2015年美國(guó)部分專科手術(shù)方式統(tǒng)計(jì)

 

 

資料來(lái)源：公開(kāi)資料整理

 

對(duì)于中國(guó)市場(chǎng)規(guī)模的估算，我們認(rèn)為可以從潛在購(gòu)買方需求數(shù)量以及適應(yīng)癥市場(chǎng)規(guī)模兩方面進(jìn)行估算。

 

對(duì)于中國(guó)市場(chǎng)，我們認(rèn)為目前二級(jí)、三級(jí)醫(yī)院將是手術(shù)機(jī)器人的潛在購(gòu)買方，未來(lái)隨著手術(shù)機(jī)器的成本降低和接受度提高，將逐步滲透普及。中國(guó)目前約有2000家三級(jí)醫(yī)院、7000家二級(jí)醫(yī)院，我們以5000臺(tái)潛在需求、以每臺(tái)手術(shù)機(jī)器人50萬(wàn)美元估算，潛在手術(shù)機(jī)器人設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模約25億美元（約150億元）；以每臺(tái)機(jī)器人一年開(kāi)展200臺(tái)手術(shù)，每臺(tái)手術(shù)1000美元的材料收入估算，手術(shù)材料潛在市場(chǎng)規(guī)模10億美元/年（約60億元）。

 

我們根據(jù)手術(shù)機(jī)器人的適應(yīng)癥對(duì)每年市場(chǎng)規(guī)模進(jìn)行了測(cè)算，認(rèn)為手術(shù)機(jī)器人國(guó)內(nèi)潛在市場(chǎng)空間為136.73億元/年。其中，泌尿外科和婦科市場(chǎng)規(guī)模為15.73億元，普外科為58.3億元，心臟外科為62.7億元。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：Cancer Statistics in China，2015

 

根據(jù)以上測(cè)算數(shù)據(jù)以及合理預(yù)計(jì)，對(duì)國(guó)內(nèi)每年的手術(shù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模進(jìn)行估算。因此，從保守、中性和樂(lè)觀三種測(cè)算來(lái)看，現(xiàn)階段我國(guó)每年手術(shù)機(jī)器人服務(wù)市場(chǎng)的規(guī)模為23.76億元、54.27億元和75.35億元。但隨著手術(shù)機(jī)器人成本降低以及技術(shù)水平提高，其在普外和心臟外科的滲透率也會(huì)提高，市場(chǎng)規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大。

 

 

03、手術(shù)機(jī)器人核心技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

 

手術(shù)機(jī)器人主要的功能模塊包括人機(jī)交互與顯示、醫(yī)學(xué)圖像、系統(tǒng)軟件、機(jī)器人裝置、定位裝置。系統(tǒng)軟件中的圖像重構(gòu)、空間配準(zhǔn)和定位控制等，是手術(shù)機(jī)器人最為核心的部分；而硬件輔助裝置如醫(yī)學(xué)圖像、機(jī)器人裝置和定位裝置需要與臨床手術(shù)具體情況相結(jié)合；人機(jī)交互與顯示必須充分考慮醫(yī)生的需求和臨床應(yīng)用場(chǎng)景。

 

資料來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)公開(kāi)信息

 

根據(jù)目前達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人的技術(shù)水平以及全球其他相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，我們認(rèn)為未來(lái)手術(shù)機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展方向在于力觸覺(jué)反饋系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)和自然腔道機(jī)器人系統(tǒng)。

 

1、力觸覺(jué)反饋功能

 

現(xiàn)階段應(yīng)用于腹腔鏡臨床手術(shù)的機(jī)器人大多采用視覺(jué)反饋系統(tǒng)，外科醫(yī)生在控制機(jī)械臂做手術(shù)時(shí)，需要通過(guò)分析視覺(jué)信息，實(shí)時(shí)判斷器械對(duì)組織的作用力以及其他組織特征，一定程度上影響手術(shù)效率。因此，力觸覺(jué)反饋系統(tǒng)將成為機(jī)器人技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)方向。

 

（1）力反饋系統(tǒng)

 

外科醫(yī)生遠(yuǎn)程操作手術(shù)臂時(shí)，通過(guò)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(jìn)行模擬和傳導(dǎo)，之后再將力覺(jué)信息再現(xiàn)并傳遞給醫(yī)生。

 

該系統(tǒng)的核心為力傳感器與力覺(jué)再現(xiàn)技術(shù)：1）力傳感器主要與手術(shù)器械連接，這就需要重新設(shè)計(jì)帶有力傳感的手術(shù)器械，還有一種解決方案是為機(jī)械臂設(shè)計(jì)一種帶有力傳感的機(jī)械抓手，通過(guò)抓手與手術(shù)器械相連，實(shí)現(xiàn)力反饋的功能。2）力覺(jué)再現(xiàn)技術(shù)包括感覺(jué)模擬技術(shù)和直接再現(xiàn)技術(shù)。感覺(jué)模擬技術(shù)是指將力傳感器上所感受到的力覺(jué)信息，模擬成視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)信息，并且將這些信息通過(guò)顯示器顯示給外科醫(yī)生；直接力覺(jué)再現(xiàn)技術(shù)，是通過(guò)力覺(jué)再現(xiàn)設(shè)備將傳感器獲取的力覺(jué)信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的刺激，并且施加于醫(yī)生的手指，以復(fù)現(xiàn)真實(shí)的感覺(jué)。這使外科醫(yī)生能夠快速地做出相應(yīng)的調(diào)整。

 

（2）觸覺(jué)反饋系統(tǒng)

 

手術(shù)機(jī)器人的觸覺(jué)反饋，指機(jī)械臂操作器械作用于組織時(shí)，觸覺(jué)傳感器能夠感受到組織表面的信息(例如組織順應(yīng)性、硬度、質(zhì)地、溫度等)，并將這些信息反饋給醫(yī)生，從而使醫(yī)生獲得對(duì)于組織的真實(shí)感覺(jué)，并能夠?qū)Ξ惓＝M織做出判斷。觸覺(jué)反饋系統(tǒng)主要由3部分組成:1）觸覺(jué)信息的感受；2）觸覺(jué)信息的處理，即將所獲得信息進(jìn)行處理，整理得到有效信息；3）觸覺(jué)信息的再現(xiàn)，將有效信息再現(xiàn)給醫(yī)生。

 

1）觸覺(jué)傳感器：觸覺(jué)傳感器通過(guò)與物體直接接觸，能夠測(cè)定出該物體表面的性質(zhì)，包括物理的彈性、硬度、質(zhì)地、溫度等。當(dāng)前所應(yīng)用的觸覺(jué)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(shí)驗(yàn)室階段，暫未在手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。

 

2）觸覺(jué)信息處理: 觸覺(jué)信息的處理系統(tǒng)是觸覺(jué)反饋系統(tǒng)的重要組成部分，該系統(tǒng)可以應(yīng)用多種算法來(lái)處理觸覺(jué)信息，包括簡(jiǎn)單的觸覺(jué)信息和復(fù)雜的觸覺(jué)信息。為了減輕醫(yī)生負(fù)擔(dān)，對(duì)于復(fù)雜觸覺(jué)信息的處理能通過(guò)多種方式進(jìn)行簡(jiǎn)化，該系統(tǒng)也可以對(duì)多種不同的觸覺(jué)信息進(jìn)行處理。

 

3）觸覺(jué)再現(xiàn)技術(shù): 包括圖像模擬技術(shù)與直接再現(xiàn)技術(shù)。近年來(lái)，許多研究者在腔鏡系統(tǒng)上采用圖像模擬技術(shù)，在模型上進(jìn)行腫塊定位實(shí)驗(yàn)，取得了較好的效果。直接的再現(xiàn)技術(shù)，是指安裝在醫(yī)生手上的觸覺(jué)再現(xiàn)設(shè)備，接受機(jī)械臂上的觸覺(jué)傳感器輸出的機(jī)械臂與組織接觸的信息，刺激人體的相應(yīng)部位，從而再現(xiàn)機(jī)械臂與組織接觸的情況。該再現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用了微型電機(jī)技術(shù)、記憶合金技術(shù)、氣壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)直覺(jué)再現(xiàn)技術(shù)充分考慮到醫(yī)生觸覺(jué)的特性，符合生理習(xí)慣，因此顯示出了極大的優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)階段，沒(méi)有應(yīng)用于臨床。

 

觸覺(jué)反饋技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)包括：1）根據(jù)臨床應(yīng)用設(shè)計(jì)手術(shù)器械，使其可以滿足力觸覺(jué)反饋的需求；2）完整的觸覺(jué)再現(xiàn)技術(shù)涉及形狀、紋理、硬度以及溫度等物理屬性重現(xiàn)；3）將力覺(jué)和觸覺(jué)反饋系統(tǒng)有效的結(jié)合，則醫(yī)生可以通過(guò)觸覺(jué)反饋系統(tǒng)辨別出不同的組織特性，之后根據(jù)所感受到的不同的組織特性，施加給機(jī)械臂最佳的作用力，這樣能夠更有效的提高手術(shù)安全性；4）力觸覺(jué)反饋系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和遠(yuǎn)程外科技術(shù)聯(lián)合研究可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程外科培訓(xùn)；5）力觸覺(jué)反饋的實(shí)現(xiàn)依賴網(wǎng)絡(luò)傳輸，但可能會(huì)有時(shí)間延遲的潛在風(fēng)險(xiǎn)，相應(yīng)的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)將成為重點(diǎn)。

 

香港理工大學(xué)與香港大學(xué)李嘉誠(chéng)醫(yī)學(xué)院協(xié)力開(kāi)發(fā)的NSRS外科機(jī)器人系統(tǒng)，與現(xiàn)時(shí)需要在腹部開(kāi)多個(gè)切口（3至6個(gè)）的達(dá)芬奇系統(tǒng)相比，NSRS可經(jīng)由單一切口或自然腔道進(jìn)入人體（無(wú)切口），功能覆蓋各類腹腔或盆腔手術(shù)?；跈C(jī)械臂內(nèi)的微型馬達(dá)處于接近末端執(zhí)行器（手術(shù)工具）的位置，機(jī)械臂不單能執(zhí)行高精確度的動(dòng)作，還能提供高敏感度的觸覺(jué)或力度反饋。NSRS是全球首個(gè)配備了

 

內(nèi)置馬達(dá)，能夠以細(xì)小的體積產(chǎn)生足夠力度，以施行各種體內(nèi)手術(shù)的外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。

 

2、 定位導(dǎo)航系統(tǒng)

 

手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)使醫(yī)生在微創(chuàng)手術(shù)時(shí)能了解手術(shù)工具相對(duì)于解剖結(jié)構(gòu)的位置。在手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)之前，醫(yī)生只能依靠?jī)?nèi)鏡進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)，或?qū)嵤╅_(kāi)放式手術(shù)。相比開(kāi)放性手術(shù)，微創(chuàng)手術(shù)有創(chuàng)傷小的優(yōu)勢(shì)；相比內(nèi)窺鏡介導(dǎo)下的微創(chuàng)手術(shù)，手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航下的微創(chuàng)手術(shù)有精度高、使用范圍廣的優(yōu)勢(shì)。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)一般包括三個(gè)模塊，具體如下表。

 

 

（1）成像模塊

 

理想的成像模塊應(yīng)能實(shí)時(shí)三維成像，并能分辨病人組織和手術(shù)工具，同時(shí)不對(duì)病人和醫(yī)生的健康產(chǎn)生危害、不阻礙醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)。目前還不存在滿足上述所有要求的醫(yī)學(xué)成像設(shè)備；在5類常用醫(yī)學(xué)成像設(shè)備中，MRI、超聲最接近以上要求。

 

（2）追蹤模塊

 

理想的導(dǎo)航系統(tǒng)并不需要追蹤模塊（解剖結(jié)構(gòu)和手術(shù)工具都能被成像模塊以三維圖像顯示出來(lái)），但因?yàn)槟壳俺上裨O(shè)備存在性能局限性，需引入一套追蹤模塊來(lái)定位手術(shù)工具和病人。

 

目前常見(jiàn)三種定位系統(tǒng) ：1）磁場(chǎng)定位；2）光學(xué)定位；3）機(jī)械定位。這三種定位系統(tǒng)在定位精度上都能滿足目前手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的需求，但每種系統(tǒng)都有其局限性：磁場(chǎng)定位易受鐵磁性物體干擾，而且不能和MRI設(shè)備同時(shí)使用，精度約為1mm和0.5°；光學(xué)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(dá)到（＜0.1mm）；機(jī)械定位靈活性有限，設(shè)備所占體積較大。對(duì)于腹腔手術(shù)而言，例如肝臟等軟組織多位于人體較深部位，光學(xué)定位可能會(huì)受到一定的限制，通過(guò)腹腔鏡進(jìn)行機(jī)械定位是目前手術(shù)機(jī)器人的主流技術(shù)選擇。

 

三種追蹤模塊

 

資料來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)公開(kāi)信息

 

（3）顯示模塊

 

顯示模塊將術(shù)前成像、術(shù)中成像、手術(shù)器械、患者所處物理空間與定位系統(tǒng)的坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一，為手術(shù)提供更準(zhǔn)確的定位信息。這一過(guò)程主要分為兩步：一是使這些影像及信息的坐標(biāo)系達(dá)到空間位置的一致，即配準(zhǔn)過(guò)程；二是對(duì)已配準(zhǔn)圖像及位置信息的綜合顯示，即融合過(guò)程。此外，顯示模塊的設(shè)計(jì)還會(huì)考慮如何使顯示效果更直觀，比如使用立體顯示技術(shù)或現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)。

 

手術(shù)定位導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)包括：1）成像模塊的發(fā)展趨勢(shì)主要有現(xiàn)有醫(yī)學(xué)成像設(shè)備性能的提升和新醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的開(kāi)發(fā)。2）追蹤模塊已經(jīng)能提供足夠的定位精度，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)可能為生產(chǎn)成本的降低。3）顯示模塊中的配準(zhǔn)算法是目前手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)誤差的主要來(lái)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(shí)別精度。

 

MST是一家位于以色列的領(lǐng)先的醫(yī)療器械研發(fā)公司，以數(shù)十億美元的微創(chuàng)手術(shù)市場(chǎng)為目標(biāo)，主要產(chǎn)品為用于腹腔手術(shù)的“AutoLap”，其腹腔鏡定位系統(tǒng)能自動(dòng)為手術(shù)導(dǎo)向和固定。它和Xbox相似，可以識(shí)別醫(yī)生的手勢(shì)，還可與醫(yī)生手上的無(wú)線設(shè)備交互作用，提供在患者身體內(nèi)獲取的數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，并幫助醫(yī)生操作。MST的技術(shù)核心是利用軍方在軍事技術(shù)方面的影像分析方面的數(shù)據(jù)和技術(shù)，進(jìn)一步應(yīng)用起來(lái)做實(shí)時(shí)控制的分析。2015年6月上市公司海思科（002653）斥資1050萬(wàn)美元認(rèn)購(gòu)以色列醫(yī)療器械公司MST的部分股份，并獲得了Autolap在中國(guó)15年的銷售代理權(quán)。

 

3、自然腔道機(jī)器人系統(tǒng)

 

經(jīng)自然腔道內(nèi)鏡手術(shù)(natural orifice transluminal endoscopic surgery，NOTES) 是指通過(guò)自然孔口(口腔、肛門、陰道口、尿道口等) 進(jìn)入腹腔或胸腔進(jìn)行操作的一種外科手術(shù)。目前，有機(jī)構(gòu)在達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)上進(jìn)行NOTES動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，但臨床推廣極難。主要原因在于：1）達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人較為龐大，容易與患者身體碰撞；2）狹小的自然腔道導(dǎo)致操作空間狹小，手術(shù)操作非常困難；3）人體解剖機(jī)構(gòu)的差異，如陰道穹窿與骶骨胛間的角度及骨盆形態(tài)學(xué)特征等。

 

擁有卡耐基梅隆大學(xué)背景的醫(yī)用機(jī)器人公司Medrobotics已經(jīng)研發(fā)成功蛇形/柔性管狀機(jī)器人Flex System。醫(yī)生將其插入患者的嘴巴，通過(guò)操縱桿來(lái)控制其移動(dòng)。醫(yī)生可通過(guò)前端有的攝像頭在患者氣管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人，看到并到達(dá)非常難到達(dá)的解剖區(qū)域。在實(shí)際應(yīng)用中，外科醫(yī)生使用可彎曲機(jī)器人The Flex進(jìn)行手術(shù)，無(wú)需在患者下巴或其他位置進(jìn)行切口手術(shù)了。可彎曲機(jī)器人The Flex找到目標(biāo)后，在主氣管兩側(cè)塞入兩個(gè)小管子使機(jī)器人變堅(jiān)硬，從而為提供一個(gè)穩(wěn)固的手術(shù)平臺(tái)。醫(yī)生可從工作臺(tái)中切換包括手術(shù)刀、剪刀、鑷子在內(nèi)的各種工具。

 

資料來(lái)源：Medrobotics官網(wǎng)

 

此外，由于達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人的一體機(jī)設(shè)計(jì)，在面臨某些專科手術(shù)過(guò)程中存在障礙，因此，我們也重點(diǎn)關(guān)注骨科、神經(jīng)外科、眼科、口腔科等?？祁I(lǐng)域的手術(shù)機(jī)器人。

 

04、總結(jié)

 

1、國(guó)內(nèi)手術(shù)機(jī)器人在泌尿外科、普外科、胸外科、婦產(chǎn)科及心臟外科的臨床應(yīng)用不斷提升；

 

2、理論上，現(xiàn)階段我國(guó)手術(shù)機(jī)器人每年的市場(chǎng)規(guī)模在50億元左右，隨著針對(duì)適應(yīng)癥種類增加及滲透率提高，手術(shù)機(jī)器人在國(guó)內(nèi)每年市場(chǎng)空間超過(guò)100億元；

 

3、手術(shù)機(jī)器人的技術(shù)突破將在于力觸覺(jué)反饋系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)和自然腔道機(jī)器人系統(tǒng)。

 

 

推薦閱讀：