渗透到诊前、诊中、诊后的各个层面。当你进入医院，已经能见到“萌萌哒”智能化的导诊机器人，读片效率奇高的人工智能辅助诊断系统，医生坐在达芬奇手术机器人的台车前在为患者进行微创手术，各种辅助性医疗机器人在有条不紊地输送药物和器材，治疗完成的患者穿着康复机器人设备在自由活动。而这一未来，科幻电影中对医疗机器人的畅想很有可能成为现实。电影《普罗米修斯》中，术前诊断、麻醉消毒、手术操作全部集中在一个自动化的医疗舱中。电影《变形金刚》中，“救护车”只需一个扫描就可以获得我们身体的所有生化信息。电影《阿丽塔：战斗天使》中，医生只需轻触屏幕，机器人就可以把可怕的伤口缝合得天衣无缝，甚至像“阿丽塔”那样，可以让人和机器人融为一体，拥有更强大的“肉的器官、细胞和免疫系统，随时进行着微观层面的治疗。在机器人技但是，我们同样也要清醒地认识到，在目前以及相当长的时间内，机器人还不可能也没有必要完全替代医生，而是会成为医生得力的助手。机器人在一些方面虽然确实有着人类不能比拟的优势，而在有些方面，机器人也有诸多功课要做。另外，机器人的手术风险也不能被我们忽视。对于更为深邃的医学问题，甚至伦理道德问题，机器有太多的问题值得我们思考，有太多的技术需要我们改进，有太多的不确定需要我们摸索，但是我们相信并已经在见证：机器人技术1.1机器人革命与医学革命的伟大会师两千多年前，古希腊哲学家亚里士多德就对“机器人”的功用做出了畅想，他写道：“如果每一件工具被安排好甚或是自然而然地做那些适合于它们的工作，能够预判其他人的想法那么就没必要再有师徒或主奴了。”而在中国的西周时期，就有工匠偃师献给周穆王歌舞“机器人”的记载；相传春秋时期，鲁班制作出能飞行三日三夜的木鹊；还有三国时期诸葛亮所制的“木牛流马”，以及中国古代乡间随处可见的风车水车，无不体现着人们希望机械装置实现自动运转的思第一次工业革命是人类历史上第一次技术大爆炸，人们惊叹于巨型机器带来的便利和生产力突飞猛进的发展，形成了第一轮的机器崇拜。钢铁巨兽，冒着蒸汽，精巧的齿轮构成了工业革命时代机器人形象的轮廓，这种“机器朋克”的形象在宫崎骏的漫画中如今还能经常看第二次工业革命时期，人形机器人的形象大量涌现。1920年，捷克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻剧本《罗森的通用机器人》中正式提出机器人的概念。“Robot”一词由源于剧中捷克语的“Robota”，意为“苦力”，用来形容做苦役的奴隶。这个词后来演化成了Robot，成为人第三次工业革命中，机器人已经成为流行文化中的重要题材，传感器的诞生让机器人的自动化程度进一步提高，工业机器人进入生产环节并走向成熟。得益于运算速度和运算效率的提升，机器人开始进入更为复杂的工作场景之中，从探索南极洲的火山，到在火星上进行如今，人类正处在第四次工业革命时期，人工智能、机器人技术、量子信息技术、可控核聚变、虚拟现实以及生物与医学技术的革命正在重塑人类世界的版图。在这样的技术变革大潮中，医疗机器人自从将机器人定义为“可重新编程的机器”以来，人们已经预测到机器人将在不久的将来取代人类工作者。我们常见到机器人能组装汽车、手机，安放重物，帮助人类做一些重复劳作或危险的工作。自20世纪60年代引入第一台工业机器人以来，机器人技术充分体现了其在重复性、安全性、耐用性和准确性方面突破人类生理极限的优势，推机器人按使用环境可分为工业机器人、服务机器人和特殊用途机器人。其中，工业机器人在人口红利下降、劳动力成本上升的背景下以“机器换人”的逻辑最先发展起来，而随着人工智能、互联网技术的发展，机器人的功能多样化、消费属性增强，“机器助人”成为专业和服务型机器人的核心成长逻辑。在专业和服务型机器人使用的众多领域中，医疗机器人是一个重要的细分市场。作为单位价值最高的服务型机器人，又位居机器人和医疗两大朝阳支柱产业的交汇之处，医疗进入21世纪，机器人在医疗健康领域开始落地开花。在医学成像和机电一体化技术快速发展的推动下，精准、稳定和安全的医疗机器人迅速在医疗的众多环节都表现出了极大的应用潜力。各种诊疗和手术机器人，以及用机器增强人的能力的外骨骼和智能假肢，都具备万医疗机器人的历史只有短短30多年，但整个产业已经经历了巨大的变化，从一开始笨拙粗大的机械结构，几家企业艰难的探今医疗机器人的灵巧性和智能程度都已经大大超出人们的想象，产品控制神经外科活检。三年后，PUMA560被用在了前列腺手术中。但是，当时生产该机器人的公司为了安全考虑，曾禁止使用该机器人用1986年，美国IBM的ThomasJ合作开展骨科手术机器人的研发，1992年ROBODOC诞生，这一机器人可协助外科医生进行全髋关节置换手术，它是首个获得FDA批准的个患有脑瘫的11岁男孩能够独立就餐，成为最早实现应用的康复机器20世纪80年代中后期，美国国家航空航天局的Ames研究中心的一组成员在研究虚拟现实技术时，对使用这种技术开发远程呈现（Tele-Presence）手术产生了兴趣。这种远程外科手术的概念后来成为手术在20世纪90年代初，Ames团队的几位科学家加入了斯坦福研究所（SRI与SRI的其他机器人以及虚拟现实专家合作，共同开发出一种用于手术的灵巧的远程手术操作器。他们的主要设计目标之一，是在遥操作手术（Tele-Operation）过程中给外科医生提供直接在患者身新事物的诞生，往往植根于继承现有技术的优势而克服了其劣势。对于达芬奇手术机器人而言，腹腔镜微创手术的出现给了它绝好的发展契机。腹腔镜微创手术虽然极大降低了外科手术创伤，有利于患者的术后康复，但却给医疗带来了不小的麻烦。腹腔镜手术打破了人自然的手眼协调和灵巧操作，在观看二维视频监视器的同时移动腹腔镜手术工具，这种操作也有些违反直觉。另外，腹腔镜设备的显示与实际的运动方向是相反的，这些都让腹腔镜微创的优点难以发挥。因此，在达芬奇手术机器人的开发过程中，一些普通外科医生和内镜医师也加入了开发团队，并意识到机器人系统在改善常规腹腔镜手术另一方面，美军也注意到了SRI的工作，并对通过远程手术“将外军资助下，研究人员设计了一种系统，其中受伤的士兵会被送进配备了机器人手术设备的车辆中，然后由附近的移动高级外科医院（MASH）的外科医生远程操作手术。该系统很快就在动物模型上取与此同时，几位为美军开发手术机器人系统的外科医生和工程师，成立了一家商业公司ComputerMoti技术引入民用手术领域。1994年，这家公司获得了美军的种子资金，并开发出了自动内窥镜优化定位系统（AESOP这是一种由外科医生控制的机器人手臂，用于操纵内窥镜摄像机，并获F心脏、胸外、脊柱外科手术，可完成输卵管缝合、冠状动脉搭桥、闭的直觉外科）获得了SRIGreenTelepresenceSurgery手术系统的授权。然后他们对该系统进行了大量的重新设计，并最终研发出达芬奇手术机器人系统。2000年是医疗机器人行业的转折点，达芬奇机器人获得在达芬奇诞生后的一年中，ComputerMotion公司的ZEUS系统也获得了FDA批准上市，并且在2001年9月7日开展了人类历史上第一次跨越大洋的远程手术——“林白手术”：当时在美国纽约的医生利用ZEUS系统为远在大西洋另一端法国斯特拉斯堡的一位68岁的女进行了胆囊摘除手术。手术机器人系统在此后一段时间内，基本由上述两家公司主导。2003年，直觉外科利用率先上市的资金优势收购了其最大的竞争对手ComputerMotion，不仅化解了双方的知识产权纠纷，而且使得ZEUS系统逐渐退出了市场，从此开启了直觉外科长在腹腔镜手术机器人领域走向统一的同时，其他医用细分领域的1999年，ISS推出无框架版本神经外科机器人NeuroMate，该产品现隶属Renishaw公司。德国OrtoMaquet公司研发了CASPAR，用于髋、膝关节置换术。安科锐的射波刀CyberKnife也在此时出现，用于前列腺、肺、脑、脊柱等部位肿瘤放疗，具备实时跟踪功能，利用机EndoAssist，利用手术患者头部的红外线传感器指导腔镜镜头的运2003年，日本九州大学和日立集团推出了腹腔镜持镜机器人Naviot。2004年，以色列Mazor公司开发的脊柱外科机器人SpineAssist获得年，MAKOplasty被Stryker以16.5亿美元收购。MAKO机器人的精准辅助操作显著提升了Stryker单髁置换假体的使用，充分体现了机器人与2008年，法国EndoControl开发出支持声控的即插即用型内窥镜手2009年，法国Medtech推出针对神经外科和脊柱器人ROSA，适用于肿瘤切除，立体定向手术，以及配合内窥镜使用的微创手术。原Endoasist团队开发出更精简紧凑的内窥镜机器人产品Freehand，于2011年被ORP收购。MazorRobotics推出了适用于脊柱外2010年，中国天智航公司的第一代骨科手术机器人系统获得CFDA产品注册，成为我国第一个取得注册证的手术机器人产品，开2012年，BlueBelt推出的适用于膝关节置换术的手持型定位机器人NavioPFS获得了CE认证，该公司于2015年11月被Smith&Nephew收购。软体手术机器人也于这一年诞生，HansenMedical推出适用末梢血管手术的主从式导航机器人Magellan，可以使医生远离辐射。Corindus推出适用于血管形成术或PCI（经皮冠状动脉介入治疗）的手2013年，CyberdyneHAL上市，成为全球首个获得产品注册的外骨骼机器人产品。同年，卡内基梅隆大学成功研发主从式蛇形机器人，适用于微创心脏外科手术，其直径仅12mm，由102个关利用机器人技术的C型臂医学影像设备Artiszeego诞生，可广泛应用于心脏外科、血管介入、整形外科、胸外科、脊柱外科和神经外科手术，如今该品牌已被西门子收购。中国安翰科技（武汉）股份有限公司的“磁控胶囊胃镜系统”，是首家获得中国CFDA三类医疗器械注册2014年，由卡内基梅隆大学和哈佛医学院的团队共同研发的Flex2015年，以色列理工学院研制的微型机器人ViRob，直径1mm、长14mm，针对肺癌，可将药物输送至靶点，让医疗机器人开启微型手术提供实时神经位置、功能检测信息，防止手术误操作造成神经损2016年，中国的天智航公司的天玑骨科手术机器人获得CFDA批2018年，北京柏惠维康科技有限公司“睿米”神经外科手术机器人（Remebot）正式通过CFDA三类医疗器械注册，成为国内首家正式获批的神经外科手术机器人。它也是该领域全球第二款在原产地获批的产品，填补了国内空白。同年6月，北京大艾机器人科技有的外骨骼机器人艾康、艾动获得CFDA注册证，成为中国首个通过1.2医疗机器人为何开始爆发机器人在精度、稳定性、力量、效率等方面有着人类无法比拟的优势，机器人为医疗行业带来的好处，可能比最专业和最勤奋的医疗工作者还多，主要包括诊疗的准确性、可重复性、可靠性和成本效益。一个机器人不管工作多久，都不会疲劳，它在第一百次使用时的准确性，也与第一次使用时一样。在人工智能加持下，机器人甚至会医学家和工程师们的合作逐渐让机器人在医院得到了应用，在不腔镜手术机器人、骨科手术机器人、神经外科手术机器人、血管介入机器人等。2）康复机器人，如外骨骼机器人、肢康复机器人、智能假肢等。3）非手术诊疗机器人，包括放疗机器人、胶囊内镜机器人、采血机器人、诊断机器人、影像机器人等医疗服务机器人，特指在医院场景中提供非诊疗辅助服务功能的机器人能力的局限性是临床手术长期存在的瓶颈。在传统的外科手术中，医生凭借有限的术前、术中影像，依靠自身的医学知识和临床经验，在脑海中规划手术路径和方案。而在临床中，常常面对看不见、找不准的问题，加之人手不可避免的颤抖和医生的疲劳，手术的精准性难以保证。近年来，开放式的外科手术逐渐被微创术式替代，但微创手术狭窄的视野和有限的操作空间有时却使得相关的难题更加显与人徒手进行的传统微创外科手术相比，手术机器人扩展了医生的视野，提高了手术的准确性、灵活性和操控性。通过采用先进的传感技术、新型材料及智能算法，医疗机器人能实现更小的创伤，更智能、更精细地进行操作，从而提供更高品质的医疗服务。手术机器人的末端可以设计得比人手更加灵活，并且可以缩放操作者的运动；手术机器人一般包含实时成像装置，可有效提升手术期间的可视化程度，并能拉进操作者和手术器械尖端之间的联系，实现各种手术操作，如切割、烧灼和缝合等，比开放手术有更好的精度。例如，达芬奇手术机器人可以20倍放大手术视野，提供7个维度精准操控、1厘米一名合格医生的培养需要的时间很长。而在这个过程中，医生也需要经历反复的失败，临床医生培养的代价很高。而医疗机器人可以让一名合格医生的成熟时间大大缩短，学习曲线的陡峭程度也大大降康复机器人提供的个性化的康复训练，促进神经系统的功能重建和代偿，有效提升康复治疗效果，同时也降低了康复治疗师的体力消耗，优化了医护资源，并且，机器人相对康复治疗师比如设置后，机器人可以提供一致、长期和个性化治疗而不会疲劳；使用传感器，机器人可以获取数据，提供客观的康复效果量化评估；长期以来，依靠人力是医疗机构主要的生产方式，虽然也有很多先进的诊疗仪器，但还是对医生的经验、状态有着非常大的依赖性。过去十年来，随着越来越多医学仪器的使用，可获得的健康数据量也呈爆发式增长。据估计，2013年健康相关数据量已达到4万亿以上，而且还在以指数形式增长。例如，每年新发表的皮肤病学文章的数据。根据世界卫生组织的统计数据，全球需要100000名病理学家从事相关工作，而这是我们现在实际拥有的病理学家数量的十倍。而人工智能在医学数据处理方面具备准确率高、效率高等优势，在医疗又比如，原先手术器械、耗材等都需要手术室巡回护士从手术间到手术室仓库领取后再运回到手术室，一台较为复杂的手术往往需要巡回护士多次往返于手术间与手术室仓库，巡回护士疲于奔命。而各种发药配药机器人、病房护理机器人、导引机器人、消毒机器人、医院运输机器人可以使医院日常工作自动化，帮助医护人员分担一些沉重、繁琐的体力劳动，这可以节省大量的人力劳动时间，提高医护人员的工作效率。同时也可以帮助医院提高管理效率，降低医护人员职业伤害。各种服务机器人还可以满足不同患者，如行动不便或特殊群纵观历史，新事物的爆发往往取决于需求的迫切性和技术的可及一方面，医疗资源供给端和患者需求端的严重不平衡，使得医疗市场需求非常强烈。世界范围内人口老龄化问题的不断加剧，导致恶性肿瘤、心脑血管疾病等发病率不断上升，医疗资源总体不足和医疗支出不断攀升已经成为全球性的严重问题。医疗机器人能够辅助完成精准稳定的疾病诊疗，使医疗服务质量有效提升；术后还可以辅助康复训练，大大缩短术后康复时间，缓解目前术后康复资源严重不足的另一方面，近年来随着全球新科技革命和工业4学、工程学、机器人学不断突破，3D打印、虚拟现实、增强现实、大数据、云计算、物联网等新兴技术与医疗领域的紧密结合，使得医疗理念和方式正在发生革命性变革。医疗机器人作为新技术的融合载体，其概念内涵、技术体系、临床应用范围均会得到极大丰富，从而老龄化是全球几乎所有国家面临的现实挑战。据普华永道思略特增长到2030年的逾14亿。因衰老导致的疾病、残疾、行动不便的人数以医院为中心的系统可以很好地处理严重的健康事件，可以用数天或数周的时间对患者进行急性护理。但医院的设计并没有准备好处理那些病情复杂且需要长期治疗的大量人群。由此导致医疗服务供给的严重不足，根据世界卫生组织（WorldHealthOrganization,WHO）报告，全球医护人员缺口将从2015年的700万增长至2035年的13随着世界经济的不断发展，人均可支配收入的提高，人们追求健康的意识也越来越强，人们对于高质量医疗的需求不断增长。而医疗机器人凭借诸多优势，自然成为追求更高质量医疗服务的选择。当前的医疗体系也已经发生了很大的变化，从过去以疾病为中心逐渐向以健康为中心的理念转化，随着医疗器械的信息化、智能化、网络化、机器人产业被誉为制造业皇冠上的明珠，可以反映一个国家的整体工业水平。随着我国制造业规模和水平的不断提升，我国目前已基本掌握了机器人本体设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，在电机、减速器、驱动器等核心零部件方面也取得一定突破。虽然在总体技术上和国际先进水平还有一定差距，医疗机器人作为一种特殊的专用机器人，虽然相比于工业机器人有独特的技术和性能要求，但在产业发展的底层逻辑上，仍然符合高端装备制造业的发展规律。因此，随着我国从制造大国向制造强国迈进，我国整体制造业水平的不断提升将为医疗机器人产业的发展提供人工智能和机器人在医疗保健领域的潜力巨大。进入21世纪尤其是近几年，全球人工智能产业进入快速发展时期，人工智能已经不再是科幻小说中的事物，已经成为我们生活的一部分。人工智能变得无处不在，在人手一部的智能手机上，Apple手机上的Siri每周处理20亿个自然语言请求，Android手机上20%的请求通过语音进行。我们日常使用的越来越智能化的搜索以及来自电商网站上的猜你喜欢、电话服务中心的聊天机器人，无不彰显着人工智能正在走向成熟。虽然当今的人工智能仍然属于弱人工智能，但在一些具体的应用场景上，已经在医疗领域，人工智能与机器人技术结合也逐步体现出显著的技术优势和巨大的市场潜力。目前，人工智能已被用于更及时、更准确地发现早期癌症等疾病。例如，根据美国癌症协会的数据，美国每年会产生错误结果，导致许多的健康女性被告知患有癌症。人工智能的使用使得乳房X线照片的检查和翻译速度提高了30倍，准确率达到99%，减少了不必要的组织活检，同时也降低了误诊率。消费类可穿戴设备和其他医疗设备与人工智能相结合也被广泛用于早期心脏病检查，使医生和其他护理人员能够在更早、更易治疗的阶段更好地监测据估计，80%的健康数据是当前的医疗系统所不能理解的，大量认知技术帮助医疗机构解锁大量的健康数据。Watson可以查看和存储更多医疗信息，搜索每个医学期刊，病理报告以及世界各地治疗和反应的案例研究，比任何人都要快得多。它不仅能存储数据，而且能够在浩如烟海的数据中找到其中的意义和联系。与人类不同，它的决策都是基于证据的，没有认知偏见或过度自信，能够快速分析并大大减少甚至消除误诊。Google的DeepMindHealth正在与临床医生、研究人员和患者合作解决实际的医疗保健问题。该技术将机器学习和系统神经科学相结合，将强大的通用学习算法构建到模仿人类大脑的神经网随着人工智能技术的不断突破以及与医疗机器人技术的深度融合，智能技术对未来医学的理念和模式都可能带来相当程度的变革，智能医疗将逐步渗透到医疗体系的各个方面，推动整体医疗服务水平1.3医疗机器人产业“烽烟四起”1.3.1医疗机器人赛场的“激烈角逐”医疗机器人是全球机器人和医疗器械领域的新兴发展方向，也是各国竞相投入和角逐的重要科技制高点。医疗机器人具有显著的高技术、高门槛、高附加值特征，对医疗手术、康复医学、健康管理、医根据波士顿咨询公司预测分析，全球医疗机器人行业复合增长率稳定在15.4%，至2020年，全球医疗机器人规模有望达到179亿美元。未来手术机器人和康复机器人的行业规模，将分别年的32亿和2.2亿美元增长到2021年的200亿和32亿美元，年均复合增机器人手术代表着微创外科的未来。据GrandViewResearch的统计，手术机器人在医疗机器人市场份额已超过60%，全世界已有33个国家和地区、800多家医院成功开展了60多万例机器人手术。芬奇手术机器人独领风骚。而美敦力、强生、史赛克等传统医械巨头也都在纷纷布局，不论是自己投入研发，或者和其他公司合作开发（如强生和谷歌联合成立手术机器人公司Verb还是通过收购后的不仅企业层面就医疗机器人产生了激烈的竞争，而且其意义早已上升至国家战略的高度。医疗机器人具有高度的前沿性、战略性、成长性和带动性，也是所有国家解决医疗资源缺口和老龄化问题的重要美国早在20世纪60年代就开始了工业机器人的研发制造。2013年发布《美国机器人发展路线图》，确立医疗机器人为美国机器人领域rHealthcare》，提出“地平线2020计划”战略》，提出2020年的发展目标为手术机器人市场达到500亿据不完全统计，2014~2017年间，国内集中出现了至少100家医疗机器人创业公司，公开披露融资的超过50家，还有不少上市公司近年来拓展了医疗机器人业务，部分工业机器人公司或医疗器械公司也推出了医疗机器人方面的业务。眼下，欧美企业正全力抢滩中国市场，对于我国来说，更加需要面向重大需求，加强前瞻预近年来，国家大力倡导产业转型升级，并积极推进制造业数字化、网络化以及智能化。党和政府也已经非常清晰地判断出医疗机器习近平主席在2014年两院院士大会讲话中指出，“机器人革命”有望成为“第三次工业革命”的一个切入点和重要增长点，将影响全球制造业格局，而且我国将成为全球最大的机器人市场。习主席指出机器人是“制造业皇冠顶端的明珠”，其研发、制造、应用是衡量一个国家医疗机器人的发展是国家实现工业战略的重要一环，也是落实《“健康中国2030”规划纲要》的必然要求。国务院在“十三五”规划纲要及《中国制造2025》等后续指导文件中提出，要重点发展医用机器人等高性能诊疗设备，积极鼓励国内医疗器械的创新。《机器人产业发展规划（2016-2020）》明确提出：要突破手术机器人、智能护理机器人等十大标志性产品，针对工业领域以及救灾救援、医疗康复等服务领域，开展细分行业推广应用。《“健康中国2030”规划纲要》明确提出加快医疗器械转型升级，提高医疗器械国产化率，重点部署医疗我国巨大的人口基数使得我国临床资源极其丰富，临床优势也是我国推进医疗机器人产业发展的有利基础条件。患病人数多、疾病谱广的临床现状日益凸显，便于我国建立大规模患者样本库和疾病数据库，支撑更精简、更快速、更有针对性的产品研发路线，使得治疗方法可以更好地匹配个体患者的病症，使医疗机器人研发企业以更快的速度、更低的成本开发出符合我国现实临床环境需求的产品，由此加另外，把医疗机器人技术服务纳入医疗服务价格改革试点项目，探索新技术应用市场化价格形成机制，通过价格水平体现创新医疗服务价值和医疗技术服务价值，能够在提升医疗供给质量水平的同时有效促进新技术大规模应用于临床，由此促进自主创新医疗机器人产品在技术上，中外在医疗机器人领域的差距，相比其他高端医疗器械而言相对较小。医疗机器人本身就是新技术，我国的起步虽比美国等发达国家稍晚，但发展速度很快；加上我国的整体产业环境利好，随着我国经济的快速发展，人均收入、医疗支出都在不断增加，对医疗机器人所提供的高端医疗需求也在增加。据德勤调查，仅有21%的消费者对现有医疗体系满意，而高收入人群对服务价格敏感度不高，但对高端医疗需求强烈。据瑞士信贷《2016全球财富报告》显我国面临着人口老龄化日趋严重，医疗资源供需缺口不断加大的状况。2016年，我国65岁及以上的老年人占总人口的10.8%，按照联合国65岁及以上的老年人超过总人口7%即属于老龄化社会的划分标准，我国已经全面步入老龄化社会。WHO预计2050年中国将有35%的人口超过60岁。老龄化会进一步加剧当前医疗服务供不应求的态势。WHO预计到2035年全球医护人员缺口达1.29亿。而医护人员的培养周期长，医疗供给能力又在短期内难以有效提升，医疗机器人则有望成为显著提高医疗效率，缓解乃至解决医疗资源供需失衡问题的有效路我国的医疗资源不仅总量不足，而且分布极不均衡。大量的优质就有一家三甲医院，而在云南，平均919.32万人才有一家三甲医院。目前我国正积极推动分级诊疗试点，但分级诊疗的难点在于合格医师的缺失。医疗机器人的应用和普及将有利于实现普通常见疾病诊疗的标准化，让低年资医生可以快速提升到和高年资医生差不多的诊疗水同时，我国国产医疗器械企业已经逐步完成从跟踪仿制向自主创新的产业升级，行业发展从之前的销售驱动逐渐转变为研发驱动，企业研发投入逐年增加，医疗机器人成为许多公司重点布局的赛道。此外，我国有非常强大的制造业基础，很多传统制造业企业为了产业升级也积极布局机器人等高端制造领域，这也为我国医疗机器人的发展我们可喜地看到，在医疗机器人大爆发的浪潮中，我国借助独特的临床、政策、配套产业等优势展现出巨大的发展潜力。但同时，我们也应客观地看到，一个产业的发展绝非一日之功。中国医疗机器人产业在面临历史性机遇的同时，也面临着各种挑战。底层核心技术薄弱，关键零部件研发滞后，复合型人才缺乏、品牌认知度较低在医疗机器人领域，如何避免国际合作中的知识产权风险，国与国之间如何在互相尊重对方知识产权的基础上形成开放式的合作关系，是需要各国一起摸索的，也需要政府在这个过程中的努力。目前，国产医疗机器人的核心元器件很多还不能实现国产化替代，一定程度上也造成了国产医疗机器人成本下降空间有限，也存在着供应上另外，医保支付的局限、基层医生观念的培养，都还需要市场培育的过程。同时，医疗机器人产业的发展也离不开资本的助力，但大量资本对医疗机器人领域仍缺乏客观的认知，在资本过热的时候容易一拥而上，而在资本寒冬时又都过分谨慎，归根结底还是对于医疗机器人产业的发展规律和内在逻辑缺乏足够的认识。除此之外，一些医疗机器人项目的研发、制造与应用各自为政，衔接不够紧密，导致我国医疗机器人产业的“产、学、研、用”出现一定的脱节现象。产业中的同质化竞争现象也有一定苗头。以上种种，也让我国医疗机器人产但综合来看，未来智能化的医疗机器人将带来一场新的医疗技术革命，随之而来的将是更多的企业加入到医疗机器人产业化队伍中，医疗机器人产业化的步伐将不断加快。面对这一片“蓝海”，我国医疗机器人产业正在从跟跑、逐步转变为并跑，甚至在未来有可能领跑，加之巨大的优质医疗服务缺口和利好的发展环境，国产医疗机器人将对于医疗机器人未来的畅想有很多。机器人手术将会变得更微创、更智能、更精细。发展趋势从多孔到单孔，从微创到无创，从刚智能材料、医疗大数据、人工智能、虚拟/增强现实等新技术将不断整合进医疗机器人的技术体系中。智能化、个性化医疗技术成为发展趋从产品与技术层面，医疗机器人会变得越来越好，技术会越来越先进，种类越来越繁多。但我们必须清楚地知道，医疗机器人的突破和进化并不是为了炫耀技术，核心还是为了更好的医疗服务，因此以从整个行业层面，目前医疗机器人经过三十多年的发展，已经度过了蹒跚学步的婴儿期，步入生机勃勃的少年期。产业雏形已现，但也存在很多变数。未来需要上下游相关产业与配套环境的不断成熟和向自动化的方向发展，这也是未来手术机器人发展的必然趋势。虽然不确定还需要多长时间，但随着人工智能技术的引入、机器人自动化程度不断提高，机器人变得越来越聪明，能够越来越理解医生想认知算法将会允许机器人和医生一起工作并且预测医生的行为。高分辨的传感器将会在手术中提供更多的信息反馈，更先进的执行机构将提供超越人工手术的更高精确度。信息系统和模型构建将会创造一个平台，可以使更多的医疗机器人沟通并一起工作。直观的交互界医疗机器人的未来发展需要信息化、网络化、智能化的支撑，这些都将依赖于控制技术、传感技术、交互技术、材料技术的发展。未来的医疗机器人将是典型的物联网系统。控制、微电子、传感、新材料等技术的发展，都将为智能化的医疗机器人提供基础条件。大数据、智能传感器、快速基因测序、分子诊断、微纳制造、柔性可延展电子器件、可穿戴设备、人工智能、可吸收生物材料、3D打印技术都医疗机器人将和生命科学、生物技术、纳米技术、信息技术、认知技术、先进制造技术发生更为广泛而深刻的融合。医疗机器人的内涵也将随着和更多学科的融合而逐渐延伸。比如，现在我们印象中的医疗机器人是靠电机驱动的机械装置，未来，医疗机器人可能是可编程的生物结构，如人造免疫T细胞、分子马达驱动的微型结构纳米机除了自然科学层面，医疗机器人的使用将在环境、心理、人与人智能导诊机器人、智能预诊机器人、全流程服务机器人、配送机器人、辅助诊断机器人，越来越多种类的机器人不断出现在医院的不但是，新技术的推进也会冲击原有业务形态，对医院环境、业务流程、操作人员等均会带来不同程度的调整变化。随着机器人针对不同医院和场景的具体情况，不断地进行功能整合，不断提升自身的稳机器人本身是一个平台技术，当大量的研究人员和医生开始使用机器人，就会衍生出非常多的新应用。举例来说，达芬奇一开始做的是胆囊切除，但现在可以用到前列腺、心脏手术等领域，这都是在不断的迭代开发以后，研究出来的新的应用。这些新应用是医生用到达芬奇之后再重新设想出来的，而并不是达芬奇一开始设计的。这种基由于医疗机器人愈发深度地参与到医疗的全部流程，将自然而然地成为海量医学数据的入口，可以形成庞大的医学数据库。而在人工通过各种各样的计算机和物理增强，在外科医生的视野中放置大量相关数据，以及在手术中识别运动和患者状态，机器人将突破更加精细解剖结构的手术“禁区”，也可以通过更加智能的规划，让整个医疗过程变得更加高效。并且有可能实现更早的疾病诊断，真正地实现“治未病”。甚至有可能发现某些长久以来医学上忽略的角落，产生新由于较高的技术门槛，医疗机器人领域具有非常明显的产学研特征。目前，领域内龙头企业多为高校科研成果转化发展而来。天智航和柏惠维康是由北京航空航天大学为其提供技术支撑；华科精准起源于清华大学与数家三甲医院神经外科历时10余年的合作研发项目；罗未来，顶尖医院与高校的合作，医疗人员与工科研发人员的灵感碰撞将依然是医疗机器人的创新源头。医用机器人的需求、设计理念来自于临床，产品应用于医疗健康领域。要确保产品的有效性和适用性，医疗专家需要全要素、全流程地参与医用机器人的研发。医院、在医工交叉的过程中，少了任何一方，都不可能做出有用的产品。工科研发人员最容易犯的错误之一就是观摩了几台手术，就以为自己找到了痛点，但花费两三年时间做出来的机器人产品并不能真正解决医疗过程中的实际问题。所以，双方需要保持定期沟通交流，医疗人员与工科研发人员均需要了解对方的“语言”，学会以对方的视角临床需求与技术创新的关系决定了科研成果能否成功实现产业转化。医疗机器人产业发展最重要的原动力来自于产品能够真正解决临床实际问题。在医疗机器人的研发中，高校和研究所往往更偏向基础研究，而企业一般关注可以快速落地的产品需求。这其中的平衡与衔接显得尤为重要。如果企业完全忽略基础研究，那么在长跑过程中会缺乏后劲。而高校和医院的研究，如果只以发文章和写专利作为目的，就很难诞生出能真正进入临床、对病人和医生有意义的产品。能够兼顾两者的创新型人才，让创新和落地完美衔接的制度将成为行业产学研医协同创新可以使临床需求与医疗机器人相关应用基础研究、产品化推进紧密结合，并且这种多方深度融合的模式将有利于产品标准和临床应用规范的制定，弥补科研成果产业转化和市场开发链条的短板，从而缩短创新医疗器械的临床磨合期，促进医疗机器人产从历史来看，一个行业的蓬勃发展离不开与之相关的金融创新，如大航海时代下保险业的诞生以及风险投资推动的IT浪潮。金融资本未来在医用机器人产业中将起着越来越大的作用。无论是研发发展阶段对于企业的早期投资，还是产品上市后的销售，都离不开金融工具的支持。更加有效的金融工具会促进医疗机器人行业的发展，而在医高端医用机器人产品技术存在门槛高、研发周期长、投入高、风险大、回报大等特征。医疗机器人从实验室到商业化，一般要经历创新研究的概念评估、初步研究结论的实验或制造实验样机、临床研究和上市许可、生产、上市和市场培育5个阶段，这一过程一般长达6~10年甚至更久。比如达芬奇机器人，从实验室到做成产品、进行产业化，用了14年。而达芬奇机器人能有今天的不俗表现，离不开2000年当公司刚刚拿到FDA注册，仍然巨额亏损的时候就顺利登陆纳斯达克，通过上市募集资金成功收购了竞争对手Compu了一家独大的行业地位。因此，医疗机器人产业发展需要前期持续不国内由于风险投资基金的期限较短、上市退出渠道又存在严格的盈利要求，因此难以长期支持医疗机器人企业成长。近年来，随着风险投资基金LP结构的不断优化，政府引导基金的逐渐设立，以及港股上市制度的改革和科创板的建立都提供了更加多元化的退出渠道等因但是，投资机构们大多还是更青睐已经获得CFDA认证、产品和模式比较成熟、准备上市的公司，中早期项目融资依然比较困难，即便是在资本盛宴下也很难“吃饱饭”，资金问题成为制约公司快速发展达芬奇手术机器人的价格在国外是1000万元，在国内超过2000万元，这样的高价自然是让中小型医院“望而却步”。而且目前因医保不能报销，手术机器人临床应用比例比较有限。医疗机器人经过千辛万于专业保险的缺失，医疗机器人使用过程中相关的医疗事故风险归属尚难有定论，一定程度上制约了医生的使用和产品的推广。但是未来，医疗机器人相关的保险支付、融资租赁等金融服务一定会逐渐成今天，将医疗机器人纳入医保已得到一些实现。上海市已经展开探索——3760元的“磁控胶囊胃镜机器人”检查，纳入医保后患者只需自付1000元左右。目前《机器人产业发展规划（2016～2020年）》提出，通过首台（套）重大技术装备保险补偿机制，支持医疗机器人应用推广。另外，政府开始在社区医院建立理疗部门，扩大医疗保险的覆盖范围，将康复治疗纳入其中等，这些举措都将会为康复机器人的美敦力、强生曾尝试正面向直觉外科（IntuitiveSurgical）宣战，但时至今日依然没有能开发出匹敌达芬奇的产品。但是显然，这些传统医械巨头始终没有放弃，在医疗机器人领域不甘示弱，不断通过并购整合提升自己在医疗机器人领域的话语权。直觉外科也不曾原地踏步，几乎以每年推出一代新产品的速度宣示着自己的王者地位，并且直觉外科并购的标的，就是不断诞生的有技术特色、解决独特临床需求的医疗机器人创新公司。我们将会看到越来越多的专用型的医疗机器人产品，这是因为个性化的疾病治疗方式和手段使得专用型医用机器人优点更为突出，更切合临床。它们可能解决的是某些细分领域的痛点，未来有望整合到巨头的产品体系中，形成更好的解决方因此，未来很长一段时间，医疗机器人市场都会呈现出达芬奇捍卫王者宝座，传统医械巨头相互角力，跨界企业伺机在医疗机器人的产业发展过程中，我们不能忽视人的因素。医疗机器人的广泛使用将意味着重新定义医疗健康专业人员的各种角色，并确保在医学院学习和教授必要的新技能。比如手术机器人的操作目前仍是一项技术活，需要对医疗人员进行专业培训才能进行操作，达芬奇手术机器人的母公司直觉外科就拥有自己专业的培训团队。不过，手术机器人依然缺乏行业标准、国家标准，康复机器人离此就更远。随着参与者增多、资金持续涌入，市场形成闭环后，相关标准的建立就势在必行。未来，也将会诞生专业的机器人医师队伍，医疗机器人培训产业、医疗机器人维修支持、医疗机器人CRO等细分产业，目前，手术机器人在国内主要还是在大型三甲医院使用；不过，在分级诊疗的趋势下，基层医院将成为未来医疗机器人的主战场。从国外发展来看，这种趋势已经体现：公司纷纷设计更加小型、更低成本、更利于在日间手术室等基层医疗机构的手术机器人。对康复机器人来说，随着民营性质康复机构的大量兴建，面向非公医疗体系会是其发展的关键。对于诊断类机器人，未来第三方机构或将成为其主要市场，像安翰医疗就依托于美年大健康的检验网络，实现了大规模销第2章医疗机器人的发展与应用医疗机器人在人类就医场景的诸多方面发挥着独特且不可替代的作用，其分类也随着机器人在临床应用中功能的完善而逐渐清晰。根据应用场景，医疗机器人可分为四类：手术机器人、康复机器人、非手术诊疗机器人和服务机器人。医疗机器人已涵盖医疗手术、影像定位、医疗问诊、康复训练、护理服务、医用教学、院内物流等多个应医疗机器人可以按照临床医生的需求把持工具，实施手术和治疗；例如，应用于关节假体安装时的骨骼切削、显微外科手术中的精细操作、微创手术中的内窥镜操作、放射治疗中移动直线加速器等。医疗机器人也可用于服务残障人士或老年人士；例如，应用于该类人群的运动功能康复，护理机器人照顾残障人士的日常生活，仿人型机器人对老年人士的生活陪伴，智能假肢等部分或全部替代有缺陷的肢体。医疗机器人还可以承担医疗辅助人员的角色；例如，作为康复训练平台可以有效地减轻医护人员的复健任务，帮助脊髓损伤患者、中风患者的运动功能康复，帮助自闭症、阿兹海默症患者进行认知功能康复等。随着科学技术的进步，机器人在医疗领域中应用的巨大潜力将进一步释放，将会出现类型更丰富、临床应用更广泛的医疗机器2.1手术机器人发展现状及应用在医疗机器人发展历程中，手术机器人具有不可替代的推动作用。手术机器人发展的目的在于实现了外科手术微创化、智能化和数字化，其手术种类已涵盖骨科、神经外科、泌尿外科、心脏外科、胸20世纪80年代中期是医疗机器人的诞生时期，医疗机器人首次被应用于神经外科手术。在这一时期，工业机器人（如Unimation公司的PUMA）被用于操控手术器械，使其准确定位患者脑部特定组织的手术操作。紧接着在20世纪90年代初期，医疗机器人被应用于骨科领域。此时工业机器人被改造成精确定位手术工具或引导切割的手术机医疗机器人发展的第二个阶段是20世纪90年代涌现出的大量的微创手术机器人系统。这一时期的医疗机器人更加专注于遥控操作，通过远程方式控制机器人把持手术工具，使其按照指定通道进入患者体内。这类机器人不仅可以实现手术动作的缩放，而且可通过增加额外的末端自由度使得手术器械运动具有更高的灵活性。2001年，纽约市的马雷斯科教授通过远程操作ZEUS手术机器人，给远在法堡市的患者进行了手术，并取得了不错的效果。这是远距离操纵医疗第三阶段是进入21世纪后出现的大量的专科化手术机器人，这类机器人面向具体的适应症，相比达芬奇这样的通用型机器人成本将更低。目前已有多种应用，如面向骨科和神经外科的导航定位机器人、图像引导下的穿刺机器人、眼科微操作机器人、经自然腔道的诊疗机骨科是手术机器人最早进入的领域之一，也是目前手术机器人研究和产业化集中的热点领域。骨骼由于其刚性结构更加适合机器人的精准定位和实施操作。此外，骨科手术技术的不断进步和发展也对手术精度提出了越来越高的要求，加之骨科手术中大量使用术中X线透国外骨科手术机器人发展较早，机器人类型也相对更为全面。已经上市的骨科手术机器人系统包括ROBODOC（现改名为TSolution1992年11月，世界首台骨科手术机器人ROBODOC完成首例临床实验。ROBODOC机器人采用了五自由度圆柱坐标机器人本体，使用机械式定位器来实现机器人与患者骨骼的位置注册。ROBODOC主要用于全髋关节置换术中辅助股骨腔体成形以提高假体定位和植入精度，从而提高全髋置换手术的质量。该系统基于术前CT扫描数据进行手术规划，然后通过机器人自动切割骨骼形成骨腔，这种骨腔与假体具有更好的契合度，从而具有更好、更长期的稳定效果。ROBODOC第一代原型样机由IBM实验室和美国加州大学戴维斯分校共同研发，20世纪90年代中期，机器人与外科医生之间的交互方法取得了新的进展，机器人和人同时控制手术工具的把持和移动成为可能。医生可根据实际情况对机器人通过数学模型获得的运动轨迹进行校正。这一阶段的典型代表是1997年由伦敦帝国理工学院开发的Acrobot骨科手术机器人系统。它提出了“主动约束”（ActiveConstraint）的概念，能够根据机器人末端执行器的所处区域，即允许运动区域或禁止运动区域，来调控机器人末端的运动状态。Acrobot主要应用于全膝关节置换术和微创膝关节单髁置换术。该系统需要将定位基准连接在股骨和胫骨上，实现手术中各坐标系配准，并沿着若干事先规划好的平面修配图2-1ROBODOC手术机器人手术中（见图2-2）。该系统采用基于骨性解剖标志点的配准方法完成三维配准，用光电跟踪器完成工具和患者的实时位置追踪。而该系统的最大特点在于采用一种交互式控制方法（力反馈控制）和虚拟切割导引技术辅助医生完成手术，即该系统的机器人并不主动完成骨切削，而是在医生把持下通过力反馈的方式辅助医生完成准确的骨骼切削操作。在操作过程中需要医师全程把持机械臂进行操作，若偏离手术路径则引发机械臂制动以直接力觉反馈的方式来提示医生，避免不图2-2MAKOplasty机器人系统SpineAssist（后更名为RenaissanceRobotic）机器人系统是面向脊柱椎弓根钉定位的手术机器人系统。在脊柱矫形和修复手术中，由于脊柱的解剖结构复杂，毗邻重要血管神经，手术难度和风险性很高，而骨科手术机器人可以作为一种更安全有效的辅助技术被应用于脊柱手术。SpineAssist机器人系统原理与Rob将CT图像采集并上传至机器人软件系统进行处理，由术者进行入针点、路径、深度等一系列手术方案的设计，以及置入物的选定，最后由机器人精确执行导航操作，引导术者完成椎弓根螺钉的置入。SpineAssist的最大特点在于采用了小型化的并联机器人构型，使得整个机器人系统重量仅250g左右，使用时直接将该系统安装在患者的脊图2-3SpineAssist机器人系统骨科机器人使得医生的手术视野和操作灵活性得到了极大的提升。临床研究的结果也证实了在准确度和操作精度方面，利用机器人开展骨科手术的优越性。其他骨科手术使用的机器人系统还有ROSA、MBARS、CRIGOS、ARTHROBOT、PINEBOT等机器人系国内开展骨科机器人研究及临床应用的单位主要有北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、中国科学院沈阳自动化研究所、上海交通大学等科研机构以及北京积水潭医院、解放军总医院、上海交通大学医2002年，北京航空航天大学和哈尔滨工业大学联合进行机器人辅助正骨手术系统的研发。2004年，北京航空航天大学和北京积水潭医院联合研制开发了双平面骨科机器人系统，完成了国内首例机器人辅助骨科手术，并在2006年3月完成了我国首例远程骨科手术。20北京天智航公司成立，开始推进双平面骨科手术机器人系统的产品化，并于2010年获得了国内首个手术机器人的CFDA注册证，之后又先后完成两代骨科手术机器人产品开发，于2016年推出了第三代“天玑”骨科手术机器人，推动了较大规模的临床应用（见图2-4）。该机器人系统主要适用于下肢髓内钉手术、股骨颈空心钉内固定术、骨盆骶髂关节螺钉内固定术、脊柱椎弓根钉手术等，解决了传统手术中需图2-4天智航研发的“天玑”机器人系统2018年，医疗器械大厂史赛克（Stryker）在全球范围进一步加大了关节手术机器人MAKO的推广和培训；美敦力（Medtronic）公司在连续三轮投资脊柱手术机器人ROSA之后，在2018年9月对其母公司进行了收购；目前国际排名前五的骨科器械公司（史赛克、强生、捷迈邦美、施乐辉、美敦力）全都收购了骨科手术机器人公司，积极布局这一创新赛道。中国自主研发的骨科手术机器人产品已经在国内50多家医院实现临床应用，创新的关节置换、骨折复位手术机器人，也相继进入了产业化阶段骨科手术机器人，正以极快的脚步来到我们外科手术治疗中，对减小手术损伤和提升手术效果的追求是外科手术微创化发展的动力。内窥镜手术作为最典型的微创外科手术，改变了传统外科手术充分开放暴露的手术理念，仅通过体表的一个或多个切口，将细杆状的内窥镜和手术工具送入体内，在内窥镜视野下完成手术操作。自1987年法国里昂医生成功为患者实施腹腔镜下胆囊切除术以来，经过多年的发展，微创外科特别是腹腔镜微创外科技术已日渐成熟。微创术式的出现显著减小手术创伤、减轻患者的术后疼痛、缩短住院恢复时间。但内窥镜手术也打破了传统外科手术中直视下操作的习惯，医生不能再靠直觉的手眼协调来完成手术，而且长杆状的手术器械也放大了医生手里的生理抖动，因此极大增加了手术难内窥镜手术机器人在微创手术中可以实现对手术器械的精准控制，手术器械的自由度和灵活度比传统人工操作的手术器械高很多，因此比传统微创手术有更好的治疗效果。另外，医生通过控制台实施腹腔镜机器人的一个重要特点是内窥镜的自动定位，省去了常规手术中需要专门把持内窥镜的操作人员，能够获得更稳定的图像。另一个重要的应用就是遥控操作，腹腔镜手术机器人不仅可以实现灵活的符合人体工学的远程操作控制，还可以过滤掉显微外科手术中的手部震颤运动。如直觉外科（IntuitiveSurgical）公司的达芬奇机器人能滤除人手的自然颤动，提高手术精准度；同时机械臂具有牵拉、切割、缝合等多种功能，能在狭小空间进行精细操作；放大的10-15倍高清三维图方便医生精确进行组织定位和器械操作；医生可采取坐姿进首个获得FDA认证的内窥镜手术机器人是ComputerMotion公司的AESOP机器人，见图2-5（左）。该公司随后被直觉外科公司收购。AESOP机器人系统是一个真正获得商业成功的手术机器人系统，截止到直觉外科公司停止销售时，已在500家医院累计售出超过200AESOP机器人之后，英国海威科姆阿姆斯特朗医院的EndoAssist于2005年获得FDA认证，它是一个具有3主动自由度的内窥镜把持机器人，其手臂上有远程运动中心，通过移动其前端可实现机器人控制，内窥镜手术机器人领域中最具代表性的两款机器人产品是ComputerMotion公司的ZEUS机器人和直觉外科公司的达芬奇机器人。这两款机器人均采用远程主—从控制方式，外科医生根据内窥镜的图像显示系统，远程操控带有末端操作工具的手术机械臂。Z器人是由AESOP机器人改进而来，由3个结构相似的独立机械臂组搭桥手术，并于2002年取得美国FDA认证，被批准用于腹腔镜手术（见图2-6）。2001年9月7日，纽约的马雷斯科教授使用ZEUS机器人为来自法国斯特拉斯堡市的患者实施了胆囊切除术，隔着辽阔的大西洋，医生通过远程遥控完成了一例胆囊切除手术，这一具有划时代意义的手术被称为“林白手术”。2003年，直觉外科公司收购了Computer图2-5AESOP系列手术机器人系统——AESOP2000（左）英国海威科姆阿姆斯特朗医院的EndoAssist机器人（右）图2-6ZEUS手术机器人系统直觉外科公司推出的达芬奇机器人由安装在一个底座上的3个或4个彼此独立的手臂组成。每个手臂都具有远端旋转中心（RCM）结构，以便保证腔镜和手术器械在运动时绕固定的皮肤入点运行。机器人末端由3个旋转关节构成，并通过6个自由度手臂和2个立体图屏来完成远程操控，2个立体图像分别来自于2路立体内窥摄像头（见程手术系统。同年，达芬奇机器人执行了其第一例腹腔镜胆囊切除手术。2000年，达芬奇机器人进行了第一例前列腺根治手术。后续的跟踪研究显示，与传统的手术方法相比，采用机器人进行前列腺根治手术，绝大多数患者恢复得更好更快，极少出现尿失禁和阳痿等问题。这些研究奠定了达芬奇机器人的商业成功基础，并使得机器人手术在泌尿科前列腺切除手术中逐步成为常规术式。目前，达芬奇手术机器人是全球商业化最成功的机器人系统，已广泛应用于心胸外科、泌尿外科、妇科、腹部外科等多种临床科室。2018年，直觉外科的营业收入超过37亿美元，达芬奇手术机器人销售超过900台，设备销售图2-7达芬奇手术机器人在腔镜手术机器人方面的研究，虽然国内起步比较晚，但是国内众多高校和科研院所都对其进行了广泛的研究，也取得了一定的成果。近几年，国内出现了多家科技创业公司，旨在开发具有自主知识产权的内窥镜手术机器人系统，范围覆盖多孔内窥镜、单孔内窥镜和2002年，天津大学、南开大学联合天津总医院成功开发了机器人辅助显微外科手术系统，帮助外科医生解决在手术操作中存在的大量细微复杂的高难度动作，如血管、神经缝合之类。该系统为主从异构式，主手采用自主研发的关节式主手，并具有力反馈功直角坐标系机构。该系统可以实现消抖并完成长时间血管和神经夹持操作。2008年，天津大学在上述系统的基础上，自主研发了外科手术ZEUS、达芬奇手术机器人系统类似，采用主从遥操操作手结构为异型同构形式。主操作手采用美国Sensable公司的PhantomDesktop（串联力反馈设备该装置具有三维力感觉功能。从操作手是针对显微血管缝合手术专门设计的“妙手”，具有力检测功能，可完成切割、夹持、缝合与打结等手术操作。妙手系统还可实现远程手术，并初步探讨了力感觉和力反馈功能。在从手末端安装力传感器，可以检测从操作手与手术环境相互间的力信息，并将力信息反馈至主操作手，通过主手使手术医生更加直观地感受手术环境的三维图2-8外科手术机器人系统——妙手神经外科手术机器人主要用于脑外科、活检、定点刺激（帕金森症）、电极测量（癫痫病立体定向电极植入术）、去除囊肿或血肿排空等手术。神经外科手术一直存在手术空间小、定位困难等痛点，同时由于手术一般需要对特定神经组织部分进行操作，故需要十分精确。外科医生一般很难达到手术所需要的精度，因此，利用机器人在神经外科机器人最早应用是脑部立体定向手术，1985年，郭Y.S.Kwoh等人首次利用PUMA560机器人从患者术前的三维扫描图像中获得的位置信息，对患者进行了立体定位并实施活检手术。外科医师根据颅内病变的术前影像，将病变的坐标输入机器人，应用机器人引导穿刺针进行活检等操作。这是神经外科手术机器人在临床上的首次应用。随后基于该原型的立体定位神经外科手术机器人逐渐完善，演变成ISS公司（IntegratedSurgicalSystems）推出了NeuroMate机器人（见图2-9）。这是最早被美国FDA批准用于临床的神经外科手术机器人，可进行脑部立体定向手术。手术医师根据术前影像进行手术规划，然后控制机械臂运动完成手术路径定位。在机器人辅助下医生能把穿刺针、电极等器械准确送到预定靶点，引导手术医师完成活检、取异物、囊肿抽吸等操作。这一类机器人主要完成术中的精确定位，利用3D图像引导和定位手术工具以达到颅内目标靶点而不是完全替代图2-9NeuroMate神经外科手术机器人系统加拿大投资研发的NeuroArm手术机器人系统（见图2-10是世界上第一台兼有显微外科和图像引导穿刺活检的神经外科手术机器人。该手术机器人由医生通过计算机工作站控制，并且有核磁共振图械臂，每个均有7个自由度；另外，第3个臂可以安装手术用显微镜以支持显微外科手术操作。其图像引导系统可通过虚拟现实技术在术前模拟手术过程。安全方面，NeuroArm滤除了手部颤动，有安全开关，图2-10加拿大NeuroArm手术机器人系统1997年，由北京航空航天大学、清华大学和海军总医院合作开发的机器人辅助无框架脑外科立体定向手术系统，开创了国内自主开发外科手术机器人的先河，并相继开展了一系列的神经外科手术机器人系统研究。2003年，北京航空航天大学研究团队攻克了远程遥操作辅助手术的关键技术，在北京和沈阳之间完成了国内首例机器人辅助远程手术。目前，该产品经历了多次迭代，最新一代产品为Remebot神经外科手术机器人系统，见图2-11（左）。该产品已于2018年正式通过CFDA三类医疗器械审查，成为国内首家正式获批的神经外科手术机器人。该系统具有自动三维建模、立体定向定位、多靶点路径规划、多功能手术台、标志点精准识别、病灶体积计量等功能，适用于图2-11Remebot（左）和华科精准的神经外科手术机器人（右）依托清华大学在神经外科导航系统方面丰富的研究经验，2014年华科精准公司成立，并迅速推出了神经外科手术机器人系统，该系统于2017年通过CFDA创新医疗器械特别审批，并于2018年底获得了血管介入手术是目前广泛开展的一类微创手术。常见的血管介入手术包括引导导管或探针插入静脉或动脉以便执行血管成型术（通过放置球囊扩张动脉）、放置支架或过滤器、放置代替假体或止血堵塞血管等手术。心血管介入手术通常使用数字减影血管造影机（DSA）血管介入治疗手术目前主要用于诊断和治疗各种心血管疾病，如冠脉介入治疗。传统血管介入手术依靠DSA透视及造影剂增强成像，使用的2D图像引导缺乏准确的三维信息，造影剂的使用也会加重肾脏负担，同时操作者长期暴露在X线辐射中承担了较高的职业危害风险。机器人辅助血管介入系统具有显著减少操作者X线暴露、成像定位精准、操作准确稳定的优点。在减少器械与血管壁接触、降低操作颤抖的同时，机器人能够提高介入治疗精度、增加操作者舒适感。目前在血管介入领域较为成熟的是使用外部磁场驱动导丝运动的磁导航早在1951年，就已经有关于将磁导航系统应用于导管导航操作的报道。1991年，媒体首次报道采用磁导航技术为新生儿进行心脏介入早开始相关技术研究开发，第一代磁导航系统Telstar由液氦冷却的三相电磁铁、双平面数字X光成像平板和传统X光操作台组成。第二代磁整合磁铁旋转、倾斜运动与操作指令，从而调整导管角度和弯曲方向。针对复杂的心脏解剖环境，Niobe系统与3D成像系统Carto-RMT进行融合，能够定位导丝尖端，并将其位置、方向数据及靶点、解剖几何信息传输给整个磁导航系统，从而在不用X光成像情况下也能实时图2-12Stereotaxis公司的Niobe磁导航系统另一款上市的磁导航机器人系统为美国Magnetecs公司的导丝导引控制与图像（CGCI）系统（见图2-13）。相比于Niobe系统，CGCI系统由8块电磁铁按单球面形状排列，围绕操作台形成立方形动的特殊方式使磁场高度集中，避免了对其他医疗设备的干扰及额外建设保护设施的需要。整个CGCI系统共有两个导丝操作模块：人工操作模块和自动控制模块。人工操作模块下，导丝分步达到所需要位置；自动控制模块下，通过提前标记定位，可自动规划运动路径完成自动生连续组织接触，导丝滑脱时通过快速反馈调节指引导丝尖端重新接图2-13美国Magnetecs公司的CGCI磁导航系统使用电机驱动机械结构辅助心血管介入手术的操作系统发展相对较晚。巴彦尔（Beyar）等2005年提出远程冠状动脉设计，并首先尝试采用机器人系统NaviCath在人体进行导管介入消融治疗安全及有效性评估。该系统采用主从式操作结构，包括床旁操作臂及主控制台，控制台有两种控制器具运动模式，包括通过操控杆的连续性运动控制和通过触屏的不连续性运动控制。这为后来的心血管美国Hansen医疗公司开发的SenseiX系统主要用于冠状动脉介入及消融治疗，动物实验表