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后空翻算啥 达芬奇手术机器人告诉你什么叫“逆天”!

2017-11-20 20:22:07来源:

看点:“逆天”手术机器人“达芬奇”是如何养成的?直觉外科发展史大揭秘。

世界上的机器人有很多,但能称得上“逆天”的机器人却不多。除了波士顿动力的后空翻机器人,你还能想到谁呢?其实,在医疗界,早就有位机器人以明亮的眼睛和灵巧的双手闻名,它可以在小玻璃瓶内给葡萄做手术、缝合葡萄的“皮肤”,它就是美国直觉外科公司研发的达芬奇手术机器人。

达芬奇机器人并不是我们一贯认为的具备人形以及人工智能深度学习功能的智能机器人,它是一种高级机器人平台,从医学角度讲,就是高级的腹腔镜系统,它的设计理念是通过使用微创的方法来实施复杂的外科手术。

图为达芬奇手术机器人三个组成部分:床旁机械臂系统、成像系统、外科医生控制台

它由外科医生控制台、床旁机械臂系统、成像系统三部分组成,在进行手术时,也需要将机械臂穿过胸部、腹壁等组织,只不过相比较人手,它更精确、快速、微创,因此也减轻了病人的痛苦。目前,达芬奇手术机器人 广泛用于成人和儿童的腹部外科、泌尿外科、妇产科以及心血管外科手术。

就在本月25号,第二届世界医疗机器人大会在深圳召开。会上多位专家对微型纳米医疗机器人前景看好,希望未来可实现迷你机器人直接钻入血管甚至心脏等核心器官进行手术。近年来,医疗机器人市场越来越火热,AI技术的发展更是带给机器人行业新的契机。作为手术机器人领域“大哥”的达芬奇机器人,目前在手术机器人市场几近垄断地位。

本文将深挖达芬奇机器人技术原型背后的军方背景、直觉外科创始人Frederic Moll博士艰辛的创业过程、直觉外科公司在22年发展中的技术革新和产品迭代过程,并探究当前手术机器人行业的现状。

幕后英雄:创始人Frederic Moll

说到达芬奇手术机器人,你一定很好奇它名字的由来,一个机器人为什么会和画家扯上关系呢?事实上,你熟知的那个从小“画蛋”的文艺复兴时期的画家达芬奇(Leonardo Da Vinci 1452-1519),不仅是位伟大的艺术家,他还痴迷于机械和自然科学。但由于时代的局限,他的许多“发明”仅仅停留在了图纸上,其中就包括他耗时15年设计出来的被称为“机器武士”的机器人。

后来,直觉外科公司创始人Frederic H. Moll博士将他们设计的医疗手术机器人系统命名为“达芬奇手术机器人”,以此纪念达芬奇给后人带来机器人技术启蒙。

图为画家达芬奇手稿

尽管Frederic Moll是直觉外科公司创始人,但手术机器人的想法并非Frederic Moll想出来的。

图为直觉外科创始人Frederic Moll

手术机器人的设计理念是使医生远程操控机械臂进行精准、微创的外科手术。而远程手术技术是由两大不同的技术,“遥操作”和“内窥镜”交叉组合而来。

1990年左右,美国的几个研究团队就开始进行这方面的研究,其中就有斯坦副研究院(SRI)的Phil Green和来自斯坦福大学的John Bowersox(他也是为军医)。他们共同研发的一款“远程手术系统”,这对达芬奇机器人早期原型机产生了关键的影响。

1.建立

SRI团队设计的初衷是想研发一款适合在战地进行外科手术的手术机器人,能够让前线战场受伤的士兵立刻得到救助,医生可以在安全的后方就行手术操作。这一手术系统逐渐引起了美国国防部的关注和兴趣。1990年,美国国家卫生研究院甚至对这一项目进行了投资,希望他们能尽快研究出实际应用的原型机器。

图为斯坦福研究院SRI

有了资金的支持,远程手术机器人的研究也得到了推动,在业界名气也越来越大。1994年受雇与Guidant公司的一位博士也开始对SRI远程手术机器人系统表现出极大的兴趣,他认为这一系统除去军用价值,还具有很好的商业价值。他建议Guidant公司研发类似的医疗设备,但公司却认为机器人手术风险太大,不适合商用,从而否定了这位博士的想法。而这位坚持己见的博士,你猜的没错,他就是Frederic Moll。

多次申请无果并没有让Moll就此放弃,1995年他从Guidant辞职并结识了Acuson的联合创始人Rob Younge以及刚离开Acuson公司的John Freund。三人一拍即合,在与SRI成功谈判并获得了远程手术机器人的技术授权后,成立了Intuitive Surgical Devices公司,同时获得了包括菲尔德基金、塞拉利昂资本和摩根斯坦利投资者在内的第一笔风投。

2.发展

直觉外科从SRI获得了远程手术机器人的技术授权后,在1996年4月份组建起了一支工程师团队。1997年公司将测试改造的新系统命名为“Lenny”(达芬奇幼名),随后这一手术系统更新的越来越先进,先后出现了“Leonardo”(达芬奇名字)和“Mona”(灵感来自蒙娜丽莎)两代更新版本,最终推出的核心产品命名为“Da Vinci”手术系统。

1999年在等待FDA(美国食品和药物管理局Food and Drug Administration)批准的同时,直觉外科率先开启欧洲市场。2000年6月直觉外科完成首次公开募股并获得4600万美元的资金。一个月后获得FDA批准,达芬奇手术机器人系统开始在普通外科手术中应用,2001年又进一步获得在胸腔和前列腺切除术等手术项目的许可。

3.波折

直觉外科的发展并非一帆风顺,2000年达芬奇手术系统公开销售之前,直觉外科曾被竞争对手Computer Motion起诉过专利侵权。

图为Computer Motion的Zeus系统

Computer Motion 在1997年发布了Zues手术系统,这一系统与达芬奇设计思路略有不同,但最初Zeus系统体积更小、更便宜、但性能较差,而达芬奇系统体积庞大且常被诟病设计过度。

但是到了1999年,Computer Motion也开始转向直觉外科的设计思路。两家都没什么经验的初创公司就开始了无休止的法律斗争,2003年双方同意结束技术诉讼,走向了合并。Zeus系统也就逐步被功能更加完善的达芬奇系统替代了。

4.分离

令人遗憾的是,2002年Frederic Moll离开自己一手创办的直觉外科,成立了Hansen Medical公司。离开的原因是Moll希望制造出一种更有技术含量的机器人,能精确操控从手臂或大腿的大血管切开小口导入的手术工具。

这一理念与直觉外科在业务上产生了冲突,Hansen公司还与之签订了一份知识产权协议,承诺将销售收入的3%支付给直觉外科,两者还会在心脏手术业务上进行合作。

2007年Hansen的Sensei导管系统和Magellan机器人手术系统取得美国FDA认证,成为手术治疗心血管疾病的优秀解决方案。

图为Hansen的Magellan机器人手术系统

创立22年成行业“巨擘”

直觉外科公司的现任CEO为Guthart,他之前曾在斯坦福研究院(SRI)工作过,于1996年加入直觉外科,其余高管大多是后期加入的。目前高管中持股较多的是董事局主席Lonnie Smith和CEO Guthart,分别持有1.15%和0.93%的股份。

直觉外科公司自2000年上市以来,股价10多年最大涨幅超过70倍。截止2017年11月28日16:00(美东时间)直觉外科市值已达402.23亿美元。▲图为2000年--2017年直觉外科股价变化

在手术界,达芬奇手术机器人可以说处于垄断地位,常年都能保持70%的毛利率。一方面是医疗机器人行业的高门槛,复杂的FDA审批流程限制了其他手术机器人的发展,另一方面直觉外科公司的知识产权保护产生也为其他手术机器人的产生构建了技术壁垒。同时,达芬奇手术机器人每台的价格也十分昂贵,国内引入价格每台在2000万元左右,且每条机械手臂使用10次后就需要更换,而每次手术根据需要需多条机械手臂参与。

市场份额上,达芬奇机器人目前仍以美国本土为主,2014-2016三年在美分别销售出238台、298台和338台。中国市场方面,达芬奇手术机器人已入驻10年,2014-2016三年分别卖出10台、13台、15台;国内手术量上增长快速,2016年全年手术量近1.8万,同比增长57%,但增速相比之前几年有所放缓。

四次产品迭代,更准更安全

达芬奇手术机器人代表着当今手术机器人最高水平,它有三个关键核心技术:可自由运动的手臂腕部、3D高清影像技术、主控台的人机交互设计。

机械手可以模拟人手的各种操作,拥有7个自由度,在进行深部操作时,机械手动作灵活,体积小巧,比人手操作更精确。同时,达芬奇机器人还能过滤人手的抖动,提高了手术的精准性和安全性。

图为医生在控制台操作达芬奇机器人

目前达芬奇机器人已推出了五代产品:

1.第一代Da Vinci系统机器人,1996年推出。

2.第二代Da Vinci S系统机器人,2006年推出,第二代的机械手臂活动范围变大,使医生不离开控制台就能进行多图观察。

第二代Da Vinci S系统机器人

3.第三代产品Da Vinci Si系统机器人,2009年推出,在第二代基础上增加了双控制台、模拟控制器、术中荧光显影技术等功能。

第三代Da Vinci Si系统机器人

4.第四代Da Vinci Xi系统机器人,2014年推出,灵活度、精准度、成像清晰度等方面有了显著提高,2014年下半年还开发了远程观察和指导系统。

医生在远程操作第四代Da Vinci Xi系统机器人

5.第五代Da Vinci X系统机器人,2017年推出,新一代的达芬奇机器人是第三代Da Vinci Si和第四代Da Vinci Xi的杂交版,它添加了声音系统、镭射引导系统以及轻量级内窥镜等新功能,机械臂的体积也更小,功能也更多了。

图为达芬奇机器人机械臂多种手术钳

它们是“达芬奇”的对手吗?

随着科技和人们生活水平的不断进步,人们对教育、医疗等生活各方面要求都在提高。因此,医疗机器人市场前景将非常广阔,据BCG波士顿咨询测算,到2020年全球医疗机器人市场估值将达114亿美元。庞大的医疗市场,将促使不同的医疗机器人涌现,而手术机器人又是医疗机器人中最重要的一类。

虽然达芬奇机器人在软组织手术上处于垄断地位,但它并不能用来做所有的手术,像骨科手术一类的硬组织手术,达芬奇机器人就无能为力了。软硬组织手术之间存在着跨界壁垒,相互也不容易形成替代竞争。同时,达芬奇机器人昂贵价格,也使很多医院都望而却步。

图为法国Medtech神经外科定性机器人ROSA

目前,市场上已经出现了一些新兴的手术机器人,如以色列Mazor Robotics公司的手术机器人Renaissance系统、法国Medtech神经外科定性机器人ROSA、美国Curexo关节机器人、美国Mako关节机器人。

目前国内也有不少的团队在进行相关领域的尝试,最出名的就是被业内称为国产手术机器人“四小龙”的:柏惠维康、天智航、金山科技、妙手机器人。目前这些公司的产品在技术上都不断地更新,在价格上占据很大优势。

结语:手术机器人缺口巨大

与人的成长一样,任何一家公司的成长都不会一帆风顺。达芬奇手术机器人和直觉外科公司,从初创的艰辛到今天的繁荣,背后有创始人Moll的坚持不懈,也有技术人员的艰辛付出,才能有一代代产品的更迭。

当然,目前临床应用的手术机器人也有一些关键问题亟待解决,如视觉的控制能力需要提高,能够使医生无时差移动控制3D镜头视角。

如今AI浪潮下,机器人行业热情重新被点燃,IBM的Watson肿瘤“机器人”面世更是引起人们对AI和医疗机器人火花的热议。毋庸置疑的是,医疗领域已成为AI的必争之地,这一巨大行业缺口已经开启,等待开发。

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