手术机器人: 是昆虫?王冠?还是挂得低的果实?
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手术机器人: 是昆虫?王冠?还是挂得低的果实?

目前国内医疗设备以及机器人产业引起了资本的极大兴趣, 医疗手术机器人产业汇集了两个产业热点。i黑马日前采访了英国帝国理工学院医用机电系统研究室的研究员刘芳德博士,请他谈一谈手术机器人在研发和产业上的机遇与挑战。

英国帝国理工学院的医用机电系统研究室是世界著名的手术机器人研究团队, 由手术机器人之父戴维斯布莱恩(Brian Davies)教授创立, 医用机电系统实验室在1989年开发出了第一部医用专用手术机器人RPOBOT并完成了第一例临床前列腺切除机器人手术。2013年 机电系统实验室的孵化的手术机器人Mako Rio(原名ArcRobot)被美国的Stryker公司以16.5亿美元收购,Mako Surigical目前全球仅次于Intutive Surgery全球第二大的手术机器人公司。

目前国内医疗设备以及机器人产业引起了资本的极大兴趣, 医疗手术机器人产业汇集了两个产业热点. i黑马日前采访了英国帝国理工学院医用机电系统研究室(mechantronics in medicine)的研究员刘芳德博士, 刘博士目前主持两部手术机器人的控制软件系统的开发, 请他谈一谈手术机器人在研发和产业上的机遇与挑战。
 

以下为i黑马采访刘芳德博士(简称“刘”)的实录:

手术机器人是挂得低的果实

i黑马: 机器人是全球各个产业热点, 而英国的机器人应用研究似乎精力主要集中在手术机器人上, 这是偶然还是英国特意为之?

刘: 这不是偶然, 是英国产业战略委员会深思熟虑的结果。

实际上全球发展机器人产业的尝试己经有一百多年的历史了, 各行各业都尝试过机器人跟自动化.  但老实讲, 多数都不成功. 只有工业机器人被广泛应用. 分析原因就发现, 除去成本因素, 机器人系统的主要局限性还是在自适应各种环境的人工智能。

工业机器人成功是因为工厂的工作环境变化不太,所以编程控制实现自动加工. 而对于自动驾驶汽车, 控制系统必须学会应付各种可能的情况, 目前的智能控制还很难达到这种水平. 类似的情况也出来在服务机器人。所以全自主的工作在复杂环境中的机器人的成功必须要等到人工智能技术有所突破之后. 而相对而言, 手术虽然复杂, 但通常环境可控, 因此更容易成功.

目前来看, 全球的机器人产业中, 工业机器人己经成功, 手术机器人己经开始成功, 自动驾驶的汽车还在实验室里.

所以在机器人产业中 所以手术机器人是挂得低的果实, 是一下个最有可能取得成功的领域.

目前受限于现在人工智能的水平, 机器人比不上人随机应变的能力, 但机器很容易在速度, 精度,力量,体积上战胜人, 而速率,精度, 手术安全的重要指标, 跟人相比, 手术机器人的优势明显, 并且这些因素会随着技术的进步不断强化。

正像布莱恩教授在柳叶刀(lancert)文章中提到的, 手术机器人有一个美好的未来, 而且只会越来越美好. 目前很多微创手术可能过几年来看就是重创了. 人工手术可能要开十几厘米的口了, 达芬奇只有几毫米, 但是目前的眼科手术机器人可能只有几微米,比眼角膜细胞还小.

i黑马: 一直以来我们都认为手术机器人是高端的技术, 很少会想到居然是最容易成功机器人. 那重点发展手术机器人,还有没有其它经济跟社会方面的原因呢?

刘:其实还有很多的。

第一点是机器人技术目前成本都高. 医疗的市场空间足够大可以支付得起昂贵的设备,所以从机器人角度来说, 医用的机器人推广要更容易些. 离子刀造价两亿, 许多核磁设备的价格都在千万级。相对而言汽车如果这个价格就卖不出去了, 许多消费电子公司在开发吸尘器机器人, 售价要到二三万, 市场接受起来是很困难的。

第二英国的医学跟手术技术是英国的传统优势项目, 英国一直就拥有开发手术跟医疗设备的传统, 内窥镜,CT,核磁技术最早都是英国开发的。手术机器人目前在英国被上升到的战略高度, 因为医疗系统认识到手术机器人是未来医疗产业的平台级技术。

最后也是最重要的一点是目前所有的发达国家都不堪医疗重负。美国每年在医疗上的支出占到了GDP的16%,英国的全民免费医疗系统花掉了公共财政的40%, 而这其中70%以上是人工费用。 虽然昂贵,微创手术机器人成熟起来,有潜力大幅降低医疗成本。在发达高福利的西方国家, 手术机器人的开发是国家战略。

i黑马:你提到手术机器人是平台级技术,这似乎跟我们理解的高端医疗器械有差别。能说说为什么手术机器人是平台级而其它技术不是吗?

刘:手术机器人是不同于其它的医疗器械,它是可以改变许医疗行业的许多规则。简单的说,对现有的医用器械行业来说,目前许多医疗器械都是为人设计的,而一旦手术由机器人来做,一些器械就不需要了,一些器械必须重新设计,还有许多器械要被发明出来。对医生来说,手术机器人为改进手术方案提供了巨大的空间。而对于未来的医疗技术来说,手术会成为入口级的技术,很可能改变医疗行业中许多分支的商业模型。

i黑马:你说的几点都有很意思,能不能详细举例说明一下,特别是后两点,很多企业家都会非常有兴趣。

刘:手术机器人连接着传感器跟手术刀,是连接着所有医学设备的控制器,这点上非常像医学中的操作系统,它会成为所有医疗器械设计制定产业标准。目前世界级的内窥镜生产商,他们就非常担心自己的未来,如果世界上的手术都由达芬奇做,那达芬奇就是世界上最大的内窥镜生产商,手术器械的生产商要不为达芬奇提供配件要不就将失业。类似事情其实很多,像剪刀,手套,支架产器, 影像设备的生产商都有这个问题。

但也要看到这其中也有许多机会,前年一个来我们实验室做毕业设计的本科生,为方便达芬奇系统做无疤甲状腺切除手术设计了一种新的支架,目前己经拿到了几百万镑的风险投资,产品己经上市用于临床。这件事是很有代表性。

手术机器人不同于其它的医用器械,它是平台,有巨大的二次开发的空间。目前许多医学手术方案并不只是考虑患者建康,必须要考虑手术的风险。我们在髋关节移值手术中,其实有三种手术方案:内切,后切跟侧切。后切是最安全的,但是日后易脱臼,关节磨损更快。内切没这个问题,但是手术难度大风险高,所以目前80%的手术还都后切跟外切。类似的情况有很多都是手术机器人可以发挥实力的地方,未来的手术方案会有很大的变化。

第三点是医疗创新的许多新技术也离不开手术技术的支持,手术是整个医学治疗的物流系统,是所有方案进入人体的入口。目前最大的杀手的癌症跟心脑血管病,除了传统治疗方案之外,器官的培养跟打印己经初步成功了。我们在在前年见伦敦大学学院用人工培养的气管组织成功救治了喉癌晚期的病人。人工心脏跟血管己经在临床实验了。这些技术的效率跟成本其实并不高,伦敦大学学院的喉管一星期可以长两米长,够几百人用的。未来心脏生长可能要花几个月,跟长庄稼差不多。可能再过十几年,人工人造心脏会被广泛应用的。。但是我们发现手术依然是大问题,全球有大量的心血管病人,未来技术可能培育出造出大量的心脏,但全球能做心脏移植手术的风险跟成体依然很高,如果不把心血管手术的风险跟成本降低, 多数的患者还是得不到救治.

最后就是在商业模式上。其实上除了达芬奇,许多手术机器人都没买给医院,而是卖给了医疗器械生产商。Stryker卖了我们的机器人,美敦力(全球具大的医用器械公司,主营起博器)收柯惠。强生现在伦敦到处找机器人买。随着中国企业的进步和竞争,医疗器械的产品价格会越来越低,欧美医用器械产品生产商会一点一点的向服务提供商转型。在欧美,许多时候手术的费用是高过起博器的费用的。比如Stryker有了我们的机器人之后,并不是通过销售机器人来盈利.除了销售人造关节,也提供客户关节定制以及手术安装的服务,并且提供手术技术资询的服务。比如去年英国BBC报阿富汗的伤兵被地雷炸断腿,腿部炸成了几百块。它的骨碎片的摘除,关节的定制以及最后的安装都是借助我们的手术机器人技术完成。

所以未来医疗的商业模式也可能会出现大的变化,医院更多的是诊断,而手术治疗可能更多的外包出去。所以手术机器人不是作为盈利产品, 而是作为布局未来, 垄断行业的战略技术武器. 对于只生产器械产品的竞争者来说,这是非常可怕的。

手术机器人是技术的王冠

i黑马:虽然手术机器人有很多的前景,但是手术机器人价格依然很高,全球有开发实力的企业很少。我们知道日本开始集合东艺日立等产业巨头要开始进军手术机器人,中国还没有这方面的大型企业。许多介绍说手术机器人集合了多学科的知识,给人的感觉这个行业的门槛很高。这个行业的门槛究竞在哪里?

刘:这是一个很重要但也是很复杂的问题。我的观点是手术机器人的门槛有两方面。一是投计的门槛,这个是首要的,后一个才是工程技术的门槛。在任何时代, 技术都在发展, 医学都在进步, 但技术依然有限制. 我们今天看到的手术机器人实际上都是利用二三十年前的技术设计建造的, 布莱恩设计第一代手术机器人时,还没有处理器呢. 今天的己经应用的机器人很难说技术上领先, 设计上的差距才是更主要的.

布莱恩教授三十年中设计了十几个机器人, 但最终成功的只一个. 即使他自己有时也自嘲以科学研究的名义浪费了许多时间跟金钱.  而虽终成功的并不是技术最复杂的. 在他看第一代达芬奇的时候, 工程设计评价也很低, 为心血管手术设计的达芬奇最初也不成功, 只是后来情况发生了戏剧性的变化,因为手术专家开始用达芬奇做腹腔手术, 达芬奇一下子流行起来。

i黑马: 设计的门槛究竟在哪呢?

刘: 作为一种医疗产品, 手术机器人的价值不体现在工程技术 而是临床治疗效果.

我们每年在国际各种机器人学术会议上见到各种手术机器人技术, 但是不到百分之一的能做体外测试, 万分之一的能做人体实验, 而有临床有明显效果的不到百万分之一.

许多手术机器人的设计目标只是简单的用机器做人能做的事, 按这个思路设计的机器人都不太成功. 为了病人的安全, 我们不会让手术全自动, 一定是医生在使用。医生除了学习成本之外, 额外机器人也会加重医院跟病人的负担。 成功的手术机器更重要的是医学手术上有创新, 能做人做不了手术, 要在治疗效果上有超越传统方案. 所以必须要有医学工程综合知识全面的人来领导跨学科合作的团队. 事实上全球的手术机器人创新团队并不一定在工程技术研发中心,但都在医学研究的中心如哈佛大学, 帝国理工以及约翰·霍普金斯大学. 达芬奇是机器人其实是心血管医生设计的, 我们的mako系统设计合作者是全球骨科跟肌肉系统手术的权威. 医学上创新的相象力要远比工程学上宝贵得多.

有了医学设计, 工程上的难题不在于高精尖, 而在于要有一个系统化的观点, 手段要多样, 视野要宽广. 机程上的问题可以医学手段解决, 医学问题上的问题可以物理解决解决。作为一个机器人系统, 手术机器人可以不复杂, 但通常设计得非常特别.

i黑马: 那说一说手术机器人跟传统机器人的差别有哪些?

刘: 在工业机器人的卖点是速度,成本跟精度. 手术机器人跟人亲手做手术相比比最大的优势是安全. 考虑到医疗安全性, 医疗机器人通常会被设计得更小, 越来越多的采用柔顺冗余结构. 这就带来了许多制造, 控制跟传感器设计的难题. 医学上对小型化的追求是无止境的, 毫米级的手术机器人放在腹腔中, 微米级的放在血管跟细胞中, 纳米级的用来分析蛋白质, 更小的可以用来输送基因. 正是因为这一点, 手术机器人常常会采用到最前沿的传感器跟测控技术, 新材料. 微波, 光纤, 超导, 纳米材料都在手术机器人研究中被考虑。即使是昂贵的新技术, 医疗行业中也有商业的机会。

高端的器械的进步常常依靠基础物理学跟材料学的研究突破,己经超出了工程技术的能力。目前在欧美, 新技术常常首先被国防跟医疗采用, 而后再应用到其它工业. 所以手术机器集成了许多新技术汇聚点, 成为技术中的王冠. 但老实讲,目前的可用的新技术己经很多了,应用廉价技术实际上可都可以取得很显著治疗效果。

i黑马: 高科技很神奇, 说说痛点, 举几个例子说手术机器人为什么非常必要?

刘: 其实高端的手术中, 现在医疗设备己经很多了. 即使在哈佛的心血管用术团队,做一个手术要七八个人, 至少有四个人负责不同影像设备, 通讯基本靠吼. 每小时出错3.5次. 在视网膜跟耳膜移植上, 风险非常高. 在这个几领域都己经有很多半自动化的手术方案.

i黑马: 听你说,我感觉手术机器人的技术似乎还可以用在许多其它方面。

刘: 的确是这样的。人需要医疗, 机器设备需要检修跟测试。我们除了医疗机器人, 也会参与项目如维修飞机发动机跟核电设备老化检测, 还有一些医学生物的同事用医疗设备帮美国航天局修飞机上有太阳能电池. 因此高端医用设备的生产商如西门子,GE都是工业技术的巨头, 同时经营着国防跟医疗行业。

手术机器人是昆虫

i黑马: 你在一开始就提到机器人的研究中的人工智能。目前全球人工智能跟大数据非常热门. 而且中国的如百度也在机器学习上领导全球, 借助大数据, 你觉得会不会有新的大数据手术机器人异军突起。

刘: 这是一个非常好的问题,我很难给出简单的答案。

我说一说我的看法。目前人工智能跟大数据的发展在医学上的主要应用还是诊断跟药物分析上.在手术信息化中, 欧美在大量使用手术的全部记录分析手术事故跟医生的手术水平. 原因大数据跟深度学习多数应用还只是分类器,而不是控制器, 两者密切相关, 但是又不太一样, 这可能也是全球机器人研究跟计算机研究的不同点. 机器人的研究更多的是观注视觉跟运动控制系统. 大数据更像是高级智能的研究实现人的解决复杂问题的能力, 机器人的研究更多时低极的运动控制跟协调能力, 感觉上大数据是在做更聪明的人, 而我们更多的关注的昆虫动物级别的智能. 我们目前不希望机器人代替医生做复杂的决策, 更多的时候, 手术机器人是提高速度精度, 降低创伤。

在技术上, 虽然都属于模式识别, 但大数据目前主要用在识别(recogation)上,而手术机器人更观注于配准(registration).另外在许多数据分析中都不使用复杂的专业知识数学模型, 而更喜欢直接从数据中分析出这些信息. 但在手术机器人中, 控制系统还是很依赖精确的数学模型. 比如说心脏, 深度学习通常可以从各种物体中识别出心脏, 以及在图像中的位置. 但对手术来说, 只有这些信息还远远不够. 在手术应用中, 我们对物体识别的要求不高, 因为通常我们知道是在心脏上做手术. 但信号配准精度高要求高, 我们目前的技术可以实时分析心肌的缩张变形,压力, 化学成分, 以及血流速度以及是至关重要的, 这些信自息目前是通过基于物理跟病理模型的信号较准来实现,而对于肿瘤识别, 我们更多依靠功能显影剂而不是靠模式识别。

手术机器人其实也要处理大量的数据, 但通常的时候速度要求非常高。我们的影像设备每秒十几GB的速度产生数据, 更多时候要靠定制硬件实现。

i黑马: 我们一提手术机器人就是达芬奇,下一代的手术机器人实现什么功能呢?

刘: 我个人认为是软组织的形变跟踪跟手术力学控制,目前技术上己经能实现。

结论

i黑马: 中国目前有许多企业家对医疗建康产业非常热情, 也有许多IT公司进入医疗行业。你这些现象有什么看法。

刘: 我们见到了许多信息管理跟接口的技术, 但有临床意义的还并不多. 在医疗这行业的技术创新观注诊断跟治疗. 第二点是医疗行业很特别, 问题也很多. 机会也很多. 技术创新速度是远远越过信息产业. 医保是全球性的难题, 经营医疗产业要经营一个很大的格局。

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