基于專利分析的手術機器人競爭態(tài)勢研究*

張 婷　池 慧　歐陽昭連*

手術機器人是一種智能外科手術工具，將手術的精度和可行性提升到全新的高度，提高了臨床操作準確性和手術成功率[1]。目前，手術機器人已廣泛應用于神經外科、腹腔外科、胸外科、骨外科及眼科等手術中[2]。借助手術機器人，臨床手術實現(xiàn)了遠程手術、微創(chuàng)手術和無人手術三大革命性進步，相比傳統(tǒng)手術，具有精確操作、靈活性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可實現(xiàn)微創(chuàng)化、數(shù)字化和智能化手術為一體，療效更好、更安全[3-6]。

專利是技術信息最有效的載體，囊括全球90%以上的最新技術情報，且內容詳實準確，專利分析是情報學中重點技術分析的主要手段和方法[7-9]。通過對某一領域的專利分析，能夠客觀反映專利技術的整體概況和發(fā)展態(tài)勢，可以方便、有效、準確地了解相關技術創(chuàng)新及技術發(fā)展狀況[10-12]。本研究對手術機器人領域的專利進行分析，多角度全面分析手術機器人領域的競爭態(tài)勢，追蹤研究現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢，為我國手術機器人的研發(fā)提供一定的借鑒和參考。

1　數(shù)據(jù)來源與分析工具

1.1　數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于Derwent Innovation(DI)平臺(原Thomson Innovation，TI)，是國際權威的專利數(shù)據(jù)庫，集全球最全面的國際專利與業(yè)內最強大的知識產權分析工具于一身，可提供全球專利信息。本研究采用DI平臺(檢索范圍：增值專利信息-DWPI和DPCI)進行數(shù)據(jù)檢索、采集，并進行部分可視化，數(shù)據(jù)檢索及采集時間：2018年1月8日。

1.2　分析工具

數(shù)據(jù)導入到數(shù)據(jù)分析工具(Derwent data analyzer，DDA)，原(Thomson data analyzer，TDA)中進行分析，DDA是個具有強大分析功能的挖掘軟件，可以對研究中的數(shù)據(jù)進行多角度數(shù)據(jù)挖掘和可視化的全景分析。本研究用DDA進行數(shù)據(jù)清洗、專利計量分析及部分可視化。

2　手術機器人競爭態(tài)勢

2.1　總體競爭態(tài)勢

(1)專利年度分布。手術機器人領域共有專利1491項。1994年，手術機器人領域有了第1項專利申請，此后數(shù)年處于發(fā)展的空白期；1998年后呈現(xiàn)出連續(xù)申請的發(fā)展態(tài)勢；2002年開始，進入第1個較快速發(fā)展時期，于2006年達到第1個峰值(113項)，此后稍有回落；2010年以后進入第2個快速發(fā)展時期，于2015年達到峰值(171項)。手術機器人專利數(shù)量年度分布如圖1所示。

圖1　手術機器人專利數(shù)量年度分布示圖

(2)專利公開情況。自1995年第1項專利公開開始，1996年專利公開1項，此后數(shù)年專利公開情況一直處于空白，直到2004年才開始連續(xù)穩(wěn)定的專利公開。由此表明，最初手術機器人發(fā)展比較緩慢，需要突破的技術難點很多。2004年后，專利公開呈現(xiàn)穩(wěn)定的發(fā)展時期，2007年達到第1個峰值(139項)。2008-2009年呈現(xiàn)較明顯回落，從2010年后的專利公開數(shù)量又呈現(xiàn)快速上升的趨勢，2014年達到第2個峰值(159項)，2015年稍有回落，但此后的專利公開數(shù)量呈現(xiàn)直線上升的態(tài)勢，于2017年達到最大值(220項)。手術機器人的專利公開態(tài)勢表明，近年來該領域發(fā)展十分迅速，有大量專利公開，技術發(fā)展迎來新的時期。由于專利文獻從申請到公開有一段時間的滯后期，因此2016年和2017年專利申請數(shù)量僅供參考，不代表最終趨勢。

2.2　技術生命周期

有研究表明，專利技術在理論上會遵循技術生命周期的4個階段進行周期性變化，即引入期、發(fā)展期、成熟期和衰退期[13]。通過對手術機器人領域的專利信息進行統(tǒng)計學的量化分析，得到其專利技術生命周期圖，可以客觀地掌握該技術領域的技術發(fā)展歷史、現(xiàn)狀與趨勢。手術機器人領域的技術生命周期如圖2所示。

圖2 手術機器人領域的技術生命周期示圖

圖2可顯示，手術機器人發(fā)展主要經歷了技術萌芽期、技術發(fā)展期和技術成熟期3個階段。

(1)第一階段-技術萌芽期(1994-2002年)。這一時期專利申請數(shù)和專利申請人數(shù)均處于低水平緩慢增長態(tài)勢，手術機器人領域發(fā)展尚不成熟。

(2)第二階段-技術發(fā)展期(2003-2013年)。這一時期的專利申請數(shù)和專利申請人數(shù)極大增加，呈線性增長，隨著專利申請數(shù)量的不斷增長，專利權人的數(shù)量也在增長，表明技術研究受到廣泛重視，有很多創(chuàng)新主體不斷涉足手術機器人領域，出現(xiàn)許多突破性進展。

(3)第三階段-技術成熟期(2014年至今)。這一時期隨著專利申請數(shù)量的增加，專利權人的數(shù)量有所減少，表明手術機器人領域已經取得長足發(fā)展，處于比較成熟穩(wěn)定的發(fā)展時期，不再有新的創(chuàng)新主體涌入該領域。

2.3　區(qū)域競爭態(tài)勢

(1)技術發(fā)源地。通過對專利權人的國籍進行分析，可以揭示技術發(fā)源地。手術機器人領域技術發(fā)源地全球分布包含20多個國家和地區(qū)，主要技術發(fā)源地在美國、中國、韓國和德國等(如圖3所示)。

圖3　手術機器人領域技術發(fā)源地全球分布圖

(2)專利數(shù)量排名。在手術機器人領域專利數(shù)量排名前10位的技術發(fā)源地中，美國的領先優(yōu)勢十分明顯，占該領域全球專利數(shù)量的43.19%，專利數(shù)量超過其他9個國家專利數(shù)量之和，在全球手術機器人領域處于絕對的領先地位。中國排名第2位，與美國差距明顯，占全球專利數(shù)量的14.62%，但與其他國家相比有一定優(yōu)勢，專利數(shù)量遠遠超過排名第3位的韓國，是韓國專利數(shù)量的2倍多。手術機器人領域的主要技術發(fā)源地以歐美發(fā)達國家為主，亞洲的研究實力也不遜色，中國、韓國和日本在該領域也占據(jù)較重要地位(如圖4所示)。

圖4　手術機器人領域排名前10位的技術發(fā)源地示圖

(3)專利目標市場。專利申請的國家和地區(qū)通常是產品的銷售地，即目標市場。有近20個國家和地區(qū)是目標市場，通過手術機器人專利的全球分布圖可以整體把握市場分布情況。手術機器人領域目標市場的全球分布如圖5所示。

圖5　手術機器人領域目標市場全球分布圖

(4)專利市場份額。在排名前10位的目標市場中，手術機器人領域的目標市場依次為美國、世界知識產權組織、中國、韓國、歐盟、日本、俄羅斯、德國、法國和印度。美國依然排在第1位，是全球專利布局數(shù)量最多的國家；世界知識產權組織的國際專利申請位于第2位，表明各國都在爭奪手術機器人領域的國際市場；目標市場分布顯示，亞洲在全球份額中占23.00%，超過1/5，中國是亞洲最主要的目標市場，其次是韓國和日本，此外還有印度(如圖6所示)。

圖6　手術機器人領域排名前10位的目標市場份額示圖

2.4　競爭對手

在手術機器人領域專利申請數(shù)量中有4家專利權機構專利數(shù)量相同，因此選擇排名前22位的專利權機構進行分析(如圖7所示)。

圖7　手術機器人領域專利申請數(shù)量排名前22位專利權機構示圖

在22家專利權機構中，美國有11家，占50%，表明美國在手術機器人領域的技術創(chuàng)新活動十分活躍，在全球中引領這個行業(yè)的發(fā)展。美國的11家專利權機構包括9家公司和2所大學，表明美國企業(yè)在技術創(chuàng)新活動中發(fā)揮重要作用，是技術創(chuàng)新的主導力量，且11家機構的專利數(shù)量之和占全球手術機器人領域專利總量的37.36%，超過全球總量的1/3，體現(xiàn)出美國雄厚的技術實力。11家機構中，9家公司專利申請數(shù)量分別為直覺外科公司232項、愛惜康內鏡外科公司85項、漢森醫(yī)療公司67項、美敦力公司55項、史賽克公司39項、強生DePuy Synthes公司19項、圣猶達醫(yī)療公司14項、Smith & Nephew公司13項以及Stereotaxis公司10項；2家大學分別是內布拉斯加大學14項和約翰霍普金斯大學13項。美國的直覺外科公司在排名前22位的機構中專利數(shù)量遙遙領先，占美國在該領域專利總量的36.02%，超過1/3，是手術機器人領域的領軍企業(yè)。

排名前22位的專利權機構中，中國有4家，專利數(shù)量分別為哈爾濱工業(yè)大學13項、上海交通大學10項、成都中科博恩思醫(yī)療機器人有限公司10項以及北京圣和田科技有限責任公司10項。4家機構占中國在該領域專利數(shù)量的19.72%。中國的技術創(chuàng)新機構類型以高校為主，但企業(yè)已經開始嶄露頭角。中國專利數(shù)量最多的機構是哈爾濱工業(yè)大學，是中國醫(yī)療機器人產業(yè)的人才搖籃。哈爾濱工業(yè)大學設有機器人技術與系統(tǒng)國家重點實驗室，是我國最早開展機器人技術研究的單位之一，將產、學、研很好的結合在一起。哈爾濱工業(yè)大學是國內醫(yī)療機器人研發(fā)的佼佼者，其研發(fā)產品涉及到手術、康復、服務以及輔助各種類型機器人，基本代表了國內醫(yī)療機器人的最高水平。2013年12月，由哈爾濱工業(yè)大學承擔研發(fā)的中國國家“863”計劃資助項目——“微創(chuàng)腹腔外科手術機器人”成品正式通過驗收。該手術機器人的問世打破了該領域中國進口美國“達芬奇手術機器人”的技術壟斷，為中國外科手術加入國產手術機器人奠定“基石”[14]。此外，上海交通大學在醫(yī)療機器人領域的技術實力也不容小覷。上海交通大學于2017年12月21日成立醫(yī)療機器人研究院，是校級醫(yī)工(理)交叉平臺，由上海交通大學生物醫(yī)學工程學院牽頭校內醫(yī)、機、電、材、物、數(shù)等多個學科。研究院的目標圍繞“健康中國”國家重大醫(yī)學需求，發(fā)展個性化、智能化及微創(chuàng)化的醫(yī)療機器人前沿技術，開展跨學科前沿創(chuàng)新研究，建設國際一流的醫(yī)療機器人核心技術研發(fā)平臺，支撐中國醫(yī)療機器人產業(yè)關鍵技術轉化，打造具有國際影響力的醫(yī)療機器人前沿研究的大師薈萃地和產業(yè)創(chuàng)新轉化的人才集聚地，打造政、產、學、研、醫(yī)用“創(chuàng)新鏈條”，支撐上海具有全球影響力的科創(chuàng)中心建設。中國在手術機器人領域的2家企業(yè)中，成都中科博恩思醫(yī)療機器人有限公司為國內領先醫(yī)學機器人及自動化設備研發(fā)制造商，是集醫(yī)療器械研發(fā)設計、生產銷售及服務為一體的高新技術企業(yè)。公司先后與國內外一流科研機構、研究型大學以及醫(yī)學中心建立了多邊戰(zhàn)略伙伴關系，長期專注手術機器人及醫(yī)學輔助機器人系統(tǒng)解決方案的研發(fā)與生產。經過多年的發(fā)展，形成了跨學科、跨機構及跨國界的協(xié)同創(chuàng)新體系，在機械結構、手術器械等核心技術領域擁有多項自主知識產權，產品涵蓋微創(chuàng)機器人外科、自動化醫(yī)學影像診斷、醫(yī)學大數(shù)據(jù)服務等多項技術領域。公司以醫(yī)學機器人產業(yè)化為核心發(fā)展理念，全力推動國產化微創(chuàng)手術機器人的研發(fā)、制造、臨床及市場應用。

韓國有3家機構躋身排名前22位的機構，均是企業(yè)，專利數(shù)量分別為三星電子有限公司31項、Eterne公司22項和Meere Co公司16項，3家機構數(shù)量占韓國在該領域專利數(shù)量的76.67%，壟斷了本國大部分市場。日本的奧林巴斯光學有限公司、荷蘭的飛利浦公司以及德國的西門子公司等都是手術機器人領域非常知名的企業(yè)。國外主要以企業(yè)為主，體現(xiàn)了國外企業(yè)雄厚的研究實力，這也印證了國外科技創(chuàng)新的主體是企業(yè)。

2.5　技術競爭態(tài)勢

2.5.1技術構成

通過揭示手術機器人專利的具體技術分類，以識別其技術研究的分布情況。國際專利分類(international patent classification，IPC)是一種國際公認的專利分析系統(tǒng)，IPC代碼以功能分類和應用分類相結合[15]。通過對手術機器人專利的國際分類號進行分析，來反映技術的集中點和研究熱點，從而掌握技術構成和技術現(xiàn)狀。在11個IPC中專利數(shù)量排名前10位的見表1。

11個IPC的專利數(shù)量較為懸殊。排在第1位的是A61B，專利數(shù)量占據(jù)絕對優(yōu)勢，有1179條記錄，其含義是“診斷、外科和鑒定用的儀器、器械和方法”，在手術機器人領域主要是涉及醫(yī)學影像采集的內窺鏡相關技術。內窺鏡是手術機器人的重要組成部分，內窺鏡手術輔助機器人可模擬手指、肘關節(jié)等多個部位的功能，靈活地避開肋骨等障礙物進行手術，提高手術精確度[16]。因此，內窺鏡是手術機器人的重要技術構成。A61B的專利數(shù)量遠遠超過其他IPC的專利數(shù)量，表明內窺鏡是手術機器人領域最主要的技術研究方向。

表1　手術機器人專利數(shù)量排名前10位的國際專利分類號

專利數(shù)量排在第2位的是B25J，有252條記錄，其主要含義是“機械手”，包括操縱工具、裝置或機械，涉及的技術點有機械手的種類或型式、微型機械手、程序控制機械手、控制裝置、安全裝置等[17]。B25J主要是微創(chuàng)外科手術機器人的重要技術點，主要涉及操作手的技術。微創(chuàng)外科手術機器人系統(tǒng)主要由主操作手、從操作手及控制系統(tǒng)組成，操作手的運動學正逆解是對外科手術機器人進行研究的關鍵技術之一。

此外，手術機器人的技術構成還包括電子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、介入、植入相關設備、調控系統(tǒng)、圖像處理及傳輸、應力及扭矩等技術。

2.5.2技術趨勢

在排名前10位IPC的專利申請數(shù)量年度分布中，A61B(內窺鏡)專利數(shù)量優(yōu)勢明顯，專利年度申請數(shù)量也遠遠高于其他技術領域，領先優(yōu)勢非常明顯。手術機器人領域最早有專利申請和涉及A61B(內窺鏡)專利最早的均在1994年。在排名前10位IPC中，1994-2001年間，該領域只有A61B(內窺鏡)技術。從2002年其他技術構成開始陸續(xù)出現(xiàn)。A61B(內窺鏡)于2015年達到第一個峰值，有91條記錄，此后專利數(shù)量稍有回落；2008年又進入一個快速增長時期，2016年達到峰值，有152條記錄。從A61B(內窺鏡)的專利數(shù)量年度分布可以看出，A61B(內窺鏡)是手術機器人領域最主要的技術點，從2001年后，每年都有A61B(內窺鏡)的專利申請，呈現(xiàn)連續(xù)發(fā)展狀態(tài)。此外，B25J(機械手)從2002年后呈現(xiàn)連續(xù)申請狀態(tài)，表明從2002年開始“機械手”一直是手術機器人的研究熱點；G06F(電子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng))、A61M(介入設備)和A61F(植入設備)從2003年后也呈現(xiàn)連續(xù)申請的狀態(tài)，表明這幾個技術點也是在手術機器人領域非常重要的技術研究方向。

3　結論

通過對手術機器人專利進行分析發(fā)現(xiàn)，其技術發(fā)展呈現(xiàn)以下特點。

(1)手術機器人處于快速穩(wěn)定的發(fā)展時期。專利申請數(shù)量呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，表明近年來技術發(fā)展較為迅速。手術機器人的專利公開態(tài)勢表明近年該領域發(fā)展十分迅速，技術發(fā)展將迎來新的時期。從技術生命周期來看，手術機器人領域處于技術發(fā)展的成熟期。

(2)手術機器人技術發(fā)源地和目標市場以中國和美國為主，同時國際市場也是各國爭奪的重要目標；國外研發(fā)機構主要是以企業(yè)為主，而中國則是高校為主。

(3)手術機器人專利最重要的技術研究方向是“內窺鏡”，是最早的技術點，同時也是一直最受關注的技術點；此外，“機械手”也是手術機器人領域重要的技術構成，近年發(fā)展十分迅速，受到廣泛關注。

通過對手術機器人專利進行分析，并結合可視化進行深入全面研究，有助于了解手術機器人領域的全球競爭態(tài)勢，立足我國現(xiàn)狀，從情報學角度提供基于數(shù)據(jù)和事實的研究證據(jù)，為我國手術機器人領域研發(fā)提供新的研究視角。