TSINGHUA PBCSF清华五道口研究报告(2024年第16期总第48期)2024年09月14日自主手术机器人行业研究报告1科创金融研究中心朱雅姝刘碧波【摘要】行业图谱研究是本中心科技成果转化研究的一项子课题，目标定位于清晰理解前沿科技成果的技术核心、科创企业的技术竞争力及科研工作者的研究进度，从而助力科技成果转化效率的提升。行业图谱研究将以系列形式展开，选取国家战略重点科技领域的商业应用场景逐一进行，时效性较强。本报告为行业图谱研究之生物医学系列中的课题：自主手术机器人行业研究报告。自主手术机器人作为手术机器人领域的新兴方向，旨在通过集成先进的计算机视觉、感知、运动控制和人工智能技术，实现对手术过程中的环境感知、信息处理和任务执行，从而提高手术1感谢资本市场与公司金融研究中心的实习生王杰同学对本报告的助研工作。王杰同学是清华大学医学院2021级博士。感谢北京协和医院的花苏榕医生及其团队对本报告提出的宝贵意见。TSINGHUA PBCSF的精确性、安全性和效率，减少对医生直接手动操作的依赖。近年来，自主手术机器人正处于技术进步、临床需求等因素驱动下快速发展阶段。自主手术机器人主要应用于简单重复，并且任务量很大的手术子任务，比如缝合等。自主手术机器人的关键技术涵盖感知系统、决策系统和执行系统，其中感知技术决定着该技术水平的核心竞争力。在全球范围内，以美国北卡罗来纳大学威明顿分校等研究机构研发的STAR(Smart Tissue Anastomosis Robot)自主手术机器人系统为代表，正引领着自主手术机器人的快速发展。这些系统通过集成光学相机、近红外荧光成像等多源感知技术，以及基于深度学习的组织识别与跟踪算法，实现了对手术环境的实时感知；并采用基于规则或强化学习的智能规划算法，对缝合等关键手术步骤实现自主操控。目前，STAR系统在动物实验中展现出优于人工缝合的精确性和稳定性。根据自主化程度，自主手术机器人可分为6个等级。STAR机器人系统是目前自主化程度最高的自主化手术机器人系统，自主等级为3级，即有监督的自主性。该系统的自主化程度有望得到进一步的提升。在国内，以北航和北邮为代表的研究团队在手术自主化领域有相应的研究和尝试，其中的感知系统主要是根据双目摄像头进行设计。尽管相关的研究已经发表，但是目前的自主化的手术任务，比如手术切口闭合、手术中组织表面血液移除，相较简单。同时，目前国内的研究只停留于实验室模型验证阶段，需要进一步的动物实验和临床实验验证。自主手术机器人的发展仍面临诸多挑战：一是核心技术有待突破，尤其在感知、决策和执行层面的精准度和鲁棒性方面；二是标准规范TSINGHUA PBCSF亟需建立，涵盖功能安全、伦理道德等方方面面；三是临床验证有待加强，需在实际手术环境下全面评估其安全性和有效性；四是法律法规和商业模式尚不明晰，影响产业化进程。基于上述原因，当下还没有成熟的自主手术机器人产品。未来，随着人工智能、微纳制造等共性技术的进步，以及手术机器人专用芯片、精密传感器等关键元器件的国产化，自主手术机器人有望在精准度、微创化、智能化等方面取得重大突破，并逐步在泌尿、妇科、普外等临床科室实现常规应用，提升患者的诊疗质量。届时，还可融合5G、云计算等信息基础设施，建立基于自主手术机器人的智慧手术平台，积累构建手术知识图谱，反哺基础研究。总之，在智能医疗的时代，自主手术机器人已成为推动手术机器人产业化的下一个风口，具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。面向未来，亟需政产学研用各方协同发力，攻克共性技术难题，优化法律法规环境，加速行业标准制定，构建基于自主手术机器人的智慧医疗生态系统，推动我国手术机器人技术实现弯道超车、引领全球。TSINGHUA PBCSF清华五道口Research ReportSeptember 14,2024Atlas of Autonomous Surgical Robot 2Research Center for Sci-Tech and FinanceYashu Zhu,Bibo LiuAbstract:The creation of an Atlas of the Industry is a sub-project within our center'sresearch on the transformation of scientific and technological achievements.The objective is to gain a comprehensive understanding of the coretechnologies driving cutting-edge innovations,assess the technologicalcompetitiveness of leading enterprises,and track researchers'progress toenhance the efficiency of technology transfer.This research will beconducted in a series,focusing on commercial applications in key nationalstrategic scientific and technological fields,with a strong emphasis ontimeliness.This report delves into the autonomous surgical robots industry withinbiomedical research.Autonomous surgical robots represent an emergingfield in surgical robotics aimed at enhancing surgery through advancedtechnologies such as computer vision,perception,motion control,and2 Thanks to intern Jie Wang of Research Center for Sci-Tech and Finance at PBCSF Tsinghua University for his researchassistance in this report.Jie Wang is PhD.student at School of Biomedical Engineering,Tsinghua University.Thanks to Dr.Surong Hua and his team from Peking Union Medical College Hospital for their valuable comments on this report.TSINGHUA PBCSF清华五道口artificial intelligence.These innovations seek to improve surgical accuracy,safety,and efficiency while reducing the reliance on direct manualintervention by surgeons.Recent years have seen rapid advancements inautonomous surgical robots driven by technological progress and clinicaldemands.They are primarily used for straightforward,repetitive tasks suchas suturing.Globally,the STAR (Smart Tissue Anastomosis Robot)system,developedby the University of North Carolina at Wilmington and other institutions,stands at the forefront of this development.STAR integrates multiplesensing technologies,including optical cameras and near-infraredfluorescence imaging,coupled with deep-learning algorithms for tissuerecognition and tracking.It employs intelligent planning algorithms toautonomously perform critical surgical steps like suturing,demonstratingsuperior accuracy and stability compared to manual methods in animal trials.The STAR system currently operates at level 3 autonomy,indicatingsupervised autonomy,with expectations for further enhancements.In China,research teams from Beijing University of Aeronautics andAstronautics (BUAA)and Beijing University of Posts andTelecommunications (BUPT)are exploring autonomous surgicaltechnologies,primarily using binocular camera-based perception systems.Although initial research has shown promise,current applications in surgicaltasks like incision closure and tissue surface blood removal remain relativelybasic.Domestic efforts are still confined to laboratory validations,necessitating further validation through animal and clinical trials.TSINGHUA PBCSF清华五道口The development of autonomous surgical robots faces several challenges:advancing core technologies,establishing standards encompassing safetyand ethics,validating clinical effectiveness under surgical conditions,andnavigating unclear legal frameworks and business models,which hinderindustrialization.For these reasons,there are no mature autonomous surgicalrobot products available today.Looking forward,advancements in artificial intelligence,micro-nanomanufacturing,and localized components are expected to propelautonomous surgical robots towards greater precision,minimally invasivecapabilities,and intelligence.This evolution anticipates routine integrationinto clinical departments such as urology,gynecology,and general surgery,thereby enhancing patient care quality.Future prospects include integrating5G and cloud computing into an intelligent surgical platform based onautonomous robots,building a comprehensive surgical knowledge basethrough basic research.In summary,autonomous surgical robots are poised to drive theindustrialization of surgical robotics in the era of intelligent healthcare,promising extensive applications and substantial market potential.Successhinges on collaborative efforts among governmental,industrial,academic,and research stakeholders to surmount technical barriers,optimizeregulatory frameworks,establish industry standards,and foster an intelligentmedical ecosystem centered on autonomous surgical robots.This collectiveendeavor aims to position China at the forefront of surgical roboticsinnovation globally.TSINGHUA PBCSF清华五道口目录一、自主手术机器人绪论2(一)定义2(二)主要组成部分3(三)自主化等级划分6二、自主手术机器人研究现状8(一)国外研究现状922(三)国内外自主手术机器人研究团队24三、其他自主医疗机器人研究现状，26(一)自主超声机器人27(二)自主放射治疗机器人.…28四、自主手术机器人关键技术行业调研29(一)感知部分行业调研30(二)执行部分行业调研33五、自主手术机器人行业发展面临的考验及未来展望.…42六、专业术语解析.43参考文献46TSINGHUA PBCSF清华五道口图表目录图1-1自主手术机器人系统主要组成部分4图1-2自主手术机器人等级划分7图2-1肠道吻合术手术机器人系统10图2-2升级的肠道吻合手术机器人系统11图2-3可辅助拉线的自主缝合机器人系统12图2-4STAR机器人系统(a),近红外荧光成像系统(b),近红外荧光成像系统硬件组成(C),近红外荧光成像系统LED环形灯(d)…13图2-5STAR系统(a),Endo360°环形针(b),近红外荧光成像系统(c)14图2-6STAR系统(a),Endo360°环形针(b),缝合工具的工作流程(c)15图2-7光场相机.16图2-8视觉系统样包括近红外相机及光源和光场相机()，近红外三维系统注册(b)和追踪方法(C)…图2-9三维视觉系统装置(a),三维内窥镜光学示意图(b)18图2-10三维视觉系统装置(a),三维内窥镜光学示意图(b).19图2-11STAR系统(a),基于模型的缝合规划(b),无标记组织跟踪器可以实时跟踪自主缝合的标记点(C).…20图2-12STAR系统发展历程20图2-13双臂自主伤口缝合机器人系统22图2-14手术过程中组织表面血液移除手术机器人系统23图2-15自主钉皮拆钉机器人系统24图3-1超声实时引导的冷冻消融手术机器人系统27图3-2 CyberKnife M6放射外科机器人(Accuray Inc.USA).28TSINGHUA PBCSF清华五道口图4-1STAR手术机器人的上下游…30图4-2光场相机工作原理31图43邦尼医疗科技（常州）有限公司的腹腔镜自动缝合图4-4腹腔镜手术机器人系统组成（以达芬奇手术机器人为例）…39表3-1自主手术机器人相关研究团队25表4-1自动缝合器主要公司.…36表4-22020年以来腹腔镜手术机器人公司融资统计…38表43国内外腹腔镜手术机器人特点介绍41TSINGHUA PBCSFNIF国家金融研究院自主手术机器人是手术机器人领域中一个充满前景、快速发展的新兴研究方向。通过集成先进的机器人技术、人工智能算法以及医学影像分析等多学科交叉的前沿成果，自主手术机器人旨在实现对手术操作过程的自主感知、决策与执行，提升手术精准度和安全性，减轻医生的劳动强度，革新外科手术的理念和范式。这一颠覆性技术的出现，标志着外科手术即将迈入"自主智能"的新时代。目前自主手术机器人尚处于研究探索阶段，全球范围内已涌现出一批代表性的研究成果。以美国北卡罗来纳大学威明顿分校研发的STAR系统为例，可实现对手术环境的实时感知，达到了3级自主化水平。2022年Saeidi等人山在《Science Robotics》上发表的以"Autonomous robotic laparoscopic surgery for intestinal anastomosis"为题的文章点燃了手术机器人领域对手术自主化的探索热情。站在智能制造和智慧医疗的风口，自主手术机器人正以崭新的技术范式重塑外科手术格局。展望未来，随着人工智能、精密传感、微纳制造等共性技术的进步，以及智能化手术路径规划、术中实时导航等专用技术的突破，拥有感知、决策、执行、自主学习等多维智能的高端自主手术机器人将不断涌现，助推外科手术迈向"高精尖微"的新境界。这不仅将进一步提升患者诊疗效果，更将重构手术机器人产业竞争格局，为推进"健康中国"建设注入源源不断的科技动能。在此背景下，本报告以期为自主手术机器人领域的创新者、决策者提供一份醒目的行业地图，助其准确把握行业发展的脉搏，驾驭变革的浪潮。TSINGHUA PBCSFNI国家金融研究院本报告旨在通过系统梳理国内外自主手术机器人的发展脉络，深入解析其关键技术、产业格局、临床应用、研究进展等多个维度，以期为我国自主手术机器人技术的创新和产业化提供决策参考。报告首先阐述自主手术机器人的内涵、分类和技术特征；而后重点剖析国内外代表性的研究成果，提炼其技术创新点；并进一步分析我国在该领域的发展现状、技术瓶颈、发展趋势，以及面临的机遇与挑战；最后，对标国际先进水平，提出推动我国自主手术机器人蓬勃发展的对策建议。一、自主手术机器人绪论(一)定义作为一种新型的手术机器人类型，“自主手术机器人”目前这一术语尚且没有明确的定义。这个术语中包括三个部分：自主、手术和机器人。其中“手术”和“机器人”是相对比较容易理解和大家熟知的。相对来讲，“自主”的概念比较模糊，尤其是需要和经常用到的“自动”的概念作对比。为了方便理解，我们以“自主系统”和“自动系统”两个概念说明“自主”和“自动”的区别与联系。“自主系统”的定义：“自主系统通常指具有一定程度的自主决策和执行任务的能力。这可能包括对环境的感知、分析信息、做出决策并执行相应的任务。自主系统的能力取决于其设计和编程，以及其对环境和任务的适应性。在人工智能领域，自主系统可能涉及到机器学习、深度学习等技术，使系统能够从经验中学习和适应新的情境。”“自动系统”TSINGHUA PBCSFNI国家金融研究院的定义：“自动系统通常指能够执行预定任务或操作而无需人工干预的系统。这可能包括简单的机械设备或更复杂的计算机系统。自动系统执行任务的程度可能取决于其编程和设计，但它通常缺乏对环境和任务的灵活适应性。自动系统不一定具有自主决策的能力，它们可能是基于预定规则或程序进行操作的。”通过上述的对比容易发现，“自主系统”相对“自动系统”最大的不同是具备了环境感知和自主决策的能力，而不仅仅是单一任务的简单重复的执行。因此基于对手术机器人和自主系统的理解，这里尝试给出一个概括性的定义：“自主手术机器人是一种具备一定程度自主决策和执行手术任务的机械系统。这种机器人通常集成了先进的视觉感知、运动控制等人工智能技术，以在手术过程中进行环境感知、信息处理和任务执行。自主手术机器人的设计可能旨在提高手术的精确性、安全性和效果，减少对医生的直接手动操作的依赖。”类比人类，自主手术机器人需要具备：(1)感知环境的感知系统，类似的人的视觉，触觉等；(2)分析获取的信息并给决策的决策系统，类似人的大脑；(3)根据决策进行动作的执行系统，类似人的手。综上，自主手术机器人需要有自己的“眼”“脑”“手”，即感知系统、决策系统和执行系统。(二)主要组成部分TSINGHUA PBCSFNIFR国家金融研究院根据上一节的分析可知，一个具备自主性的手术机器人系统主要感知系统、决策系统和执行系统三大部分组成，并且各部分之间存在着如图1-1所示的信息传递关系。医生9105决策3执行感知2病人图1-1自主手术机器人系统主要组成部分其中，决策系统就是自主手术机器人的“大脑”，其主要作用是根据所获取的信息规划机器人下一步的操作动作，同时需要对一些紧急的情况进行处理，比如重新规划动作，等待外科医生确认授权等；执行系统就是自主手术机器人的“手”，根据决策系统的规划动作对应的指令执行动作，同时将手术过程中执行系统获取的力和位姿信息反馈给决策系统；感知系统主要是手术机器人系统的“眼晴”，主要是指用于获取手术环境的相机，或是一些为了获取手术视野部分目标位姿变化使用的传感器，同时也可以是进行手术实时引导的医学影像等。自主手术机器人系统的作用对象就是病人，环境是指手术操作的主要目标组织和周边的环境，比如心跳、呼吸4TSINGHUA PBCSFNIF国家金融研究院等的影响。图1-1中的数字代表着不同部分之间信息的传递，其中1-3是从决策系统到手术环境的正向信息传递，4-8表示从手术环境到决策系统传递的反馈信息，9-10表示在自主手术机器人遇到不能解决的问题时术式由自主手术转换成遥操作手术术式的切换信息，带撇的数字表示术式变换后外科医生和手术机器人的执行系统和感知系统之间的信息传递。自主手术机器人在得到外科医生的确认和授权后会进入手术任务自主进行的阶段。该阶段将产生如下的信息传递：信息1一一决策系统根据获取的信息进行动作规划，并将规划路径对应的指令信息传递给执行系统。信息2一一执行系统的动作会直接作用于环境，比如在手术中执行系统对组织进行缝合动作。信息3一一有时为了获取全部的或者适应动态变化的手术视野，决策系统会根据需要向感知系统发送指令从而调整感知系统的位姿等信息。信息4一一执行系统对环境组织进行操作的同时，组织会对执行系统产生力的作用，使得执行系统发生形变等反作用。信息5一一执行系统对目标组织进行操作的同时，组织对执行系统的力和位姿的影响通过传感技术反馈给决策系统从而调整规划实现执行系统更加精确的运动控制。信息6和7一一感知系统通过相机或者其他感知技术获取手术视野中目标组织和执行系统的位姿等信息。5TSINGHUA PBCSFNIFR国家金融研究院信息8一一感知系统获取的信息实时或者执行系统每次执后传递给决策系统。相对自主性等级4级和5级的手术机器人系统，现阶段的自主手术机器人系统的目的是更好的帮助医生分担简单重复、负担重的手术子任务，而并不是去取代医生。因此，具有3级自主化的自主手术机器人系统是当下的研究和实现的目标)。也就是，在获取医生的授权后可以自主进行手术子任务，但是医生可以根据手术机器人的执行情况随时将自主手术术式变成遥操作的手术术式。这样可以保证手术机器人系统在遇到解决不了的问题时手术仍然可以顺利进行。当自主手术机器人系统在自主进行手术的过程中遇到不能解决的或者突发的情况，外科医生会拿回手术的主导权通过遥操作的方式继续进行手术（信息10）。此时，外科医生直接通过交互界面获取感知系统的信息(8')和执行系统反馈的信息(5')，同时，医生会根据需要调整感知系统的位姿(3')和执行系统的执行动作(三)自主化等级划分与汽车自动驾驶领域一样，自主手术机器人也需要采用等级划分的方式来描述手术机器人的自主化的程度。目前，对手术机器人从完全主从式控制到完全的自主手术的不同自主性程度的分类的研究有很多B-。其中，匈牙利Obuda大学的Haidegger]对每个自主性级别的定义进行了基于所执行任务的类型或数量的经验性评价，并通过具体的指标对连续的自主性等级进行了恰当的描述和解释。该6