千亿规模，国产手术机器人正在崛起（上）-器械之心

手术机器人是集医学、机械学、生物力学和计算机科学等多学科于一体的医疗器械产品。手术机器人通过清晰的成像系统和灵活的机械臂，以微创的手术形式协助医生进行复杂的外科手术，完成术中定位、切断、穿刺、止血、缝合等操作。现在已经广泛应用于普外科、泌尿外科、心血管外科等多个领域。

背景

以腔镜手术机器人为例，手术机器人通常由手术控制台、配备机械臂的手术车及影像推车组成。

手术机器人组成

来源：直觉外科官网

实际使用过程中，外科医生坐在手术控制台，根据进入患者体内的微型摄像头传回的手术部位三维影像，操控机械臂、手术器械及摄像头的移动，来完成手术。手术机器人的机械臂可以模拟人类的手臂，将操作传递给执行机构，在腹腔内完成精细的手术操作，同时可以通过算法过滤人手本身的震颤。

手术机器人作为一种多学科交叉的医疗器械，主要的功能模块包括人机交互与显示、医学图像、系统软件、机器人装置、定位装置，涉及学科包括力学，计算机科学，机械科学，微电子学，临床医学等。

手术机器人功能模块图如下：

手术机器人模块组成

来源：贝壳研究院

手术机器人的产业链主要分为原材料，核心零部件，机身组装和系统集成等环节。所有环节中壁垒最高的三大核心零部件分别是伺服电机、减速器和控制器。在机器人成本构成中，减速器、伺服电机、控制器分别占35%、20%、15%，合计占比达70%。

手术机器人产业链

来源：贝壳研究院

与发达国家相比，中国这三大核心零部件的技术水平有较大差距，难以满足中游企业的生产需求，因此三大核心零部件主要从美国、日本和德国等发达国家进口，整体议价能力低。

伺服电机：是机器人的“神经”，需要通过它来完成机器人运动，伺服电机主要布置于机器人运动关节中，在手术机器人中主要以直流电机为主。目前日本和欧美企业占据着主导地位，国内企业市场占有率仅有10%，中国主要生产低端伺服电机，现阶段对欧美和日本依赖程度较大。

减速器：机器人减速器用于提高机器人的动作精确度，由于提供动力的伺服电机转速很高，这与手术机器人细致化的操作模式相冲突，这就需要减速器来使输出功率变小。每一个电机都需要一台减速器与之匹配。减速器的性能决定了机器人操作的精确度和寿命。主要分为RV减速器与谐波减速器，目前全球75%的精密减速器市场被日本的纳博特斯克和哈默纳科占据，剩余的25%的市场由德国、意大利和美国瓜分。

控制器：控制器是手术机器人最为核心的零部件，相当于机器人的“大脑”，负责接收各个组件的信号，并向机器人发布和传递动作指令，对机器人性能具有决定性影响，机器人的活动自由度越高，对控制器的性能要求就越高。

发展史

外科手术机器人最早出现于1985年，美国洛杉矶医院的医生使用PUMA 560完成了机器人辅助定位的神经外科脑部活检手术，这是机器人第一次参与到手术当中。

PUMA 560

来源：Hsien-I Lin

1996年Computer Motion公司推出了Aesop和Zeus（宙斯）两款微创机器人。

Aesop机器人具有虚拟关节，医生可以通过脚踏开关或声控装置操纵腔镜的机械臂，可以代替手术助手控镜、定位，虽然不能独立执行指令进行手术操作，但是迈出了机器人进入外科手术领域的关键一步。

Zeus机器人由3只机械臂，医生操作台和计算机控制器组成。手术时，医生坐在操作台前，观察二维或三维手术图像，其中1个机械臂可通过声控交互方式操纵腔镜，另外2个则装有“微腕”(micro Wrist)腔镜器械，在医生控制下操作手术器械。2003年该公司被并入直觉外科。

宙斯手术机器人

来源：Spiral Imperial

2000年之后的10年间直觉外科开启了称霸腔镜手术机器人领域的时代。2000年推出了第一代Da Vinci系统，到2009年该产品完成两次迭代。随后直觉外科相继推出了Da Vinci Xi系统、Da Vinci X系统以及单孔手术机器人Da Vinci sp系统。

直觉外科腔镜手术机器人

来源：直觉外科官网

2010年之后除去腔镜手术机器人，应用于其他科室的手术机器人开始出现，主要以骨科机器人、泛血管手术机器人为代表。

手术机器人优势

相比传统手术方式，手术机器人具有以下优势：

减少手术伤口、术后并发症、术后恢复快

与开放手术的大切口相比，病人在机器人微创手术中一般仅有一个或几个小切口，切口用于放入手术器械。这一方式可以减少手术过程中的失血量，精细的操作可以避免对手术位置以外的区域造成损伤。

灵活的机械臂

手术机器人手臂通常可实现6个自由度的操作，将算法和机器人操作端体积微小的特点结合，医生可以通过机械臂完成非常精细的操作，相比传统手术在面对狭小操作面时难以解决的情况，手术机器人则可以很好的克服。

手术的视野和精准度

手术机器人的成像系统可以提供带有自然视觉景深的三维高清图像。同时数字变焦功能可以使操作视野放大，帮助医生精准的识别组织，保障手术的顺利进行。

震颤滤除功能

在传统手术中，医生无法避免地会将操作时固有的震动通过器械传导到患者，所以在手术过程中医生需要精力高度集中。而手术机器人可以通过计算机算法自动过滤医生手部固有的震颤，降低操作失误的风险。

为医生提供更好的保护

医生在手术过程中会经常面临职业暴露的风险。手术机器人带有可指示植入物放置位置的光学导航系统，大幅减少X光片的使用，从而减少医生的辐射暴露伤害。手术机器人避免医生和病人直接地接触，减少了手术医生的感染风险。

加速外科医生的学习

借助手术机器人具有震颤过滤、三维高清图像及高灵活度的特点，外科医生进行手术时会更为方便，同时可以降低医生的疲惫度。与在传统微创伤手术中手眼协调受到影响相比，机器人微创伤手术允许外科医生直观地操作器械，该等功能亦缩短了外科医生的学习曲线。手术机器人的人体工程学设计也降低了外科医生因长期不适及疲惫而遭受职业病的可能性。

分类

根据手术机器人适用的手术部位和功能，产品可以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和经皮穿刺手术机器人。

腔镜手术机器人

腔镜手术机器人为手术机器人中最大的细分市场，可以完成各种复杂的微创手术。腔镜手术机器人通常包括外科医生的控制台、一台患者侧的手术车和一套影像系统。患者侧手术车由持有腔镜和配套手术器械的机械臂组成。腔镜可以把患者体内的画面传递给外科医生，机械臂则模拟医生的双手，在医生的控制下在患者体内完成手术。

图迈®Toumai®腔镜手术机器人

来源：微创机器人官网

腔镜手术机器人已经广泛应用于外科手术当中，包括泌尿外科、妇科、胸外科和普外科。机器人辅助手术已经成为许多泌尿外科基本的金标准，例如机器人辅助的前列腺癌根治术（RALRP）。

泌尿外科：由于前列腺的特殊解剖位置，位于盆腔深部，传统开放式手术常造成较大损伤、出血多、并发症多的情况。而机器人辅助的前列腺切除术出血量最少，减少了输血风险。

妇科：妇科腔镜手术已经被广泛接纳，目前已经应用于包括子宫内膜癌、子宫颈癌等几乎所有妇科的良恶性疾病的手术治疗中。截止2019年底，中国大陆已经实施超过1.6万台机器人辅助的妇科手术。

胸外科：机器人辅助手术在胸外科的应用起步较晚，由于胸腔中大血管与重要器官密集，操作困难风险相对较大。但机器人依旧在控制术中出血、缩短手术时间和术后并发症控制上具有明显的优势。现已被应用于肺叶切除术、胸腺瘤切除术、食管癌根治术等。

普外科：普外科涉及的手术种类众多，应用范围也较为广泛，机器人手术系统在各个手术中的安全性和有效性都达到甚至超越了传统腔镜技术，但是机器人手术的费用会高于传统腔镜。目前机器人已经应用于肝胆胰手术、胃肠手术和甲状腺手术。

腔镜手术机器人现有四臂和单孔两种类型。四臂腔镜手术机器人，拥有四条机械臂，其中一条机械臂上会装配内窥镜，剩余三个臂上会根据手术需求安装具体的手术微器械，使用时需要在患者身上开四个切口用于放入操作器械。单孔腔镜手术机器人仅需要在患者身上开一个切口，所有的操作器械都从这一个孔进入患者体内。因此通过单孔腔镜手术机器人的患者术后恢复更具优势。

骨科手术机器人

骨科手术机器人用于辅助骨科手术，其带来的好处包括定制更加精准的三维术前方案、手术部位更清楚、减少震颤和提高手术精准度。使用骨科手术机器人有助于减少对正常骨骼和组织的损伤、减少出血、缩短住院时间及加快康复。

骨科手术机器人由主控台、机械臂和光学跟踪系统三大块组成，手术过程中医生在主控台根据影像设备扫描得到的患者损伤部位图像，确定手术螺钉方向、入点及深度完成手术设计。术中机械臂可以辅助医生进行手术区域精确定位，同时光学跟踪系统会对位置进行实地监控，当定位出现差错时，可以引导机械臂自动纠错。

鸿鹄®骨科手术机器人

来源：来微创机器人官网

目前骨科手术机器人主要应用于三类手术，关节置换手术、脊柱手术和骨科创伤手术。其中机器人辅助关节置换手术在这三个手术中应用的最为广泛，具体可以分为全膝关节置换术（TKA）、单髁间膝关节置换术(UKA)和全髋关节置换术(THA)。

骨科手术机器人分类

来源：贝壳研究院

泛血管手术机器人

泛血管手术机器人用于治疗心脏、脑部或外周血管系统中的血管或相关器官疾病。在泛血管手术中，外科医生穿刺患者的皮肤，将穿刺针和穿刺鞘依次插入大血管，然后将长而细的导丝引导至血管，最终到达心脏、脑部或外周血管系统的目标部位。不同类型的仪器可放置于导管顶端作不同用途（如放置植入物或收集样本）。主要由机械装置与控制系统、图像导航和力反馈系统组成。

泛血管手术机器人

来源：爱博医疗官网

泛血管手术机器人通常包括外科医生的控制台、遥距导管操纵器以及可转向的引导导管。外科医生在手术控制台的显示器上观看X光扫描来观察导管在血管内地移动，并使用操纵器远距离控制导管移动。

机器人辅助泛血管手术的优势在于可以使外科医生免受过度X光辐射，因为外科医生的控制台可以远距离放置在与手术室分离的房间。此外，泛血管手术机器人也提供了更好的视野，有助于切开主动脉并让导管植入更准确。

经自然腔道手术机器人

经自然腔道手术机器人是指通过人体的呼吸道、食道等自然路径进入目标位置，并控制其进行诊断或手术的机器人。现在已经应用于如支气管镜检查（肺检查）、结肠镜检查（肠道检查）及胃镜检查（胃检查）。经自然腔道手术机器人为目标部位提供了更清晰的视野，使外科医生能够更灵巧地操作工具。

Hominis手术机器人

来源：Memic官网

因为手术过程中机器人通过人体自有的腔道进入到手术部位，所以在皮肤上不会留下切口。以色列Memic公司的Hominis手术机器人在美国已经用于妇科手术治疗，该系统可以实现无疤痕手术。

经皮穿刺手术机器人

经皮穿刺手术机器人用于经皮穿刺手术，其主要为收集组织样本以用于后续的诊断程序，如检测早期肺癌、乳腺癌及前列腺癌。在活检程序中，组织样本从疑似目标解剖结构中取出，以便进一步进行病理检查。

传统活检法依赖放射科医生手动插入针头，而机器人辅助法使用的机械臂可以提供更高的刚强度及精准度，使针头连同组织样本的回路更加准确。应用核磁共振、超声波及CT等成像技术将目标解剖结构定位，并使用影像反馈引导针头到达目标解剖结构。

微创经皮穿刺手术机器人

来源：微创官网

手术机器人业务模式

手术机器人的销售包括机器人系统、手术耗材和服务费用。

系统：手术机器人本身，包括硬件和软件。企业以一次性的价格向医院售出手术机器人。

耗材：手术过程中与机器人配套使用的器械，例如镊子、剪刀及无菌保护罩等，耗材的销售伴随着机器人使用的全周期。

服务：与手术机器人销售相关的服务，包括技术培训以及软件升级。

以美国直觉外科为例，根据公司2021年年报信息，耗材的销售占比已经超过机器人系统，成为公司主要的收入来源。

直觉外科2021年营收分类

来源：直觉外科年报

系统（即整机）费用为50-250万美元，计算2019-2021年均值约为167万美元每台；手术耗材费用随手术量增长而增长，平均600-3500美元/台手术；服务费主要为维修、培训等，8-19万美元/年。2019-2021年，耗材收入占比分别为54%、56%、54%，占比较高，且随手术量的增加而持续增长，公司整机铺设后仍有持久的盈利。