謝萍，王麗娜

（國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215163）

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)分析和人工智能的發(fā)展，醫(yī)療機(jī)器人由于傳染病防治、遠(yuǎn)程醫(yī)療等多方面優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展迅速。在“十三五”規(guī)劃綱要和《中國制造2025》等指導(dǎo)文件中均有提及[1]。同時(shí)，醫(yī)療機(jī)器人預(yù)計(jì)2021 年將達(dá)到207億美元的市場(chǎng)規(guī)模，手術(shù)機(jī)器人占其中的60%[2]。在醫(yī)療機(jī)器人中，應(yīng)用最廣泛的是美國直觀外科的達(dá)芬奇系統(tǒng)，2012-2017年間，它在中國的臺(tái)數(shù)從15到69，全年完成手術(shù)數(shù)量從3551到 55462[3]。本文研究的重點(diǎn)是手術(shù)機(jī)器人的智能人機(jī)交互技術(shù)，應(yīng)用于不同醫(yī)學(xué)學(xué)科的各種手術(shù)，例如：內(nèi)窺鏡手術(shù)、骨科、神經(jīng)外科、血管介入、放療、眼科、牙科等，但不包括在人體內(nèi)部運(yùn)行和作用的膠囊機(jī)器人和納米機(jī)器人[1]。

1 全球?qū)＠麘B(tài)勢(shì)

本文以S系統(tǒng)的檢索結(jié)果為樣本，國內(nèi)、國外專利數(shù)量分別為1272、1832，數(shù)據(jù)采集日期為2020.5.1。

1.1 全球申請(qǐng)概況

根據(jù)全球?qū)＠纳暾?qǐng)量分析，國外申請(qǐng)最早的年份是1983年，2001年已達(dá)22件，而國內(nèi)早期申請(qǐng)僅在1991、1997、1998年存在1件申請(qǐng)。2002后國內(nèi)申請(qǐng)逐步增加，并在2015年首次反超。

根據(jù)全球申請(qǐng)人的分析，美國的申請(qǐng)量最高，為997件，比申請(qǐng)量第二的中國高了698件。其中，國內(nèi)/國外申請(qǐng)量TOP5的申請(qǐng)人從高到低分別是直觀外科、柯惠LP、飛利浦、深圳精鋒醫(yī)療、哈工大(258、40、38、28、21)，和直觀外科、馬科外科、航生醫(yī)療、伊西康內(nèi)外科、飛利浦(644、94、52、48、35)。可見，直觀外科、飛利浦和柯惠LP提前在中國進(jìn)行了專利布局，而國內(nèi)申請(qǐng)人多為高校申請(qǐng)，如圖1所示。

圖1 當(dāng)前申請(qǐng)(專利權(quán))人區(qū)域/受理局

1.2 重點(diǎn)技術(shù)的分布狀態(tài)

本節(jié)以輸入方式、輸出反饋和交互控制主干分支統(tǒng)一地對(duì)所有專利進(jìn)行技術(shù)分解。在人機(jī)交互的過程中，手術(shù)機(jī)器人通過顯示設(shè)備向用戶提供盡可能多的患者信息，通過輸入設(shè)備和控制模式提供更符合實(shí)感的多模態(tài)交互。例如，在放療手術(shù)中對(duì)病灶定位導(dǎo)航、治療過程中對(duì)局部溫控[2]。

輸入方式、輸出反饋和交互控制作為第一級(jí)分支，分別占比10%，28%和62%。輸入方式分為物理型和生物信息，物理型輸入設(shè)備包括手柄、腳踏板等，生物信息輸入設(shè)備包括語音、視覺、手勢(shì)、觸摸等。手術(shù)機(jī)器人為了與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)訓(xùn)練相對(duì)接，物理型輸入設(shè)備更多，尤其是手柄，如圖2所示?？刂颇Ｊ绞墙换タ刂葡碌亩?jí)分支，分為被動(dòng)式、主動(dòng)式、半主動(dòng)式，占比依次為88%、8%、4%，其中被動(dòng)式的情況下手術(shù)機(jī)器人完全由用戶控制，主動(dòng)式的情況下由手術(shù)機(jī)器控制，半主動(dòng)式則是用戶和手術(shù)機(jī)器人共同控制、相互制動(dòng)[3]。

圖2 輸入方式的技術(shù)分布

2 手術(shù)機(jī)器人智能人機(jī)交互重點(diǎn)技術(shù)分析

2.1 輸入設(shè)備

2.1.1 物理型

輸入設(shè)備主要是手柄、腳踏板(WO2020018124 A1、US2020008896 A1)；還包括語音、視覺、手勢(shì)、觸摸等生物信息采集設(shè)備。手術(shù)機(jī)器人的輸入設(shè)備與手術(shù)室環(huán)境更適配，例如：其位置設(shè)置在外科醫(yī)生控制臺(tái)(US2020008896 A1、US2003109857 A1)上，為醫(yī)生提供更舒適便捷的輸入方式。CN209713134U中醫(yī)生能夠個(gè)性化調(diào)整外科醫(yī)生控制臺(tái)上的顯示屏俯仰角度以及主手、踏板相對(duì)外科醫(yī)生控制臺(tái)座椅的位置，外科醫(yī)生控制臺(tái)根據(jù)身份信息將最終狀態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ)，下次相同醫(yī)生可根據(jù)自身身份信息直接使用 (CN209713134U)[4]。

手柄包括抓具(WO2019099504、WO2019099584)、槍把式（CN106659541A）、操縱桿、或推動(dòng)器、手套(KR20180116161A，US2014336669A1)，手柄能夠感知醫(yī)生控制實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的操作，具有不可替代的優(yōu)越性。腳踏板則是根據(jù)力度實(shí)現(xiàn)輸入。

2.2.2 生物信息

隨著智能人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展，手術(shù)機(jī)器人還將語音識(shí)別（US2020008896A1）、眼球跟蹤等視覺抓取(CN106659541A)、手勢(shì)、觸摸等生物信息作為輸入方式。

2.2 控制模式

交互控制的雙方分別是醫(yī)護(hù)人員和手術(shù)機(jī)器人，連著以指定的控制模式通過計(jì)算機(jī)程序共同完成手術(shù)。手術(shù)機(jī)器人攜帶手術(shù)器械的機(jī)械臂比醫(yī)生的諸如腕部、手指等部位在旋轉(zhuǎn)幅度、伸縮長度上更靈巧。此外，也存在基于磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的無直接接觸的機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的傳動(dòng)。

被動(dòng)式控制模式是控制模式中最廣泛最成熟的一種。為了使醫(yī)生順利進(jìn)行手術(shù)操作，手術(shù)臂在手術(shù)過程中根據(jù)外科醫(yī)生控制臺(tái)處發(fā)送的指令進(jìn)行同步動(dòng)作(CN209713134U)?？刂破鲝闹鳈C(jī)械臂接收輸入信號(hào)，并按照醫(yī)生的輸入指令移動(dòng)機(jī)械臂組件的從機(jī)械臂。醫(yī)生側(cè)裝置中的輸入裝置能夠控制插入病人身體內(nèi)的攝像機(jī)，及向手術(shù)工具施加灼燒電流(CN107847282A)[5]。

主動(dòng)式控制模式在機(jī)器人系統(tǒng)中的操縱器控制器處理預(yù)裝數(shù)據(jù)、來自導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和來自編碼器的數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)編程或預(yù)定的規(guī)則得到器械將遵循的路徑，過程中無需醫(yī)務(wù)人員的輸入(CN105592817A、CN209713134U、CN107847282)。半主動(dòng)式控制模式是以上兩種模式的折中方案，需要在被動(dòng)式和主動(dòng)式之間進(jìn)行切換。從外部圖像數(shù)據(jù)中提取的解剖特征數(shù)據(jù)用于更新解剖模型，使其更準(zhǔn)確表示解剖結(jié)構(gòu)的術(shù)中狀態(tài)和/或更新器械配置的基于傳感器的模型以更準(zhǔn)確地表示器械的術(shù)中姿勢(shì)（US2017151026）。

3 趨勢(shì)分析

本文對(duì)手術(shù)機(jī)器人的專利數(shù)據(jù)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了全面分析，以期對(duì)其趨勢(shì)的預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確可靠。經(jīng)過分析可以得到以下結(jié)論：

(1) 手術(shù)機(jī)器人需要在有限的空間內(nèi)更靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)手術(shù)器械，要求更小體積的手術(shù)器械和更小的操作空間。傳統(tǒng)手術(shù)中由醫(yī)生手持器械，多人操作時(shí)手臂、器械等部位存在相互遮擋的問題；創(chuàng)口尺寸更大，容易影響患者預(yù)后效果。本文認(rèn)為在小巧的器械基礎(chǔ)上，需要捕捉更精細(xì)操作的輸入設(shè)備和更安全和快速的控制模式，進(jìn)一步考慮控制模式之間的切換。

(2) 無論該顯示器位于本地還是遠(yuǎn)程端，交互控制技術(shù)將預(yù)先獲取的和/或?qū)崟r(shí)的診療信息集成地呈現(xiàn)在手術(shù)機(jī)器人的顯示器上。一旦5G、物聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)有所創(chuàng)新，將徹底改變控制模式相關(guān)算法的時(shí)間和空間的約束條件，因此，控制模式的開發(fā)需要考慮可擴(kuò)展性和普適性。

(3) 全自動(dòng)手術(shù)將是手術(shù)機(jī)器人的最終目標(biāo)，其發(fā)展基礎(chǔ)將是主動(dòng)式控制模式，本文認(rèn)為至少需要高度集成的中心服務(wù)器對(duì)可靠的醫(yī)療數(shù)據(jù)和圖像等資料和診療信息進(jìn)行搜集，從而準(zhǔn)確提供安全的治療手段。

4 結(jié)語

本文著重根據(jù)專利分析描述輸入設(shè)備和交互控制模式，在輸入設(shè)備層面上，生物信息輸入模塊在準(zhǔn)確率和實(shí)時(shí)性上值得關(guān)注；在交互控制模式上，主動(dòng)式、被動(dòng)式和半主動(dòng)式需要的是靈活性。此外，從技術(shù)發(fā)展整理中發(fā)現(xiàn)，以上兩項(xiàng)技術(shù)都離不開穩(wěn)定運(yùn)行的平臺(tái)和低耦合性高通用性的特定功能模塊。