骨科手术机器人专利分析作者：李文斐 王玮来源：《中国卫生产业》2018年第19期 [摘要] 該研究介绍了骨科手术机器人的全球/中国专利申请情况，从申请趋势、生命周期、首次申请国家/地区、技术分支分布等方面对该领域的专利申请进行了数据统计和技术分析，从整体上反映技术发展的历程和未来发展方向，揭示了当前骨科手术机器人领域国内外行业发展态势和前景，促使我国积极探索适应未来骨科机器人要求的新技术，占领未来骨科机器人发展的制高点。 [关键词] 骨科；手术机器人；专利分析
[中图分类号] R68 [文献标识码] A [文章编号] 1672-5654（2018）07（a）-0166-03
近年来，随着微创手术技术、计算机技术、医疗图像技术和机器人技术的共同进步，骨科手术机器人的研究发展迅速，产品层出不穷，并逐渐开始在临床应用。
20世纪90年代，骨科手术机器人借用了工业机器人的本体形式，利用工业机器人高精度
规划和程序化自动运动能力，主要用于髋关节和膝关节的置换手术，其中代表性的产品包括Intergrated Surgical Systems公司的ROBODOC手术机器人[1]和德国Ortomaquet公司的CASPER手术机器人[2]，ROBODOC手术机器人就是用于关节置换术中，负责辅助假体的成形、定位和植入，而CASPER手术机器人用于十字韧带的骨隧道加工，也可以用于人工全膝和全髋关节置换手术中。2001年英国帝国理工学院开发了一款主从式手术机器人ACROBOT[3]，用于完成膝关节置换手术和微创膝关节单髁置换术。随后出现了采用串联结构的骨科手术机器人，和采用并联结构的专用骨科手术设备，这种并联结构的机器人刚度大、精度高、体积小。
我国的骨科手术机器人起步较晚，整体水平还较低，但是这并不影响国内庞大的市场需求，因此国内企业亟需对国内外的骨科手术机器人技术发展趋势进行一定的了解。该研究通过专利分析，对骨科手术机器人的专利现状进行总体介绍和重点分析，获取一些有价值的情报。
1 骨科手术机器人专利申请统计分析
截至2016年12月，基于专利数据库检索到涉及骨科手术机器人的申请共计934项，其中
国外申请607项，国内申请327项，基于上述数据对骨科手术机器人领域的专利申请进行以下分析。
1.1 申请趋势分析
如图1所示，回顾整个发展历程，骨科手术机器人的专利申请经历一个波动上升的发展过程，大致可以分为以下3个阶段。
①技术萌芽期（1986—1996年）。1985 年美国首次使用工业机器人进行脑组织内肿瘤的活体组织切片检查，这一类神经外科手术充分体现了早期的手术机器人的优势——精确定位，从此定位机器人开始进入人们的视线，1987年首次出现定位机器人应用于骨科的专利申请。在技术萌芽期，每年的专利申请量不多，截止到1996年，全球申请量总共才21项，但是为骨科手术机器人的发展奠定了基础。
②蓬勃发展期（1997—2009年）。20 世纪90 年代骨科手术机器人的进入蓬勃发展阶段，随着计算机辅助外科技术的发展，骨科手术机器人主要应用于髋关节和膝关节的置换手术。在这一阶段，专利申请明显增多，进入该领域的申请人也逐渐增加，虽然该时期，申请量出现几次微小调整，但整体稳步增长。
③高速发展期（2010年—至今）。在这一阶段，骨科手术机器人飞速发展，相关产品推陈出新，性能也越来越完善，政策扶持导致市场需求量增大，专利申请量突飞猛增。
回顾整个骨科手术机器人专利申请态势的发展历程，骨科手术机器人全球申请量总体呈现波动上升状态。针对中国市场，最早从1999年已经开始重点布局，并且专利申请量整体一直保持上升趋势，可见各大厂商对中国市场的重视程度。与之相比国内申请人起步较晚，2003年才开始专利申请，数量上也存在差距，但是从2013年开始，国内申请人的专利申请量突飞猛增，并带动了全球申请量的增长，2014年的全球专利申请量几乎是2012年的2倍。
1.2 生命周期
从图2的骨科手术机器人生命周期图可以看出，近几年来，随着技术成熟和政策扶持，骨科手术机器人逐渐赢得市场追捧，迎来了快速发展的成长期。该时期市场逐渐扩大，介入的企业增多，相关专利申请量和专利申请人数也激增。
国内企业应该抓住这次机遇，具有优势的企业可以自主研发新技术，开拓空白市场，寻求不同方向，摆脱对国外巨头的依赖，实现弯道超车，中小企业由于技术实力薄弱，可以采用模仿创新战略，规模较小的企业可进一步选择跟随创新战略。
1.3 首次申请国家/地区分布
图3展示了骨科手术机器人首次专利申请国家/地区分布情况。从技术首次专利申请国家/地区的角度分析，美国以57%的占比成为全球最重要的骨科手术机器人输出国，相较于整个定位机器人，美国在骨科手术机器人领域的技术优势更加明显；随着最近几年大量国内申请人的加入，中国以24%跃居第二，而韩国以4%列居第三。
在所有国内申请人专利中，发明占69%，其中16%授权，实用新型占31%，这是由于大量国内申请人发明专利都是在2013之后申请的，目前大都处于审查中。
所有国内申请人专利（包括3项PCT申请）均没有在海外布局，体现出国内申请人专利布局意识薄弱，并没有考虑将来出口海外，这也与国内申请人大多是高校有关。
在总共225项国内申请人专利中，高校/研究所有116项，占据一半以上，其中有一项是与企业合作的共同申请，10项是与医院合作的共同申请，因此目前产学研合作还比较少，使得高校/研究所的科技成果无法产业化。医院作为该领域特有的申请主体，在骨科手术机器人研发、临床实验等方面扮演着重要的角，尤其是高校的附属医院，其占据很大比例。
1.4 骨科手术机器人技术分支分布
从图4的骨科手术机器人技术分支分布可以看出，作为骨科手术机器人的核心技术，涉及定位导航技术的专利申请有388项，占总申请量的41%，定位导航技术是申请人布局的重点领域，也是本领域的技术发展热点。其次为末端执行器及其控制、整机结构、臂及其控制、控制架构。
由于骨科机器人最早是由工业机器人演变而来，早期申请人还是关注整机设备、臂及其末端执行器等基础部件的研究。随后为了使机器人更好地适应骨科手术的需要，申请人开始重点关注定位导航技术、图像采集、驱动单元等骨科机器人的技术细节，其中定位导航技术的申请量所占份额较大，一直是申请人布局的重点技术，也是技术发展的热点。近十年来关于传感器、图像处理、数据通信等相关专利申请越来越多，表明上述技术分支是近期的专利布局新热点，目前申请量还不多，国内申请人应该加大研发投入，寻求技术突破，占领相关市场。
2 总结和建议
本文从专利角度出发研究骨科手术机器人的全球/国内申请状况，从申请趋势、生命周期、首次申请国家/地区、技术分支分布等方面对该领域申请进行了梳理和分析。从全球发展趋势来说，骨科手术机器人相关专利申请逐年递增，特别对于国内发展，随着国内老龄化程度加深，相关技术必将是未来的发展重点；从技术创新来看，我国近年来申请量明显提高，但技术创新有待提高，在发展初期可以借鉴国外的经验。
[参考文献]
[1] Bauer A. Total Hip Replacement-Robotic Assisted Technique. Oxford： Oxford University Press，2004：83-96.
[2] Siebert W， Mai S， Kober R， etal. Technique and first clinical results of robot-assisted total knee replacement. Knee，2002（9）：173-180.
[3] Jakopec M，Harris SJ，Rodriguez Y，et al.The first clinical application of a “hands-on” robotic knee surgery system. Comput Aided Surg，2001（6）：329-339.
（收稿日期：2018-00-00）
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