500年历史的手术机器人，是改变未来十年的希望吗？
2021-4-21 17:16|
编辑: 归去来兮|
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摘要: HCare, We Care.欢迎来到「HCare」专栏，在这里，我们聚焦前沿科技，突破创新。我们将和你分享基因疗法、基因编辑、iPSC-NK、分子诊断、AI制药、手术机器人 、心脏影像等听起来遥远又实际上离我们很近的技术，你将看 ...
HCare, We Care. 欢迎来到「HCare」专栏，在这里，我们聚焦前沿科技，突破创新。我们将和你分享基因疗法、基因编辑、iPSC-NK、分子诊断、AI制药、手术机器人 、心脏影像等听起来遥远又实际上离我们很近的技术，你将看到我们对对创新的狂热，对世界的好奇和对科学的敬畏。「HCare」 Vol.2，我们分享手术机器人行业的前世今生。
在过去的2020年，手术机器人可以算是国内医疗器械行业最为火爆的赛道之一。手术机器人作为高端与智能医疗设备的代表，不断改变甚至颠覆传统的手术治疗方式，是全球各大医疗器械巨头不断加大研发投入的领域，也诞生了依靠达芬奇手术机器人独步全球20年、15年50倍股的直觉外科公司（Intuitive Surgical）。与欧美市场相比，我国的手术机器人仍然处于市场发展的早期阶段，但是随着国内医疗器械公司的快速崛起和国家对高端与智能医疗设备的重视，我国手术机器人行业正呈现爆发式的增长。 以达芬奇为代表的腔镜手术机器人是商业化最成熟的品类。截至2020年3月，全球达芬奇机器人安装量已达5669台，累计参与手术达到约720万台。目前美国已装机达芬奇机器人3581台，亚洲地区共装机800台。截至2020年底，中国达芬奇装机量突破200台。平均每26秒就有一名外科医生使用达芬奇机器人进行手术。
机器人手术相较于开放手术的优势手术机器人的历史最早要追溯到距今500多年前，意大利文艺复兴画家、科学家、发明家达·芬奇利用自己的解剖学知识和机械知识，设计了人类历史上的第一个人形机器人。500年后，Intuitive Surgical将自己设计的机器人系统以达芬奇命名，以纪念他对此项技术的贡献。时间来到1985年，美国洛杉矶医院的医生使用工业机器人Puma 560完成了机器人辅助定位的神经外科脑部活检手术，是外科手术史上第一例机器人手术，但遗憾的是，当时生产该机器人的公司为了安全考虑，禁止了该机器人被用于手术。1980年，随着内窥镜和人工气腹技术的成熟，腹腔镜技术逐渐在美国兴起。为避免扶镜手生理疲劳造成的镜头不稳定，1989年，手术机器人之父王友仑开始研究“伊索”（AESOP，自动最优定位内窥镜系统）——扶镜机械手，使得医生可以通过声控或踏板来控制镜头的运动。伊索系统最终于1997年研制成功，并完成了它的第一例腹腔镜手术，正式带领手术机器人走向了商业化道路。
伊索系统1998年，美国Computer Motion在伊索的基础上进行了一系列的改造，将其升级为一套完整的手术器械机器人系统——宙斯系统。宙斯共打造了两套系统——Surgeon-side和Patient-side。Surgeon-side系统由一对主手和显示器构成，医生可以操控主手手柄，通过显示器观察患者体内情况。Patient-side系统由两个机器人手臂和一个内窥镜手臂组成。医生的手柄可以控制机器人手臂的运动，而内窥镜手臂由声控控制。
宙斯系统达芬奇手术机器人的原型机是前斯坦福研究中心（SRI）于20世纪80年代为美国陆军研制的项目，最早曾尝试用于海湾战争与太空站的远程医疗，但受限于当时的网络条件，逐渐放弃了远程而转向手术机器人。达芬奇手术机器人由Intuitive Surgical于1999年研制成功，目前已有四代产品，代表着当今手术机器人的最高水平。达芬奇系统由三部分构成：医生控制系统，三维成像视频影像平台，以及拥有机械臂、摄像臂和手术器械组成的移动平台。其中3个手臂可用来操控工具，如手术刀、剪刀、电凝止血设备等。第4个手臂为内窥摄像机，其中包含两个镜头，可呈现立体视觉。外科医生通过摄像机观察手术区域，使用脚踏板来和手杆来操作机械臂。其中，机械臂可在患者体内完成540°的旋转，极大地提高了操作的灵活性。同时，机械臂上的稳定器可过滤人手的抖动，从而完成精细的解剖。达芬奇手术机器人使用广泛，适用于普外科、泌尿外科、妇科、心血管外科、胸外科等。目前，达芬奇手术机器人在前列腺切除手术、子宫切除术、疝修补术等手术中应用最多，未来也会越来越多地应用于心脏瓣膜修复、心脏搭桥等手术中。2019年，美国达芬奇机器人手术量达到了88万例，其中普外科42万例(占比48%)，妇科28万例(占比32%)，泌尿外科14万例(占比16%)，三科室合计手术量占比约95%。 注：在美国，达芬奇SP只允许用于单孔泌尿外科手术；达芬奇X/SP尚未获准在中国上市。手术机器人按技术类型可分为操作机器人和定位导航机器人，按手术类型可分为软组织机器人和硬组织机器人。如果按从软到硬的发展，可以分为腹腔镜机器人、自然腔道机器人、血管介入机器人、穿刺介入机器人、骨科机器人（包括关节机器人、脊柱机器人和创伤机器人）、神经外科机器人等。操作机器人主要用于软组织，核心技术包括：视觉成像、控制算法、机械电气和影像导航等，是技术密集型、专利密集型、资本密集型的领域。定位导航机器人主要用于硬组织，核心技术包括：医学影像、图像重建、手术规划、空间配准与映射、机械臂控制等。由于手术机器人让外科医生获得了更高倍数的放大视觉以及更精细的操作能力，使得部分腔镜下难以完成的手术可以在手术机器人下完成，甚至要比开放手术操作更为简单。例如，完全腹腔镜胰十二指肠切除术的应用目前仍存在一定争议，尤其是腹腔镜下的胰肠吻合难度较大，可能会增加术后胰瘘的风险。而体外完成胰肠吻合或开腹的胰十二指肠切除术的切口较长，不利于患者的恢复。手术机器人的放大作用及精细操作可以使胰肠吻合的针距和边距的把控要远好于开腹或腹腔镜手术，同时避免了切口延长，从而有利于患者的恢复。目前，达芬奇在腹腔镜机器人、自然腔道机器人等软组织机器人领域一骑绝尘，微创医疗机器人的图迈™腔镜手术机器人、支气管机器人的也在奋起直追。血管介入手术是治疗心血管疾病的重要手段，传统血管介入手术操作复杂、耗时长，需要医生长期暴露在X射线下，而血管介入机器人可以解决上述问题，以微创(Robocath JV)和唯迈医疗为代表的国内企业有望打破国外垄断。随着社会老龄化的加剧，骨科市场需求增速不断提高，骨科手术机器人有着巨大需求，特别是关节置换手术机器人，在提高假体植入精度、降低医生学习曲线、推动关节置换手术向基层医院渗透发挥了重要作用。微创鸿鹄关节置换机器人是国内第一个完成临床入组的膝关节机器人，键嘉机器人是国内第一个完成临床入组的髋关节置换手术机器人。与骨科机器人同属于定位导航机器人的神经外科机器人主要通过对脑部病灶位置精确的空间定位，辅助医生完成活检、深脑刺激、经颅磁刺激、立体定向脑电图等神经外科手术。神经外科手术机器人近年来发展飞速，比如华科精准成功研发了中国首款适用于成人和儿童的神经外科手术机器人，也是国内目前唯一获得国家创新医疗器械特别审批的神经外科手术机器人。
手术机器人应用及适用范围 手术机器人开启了微创技术的新篇章，具有划时代意义。机器人操作臂能过滤术中人手颤动，且活动范围远大于人手，许多传统腹腔镜手术无法到达的角度、难以缝合的深处都能更轻松地完成。（1）放大倍数高，解剖更精细：手术机器人可以提供10-15倍的放大效果，使手术更加精细，相比之下，腹腔镜仅能提供3-5倍的放大效果，不利于某些解剖结构的观察分离。例如，相较于腹腔镜胃癌根治术，机器人胃癌根治术淋巴结清扫更为彻底，肥胖患者的淋巴结清除获益更多，同时避免对邻近组织造成副损伤，有利于促进患者胃肠道功能的恢复。（2）过滤手部震颤，操作更加灵活：机械臂的使用一方面可以防止镜头的震颤，为术者提供更好的术野；另一方面，540°的旋转可以使各类消化道吻合在手工条件下进行，从而减少了吻合器的使用，节约成本。 （3）延长外科医生工作寿命，提高医生效率：一方面，机器人可以过滤震颤，使得年龄较大的外科医生仍然可以进行手术操作。另一方面，腹腔镜手术需要主刀、一助、扶镜手三人共同完成，而机器人仅需要主刀和助手即可，同时主刀又可以坐着进行手术，从而节省医生体力。（4）可以进行远程手术：随着通信技术的发展，未来，医生有望通过手术机器人远程控制台进行手术操作，造福更多的患者。（1）手术时间延长：机器人手术的大部分操作由术者一人完成，助手主要在患者床旁协助。但随着机器人手术的不断推广以及技术的不断更新，未来的机器人手术时间可能会显著缩短。（2）器械无反馈：相较于腹腔镜手术，机械臂的触感无法传导到术者的手指中，因此机器人手术存在一定的组织撕裂的风险。（3）成本较高：机器人的开机、维护的花费较高，同时目前大多数机器人手术尚未进入医保。（4）术前准备较为复杂：目前达芬奇机器人手术需要半小时到1小时的术前准备，时间成本较高。 总体而言，手术机器人作为外科领域的革新式设备，虽然目前实际应用方面存在部分技术上的难题，但并不能掩盖其在提高手术操作灵敏度和精准度、扩大可切除病灶范围、以及极大可能减小手术损伤等方面的巨大优势。对患者来说，意味着缩短的手术时间、更小的创伤和更高的疗效。随着手术机器人软硬件性能的不断提升，以及AI、AR、VR、5G等技术对机器人的不断赋能，手术机器人一定会变得更加人性化和智能化。高瓴创投参与了对微创医疗机器人、键嘉机器人、华科精准、唯迈医疗等在内的多家手术机器人企业的投资，覆盖了关节、腔镜、血管介入、经自然腔道、经皮穿刺、康复等多个领域。虽然目前手术机器人的应用仍处于相对早期阶段，但相信通过投资机构的助力，技术创新步伐将不断推进。未来手术机器会赋能医生，让手术变得更加微创、更加精准、更加智能，让天下没有难做的手术。【1】Karl Khandalavala et al, Ann Laparosc Endosc Surg 2020;5:3，http://dx.doi.org/10.21037/ales.2019.10.02【2】Kenji Kawashima et al, BMC Biomed Eng. 2019 May 29;1:12. doi: 10.1186/s42490-019-0012-1. eCollection 2019
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