盘点:究竟有哪些被热议的手术机器人

2016-01-04 20:50:50来源: 动脉网 关键字:手术机器人  器械
    近年来,机器人不仅用于工业领域,在医疗系统也已得到推广应用。如大名鼎鼎的手术机器人(SurgicalRobot)的问世不过短短10年,但同样取得重大进展。目前,关于机器人在医疗界中的应用的研究主要集中在外科手术机器人、康复机器人、护理机器人和服务机器人方面。其中,外科手术机器人是目前应用范围最广且最具前景,其提供的强大功能克服了传统外科手术中精确度差、手术时间过长、医生疲劳、和缺乏三维精度视野等问题

  实际上,手术机器人是一组器械的组合装置。它通常由一个内窥镜(探头)、刀剪等手术器械、微型摄像头和操纵杆等器件组装而成。据国外厂商介绍,目前使用中的手术机器人的工作原理是通过无线操作进行的外科手术,即医生坐在电脑显示屏前,通过显示屏和内窥镜仔细观察病人体内的病灶情况,然后通过机器人手中的手术刀将病灶精确切除(或修复)。

  这种被国外科学家命名为MIS的系统是设计一切手术机器人的基础。以目前各国医院使用中的达·芬奇手术机器人为例,只要在病人皮肤表面开一个极小的口子,将探头塞进体内,即可观察到病人病灶所在位置,然后再用机器人手中的手术刀将其切除。

  此外,手术机器人还可做器官修补、血管吻合或骨磨削等需要十分精细的手术。近年来,手术机器人被用于做包括基因移植、神经手术和远程手术等在内的各种重要手术,从而大大提高了危重病人的存活率。

  那么,这么厉害的手术机器人发展情况如何?有哪些研发公司?又有哪些细分领域?国内情况如何?未来将如何发展?别急,听我慢慢道来。

  新兴力量

  今年3月初,谷歌最新发布的一则通告显示,公司已同医疗器械公司强生达成合作协议,将共同研发一款机器人平台,来帮助医生们进行外科手术。

  据悉,这款机器人手术平台将有助于外科微创手术技术的的进步,解决病人诸如修疤、疼痛、恢复期漫长等方面的问题。谷歌将为这款机器人平台注入视觉系统和图像分析软件,能为外科医生提供更好的视觉空间,并帮助其获取其他相关信息。

  到了5月中旬的时候,博实股份公告,公司拟投资1亿元,设立全资子公司博实高端医疗装备有限公司,同时拟通过博实股份或子公司投资微创外科手术机器人及智能器械项目。

  2015年7月31日的时候,东京工业大学和东京医科齿科大学创立的RIVERFIELD公司宣布,内窥镜手术辅助机器人“EMARO:EndoscopeMAnipulatorRObot”将于2015年8月上市。

  EMARO是主刀医生可通过头部动作自己来操作内窥镜的系统,无需助手(把持内窥镜的医生)的帮助。东京医科齿科大学生体材料工学研究所教授川嶋健嗣和东京工业大学精密工学研究所副教授只野耕太郎等人,从着手研究到EMARO上市足足用了约10年时间。

  其作为手术辅助机器人,首次采用了气压驱动方式。用自主的气压控制技术,实现了灵活的动作,在工作中“即使接触到人,也可以躲开其作用力”(只野)等,可保证高安全性。与马达驱动的现有内窥镜夹持机器人相比,整个系统更加轻量小巧也是一大特点。该系统平时由主刀医生由头部的陀螺仪传感器来操作,发生紧急情况时,还可以手动操作。可利用机体上附带的控制面板的按钮来操作。

    它诞生的背景是,近年为取代对患者造成很大负担的开腹手术,使用内窥镜的低创手术日益普及,就是以“切个1日元硬币的口就可完成全部手术”(东京医科齿科大学理事兼副校长森田育男)为目标的疗法。其典型代表是从在患者腹部切开的小口插入钳子和内窥镜、切除癌症等的腹腔镜手术。作为手术辅助机器人代名词的美国直觉外科公司的“达芬奇系统(da Vinci Surgical System)”也是辅助内窥镜手术的系统。

  虽然内窥镜手术日益普及,但内窥镜手术所需要的“助手难以保证”。尤其,在中小型医院,助手不足据说是一个严重的问题。EMARO的问世就是为了解决这一问题。

  据称,RIVERFIELD的机器人钳子系统已在作动物和模拟内脏器官的实验,正在开发第7号产品。预定2019年上市。最初考虑用于跟达芬奇系统一样的疾病和手术,原口充满信心地表示“还要推广到达芬奇系统无法应对的领域”。超越达芬奇系统的日本产机器人诞生了。EMARO将成为第一块试金石。

  

  11月,专注于跨境医疗投资的基金汇桥资本集团(“Ally Bridge Group”) 宣布,将以可转债及认股权证的形式对法国公司Medtech SA投资1500万美元。Medtech是一家创新的手术机器人系统开发商,目前在泛欧证券交易所挂牌(股票代码Euronext:ROSA)。

  Medtech SA成立于2002年,总部设在法国南部蒙彼利埃,是一家全球领先的手术辅助机器人系统研发商。公司的旗舰产品ROSA脑部机器人已经获得欧洲、美国、中国、加拿大和澳大利亚的批准。2014年7月,ROSA脊柱机器人也已获得CE mark认证,预计很快将会获得美国FDA的批准

  目前公司在全球范围内已安装51个手术系统,分布在全球各大顶级的神经外科中心,包括克利夫兰诊所和马萨诸塞州总医院。目前,4家中国顶级的神经外科医院也已安装ROSA机器人手术系统

  2013年,公司被全球增长咨询公司Frost & Sullivan评为神经外科机器人类别的 “欧洲年度企业”

  随着机器人产业的快速发展,医疗机器人的发展已经受到了全球高度关注,美国已经把手术治疗机器、假肢机器人、康复机器人、心理康复辅助机器人、个人护理机器人、智能健康监控系统定为未来发展的六大研究方向。欧洲计划将建立“Robotics for Health-care”网络,促进医疗机器人在欧洲的发展和应用。

  一切事物的发展都有其源头,在进一步探索手术机器人之前,我们先来了解一下手术机器人从伊索到达芬奇的这段发展历程。

  从伊索到达芬奇

  1994年出现的伊索被设计用来接受手术医生的指示并控制腹腔镜摄像头。其三个阶段的产品伊索-1000,伊索-2000和伊索-3000,充分体现了介入手术的特点。该机器可以模仿人手臂功能,实现声控设置,取消了对辅助人员手动控制内窥镜的需要,提供比人为控制更精确一致的镜头运动,为医生提供直接、稳定的视野。至2014年,外科医师应用“伊索”已在全球做了超过7.5万例次微创手术。

  1996年初,在伊索机器人的基础上,开发出了功能强大的视觉系统,推出主从遥控操作的宙斯机器人。宙斯机器人分为Surgeon-side系统和Patient-side系统,Surgeon-side系统由一对主手和监视器构成,医生可以坐着操控主手手柄,并通过控制台上的显示器观看由内窥镜拍摄的患者体内情况。Patient-side由用于定位的两个机器人手臂和一个控制内窥镜位置的机器人手臂组成。

  达芬奇手术机器人是目前全球最成功及应用最广泛的手术机器人。其也代表着当今手术机器人最高水平,它主要由3个部分组成:1.医生控制系统;2.三维成像视频影像平台;3.机械臂,摄像臂和手术器械组成移动平台。实施手术时主刀医师不与病人直接接触,通过三维视觉系统和动作定标系统操作控制,由机械臂以及手术器械模拟完成医生的技术动作和手术操作。

  

  投资观点

  在伊索机器人、宙斯机器人等前代机型的基础上,美国视觉公司开发的达芬奇手术机器人是目前全世界应用最广、技术最先进的手术机器人。截止至2014年底,达芬奇手术机器人在全球已安装了3266台,完成手术共计约57万例。

  从全球来看,手术机器人产业化和技术突破都正处于甜点期,如达芬奇、Rewalk等优秀科技企业涌现,而部分国内自动化企业依托于科研院所的合作、引进国外技术等资源,也在积极研发医疗机器人产品,处于产业化前期阶段。业内人士认为,手术机器人虽然绝对空间更大,但外资份额过高并且处于绝对垄断地位,竞争格局短期不利于国内企业。

  但是,基于广阔的市场前景和高技术壁垒,建议以科技股的视角看待手术机器人相关国产化企业,重点关注积极研发和投资相关领域、打造医用机器人平台的公司 。

  其实相比手术机器人,向医疗护理的方方面面渗透的其他领域医疗机器人更加值得投资,包括骨科机器人、胃镜机器人、诊断机器人、牙科辅助机器人、护理机器人等等,这些品类正在不同的领域里替代医生经验和人工护理,提高医疗效率和精确度,并产生了一批精专于某一细分领域的新公司。

  细分领域

  骨科手术机器人为手术机器人中的一个细分领域。比较著名的有: 1992年的ROBODOC手术系统,由已并入CUREXO科技公司的Integrated Surgical Systems公司发布。

    该系统能够完成一系列的骨科手术,如全髋关节置换术及全膝关节置换术(THA & TKA),也用于了全膝关节置换翻修术(RTKA),其包括两个组件:一个是配备了三维外科手术前规划专有软件的电脑工作站 ORTHODOC(R),以及一个用于髋、膝置换术精确空腔和表面处理的电脑操控外科机器人 ROBODOC(R) Surgical Assistant。

  该设备已经广泛用于全球20,000多例外科手术。 德国Orto Maquet公司在1997年推出了CASPAR手术系统,该系统用于THA&TKA中的骨骼磨削,以及前交叉韧带重建术的隧道入点定位,磨削精度达到了0.1 mm,在欧洲一些医院里得到应。

  牙科辅助机器人是手术机器人另一个细分市场。目前有牙齿美容机器人和义齿机器人。

  义齿机器人利用图像、图形技术来获取生成无牙颌患者的口腔软硬组织计算机模型,利用自行研制的非接触式三维激光扫描测量系统来获取患者无牙颌骨形态的几何参数,采用专家系统软件完成全口义齿人工牙列的计算机辅助统计。

  Sinora齿雕机器人是一款比较典型的牙齿美容机器人,其突破了传统的牙齿修复方法,利用数字化口腔修复网络平台,经3D智能数字化技术系统直接设计,避免因材料或操作造成的误差,不会发生规定混合物,印模和设定时间有错误或不符的现象,从诊断、拍摄、设计、制作、试戴在一个区域内完成,一气呵成。例如过去需要一周时间来制作的全瓷牙,现在仅需要1小时左右就能完成,“纯”打磨时间仅需要8-10分钟。是目前最有效、最安全的牙齿美容技术。

  胃镜机器人和手术机器人同属医疗机器人,只是两者以不同的方式进行“手术”而已。目前,胃镜机器人以胃镜胶囊机器人为主。患者只需吞下一颗普通胶囊药物大小的胶囊内镜机器人,医生就能检查胃和小肠。该遥控胶囊内镜机器人集成了各种各样的传感器,采用独创的磁场控制技术,把胶囊内镜变成了“有眼有脚”的机器人。由于其体积很小,进入体内毫无异物感与不适感,消除患者紧张、焦虑情绪,极大提高了受检者对检查的耐受性。

  全球研发情况

  据WinterGreen Research报告,手术机器人市场规模在2014年为32亿美元,报告表示目前北美市场目前为最大市场,而由于政府医疗投入加大,医疗系统重组和人们对微创手术意识加强,未来市场重心将逐渐往亚洲市场转移。并且,伴随着下一代设备、系统和器械的发布,手术机器人将从目前的大型开放手术,覆盖到身体中的微小部分。预计2021年将达到200亿美元。

  近20年来,伴随着技术的突破和医疗水平的前进,手术机器人已完成了三次升级,从单臂机器人伊索到三臂机器人宙斯,直至最先进的四臂机器人达芬奇。达芬奇系统由美国Intuitive Surgical(ISRG)公司开发和制造,1999年获得欧洲CE市场认,次年被FDA正式批准投入使用。此手术系统最初主要用于泌尿外科的微创手术,例如前列腺切除手术,现在被越来越多地应用于心外科,妇科以及小儿外科等外科微创手术。

  根据IFR发布的统计数据, 2013年全球外科手术辅助机器人总销售额达14.95亿美元,其中达芬奇机器人全球销售额达 6.33亿美元,占比42.43%。截至2014年底,全球共装机达芬奇机器人3266台,其中美国2223台,欧洲549台,亚洲350台,我国内地共29台,其中9台在北京。

  手术机器人系统开发者除了美国Intuitive Surgical公司外,还有刚刚进入手术机器人的老牌医疗公司Stryker。 Stryker公司是全球骨科356亿美元市场中最大的公司之一,自从Homer Stryker医生于1941年研制并生产第一台产品至今,已拥有30家现代化工厂。公司产品涉及关节臵换、创伤、颅面、脊柱、手术设备、神经外科、耳鼻喉、介入性疼痛管理、微创手术、导航手术、智能化手术室及网络通讯、生物科技、医用床、急救推床等。由于业绩良好,史赛克公司分别被美国著名的《财富》杂志及《Business Week》评为财富500强公司及全美50大医疗公司之一。 2014年,公司营业收入96.75亿美元,同比增加7.25%;营业利润22.26亿元,同比增加5.50%。此外,公司研发投入稳步增加,占营业收入比重保持5%-6%。

  2013年,Stryker以16.5亿美元收购Mako外科治疗公司及其相关核心技术。Mako总部位于佛罗里达州,其主打产品包括Makoplasty全髋关节臵换系统等。MAKOplasty由具有高精确性的RIO机械臂系统和创新性的髋膝关节假体系统组成,二者突破了传统工具的限制,用微创的手术方式,精确植入假体,恢复自然的髋关节和膝关节。 MAKOplasty膝关节系统针对早到中期膝关节骨性关节炎患者,可进行单间室或多间室的假体臵换。允许医生术中实时调整膝关节力线和软组织平衡。并通过微创的手术方式保留更多骨质和组织,病人恢复更快。 MAKOplasty髋关节臵换手术可以通过机械臂精确限定关节锉进入的深度并指导方向和角度,从而达到手术更加精确和安全的目的。

  另外,国际上一些公司已经开始把注意力集中在眼科、神经外科、骨科这些达芬奇系统还未占领的领域,例如CUREXO Technology的ROBODOC外科手术系统、英国Acrobot公司的外科医疗手术系统等。以上提到的手术机器人由于专攻市场小、设备昂贵等缺陷使他们未能在市场上受到特别关注,但也都是手术机器人商品化的成功案例。

  国内研发情况

  由于目前外科手术机器人生产商的技术和市场垄断,使得手术机器人的购置费用高、手术成本高、维护费用高。这就直接导致我国医院手术机器人的普及率远低于欧美,也不及亚洲日、韩等近邻。

  目前,国内研究人员正在加紧研制各种手术机器人及其辅助设备、耗材。从长远看,当前的手术机器人技术和市场的垄断地位可能被打破,手术机器人使用成本的下降是必然趋势。我国自主研发手术机器人领域起步较晚,仍处于试验领域。主要有以下几个研究机构:

  a. 海军总医院与北京航天航空大学联合开发的机器人系统CRAS(Computer and Robot Assisted Surgery,CRAS)。CRAS是国内手术机器人系统的先行者,已完成第五代的研制和临床应用。该系统系统选用PUMA260、262机器人作为系统辅助操作的执行机构。第一代机器人于1997年5月首次应用于临床。第二代1999年研制成功,实现了无框架立体定向手术。第五代机器人除了前四代机器人的特点外,自动定位功能更加先进,实现了视觉自动定位,使手术误差更小,手术操作更加快捷安全。该系统能通过互联网实施远程操作手术。2005年12月12日,在北京与延安之间利用互联网成功进行了2例立体定向手术。虽然如此,CARS手术机器人在扩大适用范围和实用性方面还是有许多问题需要解决。

  b.2013年11月,国家“863”计划资助项目——“微创腹腔外科手术机器人系统”,由哈尔滨工业大学机器人研究所研制成功,并通过国家“863”计划专家组的验收。据哈工大机器人研究所的研发人员介绍,国产微创腹腔外科手术机器人系统具有我国自主知识产权,研究人员针对微创外科手术的多种术式,在手术机器人系统的机械设计、主从控制算法、三维(3D)腹腔镜与系统集成等关键技术上都进行了重要突破,并申请了多项国家发明专利。这个项目的突破被看做是打破了进口达芬奇手术机器人的技术垄断,将加快实现国产微创手术机器人辅助外科手术。

  c. 2014年04月,中南大学湘雅三医院顺利完成了3例国产机器人手术,这是我国自主研制的手术机器人系统首次运用于临床。该手术机器人就是天津大学研发的具有自主知识产权的微创外科手术机器人系统——“妙手S”。“妙手S”系统较国外同类产品有三点技术优势,第一是运用了微创手术器械多自由度丝传动解耦设计技术,解决了运动耦合问题,固定、防滑、防松,更有利于精度保持。第二是实现了从操作手的可重构布局原理与实现技术,使机器人的“胳膊”更轻,更适应手术的需要。第三是运用系统异体同构控制模型构建技术,解决了立体视觉环境下手-眼-器械运动的一致性。据了解,“妙手S”外科手术机器人系统将有望3年内投产。

  据前瞻产业研究院发布的《2015-2020 年中国医疗器械行业市场需求预测与投资战略规划分析报告》,2014 年国内医疗器械市场总规模将近2556 亿元,但进口医疗器械的进口金额占据中体市场份额40%,其中中高端市场上的医疗器械几乎被外国厂商包揽,占比超过70%。目前,国产手术机器人还大多处于研发或临床试验阶段,距离商业化推广还有一定的距离。

  以历史看未来

  从第一台手术机器人诞生到现在,自动化手术已经走过了近30个年头。当1985年第一台手术机器人Puma 560生产出来的时候,生产该机器人的公司出于安全考虑,曾经禁止该机器人被用于手术。但现在,最先进的手术机器人系统每年执行着上万例各种手术。不禁让人感叹医疗技术发展如此之快。

  现在,我们仍然很好奇,机器人手术的未来将会是怎样的情景呢?

  现在,全球各地的医生们正期盼着远程医疗和远程手术的发展,那样的话,一个医生就可以在另一个城市、另一个州或者另一个大陆为患者做手术。这意味着我们可以在世界的不同地方建立一些手术中心,医生可以去一个手术中心,坐在控制台上,而患者则在另一个手术中心,他只需要操控机器人,便可以为患者动手术了。

  实际上,2001年的时候,纽约和法国的斯特拉斯堡就通过机器人完成了一次远程手术。这台具有开创性特质的手术被成为“林德伯格手术”。虽然手术成功完成,但是影像的传输和手术操作却出现了延迟的现象,这使得远程手术难以实现。然而,随着网速的增长和带宽变得更便宜,延迟的现象毫无疑问会得到改善。

  我相信,在未来我们会拥有远程医疗的条件,医生可以为世界上其他地方的患者动手术,我并不认为那是个遥不可及的科学幻想,我认为在我有生之年,这将成为现实。并且,远程医疗的发展同样意味着医生之间更高层面的竞争。这会提高外科医生的准入门槛,让他们在自己的领域变的最为出色。

  另外一种可能是,在未来我们可以只通过单一的创口为患者进行手术,或许可以通过肚脐,插入一支蛇形的机械臂。而现在,为了能够方便机械臂进入身体,患者的身体上会留下几处较小的创口。

  这项技术的继续发展将意味着,医生只需要在患者身体上开一个小洞,然后在插入一支蛇形机械臂就行了,那才是真正的颠覆性技术,这可能会永远改变手术的性质,这些真的很酷,不是吗?

关键字:手术机器人  器械

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/article_6290.html
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