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手术机器人专利分析报告（史塞克Mako篇）

2021

10/21

思宇MedTech

A-

A+

后续相关产品的的研发和专利事务值得持续关注。

前言导读

手术机器人是一种先进的医疗设备，借助微创伤手术及相关底层技术的发展而发明。手术机器人被用于在高于人类能力的微创伤手术领域中实现高于人类能力的对手术器械的精准操控。手术机器人通常由手术控制台、配备机械臂的手术车及视像系统组成。外科医生坐在手术控制台，观看由放置在患者体内腔镜传输的手术区域三维影像，并操控机械臂的移动，以及该机械臂附带的手术器械及腔镜。机械臂模拟人类的手臂，为外科医生提供一系列模拟人体手腕的动作，同时过滤人手本身的震颤。

机器人手术系统是集多项现代高科技手段于一体的综合体，其用途广泛，在临床上外科上有大量的应用。外科医生可以远离手术台操纵机器进行手术，完全不同于传统的手术概念，在世界微创外科领域是当之无愧的革命性外科手术工具。

经过数十年发展，手术机器人现在主要用于五个快速增长的主要外科领域，其中的骨科手术机器人是及其重要的一个版块。

骨科手术机器人市场概览

骨科手术机器人是指在骨科手术过程中，由经过严格培训的医生操控的、能够根据医生的方案执行手术的先进医疗器械。骨科手术机器人系统主要包括： “大脑”——主控电脑系统；“眼睛”——光学跟踪系统；“手臂”——机械臂主机。

骨科手术机器人主要应用于三类手术，即关节置换手术、脊柱手术及骨科创伤手术。机器人辅助关节置换手术在这三个手术中属于应用最广泛且最复杂的一类。根据弗若斯特沙利文的资料，关节置换手术机器人于2020年的全球市场规模为725.0百万美元，占全球骨科手术机器人市场约52.0%。

根据弗若斯特沙利文的资料，每年在我国完成的机器人辅助关节置换手术数量由2015年的零增至2020年的243例，并预期自2020年起按162.8%的复合年增长率进一步增至2026年的79,964例。我国的机器人辅助关节置换手术于2020年的渗透率为低于0.1%，估计于2026年将达3.1%。下图载列我国过往及预测机器人辅助关节置换手术的历史及预测数量：

数据来源：弗若斯特沙利文分析

对于关节置换手术机器人而言，目前有多个品牌问世或即将问世，其中史塞克（Stryker）的MAKO手术机器人占据市场主流，一支独大。

MAKO 初探

Mako手术机器人于2006年在美国上市，能够协助医生完成全髋关节置换术、全膝关节置换术及单髁关节置换术。截止至2020年，全球范围内超过28个国家装机使用Mako机器人，14年内总计完成手术超过350,000台。

Mako机器人基于两大核心技术：智能手术规划技术和智能辅助截骨技术。智能手术规划技术基于CT进行3D的智能建模，为患者生成个性化的手术方案，同时提供术中动态调整，最大程度的将关节手术推向精准化、个性化。智能辅助截骨技术采用创新高效的截骨模块，能够实现高速磨钻、摆锯和动力手机的集成，同时在术中实现毫米级精确截骨控制和制动巡航截骨保护，为术者赋能，实现微创化、精细化的截骨控制。

下图给出了Mako手术机器人的产品实物示意。

Stryker公司是全球最大的骨科及医疗科技公司之一，总部设于美国密歇根州的克拉马苏市，在全球有14个生产研发及销售分部，产品涉及关节置换、创伤、颅面、脊柱、手术设备、神经外科、耳鼻喉、介入性疼痛管理、微创手术、导航手术、急救推床等。2013年史赛克公司以近17亿美金收购以色列的Mako外科公司，成功的将Mako收入旗下，并致力于依托史赛克卓越的假体完善其手术应用。毫不夸张的讲，Mako的收购给Stryker带来了巨大的收益，也使得Mako成为了最先进的关节置换手术机器人，而被全球采纳。

Mako手术机器人工作场景如下图所示：

专利分析

对于Mako手术机器人相关专利，其申请人主要聚集于 MAKO SURGICAL公司。笔者针对Mako机器人所涉及的专利情况，进行了检索，其结果进行如下展示：

技术脉络

2006年，第一代Mako骨科机器人于美国佛罗里达州诞生，并成功实施了首例单髁膝关节置换手术。 2015年推出了第三代Mako智能骨科机器人系统，成功将Accolade及Trident系类假体结合在全髋关节置换应用。 2016年成功的实施了Triathlon全膝关节置换手术后，标志着Mako智能骨科机器人系统在关节置换领域的应用的成熟，并充分显示出机器人手术的优势。

下图给出了Mako骨科机器人的技术发展路线。

专利概览

下图给出了Mako手术机器人所涉及的专利的申请和授权情况。可以清晰得知，其专利申请和授权情况主要集中于2006年之后。出现这种情况的出现也和Mako机器人的更新换代有着密切关系，结合上文中所提及的技术脉络，2006年恰为Mako手术机器人的上市年，因此，随着Mako手术机器人的上市和技术更新迭代，其专利申请和授权量逐渐有了可观的变化。

下面两幅图给出了Mako手术机器人专利布局情况，可以非常明确得到Mako手术机器人的专利地域布局情况，其专利申请目标国主要聚集于美国、欧洲、我国等区域性中心国家或地区，同样的，以2006年为界限，可以明确得知第一、二代Mako手术机器人和第三代Mako手术机器人的专利地域布局情况。

下图给出了Mako手术机器人的技术生命周期情况。

下图给出了Mako手术机器人相关专利合作的情况，可以非常清晰的看出，MAKO SURGICAL公司对于Mako手术机器人的相关专利申请有着较多的合作对象，如科研院所、合作公司、科学家等，这与其是以色列公司背景有很大关系，当热也体现了手术机器人研发的一个共性，即与众多相关单位进行合作共同研发。

下图给出了Mako手术机器人相关专利的专利地图情况，从该专利地图可以很明了的得到Mako手术机器人相关专利的技术分支情况。

重要专利解析

笔者从Mako手术机器人涉及的相关专利中选择了7组相对重要的专利进行了解析，相关结果如下， Mako手术机器人的完整专利清单笔者也汇总完成，如若获取完整专利清单可以与笔者取得联系，共同交流学习：

公开/公告号	US7302288B1	申请日	1996-11-25
发明名称	Tool position indicator
解决的技术问题	Although image guided surgery systems are more accurate and provide the surgeon with more information compared to previous techniques, it is sometimes difficult to visualize, with reference to image data displayed on the monitor, the manipulation required to place the surgical tool in the desired position and orientation. As will be appreciated, the surgeon is required to visualize the position of the tool with respect to the image data and then relate that information to a required motion of the tool in relation to the patient. This task is complicated by the three dimensional nature of the required manipulation, the two dimensional nature of the images, and the often disparate positions of the monitor and the patient.
技术方案	A tool for use with a surgical navigation system includes a plurality of LEDs mounted to the distal end of the tool. The LED's provide an indication of the direction in which the tool must be moved to reach a desired position. Four LED's mounted along perpendicular axes are provided. Modes for indicating the desired location, orientation, rotation, and depth are provided. A mode indicator may also be provided. The tool is designed for use with a surgical navigation system which includes an infrared localizer and computer system. The indicators assist the surgeon in positioning the surgical tool in relation to the patient. Indicators other than LEDs may be used; the indicators may also be mounted in alternate locations in the operating room environment.
相关附图

公开/公告号	CN101160104B	申请日	2006-02-21
发明名称	触觉引导系统及方法
解决的技术问题	需要研制这样的外科系统：在矫形关节置换的应用场合中，其能以显像微创外科手术的形式直接置换多余的健康骨，实现了手术进行中的适应性、并实现了外科手术规划，不论医生的技术为任何等级，该系统所获得的手术结果都具有足够的可预测性、重复性、和/或精确性。外科系统不必为了先进而满足所有需求或部分需求，但满足这些需求的系统将是更为理想的。
技术方案	一种外科设备，其包括外科装置和计算机系统，其中的外科装置被设置成由使用者进行操控而在患者上执行手术流程。计算机系统被编程设置成：执行用于对外科装置进行控制的控制参数，以便于基于患者解剖体与外科装置一部分至少一个指标之间的关系，实现如下操作的至少之一：向使用者提供触觉引导、以及限制使用者对外科装置的操控，其中的指标是位置、定向、速度、以及加速度；以及在手术过程中，响应于解剖体的移动而对控制参数进行调节。
相关附图

公开/公告号	US8391954B2	申请日	2010-02-02
发明名称	System and method for interactive haptic positioning of a medical device
解决的技术问题	When defining a plan using a tracked tool, it can be difficult to simultaneously position the tool appropriately in multiple degrees of freedom (DOFs). Similarly, when aligning a tracked instrument with a plan, it is difficult to control the position of the tool in multiple simultaneous DOFs, especially where high-accuracy is desirable. It is perhaps not a coincidence that navigation systems have had their largest acceptance in cranial neurosurgery, where most applications involve specifying a trajectory to a feature of interest without hitting critical features. Often, the tip of the tool is pressed against the anatomy and pivoted, effectively decoupling the position and orientation planning of the trajectory.
技术方案	A combination of a haptic device and a computer-assisted medical system is used for interactive haptic positioning of a medical device coupled to the haptic device. A reconfigurable haptic object facilitates the positioning of the medical device and/or the haptic device. The haptic object may be modified in response to application of a force against the haptic object by a user of the haptic device pushing the haptic device against the haptic object. Preferably, the haptic object moves in the direction of the force applied by the haptic device. The medical device may be guided to a desired pose relative to a target area from its current position. The user may approach the target area from its current position and still be provided with haptic cues to enable the user to guide the medical device to the target area.
相关附图

公开/公告号	一种用于机器人臂的传动装置	申请日	2009-12-22
发明名称	一种用于机器人臂的传动装置
解决的技术问题	规拉伸部件驱动系统的另一个困难是拉伸部件必须预拉伸以消除可能导致反冲的松弛。然而，预拉伸的加载量是拉伸部件的断裂长度的约15%至50%，这会导致向驱动系统组件、轴承和支撑结构施加较大的力。高的加载量还增加了驱动系统组件的摩擦力并且容易使外科医生疲劳。常规拉伸部件驱动系统的另一个困难是这种驱动系统不容易制造、维护和/或升级。例如，在驱动系统的一部分中（例如，一个关节中）的部件在某种程度上取决于或者受到驱动系统的另一部分中（例如，另一关节中）的部件影响的意义上，常规拉伸部件驱动系统可以为整体系统。因此，如果驱动系统的一部分有缺陷，则可能需要拆除驱动系统的正常工作的其他部分来修复该缺陷部分。例如，机器人臂一个关节的问题的修复可能需要去掉机器人臂多个关节的布线。不能使常规拉伸部件驱动系统的各部分分开增加了维护和升级机器人臂所需的时间和劳动，这导致昂贵的维修和漫长的停机时间，从而降低医院优化使用机器人臂的能力。
技术方案	本发明公开了一种用于机器人臂的传动装置，包括：第一构件，所述第一构件具有驱动部件，和构造为被启动以抑制所述驱动部件运动的部分；第二构件；其中，所述第一构件和所述第二构件之一包括从动部件；以及第一和第二传动部件，所述第一和第二传动部件均与所述驱动部件和所述第二构件耦合，并且构造为在所述驱动部件运动时使所述从动部件随之运动，其中，所述第一和第二传动部件中的至少一个传动部件包括第一多元传动子部件，其中，所述驱动部件的旋转轴线平行于所述从动部件的旋转轴线，以及其中，所述第一多元传动子部件包括第一和第二传动子部件，并且所述驱动部件包括第一和第二引导件，所述第一和第二引导件构造为使所述第一和第二传动子部件相对于所述驱动部件定位。
相关附图

公开/公告号	US9456765B2	申请日	2015-09-23
发明名称	Systems and methods for measuring parameters in joint replacement surgery
解决的技术问题	Although conventional computer-assisted techniques for measuring hip replacement parameters may increase the speed and precision of the measurements, their accuracy depends largely upon the accuracy with which the surgeon positioned the femur after implantation of the replacement joint. Indeed, if the surgeon fails to return the femur to the precise position and orientation, the hip parameters are subject to considerable error. In some cases, this error may lead the surgeon to conclude that an improperly-aligned prosthetic is within an acceptable threshold of planned surgical goals, and end the surgery. In other cases, an alignment error may lead the surgeon to conclude that a properly-aligned prosthetic deviates unacceptably from the threshold of planned surgical goals, causing the surgeon to make unnecessary adjustments to the position of the prosthetic implant(s) that may lead to a misalignment. In either case, the patient may experience post-operative discomfort or, in the case of a severe misalignment, a dislocation of the prosthetic femoral head from the acetabular cup. Such discomfort and/or dislocation may require corrective surgery, prolonged rehabilitation, and undue expense.
技术方案	A computer-assisted surgery system includes a display, an input device configured to receive data input by a user, and a processor, coupled to the input device and the display. The processor is configured to establish a first position of a pre-operative center of rotation of a joint in a first coordinate space of a first bone and a second coordinate space of a second bone and establish a second position of the pre-operative center of rotation of the joint in the first coordinate space, wherein the second position is a projection into the first coordinate space of the position of the pre-operative center of rotation maintained in a constant position in the second coordinate space. The processor is further configured to determine a change in a parameter associated with the joint based on the first and second positions and output a result indicating the determined change to the display.
相关附图

公开/公告号	CN105939687B	申请日	2014-12-1
发明名称	定制触觉边界的方法和计算机辅助外科手术系统
解决的技术问题	提供与可用植入物的选择关联的视觉模型以及对应触觉边界的系统可以允许外科医生快速且有效地定义用于准备骨骼以接收植入物的切除图案。通常，每个虚拟植入物模型可以与对应固定触觉边界关联，所述对应固定触觉边界可以基于与虚拟植入物模型关联的几何结构的尺寸和形状。然而，在一些情况下，外科医生选择尺寸过小的假体植入物，但是仍然希望移除可能位于超出要求容纳尺寸过小假体植入物的边界的患病或受损组织。
技术方案	定制触觉边界的方法和计算机辅助外科手术系统。一种用于基于患者特定解剖结构生成所述定制的触觉边界的方法，该方法包括：基于将被植入在解剖结构上的虚拟植入物模型的几何结构识别标准触觉边界。该方法还包括：识别与虚拟植入物模型关联的参考特征；以及确定所识别的参考特征与和患者的解剖结构关联的虚拟模型之间的相交部。识别所识别的参考特征与解剖结构的虚拟模型之间的相交部处的解剖周界，并且在解剖结构的虚拟模型上确定一个解剖特征。基于所述解剖特征修改标准触觉边界，以生成所述定制的触觉边界。
相关附图

公开/公告号	US10959857B2	申请日	2019-02-26
发明名称	Registration tools, systems, and methods
解决的技术问题	Intra-operative registration of the pelvis can be challenging because of the complex geometry of the pelvis and, in particular, the concave nature of the acetabulum. While certain methods exist in the art for registration of a patient pelvis, there is need in the art for registration methods that increase accuracy while decreasing registration time.
技术方案	A registration system including a bone pin guide and a bone pin clamp. The bone pin guide may include a guide body, a first guide including a first guide through-hole having a first longitudinal axis, and a second guide including a second guide through-hole having a second longitudinal axis. The bone pin guide may guide first and second bone pins into a bone via the first and second guides. The bone pin clamp may include a clamp body, first, second, and third clamp through-holes extending through the clamp body, a plurality of registration indents defined on the clamp body, and a clamping mechanism including at least one adjustable fastener. The bone pin clamp may receive the first and second bone pins in the first and third clamp through-holes and guide a third bone pin into the bone via the second clamp through-hole.
相关附图

小结

与传统骨科手术相比，Mako 能够辅助骨科临床医生实现高质高效的手术目标，相关技术可以造福那些要经历高难度、高风险背部手术的患者。该技术使得脊椎外科手术更安全、更精确。显然的，我国也是受益于Mako公司技术的国家之一。

诚如领域内人士共同认识的那样，骨科手术机器人逐渐赢得市场追捧，站上了智能精细化发展、医保政策利好的快车道，国内各大骨科机器人厂商也必会将Mako作为重要的标杆和对照，联动产学研医生多方力量，不断创新，推动我国骨科行业更智能化、精准化、微创化的发展，相关知识产权问题也必将会成为各大骨科机器人厂商的研究重点课题，后续相关产品的的研发和专利事务值得持续关注。