手術機器人的下一個爆發點

　　誰是下一個達芬奇?這可能是醫學產業最界密切關注的問題。

　　達芬奇手術機器人以其革命性的技術獨樹一幟，幾乎成為了手術機器人的代名詞。但鑒于外科手術應用場景廣泛且痛點頗多，市場上對于不同場景的手術機器人寄予厚望。

　　目前來看，顯微外科手術機器人不僅是下一個技術高地，也可能是下一個爆發的領域。經過數十年的探索，這一領域距離“奇點”時刻越來越近。

　　今年2月，海外顯微外科手術機器人明星企業Medical Microinstruments就獲得了1.1億美元的巨額融資。

　　在國內，包括昂泰精微、迪視醫療等一種企業已經布局，并持續獲得融資的支持，加速向前。例如，迪視醫療則以眼科手術為切入點，目前在國內已開展驗證性臨床試驗。

　　那么，在顯微外科機器人領域，是否會誕生下一個達芬奇呢?

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　　“人“解決不了的挑戰

　　在外科手術領域，顯微外科無疑是技術高地。所謂顯微外科，指的是利用光學放大設備和顯微外科器材，在極小的范圍內進行復雜而精確的手術。

　　一臺經典的顯微外科手術中，醫生需要借助顯微鏡，探查、尋找只有一毫米甚至零點幾毫米的血管、神經，再用以微米為單位、細若蛛絲的縫合線，精準地修復、縫合每一條重要的血管、神經。

　　因為顯微手術的視野通常只有2-3厘米，醫生手部任何細微的抖動都可能直接影響手術的成敗。因此，這要求顯微外科醫生的手法必須穩、準、精、巧。

　　目前，得益于顯微鏡和儀器技術的發展，顯微外科醫生現在能夠通過連接直徑在0.3至0.8毫米之間的血管來進行超顯微外科手術。

　　基于顯微外科的獨特優勢，它已被廣泛應用于各種外科專業，包括眼科、耳鼻喉科、神經外科、整形外科和泌尿外科。

　　盡管進步神速，顯微外科手術存在的限制也是比較明顯。

　　其一，犯錯的概率仍不低。顯微外科手術需要極高的精準度，容錯率很低，即使是最輕微的震顫也可能導致不必要的傷害。理論上，我們需要避免這些傷害，但受限于手術的復雜性，挑戰仍然重重。在臨床上，會存在各種并發癥，且比例不低。有數據顯示，在視網膜前膜剝離手術中，并發癥的發生率從2%到30%不等。

　　其二，長時間的手術容易帶來更多不確定性。一臺顯微外科手術根據患者情況，時長短則幾個小時，長則十幾個小時，甚至三十多個小時。因此，每一次手術都是對醫生技術和耐力的極限挑戰。更重要的是，這可能導致疲勞并增加意外錯誤的風險。

　　其三，也是對臨床限制*的，外科醫生的培養難度大且周期極長。因為顯微外科手術對外科醫生的手術技能要求很高，并且需要經過廣泛的培訓，然后外科醫生才能在臨床上執行此類手術。一方面，對醫生的天賦和耐心提出了要求，另一方面也需要長時間的訓練。一名顯微外科醫生，能完成一臺斷指再植手術(顯微外科的標志性技術)，一般需要3年的訓練，整個培訓周期可能需要超過10年。

　　所以，在種種限制之下，全球醫學界探索機器人技術在顯微外科手術中的應用，并開發了各種顯微外科機器人(MSR)系統。

　　熱度越來越高。2000年至2022年每年發表的MSR相關文章數量，其數據是通過在Google Scholar中搜索不同的關鍵詞而獲得的。從圖中可以看出，MSR相關研究的數量總體呈上升趨勢。

　　種種跡象表明，MSR系統有可能在顯微外科領域產生重大影響。

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　　變革者的持續涌現

　　基于深刻的痛點，全球有眾多企業圍繞這一領域展開攻堅，探索過程中涌現了諸多不同的技術思路。

　　其一，手持式機器人系統。

　　在手持式機器人系統中，手術工具本身被改裝成一個稱為“機器人工具”的微型機器人系統。外科醫生操縱它以執行外科手術。機器人工具提供震顫消除、深度鎖定等功能，因此也被稱為“穩定之手”。

　　“Micron”就是一個典型的例子，其核心是通過手持式機械手感應自身運動，并選擇性地過濾掉錯誤的運動，如手部震顫。然后，機械手通過主動誤差補償在刀尖處產生穩定的運動。Micron機器人易于操作，配備有手持真正顯微手術器械的手臂，這些器械很容易放入支架中，并與傳統的手術顯微鏡兼容。

　　其二，遙控機器人系統。

　　在遠程操作機器人系統中，外科醫生操縱主模塊來控制從模塊，從模塊取代了外科醫生的手來操縱手術工具。該系統通過伺服算法集成了運動縮放和震顫過濾功能。此外，它還通過在手術工具末端集成觸覺反饋或深度感知算法來實現三維感知。

　　一個典型的例子是“Preceyes Surgical System”，它由計算機、輸入運動控制器、器械操縱器和手術臺安裝頭枕組成。該系統專為實現*性能而設計，具有平行四邊形連桿和可調節配重，提供機械RCM、停電保護和最小化關節扭矩。PSS采用動態縮放功能，將粗略的運動轉換為儀器尖端的精確四軸運動。此外，它利用基于OCT的距離邊界來防止意外運動，并結合震顫過濾來減少醫源性視網膜創傷。其他功能包括觸覺反饋、自動更換儀器、靠近視網膜的聽覺反饋，以及在發生事故時可立即移除探頭的增強回縮機制。這些功能提高了精確度和安全性，并降低了意外組織損傷的風險。

　　其三，共同操縱的機器人系統。

　　在共同操縱的機器人系統中，外科醫生與機器人同時操縱手術工具。外科醫生直接手動操縱手術工具以控制運動，機器人起到輔助的作用，為手部震顫提供輔助補償，并允許手術工具長時間固定。

　　迪視醫療的迪視微鋒眼科手術機器人就是一個典型。在該手術系統中，主手是醫生，從手是機器人，它按照醫生的意圖做運動。整個注射過程分為幾個步驟，首先通過醫生控制機器人云臺做眼外定位，再進行眼內定位，然后通過控制手柄，讓末端逐漸靠近視網膜的病灶區域。如果需要注射藥物到視網膜下的位置，機器人保持不動，此時人手不再干預，大概需要3分鐘時間。以注射200微升藥液為例，機器人緩慢注射，過程中醫生只需要監測時間、速度、流量，注射完再做眼內的撤離，整個過程始終是在醫生的監控下，決策也由醫生來做。

　　其四，部分自動化機器人系統。

　　在部分自動化的機器人系統中，特定的程序或程序步驟由機器人自動執行。機器人直接操縱和控制手術工具的運動。處理后的圖像信息作為反饋和指導提供給機器人。同時將視覺信息傳輸給外科醫生，外科醫生可以隨時提供覆蓋命令以監督部分自動化的手術。

　　在這一領域，"IRISS"系統是一個典型的例證。基于"IRISS"系統，外科醫生通過一對定制的主控制器遠程操作從屬機械手，并通過平視監視器觀察術中3D視覺反饋獲得視覺信息。此外，該系統還提供震顫過濾和運動縮放功能，以增強機器人手術的控制性能和安全性。IRISS的性能在離體豬眼中得到驗證，外科醫生操作IRISS成功進行了一系列玻璃體視網膜手術，包括晶狀體前囊切除術、玻璃體切除術、視網膜靜脈插管術和其他復雜手術。

　　不過，雖然探索的選手較多，客觀來看，大部分的企業還處于初級的探索階段。因此，這一領域的爆發，還需要等待奇點時刻的到來。

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　　等待一個奇點時刻

　　在這些技術革新取得勝利之前，必須解決一系列復雜問題。

　　首先，我們需要采用一種跨學科的方法來有效解決臨床與工程領域的問題。雖然邏輯上功能定位非常明確——精準定位和防止抖動——但首先需要研發出合適的硬件。這并非易事，例如，部分機器人所需的功能可能目前還沒有現成的機械臂能夠滿足如此高的精度要求。因此，我們需要從基礎做起，完全自主設計，包括控制系統的搭建和整個機械結構的設計。

　　同時，把這些高精尖的零件，組合成符合臨床使用需求的過程也相當復雜。例如，迪視醫療提到，在左眼需要手術時，將機器放置在左邊;在右眼需要手術時，將樣機放置在右邊。在實際使用中，移動機器人會使情況變得復雜。挑戰在于，機器人的運動行程增加了一個瞳距的距離，雖然只有幾厘米，但機械結構的變化導致重量的變化，電機的相應負載也隨之變化……許多關鍵元件和機械結構需要重新設計。

　　其次，機器人的設計必須符合醫生的操作條件。機器人不是孤立存在的，要深刻理解醫生的需求和痛點，這是一個關鍵的Know-how問題。因此，企業需要豐富的醫生資源，在整個開發過程中，專業工程師必須與外科醫生緊密合作，完成有效交互，一些不符合臨床需求的功能需要被剔除，同時還需要符合醫療器械的相關標準，并具備持續的迭代能力。

　　即使產品研發成功，后續的商業化也涉及諸多問題，例如醫生的教育。從根本上說，機器人可以縮短醫生教育的過程，比如從10年縮短到5年。但要獲得臨床醫生和患者的信任，還有很多工作要做。

　　總的來說，產品的性能是“1”，而醫生教育等問題則是“0”。目前，顯微外科手術機器人的核心任務是解決“1”的問題，之后才有資格談論多個“0”的積累。