【编者按】1985年5月11日，美国洛杉矶，一台被特殊改造后的工业用机器人，在术前CT影像的引导下，精准地将一支穿刺针放置成功，并为患者进行了脑组织内的肿瘤活检。
这是首台有记录的在医疗机器人辅助下进行的手术。在此后近40年的发展里，医疗机器人不断在医学领域大放异彩。从手术机器人到康复机器人，从普外科到骨科、介入等专科，医疗机器人的产品与技术不断迭代，所应用的术式与攻克的技术难题也被屡次刷新。
如今，国内医疗机器人市场热度仍然居高不下。
从投资端来看，根据医药魔方报告，2022年一级市场共发生60起医疗机器人主题的投资事件，累计金额超85亿元人民币。其中，单笔融资额最高的一起高达3亿美元。
从产品端来看，根据国家药品监督管理局的数据，2022年共有15款不同类型的手术机器人产品获批注册，其中包括10款骨科手术机器人、3款腹腔镜手术机器人以及2款神经外科手术机器人。
【红杉医疗行研】旨在探索此类在未来医疗发展趋势中将扮演重要角色的技术领域，进行全景式扫描搭配穿透式解读。在本期文章中，我们将试图探索医疗机器人的技术内核，以及在当前已呈红海之势的医疗机器人领域，我们应该如何科学地审视其产品壁垒，又该如何期待医疗机器人未来的发展前景与路径。
注：本文基于红杉中国医疗投资团队2022年医疗机器人主题行研报告编辑而来，仅做信息分享，不构成任何投资建议。
技术拆解：什么是医疗机器人？
想要理解医疗机器人，首先需要理解通用型机器人。
一台机器人往往由三大系统构成：控制系统、电气系统、机械系统。
我们可以将控制系统简单理解为机器人的大脑，它负责提供控制逻辑，也是信号输入、输出的接口，对于机器人的运动和力起到控制作用。
电气系统则可以分为驱动单元和传感单元。顾名思义，驱动单元受控制器的命令，以脉冲信号的形式传递给伺服电机等动力单元；而传感单元则主要通过触觉系统或视觉系统来负责收集和反馈环境、位置、状态等一系列信号。
机械系统的作用则更容易观察，其又可以分为动力单元和机械单元，前者负责将电能转化为机械能，从而实现运动和力控，而后者则负责机械传动、支撑以及运动执行。
整体来看，机器人本身就是一个非常复杂的技术体系，至少涉及到高等数学、结构力学、集成电路、微电子设计、机械工程、材料学等10余种交叉学科。而医疗机器人，则是在这样一个本就复杂的体系上又叠加了关于主刀医生操作交互、设备安全性、基于医学影像的精准手术规划及手术操作等复杂要求考虑的产品，其复杂程度更是不言而喻。
但简单来看，医疗机器人仍然可以分为四个系统：
主从操作系统。以常见的机器人辅助下的腔镜手术为例，一般的机器人操作流程是，先由助手医生在机械臂边布孔，对臂的位置进行手动调整并安装手术器械。然后主刀医生坐在无菌区外，通过主手控制台的手柄和沉浸式视觉增强目镜以操作机器人系统。机械臂根据主刀医生的动作指令进行从动，从而完成手术动作。
手术安全系统。相较于主要以重复运动为主的生活服务类机器人，医疗机器人因为直接作用于人体，尤其是血管、关节等重要的人体组织，因此对于末端精细度的要求极高，讲究绝对的运动精度，以及严格的安全机制的要求。此时，基于视觉或触觉的反馈伺服系统就显得十分重要。
手术规划和器械系统。简单来说，医疗机器人需要对任务场景进行理解，如果是手术机器人，则涉及到手术路径的规划，一般需要基于CT或MRI等影像资料来进行判断。同时医疗机器人需要根据不同的场景装配不同的手术器械，例如手术钳、手术剪刀、高频电刀、吻合器等等。这是直接作用于病患部位的部分，一般需要具备灵活度高、安装便捷、方便做无菌化处理等特点，
手术空间配准。在一场手术机器人辅助手术中，医生在控制台进行操作，手术器械可完全复现医生的手部动作，并且通过一定的映射缩放比例，来解决医生手部颤动的问题，从而提高手术精度与安全性。比如医生移动手柄5mm，而患者体内的机械末端仅移动1mm。与通用型机器人只需要识别现实模态的场景不同，医疗机器人的复杂在于，其需要针对虚拟空间（多模态医学影像）与真实手术环境（手术操作空间和患者体位）进行视觉和主从运动配准。
可以说，以上四个系统构成了医疗机器人的基本要素。而根据不同的使用场景以及术式分类，医疗机器人又可以被分为若干个细分领域。
按照使用场景来分，目前主流的是用于外科手术的手术机器人。手术机器人也被视为外科手术继开放式手术、微创手术之后又一代新的技术革命。此外还有用于运动康复的康复机器人，针对需要进行康复治疗的患者以及各类行动不便的群体，已越来越受到市场认可。医院里目前已经在使用的发药机器人，以及用于老年人对话交流情感的陪护机器人，也属于医疗机器人的范畴。
从术式的角度来看，手术机器人则可以被细分为多个不同类型的机器人，目前大多数观点认为包含五种类型：
行业壁垒：
专利策略+交叉学科+产品开发体系
谈到医疗机器人，避不开的一家公司便是Intuitive Surgical（直觉外科）。
与绝大多数医疗器械公司需要通过不断并购从而摆脱单品天花板和生命周期所带来的成长瓶颈不同，直觉外科自1995年成立以来就未曾开展过大规模并购，但市值却一路飙升，从2000年的2亿美金开始，在20年的时间内达成1000亿美金市值，在医疗机器人领域始终占有极高的市场份额。
这也充分展示了医疗机器人行业极高的行业壁垒。而这种行业壁垒，离不开这一行业技术专利体系、复杂交叉学科以及封闭的产品和开发体系等多种要素的共同支撑。
● 从技术专利体系来看，机器人是由多个模块共同塑造的技术体系，尤其是控制系统、机械结构和手术器械的研发，决定了机器人的技术水准和产品性能。如果按照一台手术机器人的产品组件来划分，80%的专利数以及70%的研发费用，都集中在了机械臂和控制台等核心组件之上。
以机械臂为例，其臂刚性（抵抗形变的能力）、重量、体积、臂间协调等，都对手术效果起着决定性作用，因此如何通过精密的机构设计提高臂刚性并缩小机械结构，如何达成稳定的系统集成能力，如何通过复杂的模拟算法进行机械臂的运动规划建模，都是非常复杂的技术难点。
不同的技术路线也会对最终的产品起到决定性作用。基于机器人技术与临床场景进行原创性和差异化设计的能力也对公司的持续发展和产品迭代至关重要。此外，由于机器人技术的复杂性和系统性，严密的专利保护策略也有助于公司筑高产品壁垒并形成敏捷的防御策略。2016年左右，国内手术机器人产品频出，本质上也与当年达芬奇的一项核心专利技术到期关系密切。
● 从交叉学科的角度来看，机器人的不同系统对于学科知识的要求也不尽相同。例如控制系统主要涉及到高等数学、结构力学、通讯系统集成等多个学科以及相关理论。控制系统设计可以说是手术机器人的核心技术与顶层逻辑，决定了其精度、效率、灵活性、实时性和安全性等性能。电气系统则主要与集成电路、微电子设计、材料学、传感等技术相关。而机械系统则主要与机械工程、材料学、物理学、工业设计等相关。
整体来看，医疗机器人技术涉及了包括临床医学、力学、运动学、动力学、机械、微电子学、材料学、AI等10余种学科交叉，因此需要将多维度技术进行互补配合与性能平衡，非常考验设计理念与开发经验。而这种复杂学科之间的交融所构建的复合知识体系以及团队组织，亦是医疗机器人行业中一个明显的行业壁垒。
● 从产品和开发体系的角度来看，一般来说各家企业采取的都是封闭的产品体系，不同公司之间的产品不兼容，从而形成一个闭环产品创新生态。这也与医疗机器人的结构特点有关。除了控制台、成像系统等核心部件之外，医疗机器人还涉及到大量的耗材，比如Intuitive Surgical就研发了超过30种配套器械。封闭的系统决定了医院较高的替换成本。2020年美国腔镜手术机器人市场中，耗材费用的占比已达到58%，且呈持续上升的趋势。
快速成长的40年：
医疗机器人的前世今生
从整个医疗机器人的发展历史来看，这仍然是一个十分年轻的行业：
● 1985年，世界上首例有记录的机器人手术在美国洛杉矶的纪念医学中心进行，这台被称为PUMA 560的手术机器人是由当时的一台工业机器人改造而来。
● 1987年，ISS公司的NeuroMate成为较早被美国FDA批准用于临床的外科手术机器人，被用于神外科立体定向手术中的导向定位。
● 1991年，伦敦帝国理工学院研发了一种7自由度的手术机器人Probot，并成功为一位前列腺肥大患者进行了前列腺环切术。这也是第一次运用机器人对人体组织进行切除。
● 1992年，医疗机器人领域里的大牛专家Rus Taylor研发了一种主动操作性骨科机器人系统RoboDoc，并用其进行了全髋关节置换手术。
● 1997年，由日后业界著名的Intuitive Surgical研发的Da Vinci手术系统成功在比利时进行了第一台达芬奇手术，到2000年，Da Vinci通过 FDA认证。
同样是在1997年，由海军总医院与北京航空航天大学机器人研究所共同研制成功的第一台医用机器人，在两名医生和一名计算机专家的共同指令下首次完成立体定向颅咽管瘤内放射治疗术，开启了我国医用机器人的先河。
因此整体来看，相较于国际上医用机器人的研发，中国医用机器人技术的研发起步晚了10年左右。但近年来，不管是在政策层面还是资本市场方面，都对医疗机器人展现了极大的热情。
政策层面，各级部门陆续出台了大量政策，鼓励医疗机器人的发展。最新的有利政策是2023年1月工信部等17部委发布的《“机器人+”应用行动方案》，其中明确支持医疗/养老机器人的发展。3月22日，卫健委发布2023年大型医用设备配置许可管理目录，其中明确单价3000万以下的设备降低为乙类管理，大大放宽了像医疗机器人这种大型设备的配置要求。
此外，在手术费用上，以腔镜手术为例，目前国内手术机器人手术仍比传统的腹腔镜手术要贵2-4万元，且医保基本无报销。不过值得期待的是，目前上海等城市已将部分手术机器人辅助手术纳入了报销范围，未来根据患者的临床需求、医保基金的承受能力等因素，也有逐步扩大报销范围的可能性。
但除此利好消息之外，必须要看到的是，中国当前实际的医疗产业特征：大部分患者在下沉市场，整体的支付能力还有待提升，医疗资源的供给不平衡的情况仍然存在。因此中国医疗机器人公司的发展，未必只能走高精尖的技术路线，如何通过医疗机器人惠及更多的患者、覆盖更广泛的人群，也许是一个值得思考的问题。
Copyright © 2022 www.kyjk365.cn All rights reserved. 京ICP备2022010422号
