戚仕濤，劉鐵兵

南京軍區(qū)南京總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，江蘇南京 210002

外科手術(shù)機器人系統(tǒng)及其臨床應(yīng)用

戚仕濤，劉鐵兵

南京軍區(qū)南京總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，江蘇南京 210002

與傳統(tǒng)電視腔鏡手術(shù)相比，外科機器人輔助手術(shù)具有更加精細、微創(chuàng)等優(yōu)點。本文介紹了手術(shù)機器人系統(tǒng)的特點及達芬奇手術(shù)機器人組成原理，并對手術(shù)機器人系統(tǒng)的臨床應(yīng)用情況和未來發(fā)展做了簡要探討。

外科手術(shù)機器人；微創(chuàng)外科；腔鏡手術(shù)

1 概述

20世紀80年代電視腹腔鏡系統(tǒng)手術(shù)在膽囊切除術(shù)的成功開展，正式開創(chuàng)了微創(chuàng)外科時代[1]。微創(chuàng)外科與傳統(tǒng)手術(shù)相比，具有傷口小且美觀，術(shù)中出血較少，恢復(fù)較快，患者術(shù)后疼痛降低，住院天數(shù)減少等優(yōu)點，深受患者的推崇，同時也成為各個醫(yī)院吸引患者的重要外科項目。微創(chuàng)手術(shù)也逐漸成為醫(yī)院醫(yī)療水平的評價標準，因此傳統(tǒng)的電視腹腔鏡系統(tǒng)作為一項基礎(chǔ)的手術(shù)設(shè)備被各級醫(yī)院接納和購買。

隨著電視腔鏡手術(shù)的廣泛開展，其局限性也逐漸暴露出來，電視腹腔鏡手術(shù)對復(fù)雜精細的手術(shù)顯得力不從心。例如胰十二指腸手術(shù)，要在電視腔鏡下完成眾多的體內(nèi)縫合相當困難，需要施術(shù)者具有豐富的開腹手術(shù)經(jīng)驗和嫻熟的電視腔鏡手術(shù)技術(shù)。因此，迄今為止，全世界完成的電視腔鏡胰十二指腸手術(shù)并不多，國內(nèi)僅見少數(shù)個案報道[2]。且從目前有限經(jīng)驗來看，腹腔鏡胰十二指腸切除術(shù)并沒有在縮短住院時間和減少費用上顯現(xiàn)出優(yōu)越性，相反這種手術(shù)所需要的手術(shù)時間和術(shù)后并發(fā)癥卻要多于傳統(tǒng)手術(shù)方法。因此腹腔鏡胰十二指腸切除術(shù)目前仍處于探索階段，有待完善[3]。與此類似的還有泌尿外科微創(chuàng)前列腺癌根治術(shù)和心臟外科微創(chuàng)心臟搭橋等。

由于人類一些器官的生理、解剖結(jié)構(gòu)的特殊性和傳統(tǒng)電視腔鏡技術(shù)的局限性，外科手術(shù)要達到廣泛微創(chuàng)化、精細化的目的,必須有一種新的外科平臺的出現(xiàn)才能解決。就像工業(yè)生產(chǎn)已依靠機器人作業(yè)達到了人類無法達成的成就一樣，外科手術(shù)機器人系統(tǒng)的應(yīng)運而生，突破了人類在外科手術(shù)領(lǐng)域的局限，開創(chuàng)了外科手術(shù)又一個新紀元。

機器人輔助外科手術(shù)現(xiàn)在已被醫(yī)生和患者廣泛接受，如機器人前列腺癌根治術(shù)和腎盂成形術(shù)在美國已具備“金標準”的地位，占相關(guān)手術(shù)總量的平均比例超過1/3，在一些地區(qū)甚至達到90%，而且達芬奇外科機器人系統(tǒng)也參與到很多最先進的外科技術(shù)中，如“一站式”心臟雜交技術(shù)、不開胸不跳冠脈搭橋，以及“Day Surgery”[4]等。

2 手術(shù)機器人系統(tǒng)的優(yōu)點

與傳統(tǒng)電視腹腔鏡手術(shù)系統(tǒng)相比，手術(shù)機器人系統(tǒng)具有如下明顯的優(yōu)點：

（1）提供主刀醫(yī)生高清晰、立體的手術(shù)視野，符合人類工程學(xué)，讓醫(yī)生擁有和人眼一樣的立體式感覺，可以清晰準確地進行組織定位和器械操作；

（2）仿真手腕手術(shù)器械可以模擬人的手指的靈活度，同時消除不必要的顫動，所以手術(shù)器械完全達到人手的靈活度和準確度，可以進行人手不能觸及的狹小空間的精細手術(shù)操作；

（3）醫(yī)生使用含手腳操作裝置的醫(yī)生控制臺，操控精密機器手臂及3D攝影內(nèi)視鏡，操作方式完全尊重醫(yī)生開放手術(shù)操作方式，不需要長時間的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)；

（4）一個主刀醫(yī)生就可以完成一個電視腔鏡手術(shù)團隊的全部工作，減少了主刀醫(yī)生和其他手術(shù)團隊成員的配合，更容易實現(xiàn)主刀醫(yī)生的意圖；

（5）主刀醫(yī)生采取坐姿進行系統(tǒng)操作，舒適的坐勢有利于長時間復(fù)雜的手術(shù)，而且延長了主刀醫(yī)生的手術(shù)生命。

其他優(yōu)點還包括：減少麻醉需求量、感染風(fēng)險、失血量或輸血必要、創(chuàng)傷和疤痕等。病人從這種新的手術(shù)方式也受益良多：切口變小、康復(fù)時間縮短、住院天數(shù)減少等。對于大多數(shù)手術(shù)而言，病人康復(fù)時間大幅縮短，可快速恢復(fù)日常作息。

綜合起來，使用手術(shù)機器人系統(tǒng)讓復(fù)雜的微創(chuàng)手術(shù)變得如例行手術(shù)一般簡單，大大擴大微創(chuàng)手術(shù)應(yīng)用范圍，滿足了外科領(lǐng)域追求卓越的目標，能夠達到更加理想的手術(shù)效果、更小的創(chuàng)傷和更大的患者適用范圍。表1給出了手術(shù)機器人系統(tǒng)與傳統(tǒng)電視腔鏡系統(tǒng)技術(shù)性能的對比，可以看出，手術(shù)機器人系統(tǒng)在技術(shù)方面具有顯著的優(yōu)勢。

表1 傳統(tǒng)電視腔鏡手術(shù)與手術(shù)機器人技術(shù)性能對比

3 達芬奇da Vinci? S?手術(shù)機器人系統(tǒng)介紹

美國Intuitive Surgical生產(chǎn)的達芬奇手術(shù)機器人系統(tǒng)，于1999年取得歐洲CE認證，2000年取得美國FDA認證。達芬奇Da Vinci?S?手術(shù)機器人系統(tǒng)是最新一代手術(shù)機器人平臺，能夠通過微創(chuàng)的方法完成復(fù)雜的外科手術(shù)。實施手術(shù)時外科醫(yī)生不與病人直接接觸，通過觀察監(jiān)視器操作控制系統(tǒng)，醫(yī)生的動作通過計算機傳遞給手術(shù)臺邊的機械手，機械手的前端安裝各種微創(chuàng)手術(shù)器械模擬外科醫(yī)生的技術(shù)動作。醫(yī)生控制臺裝有三維視覺系統(tǒng)和動作定標系統(tǒng)，醫(yī)生手臂、手腕和手指的運動通過傳感器在電腦中記錄下來，并同步翻譯給機器手臂。達芬奇手術(shù)機器人系統(tǒng)主要分為3 部分：① 外科醫(yī)生控制臺；② 機械臂、攝像臂和手術(shù)器械組成的手術(shù)臺車；③ 三維高清視頻影像平臺。

3.1 外科醫(yī)生控制臺

外科醫(yī)生控制臺是Da Vinci?S?系統(tǒng)的控制中心，由計算機系統(tǒng)、監(jiān)視器、控制手柄、腳踏控制板及輸出設(shè)備組成，見圖1。外科醫(yī)生控制臺的操作者坐在消毒區(qū)域以外，通過使用控制手柄來控制手術(shù)器械和立體腔鏡。手術(shù)者通過雙手動作傳動手術(shù)臺車上仿真機械臂完成各種操作，從而達到了手術(shù)者的手在患者體內(nèi)做手術(shù)的效果。同時可通過聲控、手控或踏板控制腹腔鏡。手術(shù)者雙腳置于腳踏控制板上配合完成電切、電凝等相關(guān)操作。Da Vinci?S?系統(tǒng)讓手術(shù)者在微創(chuàng)的環(huán)境里可以達到開放手術(shù)的靈活性。

3.2 手術(shù)臺車

手術(shù)臺車（圖2）是Da Vinci?S?系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)部分，上面安裝有工作臂和持鏡臂。第一代達芬奇機器人只有2只工作臂，2003年起，新一代達芬奇機器人安裝了3只工作臂，增強了應(yīng)用能力和靈活性。手術(shù)車的基本功能是支撐手術(shù)器械臂和鏡頭臂。工作臂裝上各種手術(shù)器械（仿真機械手如圖3），用于完成各種復(fù)雜的手術(shù)操作，持鏡臂用于術(shù)中握持腹腔鏡物鏡，可提供更加穩(wěn)定的圖像，避免了傳統(tǒng)腹腔鏡手術(shù)中助手疲勞導(dǎo)致手部抖動出現(xiàn)視野不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

機械手可以模擬人手各種操作，動作的自由度高達7自由度，包括臂關(guān)節(jié)上下、前后、自由運動與仿真手腕的左右、旋轉(zhuǎn)、開合、末端關(guān)節(jié)彎曲共7種動作，可沿垂直軸360°和水平軸270°旋轉(zhuǎn)，且每個關(guān)節(jié)活動度大于90°。尤其在行深部操作時，機械手動作靈活，體積小巧，與開放手術(shù)的人手操作相比具有顯著優(yōu)勢。仿真機械手配置了各種類型的手術(shù)器械，可滿足抓持、鉗夾、縫合等各項操作要求；同時機械臂具有計算機輔助位置記憶功能，更換器械后機械臂可迅速回復(fù)至更換前位置，具有“即插即用，無縫連接”的特點。

3.3 三維高清視頻影像系統(tǒng)

傳統(tǒng)腹腔鏡技術(shù)的一個主要弊端在于二維平面成像，術(shù)者在監(jiān)視器中無法辨別組織前后相對關(guān)系，只有充分練習(xí)后才可以掌握。達芬奇機器人的三維高清影像系統(tǒng)（圖4）則完全解決這一問題，為術(shù)者提供了一個真實的手術(shù)視野，使打結(jié)、縫合等操作變得簡單易學(xué)。另外，借助數(shù)碼放大技術(shù)，無須移動腹腔鏡即可將手術(shù)部位放大10～15倍，有利于更加精細的手術(shù)操作。

圖4 外科機器人視頻高清影像系統(tǒng)

4 手術(shù)機器人系統(tǒng)在臨床中的應(yīng)用

手術(shù)機器人于1997 年3 月在比利時布魯塞爾圣·皮埃爾（St Pierre）醫(yī)院完成了第一例腹腔鏡手術(shù)——膽囊切除術(shù)。隨后幾年里,手術(shù)機器人不僅完成了普外科,還有心臟外科、婦科和泌尿外科的手術(shù)等。

4.1 心臟外科中的應(yīng)用

心臟外科是最能體現(xiàn)手術(shù)機器人價值的領(lǐng)域,手術(shù)機器人克服了常規(guī)腔鏡手術(shù)技術(shù)局限,實現(xiàn)了心臟外科的微創(chuàng)化。使用手術(shù)機器人系統(tǒng)可完成房間隔缺損修補、冠狀動脈搭橋、心包腫物切除等手術(shù)[5,6]。目前美國、加拿大以及西歐等國已成功應(yīng)用手術(shù)機器人實行微創(chuàng)二尖瓣置換成形術(shù)和冠脈搭橋術(shù)。國內(nèi)解放軍總醫(yī)院于2007 年1 月在國內(nèi)率先使用該系統(tǒng),截至2009年底，2年左右時間，已完成各類心臟手術(shù)共125 例，均取得了滿意的手術(shù)效果[7]。

4.2 在泌尿外科中的應(yīng)用

2003年Monon[8]報道了機器人腹腔鏡下前列腺癌根治術(shù)、腎盂成形術(shù)等。隨著機器人腹腔鏡前列腺癌根治術(shù)技術(shù)的成熟,膀胱癌根治術(shù)也開始應(yīng)用機器人進行。Beecken[9]等人報道1例58歲男性進行根治性膀胱切除及體內(nèi)新膀胱術(shù)。Da Vinci機器人最初主要是為微創(chuàng)心臟外科手術(shù)研制的,泌尿外科并不是Da Vinci機器人的最初目的，但是泌尿外科迅速進入了機器人手術(shù)領(lǐng)域，并因為前列腺癌根治術(shù)發(fā)展了機器人手術(shù)技術(shù)。目前，全世界大約400臺機器人在臨床上應(yīng)用，大多數(shù)主要用于泌尿外科。

4.3 在普通外科中的應(yīng)用

膽囊切除術(shù)是目前運用手術(shù)機器人進行普外科手術(shù)中數(shù)量最多、技術(shù)最熟練的手術(shù),它同時也被認為是普外科醫(yī)生接觸手術(shù)機器人的一種非常合適的入門“練習(xí)”手術(shù)。利用機器人進行膽囊切除術(shù)已多有報道[10]。

第二炮兵總醫(yī)院周寧新2009年1月在國內(nèi)首先應(yīng)用機器人進行胰十二指腸切除手術(shù)，并與同期開腹手術(shù)進行了比較，結(jié)果表明，機器人手術(shù)組的總體并發(fā)癥發(fā)生率低于開腹手術(shù)組, 術(shù)中出血量及腹壁切口低于開腹手術(shù),術(shù)后下床時間更是明顯低于開腹手術(shù),出院時間亦明顯早于開腹手術(shù)[11]。

4.4 在婦科中的應(yīng)用

手術(shù)機器人第一次運用于婦科是在1998 年。Mettler 等人[12]使用AESOP 機器人進行手術(shù), 他們對15 例患者行腹腔鏡輔助下陰式子宮全切術(shù), 普通手術(shù)時間為85 min , 而有AESOP 輔助下手術(shù)時間為70 min。并證實了使用AESOP較人工控制腹腔鏡頭更有效。Cleveland臨床小組在1998年成功地實施了輸卵管吻合再通術(shù)[13]，證實了機器人系統(tǒng)在婦科手術(shù)中的可行性及精確性。

4.5 在其他外科手術(shù)中的應(yīng)用

手術(shù)機器人在臨床中的應(yīng)用遠不止上述所列的幾種，理論上講，手術(shù)機器人可以應(yīng)用于所有的外科手術(shù)。由于手術(shù)機器人應(yīng)用于臨床的時間還不長，出于醫(yī)學(xué)安全和謹慎的目的，許多手術(shù)目前并未采用手術(shù)機器人系統(tǒng)，這需要一個過程。

5 討論與展望

手術(shù)機器人系統(tǒng)的發(fā)明是醫(yī)學(xué)和工程學(xué)結(jié)合的又一典型代表，它的出現(xiàn)使外科手術(shù)平臺又一次發(fā)生了質(zhì)的飛躍，目前被公認為開創(chuàng)了外科手術(shù)平臺的新紀元。微創(chuàng)外科是外科學(xué)未來發(fā)展的趨勢，手術(shù)機器人系統(tǒng)作為微創(chuàng)外科手術(shù)平臺，從技術(shù)角度講無疑是目前最先進的系統(tǒng)。手術(shù)機器人的出現(xiàn)，使以前很多難以開展的手術(shù)得以實現(xiàn)，前列腺癌機器人輔助手術(shù)已成為前列腺癌根治術(shù)的“金標準”[7]，所有這些都極大的造福了患者。

當然，目前手術(shù)機器人還存在一些缺點和不足，如觸覺反饋體系的缺陷，醫(yī)生只能通過視覺信息反饋彌補觸覺反饋的不足；系統(tǒng)技術(shù)的復(fù)雜性，在使用過程中發(fā)生機械故障的幾率大于一般的內(nèi)窺鏡手術(shù)系統(tǒng)；手術(shù)前及手術(shù)中的規(guī)劃和準備耗時較長；成本昂貴等[14-15]。但手術(shù)機器人正式應(yīng)用于臨床只不過短短的十余年時間，隨著醫(yī)學(xué)和科技的進步，完全有理由相信上述缺點和不足都會逐步的解決。而且，隨著智能化技術(shù)、納米技術(shù)的發(fā)展，未來更先進的人工智能手術(shù)機器人、納米手術(shù)機器人也會應(yīng)用于臨床[16]。

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Surgical Robot System and Its Clinical Applications

QI Shi-tao, LIU Tie-bing
Medical Engineering Department, General Hospital of Nanjing Military Region, Nanjing Jiangsu 210002,China

Compared with traditional TV endoscopic surgery, surgical robot system has many advantages, such as more sophistication, minimally invasion and so on. This article described a surgical robot system's architecture, and surgical robot's technical characteristics and clinical applications. The development of surgical robots was also briefly explored.

surgical robot; minimally invasive surgery; endoscopic surgery

TP242

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.06.019

1674-1633(2011)06-0056-04

2011-04-12

2011-04-18

作者郵箱：bjbull@163.com