全球醫(yī)療機器人技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新態(tài)勢分析

任佳妮，楊 陽

(陜西省科學(xué)技術(shù)情報研究院，陜西 西安 710054)

0 引 言

截至2020年2月11日24時，全國為“新型冠狀病毒肺炎(以下簡稱‘新冠肺炎’)”提供醫(yī)療診治的422家機構(gòu)中，共有3 019名醫(yī)務(wù)人員感染，確診病例為1 716例，其中6人犧牲[1-2]。充分說明醫(yī)護人員可能存在非職業(yè)暴露造成的感染。如何減少醫(yī)護人員與患者之間的接觸感染，最大程度地將病人“隔離”，做到醫(yī)護人員零感染？

2020年2月17日，國家自然科學(xué)基金委員會指出疫情防控的關(guān)鍵是阻斷或最大程度減少病原體在人際間傳播，其中診療和護理是重點環(huán)節(jié)，非接觸性無人作業(yè)是發(fā)展方向，靈巧、智能化機器人的應(yīng)用是有效手段。3月21日，科技部印發(fā)《關(guān)于科技創(chuàng)新支撐復(fù)工復(fù)產(chǎn)和經(jīng)濟平穩(wěn)運行的若干措施》的通知(以下簡稱“通知”)中明確指出，大力推動關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，加大5G、人工智能、高端醫(yī)療器械等重大科技項目的實施和支持力度，突破關(guān)鍵核心技術(shù)，促進科技成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。

因此,研判醫(yī)療機器人技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新研發(fā)態(tài)勢，準(zhǔn)確把握中國在該領(lǐng)域中的全球競爭地位，能夠為企業(yè)技術(shù)研發(fā)及政府產(chǎn)業(yè)政策的制定提供指引,對無接觸式醫(yī)療診斷和輔助治療，也具有較高的理論借鑒價值。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

機器人技術(shù)誕生于20世紀(jì)60年代，并隨之得到迅速發(fā)展。伴隨著計算機處理、人工智能、傳感器、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速更新和發(fā)展，以機器人科技為代表的智能產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，醫(yī)療機器人作為全球機器人的新興發(fā)展方向，掀起了一股群雄逐鹿的新浪潮。

整體來看，針對醫(yī)療機器人相關(guān)研究主要分為兩部分。一部分學(xué)者是從醫(yī)療機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢進行分析。李揚等選取了國內(nèi)63家主流的醫(yī)療機器人企業(yè)，系統(tǒng)分析國內(nèi)醫(yī)療機器人產(chǎn)業(yè)在發(fā)展階段、類型分布、區(qū)域集聚、產(chǎn)學(xué)研協(xié)同、認(rèn)證體系、投資路徑、技術(shù)趨勢等方面呈現(xiàn)的發(fā)展特點[3]；張送根等基于數(shù)據(jù)分析概述醫(yī)療機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢[4]。另一部分學(xué)者則是將醫(yī)療機器人的設(shè)計、應(yīng)用作為研究方向開展有益探索。劉怡等采用Lagrange-Routh方程建立滾動球式機器人系統(tǒng)的動力學(xué)模型，設(shè)計了一種滾動球式醫(yī)療服務(wù)型機器人[5]；蘇晨等提出基于產(chǎn)品親和力的微型醫(yī)療機器人設(shè)計方法[6]。而針對醫(yī)療機器人技術(shù)的相關(guān)研究則較少。韓燕等運用連邊關(guān)鍵程度中心度指標(biāo)、知識單元的整合等方法提取技術(shù)主題，最終發(fā)現(xiàn)了三個醫(yī)療服務(wù)領(lǐng)域機器人領(lǐng)域的潛在技術(shù)機會[7]；雷鳴等構(gòu)建了基于SAO結(jié)構(gòu)的醫(yī)療機器人知識演化路徑繪制流程[8]。將科技論文和專利文獻相結(jié)合，從情報學(xué)視角研究全球醫(yī)療機器人技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新態(tài)勢，對全球發(fā)展趨勢、技術(shù)分布等進行綜合對比分析的文獻未見報道。

期刊文獻與專利文獻是基礎(chǔ)研究成果和技術(shù)創(chuàng)新成果的兩種不同的表現(xiàn)形式。二者在結(jié)構(gòu)和文字表達上雖屬于異構(gòu)文獻，但如從內(nèi)容上將二者有效整合，形成新的文獻信息，并合并采用文獻計量分析，那么，此類分析結(jié)果在全面性和準(zhǔn)確性上比單一文獻源分析更有優(yōu)勢，尤其是對需要研究優(yōu)勢領(lǐng)域研發(fā)重點、預(yù)測未來技術(shù)研究熱點等，大有裨益。

目前已有部分學(xué)者運用情報學(xué)視角進行核心技術(shù)、研究熱點以及國際態(tài)勢等的研究。任佳妮等運用專利情報和文獻計量分析方法，對國內(nèi)關(guān)于3D打印技術(shù)的授權(quán)專利和核心期刊論文，識別國內(nèi)3D打印技術(shù)領(lǐng)域核心技術(shù)和研究熱點[9]。孫軼楠等基于科學(xué)論文和專利信息,從科學(xué)研究和技術(shù)研發(fā)兩方面對基因測序技術(shù)的國際研發(fā)態(tài)勢進行綜合分析[10]。王坤等基于Web of Science科技論文和Derwent專利文獻，提取文本關(guān)鍵詞并構(gòu)建相異共現(xiàn)矩陣，采用多維聚類方法識別研究熱點主題，通過對比科技論文和專利文獻研究熱點主題的差異來識別金屬3D打印的技術(shù)機會[11]。因此，該文將論文與專利數(shù)據(jù)相結(jié)合，基于情報學(xué)視角，從科學(xué)研究和技術(shù)研發(fā)兩種不同角度研究全球醫(yī)療機器人技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新態(tài)勢；并通過高頻關(guān)鍵詞共詞聚類分析，對比科技論文和專利的研究主題，進而揭示全球醫(yī)療機器人技術(shù)研究現(xiàn)狀，并確定國內(nèi)醫(yī)療機器人的未來主要研究方向。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)采集及清洗

該文選擇Web of Science(WOS)論文數(shù)據(jù)庫作為論文數(shù)據(jù)源，Derwent Innovation(DI)專利數(shù)據(jù)庫作為專利數(shù)據(jù)源，構(gòu)建以“醫(yī)療機器人”為主題的檢索式，具體為TAB/TI=(medical*or medicine or surgery or simulation or recovery or medical service or health service or assist or capsule or nano-targeting or nurs*or diagnosis) and (robot*or manipulat*) not TAB/TI = industrial*，檢索年限為2009-2018年，其中專利數(shù)據(jù)按申請年進行檢索。論文數(shù)據(jù)選取article文獻，再結(jié)合WOS學(xué)科的Robotics、Surgery、Nursing、Computer Science、Mechanics等學(xué)科分類進行數(shù)據(jù)精煉，最終論文檢索結(jié)果為11 079篇。專利數(shù)據(jù)首先進行同族合并，再結(jié)合德溫特手工代碼(DWPI)P33、P41、P42、P43、P61以及P62等，輔以IPC分類號A61、B25以及G05等，最終檢索到6 118項。

2.2 分析方法

該文采用文獻計量法、專利分析法、文本分析法以及頭腦風(fēng)暴法，基于海量論文與專利數(shù)據(jù)，對全球醫(yī)療機器人發(fā)文趨勢、國家分布進行分析，確定中國在該領(lǐng)域中的全球競爭地位；基于關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析，確定醫(yī)療機器人論文和專利的研究熱點；再通過集對分析，對比論文和專利研究熱點的差異，從而揭示全球醫(yī)療機器人技術(shù)研究現(xiàn)狀，并確定醫(yī)療機器人未來研究方向。

3 醫(yī)療機器人創(chuàng)新態(tài)勢分析

3.1 科學(xué)研究態(tài)勢

3.1.1 SCI發(fā)文量年度趨勢

2009-2018年，醫(yī)療機器人全球SCI發(fā)文量穩(wěn)步上升；其中2009-2016年間，年增長率均為10%左右；2017年全球發(fā)文量較2016年增長了16.3%，這與該年以機器人科技為代表的智能產(chǎn)業(yè)蓬勃興起有極大的關(guān)系。中國醫(yī)療機器人SCI發(fā)文趨勢與全球發(fā)文趨勢一致，整體呈上升趨勢；同樣2017年，中國發(fā)文量出現(xiàn)大幅度增長，較2016年增長了31.2%。但美國在2015年醫(yī)療機器人發(fā)文量較上年略有下降，且2016年后，中國醫(yī)療機器人SCI發(fā)文量首次超過美國(見圖1)。

圖1 醫(yī)療機器人SCI國際發(fā)文量及中美發(fā)文量年度趨勢

3.1.2 主要發(fā)文國家

全球醫(yī)療機器人技術(shù)SCI發(fā)文按所屬國家劃分，TOP 10國家及發(fā)文量所占比例見表1。美國、中國和韓國發(fā)文量位列全球前三，約占全球發(fā)文量的六成；其中，中美兩國發(fā)文量均在2 600篇以上，韓國發(fā)文量僅有1 003篇。充分說明中美兩國在醫(yī)療機器人基礎(chǔ)研究領(lǐng)域優(yōu)勢明顯。

表1 醫(yī)療機器人SCI發(fā)文量TOP 10國家

將中美等主要國家發(fā)文按WOS類別歸類，TOP 10研究類別發(fā)文量見圖2。

圖2 醫(yī)療機器人SCI發(fā)文量主要國家TOP 10研究領(lǐng)域分布

由圖可知，美國、日本以及意大利對醫(yī)療機器人的應(yīng)用主要分布在泌尿科&腎臟科、外科學(xué)以及機器人技術(shù)；中國則在機器人技術(shù)、自動化與控制系統(tǒng)以及電氣與電子工程學(xué)方面研究醫(yī)療機器人較多；韓國醫(yī)療機器人研究側(cè)重于外科學(xué)、自動化與控制系統(tǒng)以及機器人技術(shù)中應(yīng)用。

3.1.3 研究熱點分析

將全球SCI論文作者關(guān)鍵詞進行聚類，運用UCINET軟件將高頻主題詞(出現(xiàn)頻率≥5次)之間的相關(guān)性作進一步共詞聚類分析，設(shè)定點度中心度參數(shù)得到高頻主題詞網(wǎng)絡(luò)圖。網(wǎng)絡(luò)圖將原本孤立的論文關(guān)鍵詞以網(wǎng)絡(luò)形式綜合展現(xiàn)在一張圖中，形成了以高頻關(guān)鍵詞為核心，共現(xiàn)關(guān)系為連線的知識圖譜，直觀展現(xiàn)了技術(shù)領(lǐng)域研究熱點[12]。

醫(yī)療機器人論文高頻主題詞共詞聚類分析結(jié)果如圖3所示，主要包含3個研究熱點主題：主題1#—主要采用醫(yī)療機器人輔助外科手術(shù)、腹腔鏡手術(shù)、前列腺切除術(shù)、膽囊切除術(shù)以及膀胱切除術(shù)等；主題2#—屬于醫(yī)療機器人的細分類，具體有穿戴式機器人、蛇形機器人以及康復(fù)機器人等；主題3#—醫(yī)療機器人動力學(xué)研究，包括路徑規(guī)劃、軌跡追蹤、運動建模以及導(dǎo)航等。

圖3 醫(yī)療機器人論文研究熱點主題

3.2 技術(shù)研發(fā)態(tài)勢

3.2.1 全球?qū)＠暾埬甓融厔?/p>

2009-2018年，醫(yī)療機器人全球?qū)＠暾埩空w呈上升趨勢，但2012年和2014年較上一年略有下降；2014年以后，全球?qū)＠暾埩吭鏊佥^快，年均增長率約為20%。中國與全球趨勢略有不同之處在于，2014年中國醫(yī)療機器人專利申請量較上一年略有增加；同時，在2014年后專利申請量增速基本與全球增速一致。但美國在2014年后專利申請量增速變緩，致使2016年后，中國專利申請量首次超過美國(見圖4)。

圖4 醫(yī)療機器人全球?qū)＠暾埩考爸忻郎暾埩磕甓融厔?/p>

3.2.2 專利申請國家分布

按專利申請人所在國家劃分，TOP 10國家/組織及申請量所占比例見表2。美國、中國和韓國專利申請量位列全球前三，其申請總數(shù)超過全球?qū)＠暾埩康?0%；其中，中美兩國專利申請量均在2 200項以上，而韓國專利申請量僅為337項。這也充分說明，中美兩國已成為醫(yī)療機器人技術(shù)研發(fā)的核心力量。

表2 醫(yī)療機器人全球?qū)＠暾圱OP 10國家/組織

選取美國、中國、韓國以及日本等主要國家，按德溫特手工代碼進行醫(yī)療機器人技術(shù)領(lǐng)域劃分，見圖5。

圖5 醫(yī)療機器人主要國家專利申請TOP5技術(shù)領(lǐng)域分布

由圖可知，醫(yī)療電氣設(shè)備和外科診斷是各國專利申請的主要技術(shù)領(lǐng)域，除此之外，美國醫(yī)療機器人還側(cè)重在數(shù)字計算機領(lǐng)域；中國則側(cè)重口腔管理領(lǐng)域；而韓國和日本均側(cè)重于醫(yī)療應(yīng)用。

3.2.3 技術(shù)研究熱點分析

基于專利文獻的高頻關(guān)鍵詞進行可視化聚類分析，繪制醫(yī)療機器人專利地圖，呈現(xiàn)出3個醫(yī)療機器人的技術(shù)研發(fā)熱點主題(見圖6)。其中，主題1#—主要為醫(yī)療機器人基礎(chǔ)技術(shù)研究，包括X射線、超聲波影像融合、軌跡模型以及云端通訊等；主題2#—主要為醫(yī)療機器人應(yīng)用研究，包括輔助步行、關(guān)節(jié)置換以及康復(fù)訓(xùn)練等；主題3#—主要為醫(yī)療機器人動力學(xué)研究，包括運動機制、力反饋以及操作驅(qū)動等。

圖6 醫(yī)療機器人全球?qū)＠夹g(shù)研發(fā)熱點主題

結(jié)合全球?qū)＠貓D，進一步分析中美兩國專利申請技術(shù)研發(fā)熱點可知，美國較為注重在醫(yī)療機器人的影像融合、軌跡模型等基礎(chǔ)技術(shù)以及運動建模、力反饋等動力學(xué)的研究；中國側(cè)重在云端通訊、按摩輔助機器人以及康復(fù)訓(xùn)練等方面的研究。

4 結(jié)束語

從科學(xué)研究和技術(shù)研發(fā)兩種不同角度對比SCI論文和全球?qū)＠麛?shù)據(jù)，醫(yī)療機器人技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新研發(fā)態(tài)勢呈現(xiàn)以下幾個特點：

(1)從發(fā)展趨勢看：2009-2018年，醫(yī)療機器人的SCI發(fā)文量和全球?qū)＠暾埩磕甓融厔菀恢拢w均穩(wěn)步上升。2016年以后，以機器人科技為代表的智能產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，致使SCI發(fā)文量和全球?qū)＠暾埩恳泊蠓仍鲩L；這說明，學(xué)者在進行醫(yī)療機器人技術(shù)基礎(chǔ)研究的同時，技術(shù)應(yīng)用活動也在同步開展，該技術(shù)在科學(xué)研究和技術(shù)研發(fā)之間的轉(zhuǎn)化較快。

(2)從發(fā)文(申請)國家看：醫(yī)療機器人技術(shù)的科學(xué)研究和技術(shù)研發(fā)主要集中在美國、中國、韓國及日本等4個國家。美國和中國作為醫(yī)療機器人技術(shù)的基礎(chǔ)研究和技術(shù)應(yīng)用的核心力量，SCI發(fā)文量和專利申請量均位于全球前列，其研究優(yōu)勢明顯。說明中國醫(yī)療機器人技術(shù)的科學(xué)研究和技術(shù)研發(fā)已處于國際領(lǐng)先水平。但中美兩國針對醫(yī)療機器人技術(shù)的研究不盡相同，如美國注重醫(yī)療機器人在泌尿科&腎臟科、外科學(xué)中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究；中國則側(cè)重研究醫(yī)療機器人的自動化與控制系統(tǒng)。美國較為注重在醫(yī)療機器人的影像融合、運動建模等方面的技術(shù)研發(fā)；中國側(cè)重在云端通訊、康復(fù)訓(xùn)練等方面的技術(shù)研發(fā)。

(3)從研究主題(熱點)看：醫(yī)療機器人技術(shù)科學(xué)研究主題主要集中在醫(yī)療機器人輔助外科手術(shù)、動力學(xué)(機構(gòu)控制)以及新型(特種)醫(yī)療機器人研究等；其技術(shù)研發(fā)主題主要集中在新一代醫(yī)療機器人基礎(chǔ)技術(shù)、動力學(xué)(機構(gòu)控制)以及輔助應(yīng)用研究等。二者主題涵蓋內(nèi)容既有區(qū)別又有聯(lián)系。這說明，醫(yī)療機器人技術(shù)具有深厚的理論基礎(chǔ)，且技術(shù)應(yīng)用活動也比較活躍；其強大的理論支撐是技術(shù)良性發(fā)展的重要動力，二者相輔相成，共同促使醫(yī)療機器人技術(shù)發(fā)展走向成熟。同時，可以預(yù)測新一代醫(yī)療機器人基礎(chǔ)技術(shù)、新型(特種)醫(yī)療機器人以及醫(yī)療機器人輔助應(yīng)用研究將是未來研究主要研究方向。

據(jù)國際機器人聯(lián)盟(IFR)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2018年中國智能醫(yī)療機器人市場規(guī)模達到34億元，預(yù)計到2025年，中國智能醫(yī)療機器人市場規(guī)模將突破百億元[13]。新冠肺炎的快速傳播，迫使中國的醫(yī)療機構(gòu)承受著壓力，并加快了采用機器人的步伐。在疫情期間使用醫(yī)療機器人，這或許是中國下一個階段機器人技術(shù)和應(yīng)用的一個亮點，“人工智能+醫(yī)療”將帶來一場新的醫(yī)療技術(shù)革命；隨之而來的將是更多的企業(yè)加入到醫(yī)療機器人產(chǎn)業(yè)化隊伍中，醫(yī)療機器人商業(yè)化、市場化的步伐將不斷加快[14-18]。