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新開了欄目—專利情報。

專門分享高精尖領域的牛公司、牛專利、研發(fā)動向。

本期講的是醫(yī)療器械領域的大牛公司－－Intuitive Surgical，Inc（直覺外科）。

這家手術機器人公司，處于行業(yè)霸主地位，占據(jù)全球市場份額超過80％，類似于芯片領域ASML阿斯麥光刻般的存在。

人家早已深入研發(fā)如何用AI手術機器人代替人類主刀醫(yī)師了！

附帶一提，在德高行全球專利數(shù)據(jù)庫（德高行是全球專利分析及國內(nèi)外專利申請服務的專家，有專利問題找德高行）里，INTUITIVE SURGICAL OPERATIONS目前有4477件美國專利，包括2730件發(fā)明公開、1665件發(fā)明授權、外觀設計66件。

01直覺外科的故事

Intuitive Surgical， 成立于1995年，總部位于美國加利福尼亞州陽光谷。

公司自行設計、生產(chǎn)及銷售達芬奇牌手術系統(tǒng)。

達芬奇手術機器人在醫(yī)療系統(tǒng)聲名赫赫，無人不知。

之所以那么牛，因為達芬奇這套全自動手術系統(tǒng)可以極大程度地解放外科醫(yī)生，通過微控操作和視覺成像等多種新技術最大程度地減少病患痛苦，降低失敗幾率。

早年的微創(chuàng)治療手段比較繁瑣，醫(yī)生需要在患者身上打幾個小洞，將器械伸進患者的腹腔或者胸腔，通過器械上的小鏡子，就可以在屏幕上看到患者體內(nèi)的情況，進行手術。

不過，醫(yī)生不能將手（手太大）伸進患者的體內(nèi)，所有操作都通過器械間接完成，對醫(yī)生來說，難度較大。

達芬奇手術機器人則完美解決了一難點。

‘“達芬奇”的手像醫(yī)生的手，它聽得懂醫(yī)生的指令，但又比醫(yī)生的手更細更巧，手進不去的地方，它能進去。只要接到指令，它就可以在狹小的空間內(nèi)自由穿梭。而且它規(guī)避了人手抖動的弊端，大大提高了手術的精準性和安全性。

達芬奇手術系統(tǒng)自2000年獲得FDA批準進行腹腔手術之后，總共進行了四次更新?lián)Q代（即系統(tǒng)的平均壽命為5年左右），四代的型號分別是達芬奇，達芬奇S，達芬奇Si和達芬奇Xi／X。達芬奇系統(tǒng)分成三個部件：手術醫(yī)生操作臺，病人端以及顯示端。

現(xiàn)今，前列腺切除術在美國幾乎已經(jīng)被機器人包辦。達芬奇在過去20年間陸續(xù)進入更廣泛的應用范圍，包括子宮切除術，疝修復手術，結直腸手術，膽囊摘除術，減肥手術等。隨著搭配達芬奇的工具，尤其是高級工具日漸完備，系統(tǒng)也向更多的軟組織手術類型開展應用。

截止到2021年底，達芬奇全球安裝活躍系統(tǒng)達到6700臺以上，去年全年通過達芬奇總共完成超過150萬臺手術。目前公司市值1000億美元。

國內(nèi)醫(yī)院要是沒有一套達芬奇手術機器人，都不好意思叫醫(yī)院！

今天，知情郎就專門解讀下直覺外科公司的最新專利，看看行業(yè)頂級公司最新研發(fā)動向，由于是全英文的國外醫(yī)療器械最新專利，很多專業(yè)術語靠機器＋人工的翻譯未必準確，請見諒。

02側視微創(chuàng)手術器械

發(fā)明的領域

本發(fā)明的各個方面與用于微創(chuàng)手術的系統(tǒng)和程序有關。特別是用于這種系統(tǒng)的遠程操作系統(tǒng)。

背景技術

微創(chuàng)手術有各種名稱（如內(nèi)窺鏡，腹腔鏡，關節(jié)鏡，內(nèi)管孔、鑰匙孔等），在工作的解剖領域，這種手術包括使用手持和遠程操作／遠程操作／遠程呈現(xiàn)（機器人輔助／遠程機器人）設備，如由加州森尼維爾的直觀外科公司制造的daVincif外科系統(tǒng)。

診斷（如活檢）和手術程序都已明了。器械可以通過手術切口或自然孔經(jīng)皮插入患者體內(nèi)。

一種新的實驗性微創(chuàng)手術變異是自然孔腔內(nèi)內(nèi)鏡下鏡（注）。

器械通過一個自然孔（口、鼻孔、耳道、肛門、陰道、尿道）進入，并通過體內(nèi)的腔內(nèi)切口（如胃或結腸壁）繼續(xù)進入手術部位。

雖然使用達芬奇手術系統(tǒng)的遠程手術提供了很大的好處，例如，許多手持手術，對于一些病人和某些解剖區(qū)域，達芬奇手術系統(tǒng)也有無法有效觸達的手術部位。

此外，進一步減少切口的大小和數(shù)量有助于患者的恢復，并有助于減少患者的創(chuàng)傷和不適。

所以要考慮大量的力學、運動學，來優(yōu)化達芬奇手術系統(tǒng)，專利提供了一種設計思路。

自由度數(shù)（DOFs）是指唯一識別系統(tǒng)的姿態(tài)配置的獨立可變變量的數(shù)量。

由于機器人操縱器是將（輸入）關節(jié)空間映射到（輸出）笛卡爾空間的運動學鏈，因此DOF的概念可以用這兩個空間中的任何一個來表示。

特別地，關節(jié)自由度集是所有獨立控制關節(jié)的關節(jié)變量集。不失一般性，關節(jié)是提供單一平移（棱柱形關節(jié)）或旋轉（旋轉關節(jié)）DOF的機制。

從運動學建模的角度來看，任何提供多個DOF運動的機制都被考慮為兩個或多個獨立的關節(jié)。笛卡爾自由度集通常由三個平移（位置）變量（如波動、起伏、搖擺）和三個旋轉（方向）變量（如歐拉角或滾動／間距／弧角）表示，它們描述了末端執(zhí)行器（或尖端）坐標系相對于給定參考笛卡爾坐標系的位置和方向。

例如，安裝在兩個獨立且垂直的軌道上的平面機構能夠控制兩個軌道（棱柱自由度）所跨越區(qū)域內(nèi)的xy位置。如果末端執(zhí)行器可以圍繞垂直于軌道平面的軸線旋轉，則有三個輸入自由度（兩個軌道位置和弧角），對應于三個輸出自由度（x／y位置和方向角），

雖然笛卡爾自由度的數(shù)量最多是6，條件中所有的翻譯和定向變量是獨立控制，聯(lián)合自由度的數(shù)量通常是設計選擇的結果，涉及考慮的機制的復雜性和任務規(guī)范。

因此，聯(lián)合自由度的數(shù)目可以大于、等于或小于6。

對于非冗余的運動學鏈，獨立控制的關節(jié)的數(shù)量等于末端執(zhí)行器框架的移動度。對于一定數(shù)量的棱柱形和旋轉旋轉自由度，末端執(zhí)行器框架在笛卡爾空間中具有相同數(shù)量的自由度（奇異結構除外），這將對應于平移（x／y／z位置）和旋轉（滾動／俯仰／偏航方向）運動的組合。?在具有冗余或“失效”運動鏈（如機械操縱器）的情況下，輸入和輸出自由度之間的區(qū)別是非常重要的。特別是，“有缺陷”的操縱器少于6個獨立控制的接頭，因此沒有能力完全控制末端執(zhí)行器的位置和方向。

相反，有缺陷的操縱器只能控制位置和方向變量的一個子集。

另一方面，冗余操縱器有6個以上的聯(lián)合自由度。因此，冗余機械手可以使用多個關節(jié)配置來建立所需的6－DOFend效應器姿態(tài)，換句話說，加調(diào)自由度不僅可以用來控制末端效應器的位置和方向，還可以用來控制操縱器本身的“形狀”。

除了運動學自由度，機構可能有其他自由度，如夾持爪或剪刀刀片的旋轉杠桿運動�？紤]指定自由度的空間的參考系也很重要。

例如，關節(jié)空間中的一個DOF變化（例如，兩個鏈接之間的關節(jié)旋轉）可能導致一種運動，該運動結合了笛卡爾平移和定向變量的變化（遠端尖端的框架通過空間旋轉和翻譯）。運動學描述了從一個測量空間轉換到另一個測量空間的過程。

例如，使用聯(lián)合空間測量來確定運動鏈頂端參考系的笛卡爾空間位置和方向是“正向”運動學。使用笛卡爾空間頂端的參考系位置和方向來確定所需的關節(jié)位置是“逆”運動學。如果存在一個旋轉關節(jié)，運動學涉及非線性（三角）功能。

根據(jù)本發(fā)明的各個方面，通過導管插入一種手術器械。手術器械在導管的中間位置出口，并在導管離開時朝向基本平行于導管的縱向軸，立體圖像捕獲組件位于導管的中間位置和導管的遠端之間。圖像捕獲組件的視場通常垂直于導管的縱向軸。導管被連接，以允許移動圖像捕捉組件。手術器械和導管由端脈沖控制。

03體積更小的手術機器人

技術背景

微創(chuàng)醫(yī)療技術旨在減少在醫(yī)療手術過程中受到損傷的組織數(shù)量，從而減少患者的康復時間、不適和有害的副作用。

這種小型侵入性技術可以通過患者解剖中的自然孔或通過一個或多個手術切口進行。

通過這些自然的孔或切口，操作者（如醫(yī)生）可以插入微創(chuàng)醫(yī)療器械（包括手術、診斷、穿刺或活檢器械）來到達目標組織的定位。

其中一種微創(chuàng)技術是使用靈活和／或可操縱的細長裝置，如柔性導管，它可以插入解剖通道，并導航到患者解剖結構內(nèi)感興趣的區(qū)域。

醫(yī)務人員對這種細長裝置的控制涉及對若干自由度的管理，包括至少對細長裝置的插入和回縮的管理，以及對裝置的轉向。

此外，還可以支持不同的操作模式。

一些微創(chuàng)醫(yī)療器械可以通過遠程操作或以其他計算機輔助。

在將醫(yī)療器械連接到遠程操作操縱器后，可以通過遠程操作或手動操縱操縱器來調(diào)整器械。當調(diào)整儀器時，可能需要改變儀器的位置（例如，垂直和／或水平），同時主保持儀器的恒定方向。例如，在調(diào)整儀器的垂直或水平位置時，可以保持儀器相對于地面的方向。

需要通用的系統(tǒng)和方法，以允許儀器的調(diào)整，同時保持儀器的方向。

本發(fā)明提供了一種醫(yī)療系統(tǒng)。該系統(tǒng)可包括包括近端鏈接和遠端鏈接的支撐結構。以更精煉的裝置和結構，支持微創(chuàng)醫(yī)療。

04AI 手術機器人！

本公開通常涉及機器人手術，更具體地涉及利用人工智能操作手術機器人（例如，執(zhí)行椎板切除術）的手術，進一步還包括利用圖像識別系統(tǒng)的人工智能引導系統(tǒng)。

技術背景

早在3500年前，埃及的醫(yī)生就一直在進行侵入性手術。盡管從那以后我們的工具和知識有所提高，但直到最近，手術仍然是人類手的手工任務。

大約15年前，直覺外科公司的達·芬奇手術機器人是一種新的手術設備，通常用于幫助外科醫(yī)生更精確，特別是在手術過程中消除自然的手部震顫。

自從直覺外科公司的達·芬奇外科機器人的到來。

還有許多其他的外科手術機器人被引進了。

今天，我們正處于一波新的創(chuàng)新浪潮中，其最好的特征是外科機器人與人工智能（AI）和從機器人系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)的融合。

我們現(xiàn)在正在通過收集和分析通過這些機器人視覺系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來“數(shù)字化”手術，如運動跟蹤、捕捉圖像等。這樣就可以增強手術過程了。

例如，微創(chuàng)脊柱手術最近隨著內(nèi)窺鏡的使用，成像設備的創(chuàng)新和醫(yī)學機器人的進步。值得慶幸的是，與傳統(tǒng)手術相比，患者疼痛少，切口小，并發(fā)癥少，患者恢復正�；顒涌臁Ｍ饪漆t(yī)生現(xiàn)在可以用一個非常小的內(nèi)窺鏡取出破裂的椎間盤，并借助微型相機和不大于0．5英寸的切口修復疼痛的椎間盤。

機器人和計算機現(xiàn)在在協(xié)助外科醫(yī)生進行這些微創(chuàng)手術中發(fā)揮著越來越大的作用，支架坐在一個車站上，看著顯示放大手術視野的監(jiān)視器。計算機模擬并增強了外科醫(yī)生的手的移動能力。

在這種情況下，計算機通過抑制外科醫(yī)生手中的微小震顫，使運動更加精確，這可能會增加在高倍顯微鏡下進行手術的稀釋度。

即使是機器人增強了外科醫(yī)生的能力。要掌握這項技術，需要進行大量的練習。

機器人也被用來幫助完成可能會讓外科醫(yī)生感到疲勞的任務。

這個想法形成了“伊索”，這是一種自然語言語音激活的機械臂，在內(nèi)窺鏡手術過程中為外科醫(yī)生提供照相機和內(nèi)窺鏡組件。

這一創(chuàng)新減少了人們完成這項任務的需要，并通過精確地移動到外科醫(yī)生命令機器人的地方，提供穩(wěn)定的圖像來提高結果。

計算機也被用于圖像引導系統(tǒng)，為外科醫(yī)生提供實時圖像，并允許他導航到脊柱上的特定位置。外科醫(yī)生可以使用術前獲得的數(shù)字信息，如MRI或CAT掃描，或使用實時透視x射線來開發(fā)脊柱的三維圖像，并確定放置在脊柱上的探針的確切位置。

這種技術已被證明可以減少有時用于固定脊柱的椎弓根螺釘?shù)姆胖缅e誤。此外，這項技術將擴大到允許更精確的靶向問題，最少的切口和更少的手術并發(fā)癥。

在微創(chuàng)脊柱手術中使用機器人技術和計算機，使手術程序更準確，縮短了手術時間，減少了并發(fā)癥。由于手術時的實時三維成像，預計計算機增強圖像引導系統(tǒng)將提高這些程序的精度。診斷學研究將通過數(shù)字方式傳輸?shù)绞中g室，并計劃進行監(jiān)測，以進一步幫助外科醫(yī)生在對患者創(chuàng)傷最小的情況下進行正確的手術。

如今，基本上有三種人工智能用于外科手術。第一個是IBM的沃森系統(tǒng)。它使用了一個專家的視頻系統(tǒng)。沃森存儲了穩(wěn)定的醫(yī)療信息，并對外科醫(yī)生的自然語言查詢做出回應。沃森成為了一名智能的外科助手。?其次是“機器學習”算法。

這些算法使用無監(jiān)督模式匹配算法，該算法將幫助醫(yī)生識別一系列癥狀結果何時與先前特定手術問題或結果的類似模式相匹配。這將幫助外科醫(yī)生在他們身邊擁有一個學習機器。?第三種是像“AlphaGo”這樣的技術，它通過獲取數(shù)據(jù)來訓練自己找到自己的模式。

所有的手術數(shù)據(jù)和結果都被創(chuàng)建出來，AlphaGo將會自己做手術，看看它是否能首先復制結果，然后改善結果。?傳統(tǒng)的機器人手術方法并沒有在特定領域采用Al，比如脊柱手術，利用人工智能進行圖像識別。

因此，需要新的方法來利用人工智能來改善機器人外科外科手術的結果，如微創(chuàng)機器人脊柱手術程序。

一些實施案例

在一些實施例中，該系統(tǒng)可以獲取感興趣區(qū)域的一個或多個圖像，并且該圖像可以被發(fā)送到圖像識別系統(tǒng)。

這些圖像可以是靜止的圖像或視頻。如果該系統(tǒng)識別出了目標組織，就可以產(chǎn)生一個手術計劃。

例如，可以通過比較一個或多個圖像與參考圖像來識別目標組織。

這種比較可以用來識別要移除的組織，確定手術何時完成等。在一些實施例中，可以通過比較當前程序中受機器人影響的組織層數(shù)與參考數(shù)據(jù)（例如，在統(tǒng)計上相似的患者中完成該手術步驟的平均層數(shù)）來識別目標組織。

對于外科醫(yī)生來說，組織按照手術計劃的規(guī)定受到影響，這個過程不斷重復，直到目標組織被移除。然后，機器人停止其進展，并將圖像呈現(xiàn)給外科醫(yī)生來定義。

如果外科醫(yī)生將該組織定義為目標組織，則更新圖像識別數(shù)據(jù)庫中識別的圖像庫，機器人繼續(xù)前進。這個過程可以應用于脊柱手術過程中的每個步驟，詳所述。?

在某些實施例中，支持系統(tǒng)和方法可以利用人工智能操作一個或多個外科機器人系統(tǒng)，包括外科機器人設備、人工智能指導系統(tǒng)、圖像識別系統(tǒng)、圖像識別數(shù)據(jù)庫和／或具有傳感器數(shù)據(jù)、電子病歷的過去程序數(shù)據(jù)庫。和／或成像數(shù)據(jù)。

該圖像識別系統(tǒng)可以識別患者體內(nèi)存在的組織類型。如果它是所需的或靶向的組織類型，Al引導系統(tǒng)可以使用手術機器人上的末端執(zhí)行器移除該組織。

如果圖像識別系統(tǒng)識別出不是執(zhí)行手術所需的組織類型，外科醫(yī)生可以定義組織類型。該系統(tǒng)可以根據(jù)預設的標準、醫(yī)生的輸入等條件，來識別解剖特征、異常特征、腫瘤邊緣、組織特征、組織類型、組織界面或其組合。

例如，圖像控制－認知系統(tǒng)可以評估圖像來識別地標，并至少部分地基于這些地標生成手術計劃。這些地標可以被該系統(tǒng)識別出來。醫(yī)生，或兩者兼而有之。在某些過程中，標志物可以是可識別的解剖特征（例如，棘突，骨突1、撕裂性骨內(nèi)膜、神經(jīng)、脊髓、椎間盤、椎體終板等）沿著病人的脊柱來制定一個手術計劃。

在某些實施例中，系統(tǒng)和方法可以使用手術前和／或手術期間獲得的圖像來引導機器人手術設備、末端執(zhí)行器、手術工具等，內(nèi)窺鏡可以用作引導線。內(nèi)窺鏡可以不斷地與前后（AP）視圖相互作用，使外科醫(yī)生可以不斷地觀察內(nèi)窺鏡。

這個系統(tǒng)可以擴展到覆蓋整個手術過程。使用內(nèi)窺鏡作為導絲，可以將內(nèi)窺鏡定位在患者內(nèi)部，作為手術導航程序的額外參考點。

       原文標題 : 【專利情報】AI手術機器人代替主刀醫(yī)師？手術機器人霸主直覺外科新專利解讀