【WRC 大咖观点】孟庆虎《医疗手术机器人的创新引领之路》

编者按：

2022世界机器人大会主论坛群星璀璨，产、学、研各领域大咖齐聚首，共话巅峰，为机器人未来发展领航。

峰会现场，孟庆虎发表了题为《医疗手术机器人的创新引领之路》的演讲。以下为孟庆虎演讲内容的整理。

谢谢乔院士的介绍！大家下午好！

非常感谢组委会给我这个机会，让我们分享一下医疗手术机器人方面的工作，首先介绍一下医疗机器人是怎么开始的。

世界上最早手术刀是3400年前在中国发现的砭镰，这是针对中医习惯可以扎、可以切、可以刮，所以手术在中国拥有非常悠久的历史。第一次把机器人用于医疗是穿刺机器人，1985年用PUMA 560，做了探针插入大脑进行神经采样任务，第一次用于手术是1988年也是PUMA 560，因为这是国际上第一个量产通用工业机械臂，做的手术是前列腺切除，前列腺切除完全是机器人自主，医生坐在边上拿着开关，出问题直接关掉，医生不介入整个手术，医生介入手术是到后来的事。骨科手术机器人是源于1992年，尽管前面有各种各样的尝试，但是大家都认为Rus Taylor是手术机器人之父，但我把他叫做手术机器人之爷，因为后面还有一个手术机器人之父。他做的机器人也是医生不参与的，把腿和机器人固定在一块，机器人像一个车床进行精准切、削、磨等操作，这个机器人已经发展了很多年，到现在变成了T solution，T solution1我们目前叫主动型机器人，所以历史并不是特别长。

我自己怎么进入离医疗手术机器人这个行当呢？从非常早硕士研究开始，1985—1988年我硕士论文选择题目是《机器人视觉及基于视觉机器人控制系统》，当时北理工我导师非常支持这个项目，还给我们买了一台摄像头，在1985年的时候做机器视觉和视觉伺服是相当先进的领域，现在回过头看非常感谢导师给我这样的支持。我们可以看到上面有一个摄像头，底下有一个机械臂，跟现在做手术机器人非常相像，摄像头像数字导航仪，机械手是手术机器人，我们当时用286，现在用更先进的计算机和人工智能算法，原理基本是一样的。

我博士论文做的是Model Beased Adiaptive Position and F末orce、Control Of Robot Manipulators，奠定了力和位置同时控制的基础，同时对动力学有不确定性，可以可以进行自适应的补场。尤其我们做骨科手术机器人，这个机器人需要进行切骨、磨骨、钻骨，这个过程中光有位置控制是不够的，所以一定是力为主混合控制，这是1988—1992年修炼的功夫，所以准备非常长。我后来在加拿大阿尔波特教授做了10年教授，2001年回到香港中文大学，第一次遇到了香港中文大学威尔斯亲王医院骨科的梁医生，他当时说他做了骨科机器人让我看，我看了以后不是骨科机器人，是非常被动定位装置，后来联手一块做骨科机器人，这样一发不可收拾。我们公司落地深圳2018年底，所以2020年加盟南科大电子系，是这样一个过程。到了香港中文大学以后，当时梁医生意思是我们做机器人要做10万块钱人民币手术辅助机器人，当时是做脊柱创伤机器人，他说只有这样才能在县级人民医院用得上，这种机器人主要是辅助医术不太高，基层医生不太好的情况下，来帮助他们做，造价必须要低。当时NDI导航仪是50万港币，我们从导航仪开始研究，我们把导航仪领域每一块石头翻了一遍，我们自己研究出好多不同方法，我们现在自己用导航仪从指标、性能各方面来说是全球最先进一款。同时做了对标NDI指标，那款可以做的非常廉价。做完导航仪以后做力控制，力控制在手术和机器人直接介入手术的手术机器人非常重要，如果你进到不同组织层面，如果机械臂不能感知的话，有可能造成不同程度伤害，所以把每一个核心关键环境都做了非常扎实地基础研究，然后才开始做样机，我们一共做了四代样机。2018年在深圳落地的时候，实际上我们是第四代机器过去的，这时候知识储备可以做到骨科所有手术，脊柱创伤、锥板切除、关节置换都可以做了。2018年到了深圳以后，发现当时国内关节置换还是空白，没有一张证，不管国内还是国外没有一张证，既然是这样的话，我们技术储备都有了，我们从关节置换开始，尤其是全膝关节置换要切6个面，是骨科手术里最复杂的，所以我们把机器又升级一代到了第五代，开始做膝关节。我们落地公司叫做云化智能科技深圳有限公司，这是一个平台公司，下面有两个项目公司，一个是骨圣元化机器人，做全骨科辅助机器人的，同一个机器换上不同末端工具和软件，就可以覆盖骨科所有手术，关节置换、锥板切除、脊柱创伤等等。妙微视是做主动型胶囊内窥镜，后面我会跟大家介绍。我们有一个小小目标是想变成全球最优秀专科医疗手术机器人公司。

下面介绍一下骨圣元化全骨科手术辅助机器人系统，我们到底做到了什么，是怎么做多的。第一是全骨科手术要覆盖关节置换、创伤和脊柱，目前全膝关节置换拿到三类证，髋关节完成临床实验，单髁也即将开始临床实验，我们整个环节是从人工智能术前规划到专家系统术中导航仪控制，以及人工智能辅助术后康复，一条龙来完成骨科手术。我们先看一下关节机器人的情况，这个需求是一个刚需，原因是国家目前60岁以上人口超过20%，到2023年人口到了60以上，超过三分之一中国人口将超过60岁，骨科尤其是关节毛病会越来越严重，所以要求是一种刚需。

目前技术手工做要有导板，导板装上去对人骨骼造成二次伤害，关键是结果不是很理想，翻修非常多，唯一解决方案是用智能化骨科机器人进行手术，一是可以减少二次创伤，二是精度和有效性保证了康复快速发展。如果看国内外主要关键置换手术机器人现状，拿7台机器来说，国外目前有3款，国内有4款，关节拿到证有5张，国内有4张证，国外一张证。他们针对症状是膝关节置换和髋关节置换，唯一MOKO是膝和髋两个证都拿到了。

刚才我们说了T—Solution本身是一种主动型，我们可以把这个去掉，不做膝，我们拿膝关节做例子比较一下介绍。膝关节置换有几种方式，刚才讲T solution Robotic实际上用主动性的方式，把关节、腿和机器人刚性固定，机器人自主做手术，这种现在不是主流方式，主流方式是医生和机器人协作。手工接骨板，还有一种膝关节机器人，用机器人把接骨板放到指定位置，机器人本身不参与接骨，我们叫做接骨板技术，主动性和接骨板技术去掉的话，真正意义上全膝关节置换目前市场上就有三个有证，一个国外、一个国内的。我们比较一下看有什么不同，如果把关节置换拿过来，协作式就是把主动型去掉，大概有6款，如果无需接骨导板就是3家，这3家有什么区别呢？其中一家需要固定钢钉，把膝关节打一个钢钉固定腿才能做手术，每接一刀要重新定位一次再回来，比较啰嗦，如果去掉这个只有我们和美国产品。美国产品和我们最大区别是机器人用20年前的技术，是Y＆B，接6个面要换另外一套道具才能完成任务，而不是一套道具，如果只限制一套道具的话，最后只剩下国产骨圣元化机器。从这个角度可以看到，我们只要认真做基础工作，做的扎扎实实，我们完全可以在技术上、在用户体验上、在手术过程中完全实现引领。

这是工业设计，大家可以看一下。手术室里空间是非常宝贵的，手术机器人不光功能上先进，而且体积占有和工业设计方面，第一你占的空间小，第二医生用起来会得心应手，不会觉得空间非常拥塞。这是我们工作原理的演示，首先要对病人做术前CT，做术前CT原因是把病人关节三维模型拿到，拿到以后根据病人三维模型再去匹配假体，假体根据专家系统以前积累所有病例给出推荐，推荐好假体以后用三维动画形式给医生显示术后的效果，如果配上这样假体术后是什么效果，这时候医生对间隙、平衡、力矩调整，确定手术之后开始切开做手术，我们固定两套时钟器，这是唯一对病人骨骼的创伤，除此之外没有了，剩下是做匹配，就是注册。把术前影像和术中病人身体匹配，这时候术中可以再一次看到用真实腿来看一看手术方案平衡力线有没有问题，如果又没有问题再次确认，如果有问题我们做微调，微调完再进行确认，确认后接骨，我们一次性6个面一气呵成，中间不需要定位也不需要固定腿，因为导航仪完全自主研发，导航仪刷新率是335赫兹，可以跟踪非常微小变化和抖动，可以进行实时模仿，6个面一次性全部切完，一气呵成，中间不用换道具或者进行复位的要求，最后会把颊骨装上去。我们做有两种方式，其中一种是间隙法，要保证平衡，另外是保证力线，原理是这样的。

我们2018年12月从第四代机器开始做了第五代产品样机，送检、尸体实验、动物实验、行检、报告临床入组、临床结束，在疫情的时候用了半年时间入组180例，同时我们也获批进入医疗器械创新绿色通道，最后在今年4月份拿到了三类许可证。

我们做临床跟国内其他公司做不一样在于我们做的是优效性临床实验，因为一般大家做临床实验有3个选择，一是优效性，一定比参照组好很多；第二是等效性；第三是非滤性，术后力线恢复，机器人组可以到85.4%，手工组是65.6%，这都是国内顶尖医院主任做的，能超出人工平均20%，所以优效性非常明显，这也是国内唯一一个做优效性临床实验的。这是临床实验在华西医院周主任在做，大家可以看到非常轻松，跟玩游戏一样，他手里是在锯骨头，大家看着像在玩游戏一样，因为机器人已经使得工作非常地容易。右边是我们的康复器械，有的人因为肌肉萎缩，动完手术之后还是不能动，康复一条龙可以帮助病人恢复，而且随着力恢复助力也会越来越少，如果不需要助力我们还可以检测康复过程、弯的角度、行走步数等等。新桥院士张医生做了一个主播，从切皮到缝隙用了63分钟，用我们机器只用了不到20次情况下，能到熟练程度，说明机器非常容易上手，而且做出来的时间和效果都是跟人工做差不多，或者比普通快一些。

这就是我们创新医疗器械，这是三类证，我们在这个月进入了工信部和药监局人工智能医疗器械创新揭榜，我们是在第二个方向“智能辅助治疗产品”，在十个全国揭榜入围单位排第四是智能全骨科手术辅助机器人系统的研发与应用。我通过这个例子跟大家说，做足扎扎实实研究，从医生角度、病人角度把这件事做好，我们是完全有机会引领这个技术，不光是膝关节，髋关节做完临床实验，期待今年年底和明年年初拿到许可证。其他适应症陆续开始，后面会做单髁、脊柱创伤、锥板切除等等这些已经完成所有技术储备，每半年一个临床，这是我们做康复传感器，病人做完手术以后，医生给他的处方康复一定要弯够足够角度和走够一定步数，很多病人不配合，有了传感器医生和家庭成员可以监测弯的步数和走的步伐够不够，可以快速帮助病人康复，我们一条龙。除了导航仪是自研的以外，我们自己为骨科手术机器人研制一款专用手术机械臂，我们现在用的库卡是工业通用机械臂，要做一些事7个关节同时控有挑战性，不是最优化的设计。我们自己有一款自研机械臂，专门为骨科手术而研制，在今年年底会换上，这样全部系统都是自己自主研发的。

第二个产品是无线胶囊内窥镜机器人，以色列2000年出了iMaging，可以看到消化道小肠里图像，以前都是间接成像，有了这个技术是非常好，但是被动装置，通过肠蠕动从口腔到肛门走一遍，你没法控制，而且每一个检查都会5万多张图片，这些图片医生看一遍需要两小时作为视频看。从产品一出来在跟踪，做两件事，一是基于图像做自动诊断，另外是让胶囊变成机器人，可以在外边控制起来，这个目前做的非常好，一开始是这个领域领先团队，最后比较参数全部跟自己团队比较，上面都是我以前的博士生。我们2020年在IHV会刊，那期是医学图像处理专刊，所有文章是邀请的，我们是被邀请7个团队之一负责胶囊内窥镜处理和显示。右边是和医生标注自动诊断100%吻合情况，我们胶囊有两款，一款是主动型体外可以控制，另外一款是被动型，我们被动型跟他们市场被动型唯一不同，我们是双向通信，我们在中间可以调参数，现在市场上所有胶囊不能调参数，只是单向通信，所以这是严重的不足，这是我们的控制系统。

最后讲一下，我们成为专科手术机器人不能只是骨科，最典型是腔镜手术，腔镜手术我们走的路是后达芬奇无疤痕腔镜手术。为什么会是这个样子？大家都知道手术传统切开做手术，微创以达芬奇为代表三个眼，我们叫后达芬奇无疤痕手术，经过自然腔道做手术。我们知道微创手术金标准是达芬奇，我们在展览厅可以看到达芬奇边上有大概4家、5家，都是模仿达芬奇的，我们总是觉得一个东西好是金标准不错，但为什么不去追究一下到底好在什么地方，去问一下医生不好在什么地方，再做为什么要简单模仿，而不是把问题找出来超越它。

达芬奇实际上不是一家创新公司，达芬奇是一家非常善于经营的公司，达芬奇创新公司来自宙斯公司。达芬奇之前收购了宙斯公司，宙斯公司1998年可以做跳动中心脏搭桥手术，现在大数据很少看到这样手术。2000年宙斯机器人可以做28种末端手术器械完成各种各样的腔镜手术，它的创始人是我的朋友，当时把这个公司卖给了达芬奇。创新技术是来自于宙斯，达芬奇把这个市场给做起来了，因为当时的确没有别的竞争者，我们要想模仿也好、要想超越也好，为什么不研究宙斯和达芬奇之间的关系，为什么宙斯要卖给达芬奇，这里原因是什么，现在医生用达芬奇体验是什么，我觉着我们国家很有意思，展览会上边上模仿的公司，连结构都一样，达芬奇四个臂竖在那儿，每家都是四个臂竖在那儿，大家都这么看，我们会有后达芬奇无疤痕自然腔道手术，今天不说了，尽情期待一下。

核酸采样机器人今天也带来了展品，这是深圳市科创委给抗疫专项机器人。5月1日开始做的题目，用了不到4个月迭代五代工程机一代样机，样机就在展厅大家可以看。首先是人类识别身份认证，然后是全消杀所有东西是深圳市传染医院帮我们做的合规，我有效性经过临床实验比对，比人工要好得多，整个采样过程大概15—20秒，人机交互时间比较长一点，不需要任何人为的东西，这是当时做的研究，人脸识别找到口腔、找到擦拭的点，这是视觉和力同步的控制。

最后跟大家分享一下，我今天想转达的意思，手术机器人目前只完成从0—1，智能道路仍然非常漫长，大家不要认为手术机器人已经很好了。核心部件国产化、增强现实导航、专用机械臂的需求，大家都是在买别人零件篡起来机器做手术，这些对手术不是优化。普外科模式的老路我们真的要走吗？适用一台机器做各个科室的手术又不是优化的，所以我们认为手术机器人势必是专科化、小型化。智慧医疗痛点在于技术积累不足，持续发展比较难，简单抄袭、简单模仿很容易，你完成这一步再往下走怎么走。我们从香港到深圳，在深圳到香港，我们发现有非常强的互补，国内创新利用香港制造再进行国际市场，所以我们觉得大家可以利用大湾区的优势。

原始创新是源泉，从样机到产品是一个巨大的鸿沟，这里要有质量体系、有非常重要生产环节，怎么样降低成本控制质量可靠性，从产品到商品又是一个鸿沟，这里有商业模式、国家政策、国际国外大环境等等，科研人员创业经常把样机作为商品，跨过中间所有东西，但这些东西是不能跨越的，核心技术是原始创新，才能让你不断有新东西推出来，最后通过超车实现引领。

这就是今天我要跟大家分享的，谢谢大家！

—— 孟庆虎