楊 鑫 李占賢 徐衛(wèi)國(guó)

(河北聯(lián)合大學(xué)冀唐學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)系，①機(jī)械工程學(xué)院，②附屬醫(yī)院腫瘤外科 河北唐山 063000)

外科手術(shù)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

楊 鑫 李占賢①徐衛(wèi)國(guó)②*

(河北聯(lián)合大學(xué)冀唐學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)系，①機(jī)械工程學(xué)院，②附屬醫(yī)院腫瘤外科 河北唐山 063000)

外科手術(shù) 機(jī)器人 輔助裝備 優(yōu)越性 局限性

進(jìn)入20世紀(jì)，隨著醫(yī)療水平的不斷提高，人們開(kāi)始關(guān)注手術(shù)治療作為一種創(chuàng)傷對(duì)患者的不利影響，并積極

探索減少手術(shù)創(chuàng)傷的方法。經(jīng)過(guò)多年的臨床實(shí)踐，人們發(fā)現(xiàn)機(jī)械性的腹腔鏡存在感覺(jué)能力差、二維圖像距離感缺失、完成精細(xì)分離操作難度大等缺點(diǎn)。這些因素在很大程度上制約了腹腔鏡技術(shù)向更為復(fù)雜的外科手術(shù)的拓展，也成為當(dāng)今腹腔鏡發(fā)展中的“瓶頸”。于是，更穩(wěn)定、更安全、更精確、更規(guī)范的現(xiàn)代外科手術(shù)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。

1 外科手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展歷程

1985年，美國(guó)加州放射醫(yī)學(xué)中心使用一種能夠自主定位的立體定向裝置(Puma 560)來(lái)完成腦組織活檢［1］，由此，機(jī)器人技術(shù)在外科領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)始廣泛開(kāi)展。1989年，英國(guó)的皇家學(xué)院機(jī)器人技術(shù)中心利用改進(jìn)的6自由度Puma機(jī)器人，開(kāi)展了前列腺手術(shù)切除術(shù)，使得手術(shù)操作時(shí)間大大縮短［2］。隨后，開(kāi)發(fā)的Caspar機(jī)器人系統(tǒng)，采用Stabubli RX90工業(yè)機(jī)器人，用于全髖或全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的骨骼磨削以及前交叉韌帶重建術(shù)的隧道入點(diǎn)定位，磨削精度達(dá)到了0.10mm［3］。但是，早期的機(jī)器人系統(tǒng)完全基于工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，其實(shí)用性受到了很大的限制，無(wú)法進(jìn)行更為精細(xì)的操作。

鑒于先期機(jī)器人的優(yōu)越性，科學(xué)家開(kāi)始進(jìn)行專用外科機(jī)器人的研究。1991年，ISS推出Robodoc用于進(jìn)行膝關(guān)節(jié)外科置換術(shù)［4］。它是一種主動(dòng)式機(jī)器人系統(tǒng)，包括一臺(tái)用于術(shù)前規(guī)劃的計(jì)算機(jī)和1臺(tái)安裝抓持、切削裝置的5軸機(jī)械臂以及一個(gè)機(jī)器人操控平臺(tái)，通過(guò)編程獨(dú)立完成操作。Computer motion公司于1994年研發(fā)了內(nèi)鏡光學(xué)定位外科機(jī)器人系統(tǒng)“AESOP”［5］。AESOP用來(lái)減輕傳統(tǒng)微創(chuàng)外科手術(shù)中持鏡護(hù)士的繁重工作，醫(yī)生能夠通過(guò)語(yǔ)音控制內(nèi)窺鏡鏡頭的位置。

1999年初，由兩家美國(guó)公司(Computer Motion和Intuitive Surgical)先后獨(dú)立研制的宙斯(Zeus)和達(dá)芬奇(Da Vinci)兩套手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，分別經(jīng)歐洲CE認(rèn)證，次年獲得美國(guó)FDA批準(zhǔn)，標(biāo)志著手術(shù)機(jī)器人正式在世界范圍內(nèi)應(yīng)用于臨床［6］。2001年9月7日，法國(guó)醫(yī)生Marescaux領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)醫(yī)療小組完成了著名的跨大西洋遠(yuǎn)程Zeus機(jī)器人膽囊切除術(shù)－－“林德伯格手術(shù)”，開(kāi)創(chuàng)了遠(yuǎn)程手術(shù)的先河［7］。

最為引人關(guān)注的是美國(guó)Intuitive Surgical公司開(kāi)發(fā)的Da Vinci系列機(jī)器人。Da Vinci機(jī)器人集成了圖像導(dǎo)航技術(shù)、機(jī)器人定位、遙控操作等多項(xiàng)技術(shù)，這個(gè)機(jī)器系統(tǒng)還在比利時(shí)演示了內(nèi)鏡下的機(jī)器人輔助微創(chuàng)膽囊切除手術(shù)［8］，使人們清醒地認(rèn)識(shí)到機(jī)器人在微創(chuàng)外科中的巨大潛能。

國(guó)內(nèi)也加緊了對(duì)外科手術(shù)機(jī)器人的研究。1997年，北京航空航天大學(xué)和解放軍海軍總醫(yī)院聯(lián)合研制了基于Puma262的腦外科機(jī)器人輔助定位系統(tǒng)，并成功開(kāi)展了臨床應(yīng)用，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)醫(yī)用機(jī)器人研究的空白［9］。2000年海軍總醫(yī)院研制了計(jì)算機(jī)輔助立體定位神經(jīng)外科手術(shù)系統(tǒng)［10］，系統(tǒng)首先利用患者腦部的掃描數(shù)據(jù)重構(gòu)并繪制出患者腦部的三維組織結(jié)構(gòu)，為醫(yī)生調(diào)整和確定手術(shù)規(guī)劃提供參照。2010年，由天津大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)和天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院聯(lián)合研制的“妙手A”系統(tǒng)通過(guò)了專家鑒定，該系統(tǒng)擁有多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)明［11］。如首次設(shè)計(jì)完成四自由度小型手術(shù)工具，可適應(yīng)微創(chuàng)手術(shù)需求，并可完成復(fù)雜的縫合打結(jié)運(yùn)動(dòng)操作;采用三維立體視覺(jué)系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的平面成像系統(tǒng)，使手術(shù)視野立體清晰;機(jī)器人的操作手臂有了力學(xué)反饋，使醫(yī)生操作有了觸覺(jué)，提高了手術(shù)的精確程度。更為值得一提的是該系統(tǒng)完全是由我國(guó)自主研發(fā)的。

隨著醫(yī)用機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人開(kāi)始向微小化方向發(fā)展。2001年，以色列Mazor公司開(kāi)發(fā)的脊椎外科機(jī)器人Spine Assistant就是典型的例子，其機(jī)器人輔助定位系統(tǒng)解決了脊柱微創(chuàng)外科手術(shù)中的高精度定位問(wèn)題［12］。2004年，日本東京大學(xué)研制了5自由度小型鏈?zhǔn)綑C(jī)器人，用于前交叉韌帶重建手術(shù)中的隧道鉆孔［13］。同年，北京航空航天大學(xué)與北京積水潭醫(yī)院聯(lián)合研制了具有6個(gè)自由度的小型模塊化機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)也不會(huì)對(duì)患者造成任何傷害.非常適合臨床使用［14］。

2 外科手術(shù)機(jī)器人的優(yōu)越性及局限性

如今，外科手術(shù)機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用到胸心外科［15］、腫瘤外科［16］、普通外科［17］等領(lǐng)域，其在技術(shù)上也體現(xiàn)出前所未有的優(yōu)越性，比如系統(tǒng)末端安裝手術(shù)器械的仿真手腕具有多個(gè)活動(dòng)自由度，比人手更加靈活，提高了手術(shù)的精度;高分辨率的三維圖像處理設(shè)備，將手術(shù)野放大了10～20倍，有利于外科醫(yī)生清晰地進(jìn)行組織定位和操作;在術(shù)中可自動(dòng)濾除人手的顫動(dòng)，排除主刀醫(yī)生可能的顫抖對(duì)手術(shù)造成的不利影響，提高手術(shù)的操作性、精確性和穩(wěn)定性;配備齊全的手術(shù)器械能在狹小空間準(zhǔn)確完成多種精細(xì)手術(shù)操作［18］;利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程手術(shù)［19］。在不斷發(fā)展的同時(shí)，我們應(yīng)該明確，機(jī)器人并不是要代替人類，而是作為輔助工具，就像一把更先進(jìn)的手術(shù)刀或者止血鉗，能夠更加有效地增強(qiáng)醫(yī)師對(duì)手術(shù)的控制力。

外科手術(shù)機(jī)器人目前還只是未來(lái)發(fā)展的方向，在手術(shù)中的應(yīng)用還有很多局限性，如:手術(shù)機(jī)器人依然沒(méi)有很好地解決利用器械手術(shù)時(shí)缺少觸覺(jué)反饋的問(wèn)題，這將影響到手術(shù)操作的精確性、安全性和靈活度，從而大大束縛外科醫(yī)生的能動(dòng)性［20］;手術(shù)機(jī)器人的體積依然偏大，占用了手術(shù)室較大的空間，其本身的教學(xué)能力有限，不利于青年醫(yī)師培訓(xùn);費(fèi)用昂貴。所以要是想讓機(jī)器人成為疑難手術(shù)的必選方法，我們還需要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的發(fā)展期。

各級(jí)衛(wèi)生組織應(yīng)成立相應(yīng)機(jī)構(gòu)，加強(qiáng)外科醫(yī)生與電子機(jī)械工程師之間的聯(lián)系，使外科技術(shù)與電子機(jī)械領(lǐng)域之間能夠更好地結(jié)合，加快外科手術(shù)機(jī)器人的研發(fā)進(jìn)程，從而為人類創(chuàng)造更優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療服務(wù)。我們可以大膽設(shè)想一下未來(lái)的手術(shù)室。智能擔(dān)架將患者的重要信息進(jìn)行記錄，并對(duì)患者實(shí)施麻醉，其還能掃描提供患者的影像學(xué)資料［21］?；颊唠S后被徹底消毒并送進(jìn)無(wú)菌手術(shù)室。用自動(dòng)機(jī)械傳遞裝置代替機(jī)械護(hù)士，用自動(dòng)取出裝置代替巡回護(hù)士。外科醫(yī)生可以控制很多機(jī)械手，機(jī)械可以自由更換手術(shù)需要的紗布、縫合線。因?yàn)槭中g(shù)室常常和中心消毒室建在一起，所以將大大減少人員的使用。患者在進(jìn)入手術(shù)室完成一系列的術(shù)前準(zhǔn)備后，醫(yī)生利用數(shù)字成像技術(shù)快速建造“動(dòng)態(tài)克隆人”，所謂“動(dòng)態(tài)克隆人”就是一個(gè)在解剖學(xué)上與患者高度保持一致的虛擬三維克隆人，并且能夠同時(shí)做出與患者相同的動(dòng)作，如臟器位置的變化，呼吸深度的變化等。然后醫(yī)生帶上“魔幻手套”，機(jī)器人手在傳承了以往優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，還可以做與醫(yī)生帶上“魔幻手套”的手一致的活動(dòng)，同時(shí)它還能將臟器感覺(jué)很好地傳遞給手套，此時(shí)醫(yī)生在克隆人身上手術(shù)就如同在患者身上手術(shù)一樣。

以上僅是設(shè)想，不一定會(huì)演變成上述樣子，但我們正在朝著這個(gè)方向發(fā)展。機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)還有許多潛能有待我們?nèi)ラ_(kāi)發(fā)。如果實(shí)現(xiàn)，那么人類將開(kāi)始微創(chuàng)手術(shù)新的紀(jì)元。

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2095－2694(2012)02－176－02

(2011－10－21 收稿)(王一伊 編輯)