虽然机器人手术技术已经存在 20 多年，但许多方面仍处于早期阶段。
成本下降、新参与者进入市场以及 AI 和 5G 等技术的兴起，正在改变机器人手术领域。 随着更多医疗技术巨头进入市场，更好的机器人技术正在出现。该行业似乎将要出现重大变革，正在走向成熟。
在这一新阶段，竞争日益激烈、创新水平不断提高、经济上更具吸引力，但也面临着更加独特的挑战。我们将在本文中深入探讨机器人手术的工作原理、市场现状和未来机遇。
什么是机器人手术系统？
在机器人手术系统中，医生使用电脑控制机器执行手术，完成侵入性较小的复杂手术，比传统技术具有更高的可见性、准确性和灵活性。
（来源：FierceBiotech，Mischer Neuroscience Institute）
目前市面上存在尺寸、自主性、功能各异的手术机器人。有的大型机器人本身就是一个独立系统，有的小型机器人通常十分轻巧且易于操作，和手持仪器差不多；有的系统完全依赖于医生控制，而另一些则具有不同程度的自主权，可能是半自动或者可编程的；有的系统可以在不同外科手术中使用，但大多数机器人只适用于完成特定手术。
机器人手术系统简史
机器人手术系统的基本概念存在已久，最早记录在案的机器人手术可以追溯到 1985 年，一台由川崎公司制造的机器人经过改装后完成了脑活检任务。
1994 年，美国 FDA 批准了第一台外科手术机器人——Computer Motion 公司的 AESOP 系统，一种技术含量相对较低的内窥镜定位系统。
但直到 2000 年，FDA 批准了 Intuitive Surgical 公司的“达芬奇（da Vinci）”系统用于普通腹腔镜手术，手术机器人才获得了更大的发展。达芬奇系统允许医生使用控制器手动控制装有医疗设备的机械臂，同时还能看见高清三维实时视频反馈。
（来源：Intuitive Surgical，Science Museum Blog）
自达芬奇系统推出以来，其他厂家的外科手术机器人也纷纷面世，但是 Intuitive 仍处于领导地位。达芬奇系统目前已更新至第 4 代，全球安装量超过 5600 台，执行过 600 多万例手术。
未来，随着更多医疗技术巨头进入市场，新技术有望实现更小巧，更经济高效且更易用的系统，进一步证明手术机器人的临床实用性，到那时，竞争格局可能会发生变化。
机器人手术系统的潜在优势
机器人手术系统代表着医疗设备的超前思维，可以让外科医生、患者、医院和更广泛的医疗系统受益。
对于外科医生而言，机器人系统可减少手部颤抖引发的风险，增强手术可视性，同时提高灵活性、可操纵性和精确度。许多情况下，机器人系统还能放宽手术的物理需求，提升医生的舒适度、耐力和满意度。
某些系统还可以通过收集和分析医生的表现数据作为培训工具。因此，医学院在技术上的投资也越来越多。
随着 65 岁以上人口和慢性病患者的增加，对手术机器人的需求也有所增加。与传统方法相比，机器人手术具有降低感染风险、缩短恢复时间和减少疤痕形成等有利因素。
（来源：Palm Beach Surgical）
医院和非卧床手术中心（ASC）等手术设施是机器人手术系统的主要购买者。
尽管该系统通常需要大量的前期投资和持续维护，但它可以通过缩短住院时间，降低并发症发生率，减少手术室所需人员来帮助医疗机构降低总体治疗成本，同时也可以方便招聘医生和吸引患者。
机器人外科手术的需求增加
鉴于如上所述的优势，对机器人手术设备的需求量及其完成的手术数量正在迅速增长。
仅在美国，超过三分之一的医院拥有至少 1 台手术机器人，在未来，他们还会购买更多。
Intuitive Surgical 公司的数据显示，2015 年至 2019 年间，拥有 5 台以上机器人手术系统的美国医院数量增长了 5 倍以上。设备安装量的增长已转化为手术数量的增长。Intuitive Surgical 在 2014 年的报告中说，达芬奇系统在一年中完成了近 60 万例手术。到 2019 年，这个数字已经翻了一倍以上，超过了 120 万例。
（来源：Intuitive Surgical）
最近的一项研究估计，机器人技术在普通外科手术中所占的比例，已经从 2012 年的 1.8％ 增加到了 2018 年的 15％ 以上。这种增幅一部分要归功于新手术种类的诞生，这些新的手术只能用手术机器人完成。另一部分的增幅与外科医生倾向于从传统方法转向机器人手术系统强相关。
事实证明，手术机器人的用途广泛，现已用于包括神经、泌尿和妇科在内的各种外科手术。
发展前景受新冠疫情影响有限
根据 CB Insights 的数据，目前该市场规模约为 350 亿美元。受到新冠疫情影响，许多非必要、非紧急的外科手术被迫暂停，许多医院的财务状况出现恶化；这一下降引起了一些人对机器人手术系统近期前景的质疑。
但是，几家机器人手术领域的领导公司表示技术市场仍具有弹性，强调潜在驱动力和长期增长潜力是不容忽视的。
（来源：Intuitive Surgical）
Intuitive Surgical 公司最近表示，外科手术机器人执行的许多手术都是必须要进行的，完成它们只是时间问题。因此，虽然在疫情期间手术情况受到了影响，但是手术数量在未来将反弹；这一情况已经在几乎完全摆脱疫情困扰的中国出现。
机器人手术系统市场现状
专利活动迅速增长
对于制造商来说，开发机器人手术系统是一个复杂、昂贵而漫长的过程，这使得知识产权（IP）保护成为许多公司的首要任务。
作为先行者，Intuitive Surgical 公司是专利制度的主要受益者，并且多年来一直保持主导地位。
但是现在，该公司的涵盖的机器人手术系统最底层技术的原始专利已开始过期。即将到期的专利为市场打开了新的竞争浪潮。越来越多的参与者渴望在快速增长的市场中占有一席之地。
在短短 15 年中，与机器人手术相关的专利申请者数量增加了 30 倍以上，应用数量也猛增近 70 倍。
图 | 机器人手术专利申请数量（来源：CB INSIGHTS）
医疗技术巨头的并购热潮
除了 Intuitive Surgical 和 Ethicon（强生子公司）外，近年来最活跃的专利申请者还有 Auris Health、Verb Surgical、Mako 和 Covidien。
这四家拥有丰富 IP 的公司全部被大型医疗技术公司收购。比如，Auris 和 Verb 现在是强生的全资子企业，而 Mako 和 Covidien 分别被 Stryker 和美敦力收购。
诸如此类的收购已成为一种日益普遍的市场进入策略，与 2018 年相比，2019 年的交易活动增长了 3 倍。
近年来，西门子医疗、Zimmer Biomet 和 Smith&Nephew 等医疗技术巨头也收购了机器人手术公司，大多是针对为机器人手术系统特定应用而设计的创新硬件或软件公司。
图 | 机器人手术公司并购数量（来源：CB INSIGHTS）
例如，强生收购了 Orthotaxy 和 Auris Health，分别进入了机器人手术市场的骨科和腔内市场。它还通过收购 Verb Surgical 来增强其手术软件功能，Verb Surgical 最初是由强生与谷歌旗下的 Verily Life Sciences 合资成立的。
类似的例子还有 Stryker 收购了成立仅 4 年的初创公司 Cardan Robotics，为了获得机器人导航技术。TransEnterix 则以 3200 万美元收购了一家小型以色列公司 MST，以便将 MST 的 AI 技术与 TransEnterix 的 Senhance 机器人腹腔镜系统集成在一起。
备受关注的明星初创
2015 年至 2019 年期间，与机器人手术初创公司相关的交易额几乎翻了一番，并在 2017 年达到了 6.38 亿美元。
图 | 初创公司融资在 2020 年放缓（来源：CB INSIGHTS）
尽管融资总额在随后的 2018 和 2019 年有所下降，但规模较小的早期融资所占份额比 2017 年更大。融资量的增加，再加上早期交易份额的增加，表明 2018 和 2019 年出现了一些新参与者。
以色列 InSightec、英国 CMR Surgical 和美国 PROCEPT BioRobotics 是该领域获得融资最多的 3 家创业公司。迄今为止，这三家公司的公开融资总额均已超过 2 亿美元。其中 CMR Surgical 公司已经融资 3.85 亿美元，估值达到 10 亿美元。CMR Surgical 旗下的 Versius 手术系统已经在欧洲获批，Versius 体积小、更经济且功能丰富，也因此被视为是达芬奇系统的直接挑战者。
还有一些获得较多融资的公司，比如 InSightec、Neuralink、Monteris Medical 和 Synaptive Medical，都专注于机器人技术的神经外科应用。
图 | 获得融资最多的初创公司（来源：CB INSIGHTS）
某些技术已处于“突破”状态
在 2019 年 12 月，美国 FDA 首次将“突破性设备”称号授予了一个机器人外科手术系统。获得者 Vicarious Surgical 是一家美国初创公司，开发用于微创手术，集成了虚拟现实技术的类人手术机器人。该公司由比尔·盖茨和科斯拉创投等支持，已融资 4420 万美元。
此前只有强生公司的手术机器人获得了 FDA 的类似许可，其机器人辅助支气管镜系统结合了两次收购得来的技术。
值得关注的四大方向
基于当前正在进行的研发工作以及精密微细加工，人工智能和 5G 新兴技术的进步，机器人外科手术系统的未来发展可能会优先考虑四个大方向：
可以进行微/纳米手术的设备
改善感官反馈
增强成像和导航功能
5G 远程手术
微/纳米手术
微型/纳米机器人被认为是当今一些最复杂手术的潜在规则改变者，比如在眼睛或大脑等敏感组织中执行手术。 这些可注射的、无束缚的、亚毫米级机器人被认为能够在人体中导航，执行高精度的外科手术任务，所有操作都无需外科医生接触患者 。
正在探索的临床手术应用包括使用微型/纳米机器人进行肿瘤活检、去除血凝块、进行细胞和基因治疗、组织修复等。
该技术现在仍处于早期开发阶段，但初期数据令人鼓舞。概念验证研究表明，微型/纳米机器人具有执行解剖等外科手术的能力，表明它们最终可能能够执行多种外科手术。
如果实现，那么与传统的机器人手术方法相比，微型/纳米机器人可以带来许多好处，包括更好的治疗效果、更少的并发症和更低的成本。
（来源：World Science Festival）
改善感官反馈
触觉对于外科医生至关重要，因为他们需要学习和执行手术，感受正在发生的事情。
但是，当计算机和机器人接管手术时，医生的触感就会消失。这会增加手术时间，降低准确性，并增加患者受伤的风险。
为了帮助克服这一问题，研究人员正在设计新方法，人为地向外科手术机器人系统中添加触觉反馈。目前已探索了几种不同技术，包括力度反馈、刚度反馈、伪触觉反馈和分布式触觉。
不过目前的触觉反馈技术距离复制自然的触觉还很远，无法引发感知真实触摸时大脑中发生的全部感官激活。
未来，更接近触感的集成多模式反馈技术将会吸引更多的注意力。早期数据表明，这样的系统可以显著降低抓握力、减少视觉与认知失配、降低缝合失败率，并可以展示出色的组织特征。 进一步优化后，从这些传感器收集的数据也可以用于制作更精确的组织和器官模型，以进行机器人手术模拟训练。
（来源：HepatoBiliary Surgery and Nutrition）
增强成像和导航功能
机器人手术未来可能会使用虚拟现实（VR）或增强现实（AR）技术，来帮助外科医生更准确地追踪机器人的实时运动 。由比尔·盖茨支持的初创公司 Vicarious Surgical 正在该领域努力。
尽管集成 AR / VR 是有前途的发展方向，但该技术存在一定的局限性。
原则上，由于该方法依赖于在手术准备阶段拍摄的图像，因此无法为手术期间可能发生的动态组织变化建模。这意味着，AR / VR 在运动不多的身体部位（如头骨或大脑）最有用，而在心脏或肠道等器官中则不太有用。
研究人员正在探索一种潜在的解决方案：使用实时定位和地图绘制（SLAM）算法。该算法指的是移动机器人构建未知环境的地图，同时计算其在其中的位置的过程。这种方案目前已在各种非医疗导航应用中使用，包括自动驾驶汽车和吸尘机器人。
SLAM 可用于估计附近组织的周期性运动。将这些信息添加到图像引导模型可以帮助外科医生做出更好的决策，还有助于开发完全自主的手术导航系统。
另一种正在探索的导航工具是使用 AI 驱动的语音和手势识别技术。该技术将允许医生通过非接触式操作控制手术机器人。这种人机交互方案可以通过医生的注视、头部运动、语音和手势来实现。
TransEnterix 一直是这一领域的主力，其已将眼动追踪计算机视觉技术集成到了 FDA 批准的 SENHANCE 手术机器人系统中，通过追踪医生在手术过程的眼睛运动，来重新定位机器的摄像头，从而减少停顿并简化操作。
5G 远程手术
远程手术使用无线网络和机器人技术来连接医生和患者，可以帮助克服战场和农村等地方出现外科医生短缺的情况。
5G 有望解决远程手术目前面临的最大困扰：延迟问题 。就外科手术而言，延迟会导致不必要的手术时间延长，而且还存在安全隐患。完善的 5G 技术可以依靠低延迟和高宽带解决这一问题。
最近，意大利医生在概念验证研究中证明了 5G 远程手术的潜在价值和可靠性。通过 5G 远程手术机器人，医生成功地在 10 英里外的成年人尸体上完成了声带手术。 不过我们距离 5G 的广泛应用还有很长的路要走。
尽管机器人手术已经存在了 20 多年，但技术在许多方面仍处于早期阶段。不可否认的是，融合了硬件、软件和数据网络的新技术吸引了越来越多的新参与者，这将有助于扩大外科手术机器人的应用场景并降低成本。
但是，在机器人外科手术成为规范之前，监管和道德挑战可能成为必须克服的最大障碍，尤其是与自主系统有关的障碍。