手术机器人发展脉络、工作原理及专利分析

从工作原理看，大体上手术机器人通过感知、分析和行动三个步骤来执行辅助手术的工作。

手术机器人是 20 世纪 80 年代以来，伴随着微创外科手术的发展而逐步出现并且发展起来的高端医疗设备，主要用于以微创的手段来消除手术造成的大面积创伤对患者的不利影响，进而达到减少患者痛苦和加快术后恢复速度等目的，同时还可以降低常规手术中因医生手部震颤等造成的不可控的手术风险。此外，对于对精度要求很高的骨科、神经外科及口腔科等外科手术，手术机器人还具有精准定位、手术规划、精准成像等功能，并且能大幅减少手术中医生所受辐射伤害和感染风险。 手术机器人发展脉络：从 1985 年手术机器人发展起步开始至今30 余年，大致可以分为三个阶段，1985 年到 1999 年为起步阶段，2000 年到2010 年为发展阶段，从 2011年至今是创新阶段。

机器人在外科手术中的应用起源于 1985 年的美国，洛杉矶医院的医生使用工业机械臂 Puma 560 完成了全球首个机器人辅助的外科手术——机器人辅助定位的神经外科脑部活检手术。 80 年代末，斯坦福大学研究院是最早进行外科手术机器人研发的机构，此后在 1992 年由 IT 公司 IBM 和加州大学联合推出了全球首个医疗手术机器人ROBODOC 用于骨科手术中的关节置换。到 1995 年，出身于斯坦福大学研究院的 Frederic Moll 博士创立了当今全球最为出名的医疗手术机器人公司——直观外科公司（Intuitive Surgical），并开启了手术机器人领域的商业化道路。而此时的中国才刚刚开始在手术机器人领域的探索，研发制造进度较美国滞后了十年以上。1999 年全球首个可正式应用于手术室中的手术机器人系统达芬奇手术机器人率先在欧洲获批上市，这是一款由美国直观外科公司研发制造的腹腔镜手术机器人。

2010 年我国上市了首款国产手术机器人，是由天智航研发制造的骨科手术机器人，从产品上市角度看，我国同样滞后于美国十年，但是在2010 年以后，发展进程明显加快，到目前为止，已上市的国产手术机器人产品数量已达9个，包含 2 个骨科手术机器人，5 个神经外科手术机器人和1 个口腔手术机器人。我国手术机器人是以 “定位类” 机器人为开端，在 “操作类” 机器人的推广中走向大众，并逐步在更细分的领域中进化升级。

从工作原理看，大体上手术机器人通过感知、分析和行动三个步骤来执行辅助手术的工作。首先机器人通过传感器系统（如视觉、触觉、温度等）感知外部环境信息。然后机器人通过人工智能算法对各类信息进行分析、学习，并给出下一步的动作指令。最后，驱动系统根据分析指令完成具体动作并实施反馈状态信息给控制系统。按照手术部位分类常见的手术机器人有七类分别是腔镜手术机器人、骨科手术机器人、血管介入手术机器人、经自然腔道手术机器人、经皮穿刺手术机器人、神经外科手术机器人和眼科手术机器人。

截止 2022 年 11 月，全球计算机手术辅助设备相关的专利总量为67015件，下图为近 20 年内全球计算机辅助手术设备的专利申请趋势图，从申请时间上看，全球计算机辅助手术设备在 2003 年到 2005 年间，年均专利仅有800 件左右，仅有少数的研发者关注该领域，2005 年至 2018 年的十四年间，全球计算机辅助手术设备的年均专利申请从 828 件涨至 6746 件，年均增长率在18%左右，2018 年的专利申请数量是 2005 年的专利申请数量的八倍，整体增长趋势稳定；2018 年后到 2020 年基本稳定在 6500 件专利左右，从总体趋势来看这两年计算机辅助手术设备的专利申请趋于稳定，增长趋势不明显，在计算机辅助手术设备的专利赛道上研发数量有所缓和，但是随着计算机辅助手术设备的大面积推广应用，市场持续扩大，计算机辅助手术设备的年专利申请量还会持续维持在较高的水平，设备优化类专利申请会继续增加，行业竞争激烈。

计算机辅助手术设备的类型分布，发明专利占据主导最多为 64361 件，占专利总量的96%，实用新型的专利数量较少仅有 2654 件，占专利总量的 4%；右图为计算机辅助手术设备的法律状态分布，其中有效专利最多，有 25646 件，占总量的38%；其次是审中专利，有 17722 件，占总量的 26%；再次是失效专利，有14480 件，占专利总量的22%；而 PCT 指定期满，有 7786 件，占专利总量的12%；最后还有少量PCT尚在指定期内的专利，仅有 1196 件，占专利总量的 2%，可以看出其相关专利中，申请类型主要为新创性要求较高的发明专利，专利的总体有效性较高，审中专利较多，失效专利也相对较少，全球关于计算机辅助手术设备的创新力持久，整体专利质量高，从 PCT 专利申请期满和指定期内的数量来看，关于计算机辅助手术设备的跨国申请是计算机辅助手术设备专利的重要部分，大部分技术具有开创性和前瞻性，抢占全球市场非常重要，因此侵权的风险较高，知识产权的竞争激烈。