知情郎·眼｜專利情報

新開了欄目—專利情報。

專門分享高精尖領(lǐng)域的牛公司、牛專利、研發(fā)動向。

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

這家手術(shù)機(jī)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(lǐng)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(shù)機(jī)器人代替人類主刀醫(yī)師了！

附帶一提，在德高行全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫（德高行是全球?qū)＠�分析及國�?nèi)外專利申請服務(wù)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(quán)、外觀設(shè)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(shè)計、生產(chǎn)及銷售達(dá)芬奇牌手術(shù)系統(tǒng)。

達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人在醫(yī)療系統(tǒng)聲名赫赫，無人不知。

之所以那么牛，因?yàn)檫_(dá)芬奇這套全自動手術(shù)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(shù)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(jìn)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(jìn)行手術(shù)。

不過，醫(yī)生不能將手（手太大）伸進(jìn)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(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人則完美解決了一難點(diǎn)。

‘“達(dá)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(xì)更巧，手進(jìn)不去的地方，它能進(jìn)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(shù)的精準(zhǔn)性和安全性。

達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)自2000年獲得FDA批準(zhǔn)進(jìn)行腹腔手術(shù)之后，總共進(jìn)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(dá)芬奇，達(dá)芬奇S，達(dá)芬奇Si和達(dá)芬奇Xi／X。達(dá)芬奇系統(tǒng)分成三個部件：手術(shù)醫(yī)生操作臺，病人端以及顯示端。

現(xiàn)今，前列腺切除術(shù)在美國幾乎已經(jīng)被機(jī)器人包辦。達(dá)芬奇在過去20年間陸續(xù)進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用范圍，包括子宮切除術(shù)，疝修復(fù)手術(shù)，結(jié)直腸手術(shù)，膽囊摘除術(shù)，減肥手術(shù)等。隨著搭配達(dá)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(shù)類型開展應(yīng)用。

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

國內(nèi)醫(yī)院要是沒有一套達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)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(shù)語靠機(jī)器＋人工的翻譯未必準(zhǔn)確，請見諒。

02側(cè)視微創(chuàng)手術(shù)器械

發(fā)明的領(lǐng)域

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

背景技術(shù)

微創(chuàng)手術(shù)有各種名稱（如內(nèi)窺鏡，腹腔鏡，關(guān)節(jié)鏡，內(nèi)管孔、鑰匙孔等），在工作的解剖領(lǐng)域，這種手術(shù)包括使用手持和遠(yuǎn)程操作／遠(yuǎn)程操作／遠(yuǎn)程呈現(xiàn)（機(jī)器人輔助／遠(yuǎn)程機(jī)器人）設(shè)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(shù)程序都已明了。器械可以通過手術(shù)切口或自然孔經(jīng)皮插入患者體內(nèi)。

一種新的實(shí)驗(yàn)性微創(chuàng)手術(shù)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(jìn)入，并通過體內(nèi)的腔內(nèi)切口（如胃或結(jié)腸壁）繼續(xù)進(jìn)入手術(shù)部位。

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

此外，進(jìn)一步減少切口的大小和數(shù)量有助于患者的恢復(fù)，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(xué)、運(yùn)動學(xué)，來優(yōu)化達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)，專利提供了一種設(shè)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(dú)立可變變量的數(shù)量。

由于機(jī)器人操縱器是將（輸入）關(guān)節(jié)空間映射到（輸出）笛卡爾空間的運(yùn)動學(xué)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(guān)節(jié)自由度集是所有獨(dú)立控制關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)變量集。不失一般性，關(guān)節(jié)是提供單一平移（棱柱形關(guān)節(jié)）或旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）DOF的機(jī)制。

從運(yùn)動學(xué)建模的角度來看，任何提供多個DOF運(yùn)動的機(jī)制都被考慮為兩個或多個獨(dú)立的關(guān)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(zhuǎn)（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(biāo)系相對于給定參考笛卡爾坐標(biāo)系的位置和方向。

例如，安裝在兩個獨(dú)立且垂直的軌道上的平面機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)，則有三個輸入自由度（兩個軌道位置和弧角），對應(yīng)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(dú)立控制，聯(lián)合自由度的數(shù)量通常是設(shè)計選擇的結(jié)果，涉及考慮的機(jī)制的復(fù)雜性和任務(wù)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(yùn)動學(xué)鏈，獨(dú)立控制的關(guān)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(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)除外），這將對應(yīng)于平移（x／y／z位置）和旋轉(zhuǎn)（滾動／俯仰／偏航方向）運(yùn)動的組合。?在具有冗余或“失效”運(yùn)動鏈（如機(jī)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(dú)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(jī)械手可以使用多個關(guān)節(jié)配置來建立所需的6－DOFend效應(yīng)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(yīng)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(yùn)動學(xué)自由度，機(jī)構(gòu)可能有其他自由度，如夾持爪或剪刀刀片的旋轉(zhuǎn)杠桿運(yùn)動。考慮指定自由度的空間的參考系也很重要。

例如，關(guān)節(jié)空間中的一個DOF變化（例如，兩個鏈接之間的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)）可能導(dǎo)致一種運(yùn)動，該運(yùn)動結(jié)合了笛卡爾平移和定向變量的變化（遠(yuǎn)端尖端的框架通過空間旋轉(zhuǎn)和翻譯）。運(yùn)動學(xué)描述了從一個測量空間轉(zhuǎn)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(yùn)動鏈頂端參考系的笛卡爾空間位置和方向是“正向”運(yùn)動學(xué)。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(guān)節(jié)位置是“逆”運(yùn)動學(xué)。如果存在一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，運(yùn)動學(xué)涉及非線性（三角）功能。

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

03體積更小的手術(shù)機(jī)器人

技術(shù)背景

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

這種小型侵入性技術(shù)可以通過患者解剖中的自然孔或通過一個或多個手術(shù)切口進(jìn)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(shù)、診斷、穿刺或活檢器械）來到達(dá)目標(biāo)組織的定位。

其中一種微創(chuàng)技術(shù)是使用靈活和／或可操縱的細(xì)長裝置，如柔性導(dǎo)管，它可以插入解剖通道，并導(dǎo)航到患者解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)感興趣的區(qū)域。

醫(yī)務(wù)人員對這種細(xì)長裝置的控制涉及對若干自由度的管理，包括至少對細(xì)長裝置的插入和回縮的管理，以及對裝置的轉(zhuǎn)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(yuǎn)程操作或以其他計算機(jī)輔助。

在將醫(yī)療器械連接到遠(yuǎn)程操作操縱器后，可以通過遠(yuǎn)程操作或手動操縱操縱器來調(diào)整器械。當(dāng)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(yuǎn)端鏈接的支撐結(jié)構(gòu)。以更精煉的裝置和結(jié)構(gòu)，支持微創(chuàng)醫(yī)療。

04AI 手術(shù)機(jī)器人！

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

技術(shù)背景

早在3500年前，埃及的醫(yī)生就一直在進(jìn)行侵入性手術(shù)。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(shù)仍然是人類手的手工任務(wù)。

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

自從直覺外科公司的達(dá)·芬奇外科機(jī)器人的到來。

還有許多其他的外科手術(shù)機(jī)器人被引進(jìn)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(jī)器人與人工智能（AI）和從機(jī)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(jī)器人視覺系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來“數(shù)字化”手術(shù)，如運(yùn)動跟蹤、捕捉圖像等。這樣就可以增強(qiáng)手術(shù)過程了。

例如，微創(chuàng)脊柱手術(shù)最近隨著內(nèi)窺鏡的使用，成像設(shè)備的創(chuàng)新和醫(yī)學(xué)機(jī)器人的進(jìn)步。值得慶幸的是，與傳統(tǒng)手術(shù)相比，患者疼痛少，切口小，并發(fā)癥少，患者恢復(fù)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(jī)和不大于0．5英寸的切口修復(fù)疼痛的椎間盤。

機(jī)器人和計算機(jī)現(xiàn)在在協(xié)助外科醫(yī)生進(jìn)行這些微創(chuàng)手術(shù)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(shù)視野的監(jiān)視器。計算機(jī)模擬并增強(qiáng)了外科醫(yī)生的手的移動能力。

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

即使是機(jī)器人增強(qiáng)了外科醫(yī)生的能力。要掌握這項(xiàng)技術(shù)，需要進(jìn)行大量的練習(xí)。

機(jī)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(wù)。

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

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

計算機(jī)也被用于圖像引導(dǎo)系統(tǒng)，為外科醫(yī)生提供實(shí)時圖像，并允許他導(dǎo)航到脊柱上的特定位置。外科醫(yī)生可以使用術(shù)前獲得的數(shù)字信息，如MRI或CAT掃描，或使用實(shí)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(shù)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(xiàng)技術(shù)將擴(kuò)大到允許更精確的靶向問題，最少的切口和更少的手術(shù)并發(fā)癥。

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

如今，基本上有三種人工智能用于外科手術(shù)。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(yīng)。沃森成為了一名智能的外科助手。?其次是“機(jī)器學(xué)習(xí)”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(jié)果何時與先前特定手術(shù)問題或結(jié)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(xué)習(xí)機(jī)器。?第三種是像“AlphaGo”這樣的技術(shù)，它通過獲取數(shù)據(jù)來訓(xùn)練自己找到自己的模式。

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

因此，需要新的方法來利用人工智能來改善機(jī)器人外科外科手術(shù)的結(jié)果，如微創(chuàng)機(jī)器人脊柱手術(shù)程序。

一些實(shí)施案例

在一些實(shí)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(biāo)組織，就可以產(chǎn)生一個手術(shù)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(biāo)組織。

這種比較可以用來識別要移除的組織，確定手術(shù)何時完成等。在一些實(shí)施例中，可以通過比較當(dāng)前程序中受機(jī)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(shù)步驟的平均層數(shù)）來識別目標(biāo)組織。

對于外科醫(yī)生來說，組織按照手術(shù)計劃的規(guī)定受到影響，這個過程不斷重復(fù)，直到目標(biāo)組織被移除。然后，機(jī)器人停止其進(jìn)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(biāo)組織，則更新圖像識別數(shù)據(jù)庫中識別的圖像庫，機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)。這個過程可以應(yīng)用于脊柱手術(shù)過程中的每個步驟，詳所述。?

在某些實(shí)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(jī)器人系統(tǒng)，包括外科機(jī)器人設(shè)備、人工智能指導(dǎo)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(dǎo)系統(tǒng)可以使用手術(shù)機(jī)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(shù)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(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)、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(rèn)知系統(tǒng)可以評估圖像來識別地標(biāo)，并至少部分地基于這些地標(biāo)生成手術(shù)計劃。這些地標(biāo)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(biāo)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(shù)計劃。

在某些實(shí)施例中，系統(tǒng)和方法可以使用手術(shù)前和／或手術(shù)期間獲得的圖像來引導(dǎo)機(jī)器人手術(shù)設(shè)備、末端執(zhí)行器、手術(shù)工具等，內(nèi)窺鏡可以用作引導(dǎo)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(kuò)展到覆蓋整個手術(shù)過程。使用內(nèi)窺鏡作為導(dǎo)絲，可以將內(nèi)窺鏡定位在患者內(nèi)部，作為手術(shù)導(dǎo)航程序的額外參考點(diǎn)。

       原文標(biāo)題 : 【專利情報】AI手術(shù)機(jī)器人代替主刀醫(yī)師？手術(shù)機(jī)器人霸主直覺外科新專利解讀