手術機器人發展脈絡、工作原理及專利分析

從工作原理看，大體上手術機器人通過感知、分析和行動三個步驟來執行輔助手術的工作。

手術機器人是 20 世紀 80 年代以來，伴隨著微創外科手術的發展而逐步出現并且發展起來的高端醫療設備，主要用于以微創的手段來消除手術造成的大面積創傷對患者的不利影響，進而達到減少患者痛苦和加快術后恢復速度等目的，同時還可以降低常規手術中因醫生手部震顫等造成的不可控的手術風險。此外，對于對精度要求很高的骨科、神經外科及口腔科等外科手術，手術機器人還具有精準定位、手術規劃、精準成像等功能，并且能大幅減少手術中醫生所受輻射傷害和感染風險。 手術機器人發展脈絡：從 1985 年手術機器人發展起步開始至今30 余年，大致可以分為三個階段，1985 年到 1999 年為起步階段，2000 年到2010 年為發展階段，從 2011年至今是創新階段。

機器人在外科手術中的應用起源于 1985 年的美國，洛杉磯醫院的醫生使用工業機械臂 Puma 560 完成了全球首個機器人輔助的外科手術——機器人輔助定位的神經外科腦部活檢手術。 80 年代末，斯坦福大學研究院是最早進行外科手術機器人研發的機構，此后在 1992 年由 IT 公司 IBM 和加州大學聯合推出了全球首個醫療手術機器人ROBODOC 用于骨科手術中的關節置換。到 1995 年，出身于斯坦福大學研究院的 Frederic Moll 博士創立了當今全球最為出名的醫療手術機器人公司——直觀外科公司（Intuitive Surgical），并開啟了手術機器人領域的商業化道路。而此時的中國才剛剛開始在手術機器人領域的探索，研發制造進度較美國滯后了十年以上。1999 年全球首個可正式應用于手術室中的手術機器人系統達芬奇手術機器人率先在歐洲獲批上市，這是一款由美國直觀外科公司研發制造的腹腔鏡手術機器人。

2010 年我國上市了首款國產手術機器人，是由天智航研發制造的骨科手術機器人，從產品上市角度看，我國同樣滯后于美國十年，但是在2010 年以后，發展進程明顯加快，到目前為止，已上市的國產手術機器人產品數量已達9個，包含 2 個骨科手術機器人，5 個神經外科手術機器人和1 個口腔手術機器人。我國手術機器人是以 “定位類” 機器人為開端，在 “操作類” 機器人的推廣中走向大眾，并逐步在更細分的領域中進化升級。

從工作原理看，大體上手術機器人通過感知、分析和行動三個步驟來執行輔助手術的工作。首先機器人通過傳感器系統（如視覺、觸覺、溫度等）感知外部環境信息。然后機器人通過人工智能算法對各類信息進行分析、學習，并給出下一步的動作指令。最后，驅動系統根據分析指令完成具體動作并實施反饋狀態信息給控制系統。按照手術部位分類常見的手術機器人有七類分別是腔鏡手術機器人、骨科手術機器人、血管介入手術機器人、經自然腔道手術機器人、經皮穿刺手術機器人、神經外科手術機器人和眼科手術機器人。

截止 2022 年 11 月，全球計算機手術輔助設備相關的專利總量為67015件，下圖為近 20 年內全球計算機輔助手術設備的專利申請趨勢圖，從申請時間上看，全球計算機輔助手術設備在 2003 年到 2005 年間，年均專利僅有800 件左右，僅有少數的研發者關注該領域，2005 年至 2018 年的十四年間，全球計算機輔助手術設備的年均專利申請從 828 件漲至 6746 件，年均增長率在18%左右，2018 年的專利申請數量是 2005 年的專利申請數量的八倍，整體增長趨勢穩定；2018 年后到 2020 年基本穩定在 6500 件專利左右，從總體趨勢來看這兩年計算機輔助手術設備的專利申請趨于穩定，增長趨勢不明顯，在計算機輔助手術設備的專利賽道上研發數量有所緩和，但是隨著計算機輔助手術設備的大面積推廣應用，市場持續擴大，計算機輔助手術設備的年專利申請量還會持續維持在較高的水平，設備優化類專利申請會繼續增加，行業競爭激烈。

計算機輔助手術設備的類型分布，發明專利占據主導最多為 64361 件，占專利總量的96%，實用新型的專利數量較少僅有 2654 件，占專利總量的 4%；右圖為計算機輔助手術設備的法律狀態分布，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尚在指定期內的專利，僅有 1196 件，占專利總量的 2%，可以看出其相關專利中，申請類型主要為新創性要求較高的發明專利，專利的總體有效性較高，審中專利較多，失效專利也相對較少，全球關于計算機輔助手術設備的創新力持久，整體專利質量高，從 PCT 專利申請期滿和指定期內的數量來看，關于計算機輔助手術設備的跨國申請是計算機輔助手術設備專利的重要部分，大部分技術具有開創性和前瞻性，搶占全球市場非常重要，因此侵權的風險較高，知識產權的競爭激烈。