【導讀】醫療機器人是指用于醫院、診所的醫療或輔助醫療的機器人，大致可以分為手術機器人、康復機器人、護理機器人、救援機器人和轉運機器人。其中，手術機器人在現階段已經實現產業化和商業化，且大規模用于臨床。
最為典型的產品就是美國直覺外科公司（Intuitive Surgical）的達芬奇外科手術機器人。凱泰資本醫療投資團隊在查閱和調研大量資料和案例后，對手術機器人臨床應用、市場空間以及技術趨勢進行分析和預測，從而挖掘手術機器人未來的投資機會。
我們希望借此機會，能夠與同行和創業者共同探討，助力手術機器人產業的發展。凱泰資本將持續關注本行業，文末附作者聯系方式，歡迎同行和創業者進一步溝通和交流。
01、手術機器人的臨床應用情況
從科室來看，FDA審核批準的達芬奇手術機器人可以應用于超過10個科室的手術。
資料來源：公開資料整理
從手術類型看，達芬奇手術機器人臨床應用可分為傳統操作復雜的手術和較為簡單的良性腫瘤切除手術兩類。根據直覺外科公司年報，2015年美國手術機器人的總手術量為49.9萬例，其中泌尿外科占20%，婦科占48%，普外占28%。具體科室和代表手術情況如下。
資料來源：直覺外科公司年報
我國2013年及以前配置了18臺手術機器人，2015年，我國的手術機器人數量大約為57臺。截至2012年，我國手術機器人臨床應用最多的三個科室為普外科、心臟外科和泌尿外科。
截至2015年12月，全國當年完成手術機器人手術11445例，歷年總計完成手術22917例,臨床應用最多的三個領域為泌尿外科、普外科和胸外科。
2012年和2015年，國內手術機器人手術量比較
02、國內手術機器人市場規模預估
根據WinterGreen Research數據，2014年全球手術機器人市場規模達到32億美元，預計在2021年達到200億美元，復合增長率約為30%。現階段，北美市場為最大市場，而由于政府醫療投入加大，醫療系統重組和人們對微創手術意識加強，未來市場重心將逐漸往亞洲市場轉移。
根據直覺外科公司報告，在已獲得認證資質的國家中，全球每年有400萬臺手術能夠使用達芬奇手術機器人完成，市場潛在規模巨大（按1%滲透率、200臺手術/年、1000美元/臺手術材料服務費估算，設備需求2萬臺，材料服務市場40億美元/年）。在手術機器人最為普及的美國，除前列腺、組織細胞瘤等手術以外，開放式手術（如結直腸、疝氣、心胸等）仍更為普遍，手術機器人具有發展潛力。
2015年美國部分專科手術方式統計
資料來源：公開資料整理
對于中國市場規模的估算，我們認為可以從潛在購買方需求數量以及適應癥市場規模兩方面進行估算。
對于中國市場，我們認為目前二級、三級醫院將是手術機器人的潛在購買方，未來隨著手術機器的成本降低和接受度提高，將逐步滲透普及。中國目前約有2000家三級醫院、7000家二級醫院，我們以5000臺潛在需求、以每臺手術機器人50萬美元估算，潛在手術機器人設備市場規模約25億美元（約150億元）；以每臺機器人一年開展200臺手術，每臺手術1000美元的材料收入估算，手術材料潛在市場規模10億美元/年（約60億元）。
我們根據手術機器人的適應癥對每年市場規模進行了測算，認為手術機器人國內潛在市場空間為136.73億元/年。其中，泌尿外科和婦科市場規模為15.73億元，普外科為58.3億元，心臟外科為62.7億元。
數據來源：Cancer Statistics in China，2015
根據以上測算數據以及合理預計，對國內每年的手術機器人市場規模進行估算。因此，從保守、中性和樂觀三種測算來看，現階段我國每年手術機器人服務市場的規模為23.76億元、54.27億元和75.35億元。但隨著手術機器人成本降低以及技術水平提高，其在普外和心臟外科的滲透率也會提高，市場規模將進一步擴大。
03、手術機器人核心技術及發展趨勢
手術機器人主要的功能模塊包括人機交互與顯示、醫學圖像、系統軟件、機器人裝置、定位裝置。系統軟件中的圖像重構、空間配準和定位控制等，是手術機器人最為核心的部分；而硬件輔助裝置如醫學圖像、機器人裝置和定位裝置需要與臨床手術具體情況相結合；人機交互與顯示必須充分考慮醫生的需求和臨床應用場景。
資料來源：網絡公開信息
根據目前達芬奇手術機器人的技術水平以及全球其他相關技術的研發，我們認為未來手術機器人的技術發展方向在于力觸覺反饋系統、導航定位系統和自然腔道機器人系統。
1、力觸覺反饋功能
現階段應用于腹腔鏡臨床手術的機器人大多采用視覺反饋系統，外科醫生在控制機械臂做手術時，需要通過分析視覺信息，實時判斷器械對組織的作用力以及其他組織特征，一定程度上影響手術效率。因此，力觸覺反饋系統將成為機器人技術研發的重點方向。
（1）力反饋系統
外科醫生遠程操作手術臂時，通過器械末端的力傳感器，感受器械所處位置及作用于組織上的力，并將其以電流的形式進行模擬和傳導，之后再將力覺信息再現并傳遞給醫生。
該系統的核心為力傳感器與力覺再現技術：1）力傳感器主要與手術器械連接，這就需要重新設計帶有力傳感的手術器械，還有一種解決方案是為機械臂設計一種帶有力傳感的機械抓手，通過抓手與手術器械相連，實現力反饋的功能。2）力覺再現技術包括感覺模擬技術和直接再現技術。感覺模擬技術是指將力傳感器上所感受到的力覺信息，模擬成視覺或聽覺信息，并且將這些信息通過顯示器顯示給外科醫生；直接力覺再現技術，是通過力覺再現設備將傳感器獲取的力覺信息轉換為相應的刺激，并且施加于醫生的手指，以復現真實的感覺。這使外科醫生能夠快速地做出相應的調整。
（2）觸覺反饋系統
手術機器人的觸覺反饋，指機械臂操作器械作用于組織時，觸覺傳感器能夠感受到組織表面的信息(例如組織順應性、硬度、質地、溫度等)，并將這些信息反饋給醫生，從而使醫生獲得對于組織的真實感覺，并能夠對異常組織做出判斷。觸覺反饋系統主要由3部分組成:1）觸覺信息的感受；2）觸覺信息的處理，即將所獲得信息進行處理，整理得到有效信息；3）觸覺信息的再現，將有效信息再現給醫生。
1）觸覺傳感器：觸覺傳感器通過與物體直接接觸，能夠測定出該物體表面的性質，包括物理的彈性、硬度、質地、溫度等。當前所應用的觸覺傳感器類型，主要包括電容式傳感器、光電式傳感器、壓電式傳感器及壓阻式傳感器。但是目前這類傳感器多處于實驗室階段，暫未在手術機器人領域進行應用。
2）觸覺信息處理: 觸覺信息的處理系統是觸覺反饋系統的重要組成部分，該系統可以應用多種算法來處理觸覺信息，包括簡單的觸覺信息和復雜的觸覺信息。為了減輕醫生負擔，對于復雜觸覺信息的處理能通過多種方式進行簡化，該系統也可以對多種不同的觸覺信息進行處理。
3）觸覺再現技術: 包括圖像模擬技術與直接再現技術。近年來，許多研究者在腔鏡系統上采用圖像模擬技術，在模型上進行腫塊定位實驗，取得了較好的效果。直接的再現技術，是指安裝在醫生手上的觸覺再現設備，接受機械臂上的觸覺傳感器輸出的機械臂與組織接觸的信息，刺激人體的相應部位，從而再現機械臂與組織接觸的情況。該再現技術應用了微型電機技術、記憶合金技術、氣壓驅動技術直覺再現技術充分考慮到醫生觸覺的特性，符合生理習慣，因此顯示出了極大的優勢。該技術還處于實驗階段，沒有應用于臨床。
觸覺反饋技術的發展趨勢包括：1）根據臨床應用設計手術器械，使其可以滿足力觸覺反饋的需求；2）完整的觸覺再現技術涉及形狀、紋理、硬度以及溫度等物理屬性重現；3）將力覺和觸覺反饋系統有效的結合，則醫生可以通過觸覺反饋系統辨別出不同的組織特性，之后根據所感受到的不同的組織特性，施加給機械臂最佳的作用力，這樣能夠更有效的提高手術安全性；4）力觸覺反饋系統與虛擬現實技術和遠程外科技術聯合研究可以實現遠程外科培訓；5）力觸覺反饋的實現依賴網絡傳輸，但可能會有時間延遲的潛在風險，相應的控制系統開發將成為重點。
香港理工大學與香港大學李嘉誠醫學院協力開發的NSRS外科機器人系統，與現時需要在腹部開多個切口（3至6個）的達芬奇系統相比，NSRS可經由單一切口或自然腔道進入人體（無切口），功能覆蓋各類腹腔或盆腔手術。基于機械臂內的微型馬達處于接近末端執行器（手術工具）的位置，機械臂不單能執行高精確度的動作，還能提供高敏感度的觸覺或力度反饋。NSRS是全球首個配備了
內置馬達，能夠以細小的體積產生足夠力度，以施行各種體內手術的外科手術機器人系統。
2、 定位導航系統
手術導航系統使醫生在微創手術時能了解手術工具相對于解剖結構的位置。在手術導航系統出現之前，醫生只能依靠內鏡進行微創手術，或實施開放式手術。相比開放性手術，微創手術有創傷小的優勢；相比內窺鏡介導下的微創手術，手術導航系統導航下的微創手術有精度高、使用范圍廣的優勢。手術導航系統一般包括三個模塊，具體如下表。
（1）成像模塊
理想的成像模塊應能實時三維成像，并能分辨病人組織和手術工具，同時不對病人和醫生的健康產生危害、不阻礙醫生進行手術。目前還不存在滿足上述所有要求的醫學成像設備；在5類常用醫學成像設備中，MRI、超聲最接近以上要求。
（2）追蹤模塊
理想的導航系統并不需要追蹤模塊（解剖結構和手術工具都能被成像模塊以三維圖像顯示出來），但因為目前成像設備存在性能局限性，需引入一套追蹤模塊來定位手術工具和病人。
目前常見三種定位系統 ：1）磁場定位；2）光學定位；3）機械定位。這三種定位系統在定位精度上都能滿足目前手術導航系統的需求，但每種系統都有其局限性：磁場定位易受鐵磁性物體干擾，而且不能和MRI設備同時使用，精度約為1mm和0.5°；光學定位必須保證光路暢通，且所追蹤物體必須為剛性，其分別率可達到（＜0.1mm）；機械定位靈活性有限，設備所占體積較大。對于腹腔手術而言，例如肝臟等軟組織多位于人體較深部位，光學定位可能會受到一定的限制，通過腹腔鏡進行機械定位是目前手術機器人的主流技術選擇。
三種追蹤模塊
資料來源：網絡公開信息
（3）顯示模塊
顯示模塊將術前成像、術中成像、手術器械、患者所處物理空間與定位系統的坐標進行統一，為手術提供更準確的定位信息。這一過程主要分為兩步：一是使這些影像及信息的坐標系達到空間位置的一致，即配準過程；二是對已配準圖像及位置信息的綜合顯示，即融合過程。此外，顯示模塊的設計還會考慮如何使顯示效果更直觀，比如使用立體顯示技術或現實增強技術。
手術定位導航系統的技術發展趨勢包括：1）成像模塊的發展趨勢主要有現有醫學成像設備性能的提升和新醫學成像技術的開發。2）追蹤模塊已經能提供足夠的定位精度，未來的發展趨勢可能為生產成本的降低。3）顯示模塊中的配準算法是目前手術導航系統誤差的主要來源（可占75%），所以還有很大的提高空間。另外三維重建算法也有改善的空間，如提高重建效率和組織識別精度。
MST是一家位于以色列的領先的醫療器械研發公司，以數十億美元的微創手術市場為目標，主要產品為用于腹腔手術的“AutoLap”，其腹腔鏡定位系統能自動為手術導向和固定。它和Xbox相似，可以識別醫生的手勢，還可與醫生手上的無線設備交互作用，提供在患者身體內獲取的數據及分析結果，并幫助醫生操作。MST的技術核心是利用軍方在軍事技術方面的影像分析方面的數據和技術，進一步應用起來做實時控制的分析。2015年6月上市公司海思科（002653）斥資1050萬美元認購以色列醫療器械公司MST的部分股份，并獲得了Autolap在中國15年的銷售代理權。
3、自然腔道機器人系統
經自然腔道內鏡手術(natural orifice transluminal endoscopic surgery，NOTES) 是指通過自然孔口(口腔、肛門、陰道口、尿道口等) 進入腹腔或胸腔進行操作的一種外科手術。目前，有機構在達芬奇手術系統上進行NOTES動物實驗，但臨床推廣極難。主要原因在于：1）達芬奇手術機器人較為龐大，容易與患者身體碰撞；2）狹小的自然腔道導致操作空間狹小，手術操作非常困難；3）人體解剖機構的差異，如陰道穹窿與骶骨胛間的角度及骨盆形態學特征等。
擁有卡耐基梅隆大學背景的醫用機器人公司Medrobotics已經研發成功蛇形/柔性管狀機器人Flex System。醫生將其插入患者的嘴巴，通過操縱桿來控制其移動。醫生可通過前端有的攝像頭在患者氣管內移動機器人，看到并到達非常難到達的解剖區域。在實際應用中，外科醫生使用可彎曲機器人The Flex進行手術，無需在患者下巴或其他位置進行切口手術了。可彎曲機器人The Flex找到目標后，在主氣管兩側塞入兩個小管子使機器人變堅硬，從而為提供一個穩固的手術平臺。醫生可從工作臺中切換包括手術刀、剪刀、鑷子在內的各種工具。
資料來源：Medrobotics官網
此外，由于達芬奇手術機器人的一體機設計，在面臨某些專科手術過程中存在障礙，因此，我們也重點關注骨科、神經外科、眼科、口腔科等專科領域的手術機器人。
04、總結
1、國內手術機器人在泌尿外科、普外科、胸外科、婦產科及心臟外科的臨床應用不斷提升；
2、理論上，現階段我國手術機器人每年的市場規模在50億元左右，隨著針對適應癥種類增加及滲透率提高，手術機器人在國內每年市場空間超過100億元；
3、手術機器人的技術突破將在于力觸覺反饋系統、導航定位系統和自然腔道機器人系統。
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