手术机器人是集医学、机械学、生物力学及计算机科学等多学科于一体的医疗器械产品，借助微创手术和相关底层技术发展，能从视觉、听觉和触觉上为医生进行手术操作提供支持，被用于高于人类能力的微创手术领域实现对手术器械的精准控制^[1]。

手术机器人真正走商业化是 2000 年达芬奇手术机器人获批以后，近年来，近几年应用领域不断扩大，腔镜手术机器机器人在泌尿科、妇科、普外科等领域不断拓展，骨科、泛血管等手术机器人逐渐走向商业化。

图1 手术机器人的发展历程

随着人工智能的发展，手术机器人的开发思路也渐渐开始改变，我们希望手术机器人不光是由医生操作完成任务，还要具有一定的智能水平，学习能力和数据分析功能，协助医生做出判断，甚至能够代替医生进行操作。

1 人工智能辅助手术机器人应用技术

从临床医学应用角度可将手术机器人分为腔镜手术机器人、骨科手术机器人、泛血管手术机器人、经自然腔道手术机器人、经皮穿刺手术机器人和其它手术机器人（如神经外科手术机器人）。在手术机器人上实现遥控操作已经成为现实，主刀医生负责控制主控制端，机械臂在人体内作为一个控制端进行手术操作， 而主控制端则通过与之配套的实时成像系统，实时接收主刀医生的操作信号并反馈控制机械臂、实现手术操作。随着人工智能技术进步和不同类型的医疗机器人在全球迅速的发展，智能化和远程化将会是未来手术机器人的发展趋势。

人工智能辅助手术机器人的应用技术可实现更加个性化的手术方案设计，定位精准，从而有效降低手术对医生经验和技巧的依赖，提升手术质量，缩短术后康复周期，并从总体上降低医疗费用，促进微创化、智能化等先进临床理念的应用和推广。其中，人工智能辅助手术机器人应用中的关键技术是术前规划和手术导航。具体的：

在术前规划方面，人工智能技术能够基于顶尖外科医生的手术知识和经验，辅助医生直观、立体地透视目标病灶，在术前对患者多模态图像数据进行三维重建和可视化处理，以三维模型为基础定制科学合理的手术方案，模拟手术全过程并展现具体方案与步骤，且能进一步预测手术效果；以上过程可概括为术前模拟应用。

手术导航方面，人工智能技术能够对病灶区域进行精准定位，从而使手术的精确度得到提升。手术导航技术将组织表面下的重要解剖结构可视化后实施配准到内窥镜视野中，规范并精准地为患者实施手术，以提高手术的准确性和安全性。手术导航的临床应用主要包括以下两个方面：

1、操作手术机器人：可以在微创手术环境中提供比传统开放手术更为高清的视野；机械臂操作灵活流畅，能够有效解决人手在手术过程中的自然抖动和移动误差问题；外科医生在主控台上以坐姿即可进行手术操作，可以缓解医生在手术过程中的疲劳感觉，减少术中辐射对医生造成的身体伤害。

2、定位和导航手术机器人：在术中将手术过程标准化与可视化，把三维模型与患者病灶的实际体位及手术器械的实时位置进行统一坐标系下的融合图像处理，实时采集并显示手术器械在空间中的位置移动，医生通过观察三维模型中手术器械与病变部位的相对位置关系，实现跟踪定位功能，不仅能定位手术器械，也能定位病灶；同时基于图像处理、跟踪定位和PID控制技术实现手术路径规划；实现手术导航功能，能明显缩短手术时间，提高手术的精准度和安全性，尤其适用于手术视野受限的微创手术。

表1 人工智能辅助手术机器人应用的技术分支

在已经逐步实现的未来，利用智能感应、人机交互技术以及 5G 通信技术，使得医生为身在异地的患者进行精准的远程手术和治疗将成为可能。

图2 人工智能辅助手术机器人应用的创新热点

2 专利分析

以智慧专利分析数据库为工具，开展人工智能辅助手术机器人应用的相关专利文献的检索；结合人工标引对获取数据进行去噪、去重处理，检索关键词和分类号如下；关键词包括：手术、外科，机器人，人工智能、机器学习、神经网络、深度学习、模式识别、图像处理，规划、导航、引导，surgery、surgical、operat，robot，artificial intelligence、machine learn、neural network、deep learn、pattern recogni、image process，plan、navigat、guid。分类号为：A61B34、A61B19/2203、G06T1、G06T5、G06T3、G06T11、G06N3、G06K9、G06F17、G06F19、G06Q10/04。截至2024年9月8日，人工智能辅助手术机器人应用的相关专利总申请量为4121件，以下进行具体分析。

2.1 专利申请趋势分析

人工智能辅助手术机器人应用的专利全球申请时间趋势如图3所示，通过专利申请趋势分析，我们可以从各个时期专利布局热点变化的宏观层面对分析对象进行把握。整体来看，人工智能辅助手术机器人应用的专利申请目前仅包括2个阶段： 1990-2012的技术萌芽期，2012-至今的高速发展期。基于上述趋势分析可知，人工智能辅助手术机器人应用的专利申请仍处于快速发展期，在2013年度申请数量阶跃式突破160余件，从2015年至今处于快速攀升期，在2022年达到顶点、为570余件。可见，近几年术前规划和手术导航领域一直呈现出热点状态。考虑到之后的申请仍有未公开的情形，因此有理由相信相关专利的申请量仍处于逐年上升的趋势。

图3 全球申请时间趋势

各国/地区专利申请量的数量和分布，表达了全球范围内该技术领域的区域竞争格局， 能够在一定程度上反映该国家/地区在该技术领域的创新能力、技术实力、市场规模等指标。图4为人工智能辅助手术机器人应用的全球专利申请受理局排名，可见：中国的专利申请量已达全球第一，为1405件、比例高达42.99%；美国以877件专利申请量居第二位，占全球申请量的 26.48%；其次是日本，专利申请量为306件，所占比例为 9.36%；因此，人工智能辅助手术机器人应用的技术布局和市场主要集中在中国和美国、占全球申请量的2/3以上，其他国家/地区所占的份额只占其中很小的一部分。

图4 受理局排名

2.2 重点专利申请人和市场玩家分析

对人工智能辅助手术机器人应用的专利申请人进行标准化处理，全球申请人排名前17名如图5所示，以外国企业为主。在申请数量方面，美国专注于骨科手术机器人的两家公司的专利申请量排名前，分别是以238件位列第一的格罗伯斯医疗（GMED）和以230件紧随其后的马科外科公司。之后依次为：主营产品为腹腔镜手术机器人的英国剑桥手术机器人（CMR）、致力研发医疗和辅助型机器人的美国Verb Surgical公司、最早推出达芬奇手术机器人的美国直觉外科、涉猎牙科手术机器人领域的美国Neocis。之后位列第7位的为我国的微创机器人，已推出了为图迈腔镜手术机器人、蜻蜓眼三维电子腹腔内窥镜及鸿鹄骨科手术机器人三款产品，其申请的涉及人工智能辅助手术机器人应用的专利申请量为79件。此外，前17位还有3甲中国企业，分别为排名14、15和17位的联影医疗、长木谷医疗和天智航；其中，联影医疗为提供全栈全谱智能解决方案的医疗 AI 企业，长木谷医疗为致力探索AI+骨科医疗的新模式、新路径的初创企业，北京积水潭医院于2015年8月12日将天智航自主研发的天玑骨科机器人应用于临床，创造了国内手术机器人的里程碑事件。以上专利分析的结果和市场玩家的情况是可互相印证的。

在人工智能辅助手术机器人应用的重点专利申请人与手术机器人行业的龙头企业分布重合度非常高，说明术前规划和手术导航与手术机器人的发展具有紧密关联，二者具有协同发展的关系。

图5 全球申请人排名

2.3 中国申请人分析

中国申请人的专利申请数量排名如图7所示，排名第5-10位的分别为上海交通大学、华科精准医疗、北京维迈医疗、清华大学、杭州三坛医疗和深圳精锋医疗。可见，除了之前提到的排名前四的手术机器人和AI医疗领域企业外，还有不少企业和高校致力在人工智能辅助手术机器人应用这一新兴领域投入研发精力和成本。

图7 中国申请人排名

4 结论

在整体产业发展概况方面，人工智能辅助手术机器人应用的龙头企业主要以美国格罗伯斯医疗（GMED）、马科外科、剑桥手术机器人（CMR）、Verb Surgical和直觉外科等国际巨头为主；人工智能辅助手术机器人应用这一细分赛道和手术机器人设备厂商的龙头企业分布重合度非常高，说明这一技术的应用与设备是紧密关联的。从市场格局来看，目前全球手术机器人市场上，美国和英国公司独占鳌头；从专利布局来看，手术机器人的国际通过构建围绕核心产品及其外围技术的“专利丛林”，不仅保护手术机器人本身，还申请了大量人工智能辅助手术机器人应用的相关专利，以使得其产品和技术占领绝对的竞争优势。

相较之下，我国虽然在手术机器人这一产品上的技术研发和产品开发发展较晚，但是有可能在人工智能辅助手术机器人应用这一赛道实现弯道超车，亟须在人工智能算法等方法有所突破，建议国内研发型企业和科研院所在这一领域投入精力和成本，打通产业链供应链的“堵点”和“断点”，实现关键环节、关键领域、关键产品上的突破。

参考文献：

[1]欧阳安.我国手术机器人产业发展现状及对策建议[J]. 中国仪器仪表，2021(12):21-25．