外科手术机器人:未来的成功、挑战和前方之路

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在过去，外科手术机器人得到了长足的发展，成为了一个全球性的技术创新点。由Guang - Zhong Yang教授、Christos Bergeles博士和Valentina Vitiello博士撰写的关于外科手术机器人的UK - RAS白皮书总结了在这一领域早期的先行者以及目前所面对的监管、经济和知识产权挑战，并预测了未来的发展趋势。

医疗机器人，无论是用于微创手术、靶向治疗、应急响应、修复学还是家庭援助，都是医疗器械行业增长最快的领域之一。医疗机器人的一个关键领域是开发用于微创手术和显微外科手术的外科手术机器人。在本文中，我们回顾了外科手术机器人如何从一个小众的研究领域发展成为一个创新和发展的主要领域。随着安全性、有效性的提高以及成本的降低，机器人平台将很快接近一个临界点——超越早期的采用者，成为主流外科手术的一部分。这些平台更加注重早期干预和治疗后的生活质量，因此还将推动精密外科手术的未来。我们还预测了这个相对年轻但又正在快速发展的领域将如何重塑医学的未来，以及其需要克服的相关技术、商业、监管和经济方面的挑战。

UK-RAS白皮书旨在作为一个讨论未来技术路线图的基础，让更广泛的群体、利益相关者以及决策者参与评估RAS潜在的社会、经济和道德/法律影响。我们计划每年更新这些白皮书，因此您的反馈至关重要——无论是指出无意中遗漏了需要涵盖的特定发展领域，还是指出值得进一步讨论和深入分析的未来主要趋势。

外科手术机器人已经从过去的一个小众研究领域发展成为一个新兴的创新和发展领域，引领精准医学、个性化医疗和生活质量改善方面的演变。第一代临床机器人系统的商业成功激发了来自商业机构和研究组织的平台数量的不断增长，从而产生了更小、更安全、更智能的设备，它们追求能够在人体中漫游并模糊疾病预测和预防之间的界线。为了使这种努力在临床上取得成功，不仅需要解决研究方面的挑战，还需要解决与监管、知识产权保护和潜在诉讼相关的挑战。

从研究到患者：先锋和早期的采用者

就在1991年，研究人员首次尝试通过使用机器人技术来改善外科手术结果，机器人技术作为一种精确自动化的强大工具逐渐被人们接受。实际上，第一个外科手术机器人是一个轻定制的工业操纵器，它被重新设计，用于将针头引入大脑（Kwoh等人于1988年提出）。

早期企业

最初著名的外科手术机器人——用于骨科手术的ROBODOC?（Kazanzides等人于1992年提出）和Acrobot（Davies等人于1997年），以及用于前列腺外科手术的Probot （Harris等人于1997年提出），在演變成定制手术平台之前，是从类似的设计考虑开始的。ROBODOC?由Taylor等人在美国开发，而Probot和Acrobot由Davies等人在英国开发。下面讲述了Acrobot和ROBODOC?并行——这两个系统都是现代的，并且是在具有相似经济和社会背景的国家中开发出来的——但又是不同的故事。这些努力促使众多学术中心和研究机构开展外科手术机器人领域的研究。

·ROBODOC?的故事

对ROBODOC?的初步研究始于加利福尼亚大学戴维斯分校和IBM Thomas J. Watson研究中心的合作。1992年，进行了首次临床试验。1994年，ROBODOC?的商业化在欧洲开始，但该机器人被撤出了市场。2007年，韩国Curexo收购了ROBODOC?并在美国完成了临床试验。2008年，ROBODOC?获得FDA批准，目前是全球范围的品牌系统。

·Acrobot的故事

伦敦帝国理工学院的Brian Davies博士于1992年开始进行Acrobot（Active Constraint Robot，主动约束机器人）的开发。2000年，在皇家创新公司（Imperial Innovations）的帮助下，Davies博士创立了Acrobot有限公司作为其衍生公司。2001年，他进行了首次临床试验。2006年，他首次进行了随机试验。2010年，该公司被Stanmore Implants Worldwide（SIW）收购。2011年，SIW获得了510K许可证，意味着可以在美国使用Acrobot机器人。不久之后，Mako Surgical又购买了Acrobot的所有专利和技术。最后，在2013年，Stryker Medical收购了Mako。

微创外科手术

与骨科和神经外科中的机器人开创性集成并行，霍普金斯（Hopkins）的棒透镜改变了腹腔镜手术的早期发展。然而，由于使用了长而刚性的仪器，再加上支点效应和视觉电机轴的偏差，这些程序在人体工程学意义上难以执行（见图1）。因此，外科手术技术开始在机器人技术中寻求增强的方法，在早期对远程操作、毫米级肌腱驱动的手腕以及基于硬件的远程运动中心（remote centres of motion，RCM）研究的基础上，产生了两个创新平台：Computer Motion的Zeus（Ghodoussi等人于2002年提出）和来自直觉外科（Intuitive Surgical）的达芬奇（da Vinci?）（Guthart和Salisbury于2000年提出）。

da Vinci?和Zeus远程操作系统的第一个版本包括一个外科医生主控制台和一个带有三个臂的患者从动操纵器，两个用于组织操作，一个用于内窥镜摄像头定位。每个臂可提供6个自由度和仪器驱动，同时遵守患者皮肤上工具入口处的RCM约束。两个机器人之间的关键区别在于使用语音控制命令来驱动Zeus的摄像机臂，也称为AESOP（Automated Endoscopic System for Optimal Positioning，用于最佳定位的自动内窥镜系统）机器人系统。

Zeus系统被用于在美国纽约曼哈顿和法国斯特拉斯堡之间进行的第一次跨大西洋的远程手术（Marescaux等人于2001年）中，但自2003年Computer Motion与Intuitive Surgical合并以来已不再生产该系统。另一方面，da Vinci?系统在美国迅速发展和扩展，最终成为全球市场中的领导者（见图2）。

·ZEUS的故事

1989年，在美国政府和私人资金的支持下，Yulun Wang成立了他的医疗机器人公司Computer Motion。他在加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校攻读研究生时为美国国家航空航天局（NASA）开发的机器人系统成为了AESOP的萌芽，该机器人系统在1994年被FDA批准使用。2001年10月，仅在da Vinci?获得批准的几个月后，FDA批准了ZEUS外科手术系统。2002年，随着市场对外科手术机器人技术的接受度越来越高，Intuitive Surgical和Computer Motion之间的竞争开始变得激烈。在一些复杂的知识产权纠纷之后，在2003年3月7日，两家公司宣布“他们正在合并成一家公司，将他们在运行外科手术机器人、远程手术和手术室一体化方面的优势结合起来，以更好地为医院、医生和患者提供服务。” 合并之后，Zeus停止了生产。

最近的创新

随着da Vinci?的成功，学术界和初创企业的研究和开发工作逐渐加强。灵活的蛇形和微型机器人平台正在出现，预计将进一步改善外科手术的结果，并模糊预防和干预之间的界线（Vitiello等人于2013年提出;Bergeles和Yang于2014年提出）。

未来发展

外科手术机器人技术在世界范围内被公认为是值得投资的技术领域，这一领域预计将取得重大突破。其未来将通过两个截然不同，但又相互关联的环境的发展来定义：前沿研究和商业组织。预计学术机构内的研究和开发将會加强，患者福利的创新解决方案将继续出现。另一方面，经济可持续性和社会需求需要重新审视管理临床转化的制度支柱。尽管工作量惊人，但很少有系统能够实现临床转化，机器人外科手术和系统的渗透也是不均匀的。

本文试图通过对过去发展和当前情况的见解，阐述为了进一步支持外科手术机器人技术的临床转化所需要解决的挑战，目前这是一个世界范围内的挑战（见图3）。

监管方面的挑战

共同市场中的统一指令

机器人手术影响着越来越多的患者并且扰乱了医疗系统。工业机器人可以被视为一个局限于产品制造的孤立的研究和开发领域，而与工业机器人相反的是，外科手术机器人从该领域开始兴起的时候就引起了严重的监管干预。

美国食品和药物管理局早在1976年就对医疗器械采取了监管措施，确立了那些能够与人体直接相互作用的设备安全操作的基本概念。1984年，美国国会决定支持医疗机器人（Engelhardt等人于1986年阐述）。

国会和FDA自上而下的指导方针未能打开美国这一具有巨大经济利润的市场，所有相关方都意识到，卫生条例和经济机会遍及全国市场。这使得美国本土企业的稳定性得以实现，并且有可能使它们在没有意外障碍的情况下扩展出一个富裕的大型市场。

相比之下，英国和整个欧洲的早期努力未能利用这种机会。欧盟（EU）最近才在其成员国之间对医疗器械行业进行监管，直到过去二十年，单一市场的概念才成为现实。由于缺乏潜在的市场，早期在外科手术机器人方面的开创性工作也无法吸引所需的大量投资。

患者的授权

外科手术机器人技术的创新在若干个方面与制药业的发展密切相关。因此，尽管前一小节提出了在不断扩大的市场中保持一致的监管标准问题，但重要的是要理解，为了使研究和开发取得成效，需要进行一定程度的放松管制。

患者应该被告知机器人系统的发展状况，并有权知晓和共享目前正在开发的机器人手术系统的风险和益处。无论是在时间上还是在经济上，临床批准的负担都是巨大的，因此应该鼓励使用可能有益的外科手术机器人。对于未来的机器人系统来说尤其如此，未来的机器人系统将需要更为智能的、不受限制的微型机器人，它们直接瞄准癌细胞——这使得它们更接近于药物而非机器人。

我们可以从艾滋病毒的放松管制中吸取教训，这种放松管制在20世纪90年代初成功加速了美国的创新。但是，应该注意不要屈服于可能危害公共健康的自由主义的反监管情绪（Perrone于2014年提出）。欧洲和美国可以从日本吸取教训，日本已成功实施类似的法规。

经济挑战

医疗系统的影响

人们普遍认为，英国/欧洲和美国的医疗健康系统存在一些差异，这些差异可以大致概括为前者以公共为导向，后者以私人为导向。这种差异将机器人系统暴露给不同的利益相关者，从而影响了机器人系统的早期采用。

例如，美国富裕的私立医院能够收购da Vinci?机器人以展示他们的技术熟练程度。这推动了机器人的早期应用，并增加了医院和患者对机器人的需求。此外，使用机器人的成本可以通过增加住院费和手术费直接转嫁给患者或保险公司。

相比之下，在英国的国家医疗卫生服务（NHS）体系中实施这种方法更为复杂。在公共资助的NHS中，费用不是让患者支付，而是必须由国家预算提供资金。因此，在这类政府监管的健康相关领域中，机器人的早期应用更具挑战性。

对医疗经济的影响

一些研究表明，熟练的腹腔镜外科医生能够提供与机器人手术相媲美的结果。有人可能会认为机器人手术可以提高整体的一致性、安全性和质量，而不是比熟练的外科医生做得更好。其实，这也会使漫长的手术过程变得不那么费力。然而，任何改进都是以机器人的巨额成本，以及工具和维护的经常性成本为代价的，这对已经在财政上难以为继的医疗保健系统造成了压力。

最近几项调查已经讨论了以da Vinci?为案例研究的机器人手术的成本效益。研究还指出了该如何进一步降低这种系统的成本及其使用的成本（Freschi等人于2014年提出）。对于像外科手术机器人这样研究密集型的开发来说，需要逐步对早期所做的重大初始投资进行回报是可以理解的。我们认为，在应用新型机器人系统的初期就评估其成本效益还为时过早。对大多数评估机器人手术经济负担的研究只能获得使用早期机器人系统进行干预的数据，而为了更公平的比较，我们应该等到更多系统被采用并获得经验的时候再进行评估。

此外，应该理解的是，机器人早期应用成本更高——从电话到汽车再到个人电脑，这个例子在历史的技术的突破中屡见不鲜。随着竞争者进入市场并且技术逐渐成熟，成本开始降低。

高入门级成本

外科手术机器人技术面临的另一个挑战是该领域的入门级成本非常高。这一点对于需要通过拨款资助的学术机构，以及需要吸引大量种子投资的初创公司而言，产生了负面影响。手术机器人的成功研究和开发，甚至在不计入监管费用的情况下，成本达到了数百万美元。对于入门级研究人员而言，这种资金水平是无法实现的，特别是在当前的经济环境下。我们需要国家卓越中心（national centres of excellence）来培养有才能的研究人员，以建立一个关键的、更重要的是充满活力的生态系统，将学术界和产业界联系起来，以解决外科手术机器人所面临的一些主要挑战。

这个问题类似于机器人技术软件开发的高成本（时间），而这已经在很大程度上被机器人操作系统（ROS）打破了。ROS允许在某种程度上重用代码和模块化，并且正在去除若干个研究项目的成本。

对于硬件来说也需要类似的方法，而且这种需求已经开始通过da Vinci?研究套件和RAVEN?平台得到解决。然而，实质上，这些都是完整的硬件系统，而学术界真正受益的是可重复使用的、模块化的、紧凑型的硬件组件和开源硬件平台。而现在那些用于康复和仿生学的研究成果，如OpenBionics和Yale OpenHand应该得到鼓励和关注。

知识产权

在讨论知识产权（IP）时要考虑的一个重要方面是未实现或不可实现的产业专利的财富性。专利正逐渐变成一系列并不打算实现的，拟议的系统和机制。这淡化了“发明保护”的含义，并通过本质性地创建一个可能阻碍创新资本化的“专利雷区”来对未来的企业构成风险。

学术与产业方法

知识产权保护的重要性体现在Robodoc和Acrobot所采取的不同路线上。正如上文所述，Robodoc通过Curexo Technologies找到了自己的市场，而Acrobot则经历了一系列的收购。虽然背后有多种因素，但Davies博士在最近的论文中提出，有限的知识产权保护是其中一个主要原因。

有人可能会说，这个案例表明了学术界和产业界的知识产权保护之间的根本区别。学术界在专利方面拥有的资金有限，再加上对初创企业专利授权的僵化，可能是Acrobot缺乏专利和面临风险增加的原因之一。另一方面，Robodoc得到了以专利为导向的公司的支持，最终得到了更多的保护而不受竞争的影响。因此，积极的专利似乎是成功商业化的先决条件。

未来的手术机器人

更小巧、更智能、更安全的设备

外科手术机器人技术研究正在朝着平台的发展方向进行，以便在需要机器人协助的情况下执行外科工作流程的特定部分，而不是遵循使用完全成熟系统覆盖整个手术过程的更为“传统”的方法（见图4）。这遵循了手术机器人技术的总体趋势——在未来，我们不太可能看到更大和更为昂贵的平台的发展，因为我们对普通大众普遍使用的技术、这些系统的成本效益，以及机器人辅助的有形临床益处，很大程度上变得更加理性。

未来的临床关注可能会集中在智能、小型化、机电一体化增强或机器人辅助手术器械的开发。这些智能仪器将与先进的成像和传感技术相结合，结合通过该设备的仪器进行早期诊断和干预。

增强视力、感知和控制

随着外科手术中机电一体化技术的发展，计算机辅助也一直在不断发展，通过提供沉浸式可视化、立体高清图像和通過不同感知通道的术中反馈来改善外科医生的体验。以往受腹腔镜方法严重影响的视觉和触觉，现在正以一种增强的方式返回到微创外科医生那里，从而产生更安全、更准确的手术。

增强现实技术与触觉反馈和主动约束（或虚拟装置）相结合，将外科手术指导转换为感知启用的协同控制，其中，外科医生和机器人有效地共享工具的命令。随着计算资源变得越来越强大，来自大量传感器的信息融合使得机器人对手术环境有越来越强的意识，并且可能使得外科医生通过让机器人在监督环境下自动执行高精度的重复性子任务，来充分利用机器人辅助。

细胞水平干预

未来的外科手术机器人将在微观层面上与病理部位相互作用，或者通过微型末端执行器进行手术，或者作为不受束缚的智能体，局部递送高浓度药物而不会产生系统副作用。随着机器人开发朝着微观和纳米尺度层面的发展，临床医生、工程师和分子生物学家将不得不联合起来，结合他们的领域特定知识在这些尺度上进行运作，例如，采用生物标记来辅助机器人瞄准和电磁能量吸收。机器人开发将结合机电一体化、物理学和化学，潜在地协助免疫系统识别和对抗肿瘤。

非侵入性方法

非侵入性电磁辐射疗法，例如聚焦超声波或质子束，甚至可能在该市场建立之前就破坏手术机器人市场。进一步的竞争解决方案可以来自药物领域，一种具有基于抗体的肿瘤靶向方法。因此，外科手术机器人在“传统的”肿瘤切除之外寻求建立自己的领域是很重要的，例如，用于截瘫的重建神经元手术和假肢植入手术。

世界上许多国家已经意识到外科手术机器人技术以人类为中心的潜力，以及创新所需的集中支持，并制定了研究和开发的路线图，同时承诺提供重大财政支持。在下文中，我们研究并比较两个现有的路线图。

未来的路线图

美国和英国在外科手术机器人研究方法上的分歧明显体现在最近公布的路线图文件中。虽然美国的建议旨在解决仍然限制商用外科手术机器人能力的技术挑战，例如触觉感应、外科医生更好的沉浸、详细的解剖路线图以及在狭窄空间内的导航。而英国的指导方针基本上是以市场为导向，注重成本效益和监管标准。值得注意的是，欧盟的方法是通过促进学术和产业合作，以及引领技术迁移的创新研究，努力解决研究和转化问题。