手术机器人创业之路|孟庆虎院士访谈:中国有望5-10年内实现全球领先

如今，手术机器人在医疗领域的应用正日益广泛。在最近举办的首届全球手术机器人大会中，众多创新技术和研发成果展现了行业的活力。会上展出的手术机器人大多采用了国产核心部件，一些已实现全自主研发和生产。这些成果打破了对进口产品的依赖，改变了医疗领域的竞争格局，显示了中国在手术机器人领域的创新力和竞争力。

这伴随了一代机器人专家的辛勤付出。此次大会，机器人大讲堂有幸邀请和采访到了一位在机器人领域研究已有近四十年的权威专家，他是加拿大工程院院士、IEEE Fellow、香港工程师学院院士、南方科技大学电子与电气工程系主任孟庆虎院士，同时他也是医疗机器人领域的先驱企业元化智能的首席科学家。

元化智能作为国内首家拥有全部核心部件自研能力的高端专科智能医疗装备公司，已经在短短的三年内完成了从研发、临床测试，到审批上市的全过程，同时填补了我国国产骨科手术机器人的市场空白。

在接受访谈时，孟院士分享了他在科学研究和创业旅程中的独到感悟，这些经历以及他的见解让我们一窥我国手术机器人发展的历程，并对未来可能面临的机遇与挑战有了更深刻的理解。

▍科研积累:奠定算法与控制基础

1985年,孟庆虎还在北京理工大学读硕士学位,导师就给他出了一个很具有挑战性的全新课题——机器视觉及基于视觉的机器人控制系统。为了开展研究,孟庆虎主动联系到了西安交通大学,因为他们当时刚从日本引进了一套机器视觉设备。在全球范围来看,这都属于比较早期的成果。

利用从西安交通大学采购的设备,孟庆虎开始对机器视觉技术进行学习和研究。通过机器视觉采集图像信息,再基于这些视觉信息来控制机械臂,使其完成一些简单的组装操作。在1985-1988年的两年半硕士研究生学习期间,孟庆虎一直致力于机器视觉和基于视觉的机器人控制技术的探索和研究。

1988年,孟庆虎赴加拿大攻读博士学位。当时国际上机器人研究的一个热门课题,是如何实现机器人运动的稳定控制,同时又能够对负载变化进行自动补偿。这对于其后来进行手术操作也具有重要意义。

为实现这一目标,孟庆虎花了三年多时间研究相关算法。他设计了两种稳定的自适应控制算法,可以同时控制机械臂的位置和力,使机械臂不仅可以自由运动,还可以与环境进行交互接触。这为机械臂进行手术操作奠定了理论和算法基础。1992年,孟庆虎以此课题成功获得博士学位,他的研究成果被答辩委员会评价为“给这个研究方向画上了句号”。

可以说,在1985-1992年的科研积累中,孟庆虎对机器视觉和机器人力和位置的自适应控制算法有了深刻的理解,这些后来都成为他顺利跨入医用机器人领域的坚实基础。

▍发现医疗应用:看到国内市场的巨大空白

2001年,在加拿大做到正教授的孟庆虎决定回国到香港,担任香港中文大学电子工程学系教授。就在这一年,孟庆虎与香港中文大学医学院的骨科专家梁国穗教授相识。梁国穗知道孟庆虎是做机器人研究的专家,就热情地邀请他来看自己当时使用的一台骨科手术辅助机器人。但是在孟庆虎看来,那只是一台简单的被动定位装置,与他理解的真正意义上的机器人还有一定差距。

于是,两人就此展开了讨论,并决定共同研发一台真正的骨科手术机器人。当时,全球知名的达芬奇手术机器人刚刚在一年前获得美国FDA的认证,还没有引入中国市场,国内的手术机器人市场可谓一片空白。而考虑到达芬奇等进口手术机器人的高昂价格,梁国穗提出研发一个仅需10万元人民币成本的产品,以便基层医院有能力购买使用。这就迫使他们必须从零开始,进行自主研发。

在与梁国穗的交流中,孟庆虎也逐渐意识到骨科手术机器人的应用前景其实非常可观。他看到梁国穗在香港中文大学经常举办骨科手术培训班,吸引了众多来自国内基层医院的骨科医生们前来参加培训,报名常常出现“爆满”的情况。这表明国内基层医院的医生对于骨科手术机器人的渴望和需求非常巨大。

正是看到了国内市场的巨大空白,以及基层医生的迫切需求,孟庆虎最终萌发了研发骨科手术机器人的念头。这也成为他投入更多的精力和资源转向医疗机器人领域发展的重要原因。

▍自主研发:稳扎稳打取得关键技术突破

对孟庆虎来说,研发骨科手术机器人的第一个难点是导航系统的研制。当时同类进口产品的导航系统价格高达50万港币,要研发一个只需10万人民币的产品,关键就在于必须突破导航系统技术。

2002年至2012年的十年间,孟庆虎围绕机器人导航系统展开了持续研究。他完成了4个课题项目,开发和迭代了八代样机。通过这近十年的努力,终于完全掌握了骨科手术机器人导航系统的核心技术。其中,最关键的要求是,在大幅降低成本的同时,还要确保技术指标能超过行业主流水平。而这也为后来元化智能的导航系统在精度、速度等指标上实现国际领先做了技术储备和铺垫。

在成功攻克导航系统技术后,孟庆虎将研发重点转移到骨科专用机械臂上。经过反复与临床医生讨论和设计修改,孟庆虎希望在这一领域取得革命性的技术突破。毕竟,机械臂直接决定了手术机器人的定位精度和操作灵活性。

可以说,在十多年的自主研发过程中,孟庆虎对骨科手术机器人进行了全面和透彻的技术攻关,解决了从导航到机械臂等核心科学问题。正是这种扎实的科研积累,使元化智能的产品获得了较大的技术优势,从而在后来的市场竞争中脱颖而出。

▍产业化实践: 创新驱动实现商业化

在系统解决了骨科手术机器人的关键科学技术问题后,元化智能的灵魂人物，孟庆虎的最佳合作伙伴孟李艾俐开始负责将技术积累和储备实现快速产业化和商业化。

考虑到当时的国内环境,团队选择先在骨科关节置换手术领域推出产品。这一领域当时国内尚属空白,没有一个有三类证的国内外产品。2018年底,由孟李艾俐担任董事长的元化智能公司落地深圳,进一步推进产业化。

在整个产业化过程中,元化智能并不急于扩张业务或追求利润最大化,而是持续在技术创新和市场开拓方面稳扎稳打。他们认为,只要方向正确,公司的持续发展动力终会随之产生。

机器人大讲堂了解到，元化智能从成立之初就以国产替代为目标,独辟蹊径地自主研发机器人产品,而不是简单拼装国外产品。这与许多公司通过购买国外核心部件再开发软件的做法形成鲜明对比,也奠定了元化智能强大的技术基础。

在产品定位上, 元化智能也有与众不同之处。它将自己定位为专科手术机器人公司,针对不同的外科专业设计和优化不同的机器人产品。这与达芬奇等公司将一台机器人应用到多个外科领域的普外科路径大不相同。而专科手术机器人的设计策略有利于针对每个科室特定需求进行优化，也能够更明确地对应不同科室的盈利模式。

▍锟铻®引领国产骨科手术机器人新时代

据悉，元化智能锟铻®全骨科手术机器人由机械臂车、导航仪车、主控台车组成,可以辅助完成髋关节和膝关节置换手术。它实现了“手眼脑”的协同,可通过CT扫描建模、精确测量和机器人辅助实施,进行智能化、数字化、信息化的手术。

2022年4月,元化智能旗下全资子公司“骨圣元化”的膝关节置换手术辅助系统获得国家药品监督管理局批准上市,成为第一款进入绿色通道特别审查并获批上市的开放式植入物数据全膝关节置换手术机器人系统。8月，骨圣元化入围国家工业和信息化部办公厅、国家药品监督管理局“人工智能医疗器械创新任务”揭榜单位。2023年,骨圣元化的髋膝关节置换一体机器人也获得批准,成为首款国产髋膝关节置换一体机手术机器人系统,显示出国产化能力。

经历了几年的发展，元化智能的骨科手术机器人如今已在全国范围内完成了近2000例的临床手术，展现了其精准操作和微创手术的优势。该产品不仅填补了国内市场的空白，也达到了国际先进水平，为骨科手术带来了革命性的改变。

优效性临床试验显示,与顶级医院顶级医师的手工组相比,锟铻®在力线恢复和假体植入准确率等方面优势显著，表现优异,验证了其远高于人工的安全有效性。医生认为,相比传统手术,它可以提高精确度,实现个性化治疗,是他们的超级助手。对患者来说,锟铻®可以减少健康组织损伤,手术创伤小、恢复快,获得了患者的高度认可 

▍看好手术机器人商业化前景

孟院士谈到，虽然元化智能在国产替代的道路上已经在核心技术上取得了重要突破，但它仍然面临着产业链建设和产能提升等方面的挑战。要构建完整的产业链并非一日之功，这需要整个行业共同努力，持续提升材料研发和工艺制造等能力。

毫无疑问，手术机器人已经成为推动医疗技术进步的重要渠道。孟院士预测，在未来的5到10年内，中国有望在这一领域达到全球领先的地位。

随着医疗技术的提升和社会人口的老龄化，整个社会对于关节置换等手术的需求正日益增长。手术机器人的出现不仅满足了这种需求，更展现了其巨大的商业化潜力和广阔的市场前景。

孟院士认为，手术机器人具备以下明显优势：第一是实际需求，手术机器人能够帮助医生进行更精确、微创的手术，从而提高手术成功率并减轻患者的痛苦；第二是政策支持，国家对手术机器人的发展给予高度重视，并将其视为新的经济增长点，因此在政策和资金上都给予了大力支持。第三是创业潮流，当前，众多团队在手术机器人领域崭露头角，预示着未来将有数家顶级的团队引领整个行业的发展。

总结来说，手术机器人在国内的市场前景看好，国产化程度的提升和巨大的人口红利，加上政策的大力支持，都预示着国产手术机器人在未来的全球市场中将占据重要地位，有望推动我国在该行业中成为领跑者。

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