复星出品 | 中国腔镜手术机器人 深度报告 值得收藏

报告出品方：复星恒利 / 作者：何霜霖

本文节选了报告“腔镜手术机器人”的部分内容，本文中的文字和图片全部来自报告。节选内容包括：核心技术拆解；达芬奇在中国的应用情况（装机量、手术量等）；达芬奇 vs 图迈等。内容精彩，不容错过，适合收藏！

01 腔镜手术机器人核心技术拆解

从操作手臂构型

在机器人辅助微创手术过程中，从手机械臂将代替医生的双手，直接控制手术 器械对病灶区域进行牵引、灼烧、剪切等手术操作。从手机械臂应该具有足够 大的运动空间，以实现手术器械能够在整个腹腔内进行移动和调整。另外，手 术器械应该具有较高的灵活度，能够复现医生的手术动作。最重要的是，从手 机械臂的运动绝对不能对病人造成伤害。微创外科手术从操作手臂构型主要分为分体式、一体式。分体式从操作手臂基 座位置相互独立，一体式从操作手臂都固连在一个基座上。分体式从操作手臂 术前摆位灵活，易于选择器械合适的插入位置和角度，其缺点是会占用手术室 较大的空间，且难于确定从操作手臂间的相对位置关系。ZEUS 从操作手臂采用 分体式构型，分别安装在手术床的两侧。哈尔滨工业大学研制的华鹊 II， TransEnterix 的 Senhance 从操作手臂也采用分体式构型，每条机械臂具有移 动基座，可以在手术室随意移动。

微创外科手术一体式从操作手臂结构紧凑，占用空间小，机械臂间相对位置确 定。其缺点是机械微创外科手术臂间容易发生干涉，增加术前摆位的难度。Sophie 微创手术机器人,Da Vinci, Revo-I, 妙手 S 均采用一体式从操作手臂 构型。

远心不动点

在微创外科手术过程中，手术器械在患者体表切口限制下做定点运动（即远心 运动）时只具有四个自由度：两个绕体表切口旋转自由度，一个沿器械轴线的 平移自由度和一个绕器械轴线的旋转自由度。微创手术中实现约束远心点的形 式有被动式关节，主动控制和机械约束式远心机构。

被动关节式远心机构

微创外科手术系统被动关节式远心机构一般由两个自由度垂直相交的旋转关节 构成，通过机械臂主动关节运动，在患者体表切口限制下，实现手术器械的远 心运动。被动关节式远心机构易受到人体切口处柔性影响，很难确定器械插入 点的精确位置，影响手术器械操作精度。ZEUS 微创手术机器人具有四个主动关 节和两个被动关节，其中被动关节轴线垂直相交，配置在机械臂末端，实现手 术器械绕远心点运动。天津大学研制的妙手 S 的从操作手臂有 3 个主动关节和 两个自由活动的正交关节，自由关节完全顺应外界力进行运动，实 际手术中由病人皮肤戳卡提供约束力。两个自由关节上安装了传感器，用途之 一是术前标定戳卡和机器人的相对位置；用途之二是术中进行安全监测，一旦 实时计算的戳卡位置和术前标定的戳卡位置有较大偏差，机器人会停止运行。被动不动点机构的优点是减少了关节数量、减小了机构尺寸、减少了术前调整 时间，而缺点是由于病人皮肤较为柔软使得机器人末端运动精度较差。

主动控制式远心运动

微创外科手术系统主动控制方式是通过控制算法实现机械臂绕切口的远心运动。该方式结构简单，但远心运动精度依赖于控制系统精度和稳定性，一旦控制系 统出现差错，难以保证系统安全性。德国宇航中心 DLR MIRO 轻型微创机器人通 过构建冗余运动的空间来实现绕空间内任意点做远心运动。DLR MIRO 是继 DLR KineMedic 之后的第二代用于医疗的多功能机械臂，该机械臂由 DLR 机器人和 机电一体化研究所开发。由于其约 10kg 的低重量和紧凑的尺寸（与人类手臂相 当），MIRO 可以直接在空间有限的手术台上协助外科医生。它的应用范围包括 引导激光装置在骨科中精确切割骨骼、设置椎弓根螺钉和机器人辅助内窥镜引导的微创手术。

TransEnterix 的 Senhance 微创手术机器人也是构建冗余运动，通过合理的控 制算法来实现绕切口点的远心运动。

机械约束式远心机构

微创外科手术系统机械约束式远心机构能在保证关节任意运动的同时还能约束 远心点的位置，具有成本低、安全性高的优点。微创外科手术系统机械约束式 远心机构分为平行四边形机构、球形机构、弧形机构和并联远心机构。

平行四边形

平行四边形可以分为双平行四边形机构和开环平行四边形机构。双平行四边形 机构是最典型的远心点运动机构，该机构是通过多个平行四边形机构彼此间的 相互约束，实现整个机构在运动过程中远心点空间的位置保持不变。双平行四 边形机构的优点在于其刚度高，末端的定位精度高。缺点是关节数和连杆数量 较多，占用的空间体积较大，并且有冗余约束，对加工精度要求较高。哈尔滨 工业大学的华鹊Ｉ，上海交通大学神刀华佗从操作手臂均采用双平行四边形机 构。

开环平行四边形机构的优点是关节数和连杆数较少，缺点是采用多段钢带，机 构刚度低，需要专用设备组装，且增加后续组装和维修成本。应用开环平行四 边形远心机构的有达芬奇，Revo-I 以及哈工大微创手术机器人。

球形机构

球面机构有并联型和串联型两种实现方式。由于并联型球形机构碰撞及相互干 渉的概率较高，故并未被广泛采用。串联型球形机构的优点是关节数和连杆数 较少，结构紧凑。球面机构的各个杆件均具有相同的曲率半径，且杆件间的关 节轴都经过该球面机构的球心，所以连杆运动时可以保证各关节轴的交点位于 球面机构的球心。当球面机构的基座固定时，球面机构的球心位置在机构运动 的过程中保持不变，故该球面机构的球心即可作为远心点运动机构的空间不变 点。RAVEN 采用球形机构。

弧形机构

圆弧导轨机构在运动过程中，手术器械始终沿着圆弧导轨半径的方向，并与回 转关节的回转轴在空间相交，由于交点在两个关节的运动轴线上，故交点的空 间位置在机构运动过程中保持不变，交点即可作为该机构的远心不动点，同时 机构中的手术器械还可以沿着直线导轨进行直线运动，从而调整器械末端在腹 腔内部的空间位置。圆弧机构仅有两个关节，结构简单，缺点是体积大，驱动 设计比较困难。Probot 微创手术机器人通过弧形轨道作为远心机构来实现手术操作。

并联远心机构

并联约束远心机构通过并联机构来实现远心运动，具有刚度强，结构紧凑的优 点，但也存在运动强耦合、加工精度要求高以及工作空间小的缺点，使得机器 人系统的正逆运动学求解困难。PRAMISS 由两个并联机构构成，实现绕远心点 运动。

控制系统结构设计硬件

合理的控制系统结构有助于降低微创手术机器人系统设计的复杂度，缩短机器 人干预手术时间，提高系统的实时性和安全性。当前，腹腔微创手术机器人控 制系统的结构按照中央运算单元和 I/O 接口的布置方式，主要分为集中式运算 与 I/O 连接、集中式运算且分布式 I/O 连接、分布式运算与 I/O 连接。1) 在集中式运算与 I/O 连接这一方式中，高层和底层控制算法都在中央计算 单元中实现，它们之间的数据传输均在同一编程环境中进行。但是，系统 对中央计算单元的性能具有较高的要求，并且关节电机的线缆均需要并行 地连接到中央计算单元中相应的接口上，布线较为复杂。RAVEN-II 和妙手 A 采用这种控制方式。2) 集中式运算且分布式 I/O 连接除了具备（1）的优点外，采用分布式 I/O 连接可以简化布线，方便扩展。但是，需要中央计算单元具有高速的信息 处理能力，而且分布式数据通讯接口和电机驱动单元往往需要自主开发， 周期较长。代表的机器人有波兰的 Robin Heart，SPRINT 和神刀华佗。3) 分布式运算与 I/O 连接的控制结构对中央计算单元的性能要求较低，且分 布式 I/O 连接使得现场布线简单、扩展性好。但由于高层和底层控制算法 在不同的开发环境中实现，需要考虑它们之间的数据传输问题，保证数据 传输的正确性和实时性。代表的机器人有达芬奇和华鹊 II。

软件

腔镜手术机器人软件由人机交互层、核心控制层、设备控制层组成。1) 人机交互层：该层通过 I/O 接口，实现操作者与机器人之间的交互。2) 核心控制层：该层运行在工控机环境中。主要负责获取主手的位置和姿态 信息、执行高层控制算法并将运动指令传递给设备控制层。同时，响应来自人机交互层的 I/O 信号，实现相应的功能。通过程序，监控来自设备控 制层的从手运动状态信息，必要时实施安全限制。3) 设备控制层：对于从手机械臂，该层利用网络控制器、驱动器、电机等硬 件，对机械臂进行底层控制。

主从控制

医生坐在主控台一侧，通过内窥镜成像系统观察 3D 显示器中的图像，操作主 手设备来控制从操作手臂运动，此时图像中的从操作手臂上的手术器械能够完 全复现医生的手部动作，这一过程称为主从控制。在实际的微创手术过程中， 微创外科手术机器人系统的主从控制性能会直接影响到术中的手术操作效果， 因此主从控制也是整个微创外科手术机器人系统的关键技术之一。微创手术机器人可分为主从同构系统和主从异构系统。主从同构是指主手和从 操作手臂具有完全相同的构型、运动学模型以及动力学模型，只在尺寸上有所 区别。主从同构优点在于主从运动直观性强，控制较为简单，主从映射易实现 且计算量小，缺点是主手需要参照从操作手臂进行设计，通用性较差。主从异 构即主手和从手机械结构相异，使得各自的运动关系存在较大差异。这种情况 下，可以根据不同的需求对主手和从手分别进行设计，增加了主手的通用性。但是主从异构式设计的控制方法较为复杂。目前绝大多数微创外科手术机器人 系统都采用主从异构系统。

手术微器械

微器械是核心技术之一主要因为：1）手术微器械在创口处损失了两个移动自由 度，而术中各种典型操作手术操作，尤其组织分离、缝合、打结等对灵活度要 求很高，所以必须考虑为微器械配置合适的腔内自由度，以弥补创口约束造成 的自由度损失；2）普通微器械灵活性差，并且没有和机械臂系统快速连接的接口。达芬奇手术机器人系统的 Endowrist 系列微器械包含了外科手术中常用的手术 钳和手术剪刀等工具，可以根据不同手术要求选择器械，器械轴直径为 5-10mm， 采用钢丝传动，配有张紧装置，限制使用次数。直觉外科开发的手术器械均有 4 个自由度（绕自身杆件的回转，器械末端的俯仰，偏摆以及夹持），具有很 好的运动灵活性。同时，Da Vinci 系统的微器械均具有标准化的机械及电气接 口，可以实现术中不同功能器械之间的快速更换。

Computer Motion 为 ZEUS 开发了将近 50 多种具有不同功能的手术微器械，包 括二自由度和三自由度两种。这些手术微器械的直径分布在 5mm 到 8mm 之间， 整个微器械可实现杆件旋转,腕部偏摆以及末端工作的夹持。

密歇根大学提出利用齿轮链传动方式进行微器械的设计，使微器械可弯折±180° 并且具有 3 自由度，能实现较大运动空间，灵活度较高。波兰罗兹理工大学为 其研制的 Robin Heart 系统开发出直径为 10 mm 的手术微器械，具有 5 个自由 度，分别由 5 个独立的绳驱动器驱动。

国内的天津大学的妙手系统，设计了 5 自由度微器械（roll–pitch–roll 的 布局）。哈尔滨工业大学研制了一种基于行星轮系的四自由度手术器械，该手 术器械只对传动系统的机械精度提出要求，安全性与可靠性高。上海交通大学 研制了一种滑轮传动的手术器械，通过采用不同直径的滑轮实现减速和运动传 递。所以 1）每个研究机构开发的手术微器械都是针对该机构研制的手术机器人系 统，不同机器人系统的手术微器械不具有通用性；2）研究机构研制的手术微 器械的最大区别是微器械的腕部机构设计，腕部机构的性能直接决定了该手术 微器械的性能。

02 达芬奇在中国的应用情况

截至 2019 年底，中国 3.3 万家医院中仅有 115 家配有达芬奇手术机器人系统， 总装机数为 135 台（同期全球共装机 5,582 台），配备率不到 0.4%，平均每千 万人口配有 1 台机器人，远低于美国的水平（105 台/每千万人口）。且手术机 器人系统的分布呈现地区聚集性，多集中于一线城市，在二、三、四线城市医 院其配备率极低，大多数泌尿外科医师难以接触到机器人手术技术，惠及地区 和人群有限。

北京是中国内地达芬奇手术机器人系统应用最早的地区，率先引入的前 3 台达 芬奇机器人均装机于北京。上海于 2009 年 3 月引入 4 台达芬奇机器人。达芬 奇机器人装机数量≥5 台的地区有北京（19 台）、上海（15 台）、南京（10 台）、重庆（7 台）、杭州（6 台）、广州（5 台）、武汉（5 台）。中国内地 达芬奇机器人年装机数量在 2013 年前增长缓慢，年装机数量维持在 5 台及以下；2014 年至 2018 年增长加快，年装机数量维持在 10 台左右；到 2019 年呈现爆 发式增长，年装机数量达到 59 台。

目前 FDA 批准达芬奇的适应症有泌尿外科手术，普通腹腔镜手术，妇科腹腔镜 手术，普通胸腔镜手术和胸腔镜辅助心脏切开术。也可用于辅助纵隔切开术，在心脏血管重建时进行冠状动脉吻合，适用于成人和小儿。在中国达芬奇手术 种类约 46%为泌尿外科，12%为胸腔外科，12%为妇科，9%为肝胆外科。我们认 为未来腔镜机器人往泌尿外科外的科室拓展潜力较大。

03 中国腔镜手术机器人市场格局

获批：达芬奇 Xi（直觉外科），达芬奇 Si（直觉外科）和威高妙手（山东威 高）；临床阶段：微创图迈（微创机器人），康多系统（思哲睿）；有开展相关研究工作的：哈工大，北京术锐，重庆博恩思，重庆金山科技，杭 州术创，深圳精锋医疗，淄博科智星等。

图迈 vs 达芬奇

达芬奇 vs 图迈：远心不动点（RCM）

达芬奇和图迈远心不动点机构设计都基于平行四边形原理，是主动不动点（妙手是被动不动点）。

达芬奇 vs 图迈：3D 高清成像系统

达芬奇手术系统的 Q3D（数字化 3D）系统包括 Q3D 内窥镜和处理器，Q3D 内窥 镜对视野进行成像，处理器产生场景的 Q3D 模型并且识别目标器械和结构。Q3D 视觉让人不仅可以获得真实世界场景的三维感知，而且可以获得关于该场 景中的对象的物理尺寸和该场景中的对象之间的物理距离的数值信息。

图迈使用经改良的 3D 内窥镜，以光学物镜为基础。一般的 3D 电子内窥镜是通 过两个镜头成像，用两个图像传感器分别采集左右两个镜头的图像，并通过后 续图像处理系统，最终将左右两个镜头所采集的图像合成后，利用 3D 显示器输 出。但由于处理器对于两个图像传感器采集的图像处理优先级并不一致，会出 现左右两幅图像不同步的现象，降低了操作的舒适感。图迈，仅用一个图像传 感器，最终获得的图像不存在不同步现象。并且简化了内窥镜内部的结构，降 低了安装难度，同时也提高了观察者的舒适感。但是在同一传感器上捕捉两路 图像信号，由于光路重叠与内部杂散光反射，会造成图像质量下降，图迈采用 了独特的镜头设计和消除杂散光的结构来降低这些因素对图像质量下降的影响。

达芬奇 vs 图迈：手术微器械

达芬奇机械手臂的腕部采用能够提供 7 个自由度的 EndoWrist 技术，可以完成 人手无法实现的动作，触及范围更广。系统有振动消除和动作定标的功能，可 保证机械臂在狭小的手术视野内进行精确的操作。达芬奇手术器械不足，主要是两点：1）一些手术器械不具有力反馈机制，这会 使得医生在操作过程中无法感知手术器械触碰到某些人体结构，这会很大程度 地影响医生的使用感觉。如果增加力反馈功能，可以将手术工具与患者器官组 织间的接触力减少 30%到 65%，峰值力减小为原来的 1/2 到 1/6，手术完成时间 缩短 30%，出错率减少 60%；2）另一些手术器械虽有外置力感测装置，但其一般采用 间接的测量方式，会受到环境中其他因素的干扰，同时还有可能为病人带来额 外的风险。

传统的力反馈机制缺点在于接触力是由计算得出的，并不随时能反映真实情况。而且肌体接触力很小，若要提高测量精度，便需要提高关节力矩传感器的分辨 率，高分辨率的传感器对噪声非常敏感，信号容易失真，高分辨率成本也十分 昂贵。另外，手术器械多采用丝传动控制的方式，但是在丝上放置张力传感器 十分困难。图迈的力传感器，主要由敏感元件获取套管的变形信息，然后外围测量模块根 据敏感元件测量得到的应力、敏感元件的位置以及敏感元件的敏感轴方向，获得接触力信息。

图迈 vs 达芬奇 Si: 临床结果有差距

图迈的注册临床试验为一项前瞻性、多中心、随机及平行对照试验（n=102）， 通过与达芬奇 Si 的比较评估，图迈用于泌尿外科手术（前列腺癌根治术和部分 肾切除）的有效性（手术成功率）和达芬奇 Si 相当（98.04% vs.100%）。手术 成功率相当，说明国产机器人已突破核心技术关。平均住院时间虽然没有统计 学差距，但数据劣于达芬奇。平均出血量，平均手术时间有统计学意义差距， 且对比机型为达芬奇 Si，而不是达芬奇 Xi，说明国产机器人整体性能上有差距。

达芬奇 Xi 和 Si 对比，平均麻醉时间，手术时间会更短。Xi 和 Si 出血量和平 均住院时间相当，可以预期假如图迈和 Xi 比，应该手术时间更劣，失血量和住 院时间和其与 Si 比较的结果相若。

达芬奇 vs 威高妙手 S

对比达芬奇，妙手 S 在体积/重量、整机成本、手术成本等方面具有优势，妙手 S 在操作精度、辅助手术灵活性、整体信息化水平等方面落后于达芬奇：1）3 臂复杂手术能力差于达芬奇 4 臂；2）妙手采用融合柔性材料，体积小，成本低；3）妙手被动不动点精度较差；4）手腕设计不同；

妙手 S 采用被动不动点机构

妙手采用被动不动点机构，2 个被动关节完全顺应外界力进行运动，外界力由 病人皮肤戳卡提供约束力。被动不动点机构的优点是减少了关节数量、减小机 构尺寸、减少术前调整时间，而缺点是由于病人皮肤较为柔软使得机器人末端 运动精度较差。

妙手 S-器械末端设计可自转

达芬奇全部关节运动精度较高，可以通过 6 个关节的耦合运动实现转动缝合针 等的动作。妙手手术器械末端布局采用了 roll-pitch-roll 的布局，妙手 S 采 用这种构型是由于不动点的弹性造成运动精度较差，因为假如采取达芬奇的末 端微器械构型，妙手末端微器械位置容易被不动点精度差影响。

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