全球醫用電動彎曲內窺鏡專利技術分析

朱文韻

上海圖書館（上海科學技術情報研究所），上海 200031

引言

自動彎曲內窺鏡按照驅動方式可分為電機驅動、形狀記憶合金、磁場、液壓/氣動、電活性聚合物、壓電等，電機驅動（即電動彎曲內窺鏡）是通過電動機對內窺鏡插入部進行驅動控制。電動彎曲內窺鏡是醫用自動彎曲內窺鏡行業中的新技術。目前，國內研發與制造水平與日本、美國等技術領先國家尚存較大差距。

本文對全球電動彎曲內窺鏡的相關專利技術進行充分解讀與梳理，分析并總結電動彎曲內窺鏡各部件專利技術發展演進路線，詳細剖析傳感器技術與機器人概念在醫用電動彎曲內窺鏡專利技術中的應用程度與效果。

1 數據來源

本文采用的數據主要以Thomson Innovation數據庫、DERWENT WPI數據庫的專利文獻為基礎，采集數據范圍為公開日截至2017年5月31日的發明和實用新型專利（或專利申請），結合主題詞和國際專利分類號（IPC）進行檢索。通過對Thomson Innovation數據庫、DERWENT WPI數據庫的英文檢索得到全球專利文獻，經數據噪音去除，獲取370項電動彎曲內窺鏡技術相關專利（族）。由于發明專利申請自申請日（有優先權自優先權日）起18個月（主動要求提前公開的除外）才能被公開，實用新型專利申請在授權后才能獲得公布（即其公布日的滯后程度取決于審查周期的長短），而PCT專利申請可能自申請人起30個月甚至更長時間才能進入國家階段（其相對應的國家公布時間更晚），因此在實際數據中會出現2013年之后的專利申請量比實際申請量少的情況，本文分析中述及的專利技術時間均為專利申請時間。

2 技術演進分析

電動彎曲內窺鏡主要部件包括插入部、驅動控制系統、操作部，為了更清晰地了解插入部的技術演進，本文將插入部細分為彎曲部與端部。

2.1 彎曲部

電動彎曲內窺鏡的插入彎曲部與其他驅動類型的可彎曲內窺鏡是可以通用的，因此該部件在電動彎曲內窺鏡專利技術發展過程中起到的是輔助優化的作用。但是，隨著電動彎曲內窺鏡技術研發的不斷深入，尤其是自動化、智能化程度的提升，插入部結構朝向具有輔助動力功能和連續彎曲控制兩個方向不斷演化升級（圖1）。

圖1 電動彎曲內窺鏡插入彎曲部創新方向

經過插入彎曲部相關專利的篩選、研讀與分析，梳理獲取該部件技術發展的兩個演化方向，一是具有輔助動力作用的插入部螺旋型裝配結構；二是適用于電動內窺鏡自動化驅動控制，可實現連續彎曲（即蛇形機器人）的柔性結構。

關于插入部螺旋型裝配結構，該結構設計由日本奧林巴斯公司于2005年首次申請相關專利，并經過不斷技術改進，相關研發工作延續至今[1-3]。該結構裝配于彎曲部，既不影響柔性管彎曲運行，同時具有輔助動力作用，提升了插入部的插入性能。奧林巴斯公司依據螺旋結構的結構設計、裝配于插入部軟管的部位和螺旋結構對軟管產生應力的方式三個技術改進方向。

關于適用于電動內窺鏡自動化驅動控制，可實現連續彎曲的柔性結構，2005年由美國卡內基·梅隆大學研究人員提出仿蛇型運動的高度鉸接插入部的專利技術，開創性地提出了分段式驅動控制的概念[4]；2013年至2015年，隨著自動控制技術的成熟，自動化驅動連續彎曲機器人內窺鏡成為業內認同度較高的技術創新方向，日本奧林巴斯公司、美國麻省理工學院均投入相關研發工作，彎曲部的模塊化、分段式結構設計中融入三維位置檢測、位置傳感器、分段式獨立電機驅動等新技術，使得彎曲部的結構更符合內窺鏡機器人化的發展趨勢[5-8]。基于上述分析，電動彎曲內窺鏡彎曲部專利技術演進分布，見圖2。

圖2 電動彎曲內窺鏡彎曲部專利技術演進圖

2.2 端部

插入部端部雖然體積小，但是容納了視覺系統、探測系統以實現內窺鏡可視化功能，且兼具運動引導的作用，因此其結構設計和運動控制技術對可彎曲內窺鏡的性能起著關鍵作用。本文從端部的結構和運動控制兩個方面對相關專利進行分類、解讀與梳理（圖3）。

圖3 插入部端部技術分解圖

（1）端部結構：端部結構中安裝有光學系統，實現內窺鏡的可視功能，早在八九十年代的專利技術中即對光學系統在端部中的設置進行了設計研究，例如美國專利US5060632給出了一種具有聚焦光學系統觀測窗的遠端結構[9]，美國專利US6047218A給出了設有成像探頭及相關支撐架的端部結構[10]。此后直至2010年之后，端部結構技術取得較大進展，出現了可彎折、可伸縮的結構，提升了端部結構的靈活性，同時采用的光學系統性能更高、尺寸更小，例如專利WO2013021710A1的圓筒狀可動結構，專利WO2013153448A2的具有柔性彎折功能的端部小型掃描系統以及美國專利US20140094657A1位于前端部具有彈性變形能力的圓筒式狀態檢測裝置[11-13]。

（2）端部運動控制：運動控制技術在2003年至2013年十年間獲得了較大技術進展，由基礎的方向控制及信號反饋機制，例如美國專利US20040199052A1給出的鉸接關節致動定向器，美國專利US20050119527A涉及的方向控制器執行裝置及反饋機制。2006年之后，技術人員進一步通過提高端部多自由度運動擴大觀察范圍，提升手術治療動作靈活度，例如美國專利US20080269556A1公開的具有仰俯和偏轉雙自由度的柔性尖端，美國專利US20070156019A1公開的以全部六個笛卡爾自由度移動的遠端；2010年左右，位置引導功能和圖像捕捉功能在多自由度運動技術基礎上得以研發，例如專利WO2010111090A1 研發的多界標轉向圖像捕獲功能的端部；2013年全面進入了自動化控制階段，運動狀態自動校準等技術的引入使得端部運動精確度更高，響應速度更快，例如專利WO2014123066A1開發的端部旋轉狀態與目標旋轉量一致的控制方法[14-19]。基于上述分析，電動彎曲內窺鏡插入部端部專利技術演進分布，見圖4。

圖4 電動彎曲內窺鏡插入部端部專利技術演進圖

2.3 驅動控制系統

驅動控制系統是電動可彎曲內窺鏡的關鍵部件，通過相關專利的整理、解讀與分析，將發明目的分成七個類別（電機型式、電機控制、彎曲角度控制、彎曲速度控制、彎曲回正控制、定位/導航、可靠性/安全性）進行梳理（圖5），獲取驅動控制系統的具體技術發展路徑。

（1）電機型式。電機是電動彎曲內窺鏡驅動控制部件相關專利中研發時間最早的技術領域，始于1975年，至2006年電機技術的技術發展階梯特征明顯，從伺服電機起步→具有限制過度彎曲的解耦電機和具有實現往復運動的可逆電機→具有彎曲量補償功能的雙驅動結構，可吸收多余驅動力緩沖裝置的雙驅動結構→小型內置式電機→輔助驅動裝置，整體上電機驅動功能趨于完善。2006年之后，隨著電機技術的成熟，相關專利技術階梯性發展特征減弱，技術研發重點轉向電機運行的控制技術。

（2）電機控制。2009年之前，電動內窺鏡的電機運行控制僅限于電機本身的運行優化，2009年起，隨著自動控制與傳感器技術的飛速發展，電機的運行控制技術有了明顯突破。例如，2009年日本富士公司提出插入部彎曲運動狀態檢測信號反饋控制（專利號：JP2010183949A），以及日本奧林巴斯公司關于驅動干擾信號增益調整（專利號：WO2010143715A）兩項自動控制技術，有效提升了電動彎曲內窺鏡電機控制效果和控制效率，為日后的該領域研究技術奠定了基礎。2012年之后，以日本奧林巴斯為主的機構針對相關電機運行控制技術不斷完善，但研究方向未發生重大轉變[20-21]。

圖5 驅動控制系統技術分布圖

（3）彎曲角度控制。彎曲角度控制精度和效率是電動彎曲內窺鏡關鍵性能體現。插入部體內彎曲運動由于肉眼無法觀察，控制難度較大，影響因素較多，從1978年至2010年相關專利技術從不同影響因素出發改進彎曲角度控制技術，日本奧林巴斯公司研發并掌握每個時期最先進技術。早在70年代，奧林巴斯公司通過對彎曲部前端部分大致定位確定彎曲角度的合理性，例如德國專利DE2951764A1中利用圖片明亮度分布檢測結果控制彎曲角度；80年代末，奧林巴斯從體內臟器結構感應的角度對彎曲部前端進行更精確的定位，例如美國專利US4982725A利用體內壓力感應檢測結果控制彎曲角度，避免彎曲動作與人體器官壁的接觸的失誤；90年代，奧林巴斯引入自動控制技術提高彎曲角度控制的精度與響應速度，例如日本專利JP2000126120A利用電機控制位置檢測與傳動機構拉繩位移檢測結果比值對彎曲角度智能控制；2005年至2010年，隨著信息技術的成熟，日本奧林巴斯和富士建立了彎曲角度的信息數據庫，研發彎曲角度計算程序，實時自動化控制彎曲角度，進一步提升控制精準度，例如奧林巴斯公司提出的日本專利JP2006192056A以將彎曲部遠端彎曲位置與彎曲方向相關信息儲存于儲存器中，作為彎曲角度控制依據；美國專利US20110009698A中可見富士公司建立了每個彎曲角度對應彎曲部分彎曲量的信息數據庫[22-23]。

（4）彎曲速度控制。彎曲速度控制技術難度明顯低于彎曲角度控制，通過電機轉速、力矩的控制對傳動機構進行控制，從而實現彎曲速度的控制，例如美國專利US4559928A（優先權年：1989年）和日本專利JP03155584B2（優先權年：1991年）。在日本奧林巴斯公司的技術引領下，90年代初，彎曲速度控制技術即實現了自動控制，20年代中期則進入了智能控制時代。例如1991年奧林巴斯提出美國專利US5469840A提出了基于彎曲角度檢測和對應電流檢測結果和正常值對比結果的自動控制；2006年奧林巴斯基于彎曲指令和彎曲狀態檢測實現彎曲狀態邏輯控制（優先權號：WO2007080954A1）[24]。

（5）彎曲回正控制。彎曲回正控制其在控制部相關專利技術中數量占比極少，回正動作操作本身技術難度較低，相關專利技術均旨在提升回正動作的精確性，例如2001年美國專利US20020165430A1的端部回正殘余彎曲角度消除控制技術，2009年日本專利JP2010178886A基于彎曲部遠端區域彎曲量檢測的中心點位置設置[25-26]。

（6）安全、可靠性控制。該方面的技術發展主要經歷兩個個發展階段，第一個發展階段（1999年至2002年左右），從電機運行可靠的角度提升內窺鏡的安全性，包括斷電情況下的電機運行管理（例如，日本專利JP2001095754A），電路斷路、短路預防（例如日本專利JP2001095754A），電機故障預警（例如日本專利JP2002336191A）；第二個發展階段（2003年至2012年左右），從彎曲操控異常問題解決的角度提升內窺鏡的可靠性，主要涉及插入部彎曲狀態異常（例如，美國專利US20040193014A，專利WO2006019137A1）、拉線松弛（例如專利WO2012153646A1）和彎曲部負載過載（例如專利WO2013180041A、WO2013179600A）三個問題的電機及控制裝置應對技術[27-31]。

（7）位置/引導技術。位置/引導技術隨著圖像定位技術、自動控制技術、信息技術等技術的發展成為電動控制內窺鏡新的研究重點，位置引導技術的掌握使得插入部動作控制的可靠性和安全性問題迎刃而解。2005年至今，相關專利技術先后引入一系列高精技術實現位置引導的精確性和高效性，技術起步點較高，發展速度較快，是引領未來電動彎曲內窺鏡技術升級的立足點。從技術發展之初的光纖光柵位置傳感器高精度定位（例如美國專利US20070156019A1），到之后的基于三維定位結果進一步開展插入部形狀計算（例如日本專利JP2015154814A），將定位結果與方向形成映射信息實現彎曲控制（美國專利US20090149711A），目標對象的測距（專利WO2015042453A1）等位置信息的全面掌握[17,32-34]。

基于上述分析，電動彎曲內窺鏡驅動控制專利技術演進分布，見圖6。

圖6 電動彎曲內窺鏡驅動控制部專利技術演進圖

2.4 操作部

操作部技術的先進性與內窺鏡手術的質量息息相關，同時對內窺鏡產品的市場競爭力有著舉足輕重的推動作用。經過操作部相關專利的研讀、分析與整理，按照四個方面進行技術路線的梳理，分別是操作部主體型式、操作部舒適性改良、操作部安全性改進以及操作部智能化提升（圖7）。

圖7 操作部技術構成

（1）操作型式。操作部主體型式多種多樣，結構型式整體上從機械化向自動化遞進：2002年之前以開關型式為主，例如日本專利JP2002125919A公開的離合器切換操作開關，日本專利JP2003275168A公開的基于光學位置傳感器信號的電磁制動開關；2003年器傾斜式操縱桿（操縱手柄）成本主流型式，例如2003年日本專利JP2005066128A公開的彎曲操控桿傾斜式操縱手柄；2005年專利技術中出現了指令輸入，專利WO2006075503A1公開了基于彎曲輸入指示的板狀操作移動式操作元件[35]；2006年奧林巴斯提出了具有通訊功能和位置定位功能的遙控操作部；2014年公開了執行插入部遠端運動的關節旋轉指令與彎曲指令輸入部及其執行操作部。從電動彎曲內窺鏡專利技術整體解讀，操作部的描述中主要采用傾斜操作手柄，由此可見，遙控操作、信號輸入操作被業內研發人員作為未來發展趨勢，但是距離商業應用仍有距離。

（2）操作舒適性。操作舒適性主要體現在操作便利性，由單手控制過渡到任意單指操控，采用輔助應力減小操作力，各種影響操作信號提示輔助操作者決策判斷，而控制動作與意圖方向一致性則是從另一個方面提升操作直觀性。

（3）操作安全性。從相關專利的技術內容來看，操作部的安全性主要包括三個方面：防止誤操作、防止不同部件之間的脫落、密封性。防止誤操作方面，例如日本專利JP2003136393A公開的操作部設置使切換力產生不連續變化的棘爪結構；防止不同部件之間的脫落問題研究相關專利研究相對較多，例如美國專利US20090030273A1公開操作桿具有彎曲運動調節部和手術器械防脫落組件，歐洲專利EP1992272A1公開一種操作部脫出限制構件和卡定構件，美國專利US20090247829A1公開的操作部與驅動部防脫離的卡定機構等；密封性方面，奧林巴斯提出了把持外殼接觸區域位置變化檢測的專利技術[36-39]。

（4）操作智能化。該領域的專利技術起點較高，因此專利技術發展起點較晚，為2002年，其發展的目標是減少人為因素，降低對操作者的技術水平要求，通過操作意圖自動感測、操作指示信號的校正與輸出、操作部與彎曲部雙向通訊，實現自動化、智能化操作。

電動彎曲內窺鏡操作部技術演進圖，見圖8。

圖8 電動彎曲內窺鏡操作部技術演進圖

3 傳感器技術——實現自動化控制、智能化輔助操控決策

傳感器具有微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化特點。傳感器是電動彎曲內窺鏡操作者的感覺器官的延長，使用各種傳感器來監視和控制治療過程中的各個參數，使得內窺鏡工作在最佳狀態。專利技術中傳感器的檢測對象覆蓋了電動彎曲內窺鏡的各個主要部件，同時，可以全面優化電動彎曲內窺鏡的各項技術性能。電動彎曲內窺鏡傳感器布置型式總結，見表1。

將專利進一步解讀與梳理可知，傳感器輸出的檢測信號轉換為控制決策依據可分為三種情況：二次計算、映射關聯和對比（圖9）。

“二次計算”是將傳感器直接輸出檢測信息作為已知信息，根據一定的算法計算獲取未知量。例如日本奧林巴斯株式會社申請的專利US20100030023A1“能動驅動式醫療設備”，基于彎曲部位置/姿勢檢測結果計算外驅動力大小[40]。

“映射關聯”是根據傳感器檢測輸出結果和映射關系，兩者結合實現自動控制。例如日本奧林巴斯株式會社的專利US20090149711A“內窺鏡系統”[41]，以彎曲部的后端附近的位置為基準位置，將使彎曲部彎曲的情況下的彎曲量和對應于彎曲量的插入部前端的三維位置即方向相關連地進行數據化得到映射信息，彎曲控制部使用映射信息來控制彎曲驅動部地彎曲驅動使得插入部前端指向作為目標的目標方向。

“檢測值與極限值對比”，目的是將運行檢測值控制在極限值以內，避免事故發生。例如，日本佳能株式會社專利WO2013180041A1“醫療器械”[30]，包括負載探測裝置用于探測作用于變形部分的負載，當負載檢測單元檢測到的負載大于闕值時，驅動裝置斷開線與驅動力之間的連接。

“檢測值與標準值對比”，目的是確保檢測值不偏離于標準值，確保檢測對象調整至正常工作狀態。例如，日本奧林巴斯株式會社專利US5469840A“具有速度控制功能的電動彎曲內窺鏡”[42]，包括彎曲速度控制裝置，可接收由角度檢測裝置檢測到的彎曲角度和由電流檢測裝置檢測到的在該彎曲角度實現狀態下的電流值。控制裝置將彎曲角度電流值和儲存器中儲存的正常狀態下數值進行對比。如果結果大于正常狀態下的數值，則降低彎曲速度。

“不同檢測輸出值之間對比”，即將驅動機構與能動機構之間的同類型檢測結果進行對比，獲取傳動運行狀態的實際情況。例如，日本奧林巴斯株式會社專利WO2012153646A1“醫療控制裝置”[29]，其對驅動部驅動量的變化量和牽引部驅動量的變化量進行比較；根據比較結果，確定能夠通過形成彎曲部的彈性部件的復原力而有助于彎曲部彎曲的范圍與由于線產生松弛而不能有助于彎曲部彎曲的范圍之間的邊界。

表1 電動彎曲內窺鏡傳感器布置型式總結

圖9 傳感器輸出信息處理方法

4 機器人概念——有效提升操控自動化、智能化程度

機器人指能自動執行任務的人造機器裝置，用以取代或協助人類工作，一般會是機電裝置，由計算及程序或是電子電路控制。根據插入部可彎曲部的技術演進分析結果，機器人概念分別出現在可彎曲部和操作部的自動化、智能化提升上。

連續彎曲機器人內窺鏡經過一系列的技術演進實現目前多鏈路連續彎曲。2013年至2015年，隨著自動控制技術的成熟，自動化驅動連續彎曲機器人內窺鏡成為業內認同度較高的技術創新方向，日本奧林巴斯公司、美國麻省理工學院均投入相關研發工作，彎曲部的模塊化、分段式結構設計中融入三維位置檢測、位置傳感器、分段式獨立電機驅動等新技術，使得彎曲部的結構更符合內窺鏡機器人化的發展趨勢。

日本奧林巴斯是唯一一家在電動彎曲內窺鏡操作部智能化研發中融合機械手技術的專利申請機構，相關專利的特征如下[43-45]：① 相關專利數量僅3項：WO2015194262A1“手術用機械手操作裝置和手術用機械手系統”、WO2015190185A1“機械手”和JP2015080848A“機械手系統的控制方法和機械手系統”；② 相關專利申請時間為2014年至2015年，是一項前沿技術，研發工作正處于起步階段；③ 相關專利的地區布局上均覆蓋了日本、美國、歐洲、中國等主要市場，技術布局上涉及了機械手裝置結構、機械手系統結構、機械手系統的控制方法，從裝置到系統，從機械結構到控制方法進行了全面的技術布局；④ 相關專利在技術效果上，操作者可多方向直觀操作，操作簡便，穩定性高。奧林巴斯作為行業技術的領先者和引領者，其近年來的專利布局新領域機械手技術必定是提升電動彎曲內窺鏡自動化、智能化程度的有效途徑，極有可能成為電動彎曲內窺鏡技術升級的新突破點。

5 總結

作為下一代內窺鏡技術，電動彎曲內窺鏡的研發與制造尚處于發展初期階段，以日本奧林巴斯為首的國外研發機構與制造商正在通過構筑專利壁壘搶奪市場。本文通過專利技術解讀的方式旨在為國內內窺鏡業內人士提供一份詳盡的技術解讀，幫助研發人員掌握國外競爭對手的研發方向與路徑，有針對性地加快研發步伐，掌握核心技術，打破競爭對手的專利壁壘。