張旭 丁強

1中國人民解放軍總醫(yī)院泌尿外科100853北京

腹腔鏡技術是20世紀醫(yī)學發(fā)展過程中重要的里程碑，具有創(chuàng)傷小、痛苦少、恢復快、效果好等優(yōu)點，代表了微創(chuàng)外科發(fā)展方向。進入21世紀，基于腹腔鏡技術，隨著專用機器人——達芬奇系統的推出，微創(chuàng)外科進入了機器人時代。

機器人一詞來自捷克語“robota”，意思是強迫勞動。1920年捷克作家KarelˇCapek在他的科幻舞臺劇“Rossum's Universal Robots”中首先使用這個名稱。隨著自動化和機器人技術被廣泛應用于制造業(yè)和極端工作環(huán)境中，在其他領域同樣得到迅速發(fā)展，其中包括醫(yī)學。

1 機器人技術的沿革

機器人技術應用于醫(yī)學最早可追溯到解決殘疾人日?；顒拥妮o助康復器械。其中最具代表性的是RAID（Robot for Assisting the Integration of the Disabled）系統。機器人被首次用于協助手術治療始于1985年，由洛杉磯Memorial醫(yī)院的Kwoh等報道，將Unimation PUMA 200工業(yè)機器人帶入手術室控制一臺激光器進行顱腦手術。此后，PUMA 560機器人被用于CT引導下腦部穿刺活檢。

將機器人應用于腔內泌尿外科的最早嘗試始于1989年，由倫敦皇家學院機械工程系研究組研發(fā)了名為PROBOT的機器人。在經尿道前列腺切除術中執(zhí)行精確的、重復性的、受控制的操作，能夠按照之前確定的計劃執(zhí)行手術任務。

法國里昂Edouard Herriot醫(yī)院泌尿移植科的Albert Gelet于1993年研制了高強度聚焦超聲消融裝置治療前列腺癌。該裝置利用預先創(chuàng)建的前列腺三維模型，通過一個可引導機器人直腸內探頭的電腦系統計劃并監(jiān)測全部治療過程。

意大利研究組于1995年開發(fā)了SR 8438Sankyo Scara機器人系統。由于整合了超聲監(jiān)測功能，該系統可以在經會陰前列腺穿刺活檢操作中幫助進行精確定位，同時用四個攝像機記錄患者的位置和身體形態(tài)，這是泌尿外科首個遙控機器人程序。

約翰霍普金斯大學開發(fā)LARS機器人系統以協助泌尿外科醫(yī)生進行經皮腎臟穿刺，此裝置經過進一步改進，稱為PAKY裝置。該裝置輔助泌尿外科醫(yī)生在控制臺通過遙控調整穿刺針，沿著選定的運動軌跡正確移動，為開發(fā)全自動化機器人輔助經皮腎穿刺技術奠定了基礎。

在泌尿外科，機器人更流行的應用平臺是腹腔鏡手術。自從上世紀90年代早期以來，腹腔鏡手術在泌尿外科系統領域引發(fā)極大的興趣。由于腹腔鏡手術的學習曲線陡峭，機器人系統為了克服腹腔鏡技術的局限性和探索微創(chuàng)手術優(yōu)勢而得到迅速發(fā)展。

1994年聲控機器人伊索（AESOP，用于最優(yōu)定位的自動內鏡系統）被設計用來接收手術醫(yī)生的指示并控制腹腔鏡攝像頭，成為第一個被美國食品和藥品管理局（FDA）批準用于臨床的手術機器人。

最早的功能性主仆機器人系統是由Jensen and Hill公司開發(fā)的利用電訊聯系遙控手術的SRI系統，Bowersox等于1996年首次描述了該系統應用于開放手術的經驗，展示了機器人進行精細手術操作的可行性。

機器人技術的新時代開始于美國國防部和美國國家航空航天局的軍事用途，他們與斯坦福研究所開發(fā)的戰(zhàn)場機器人，最初被設計用來提供戰(zhàn)場及時手術護理。

Fred Moll和Robert Young于1995年在美國加州創(chuàng)立Intuitive Surgical公司，獲得該樣機并進行商業(yè)改進后，制造了第一個原型機——Mona機器人，并于1997年在比利時的St.Blasius醫(yī)院開展了歷史上首例機器人輔助腹腔鏡膽囊切除術。

在此基礎上，Intuitive Surgical公司于1999年開發(fā)研制出達芬奇系統（da Vinci System），于2000年獲得美國FDA認證，準許應用于外科手術。同期，Computer Motion公司在伊索機器人（AESOP）輔助持鏡系統以及附加兩個固定于手術臺上的機械臂裝置的基礎上，推出了宙斯系統（Zeus System）。2002年其微腕器械（MicroWrist instruments）獲得美國FDA的批準。2003年兩公司合并后，不斷創(chuàng)新，至今已經發(fā)展到第三代達芬奇系統，不僅可以進行手術操作，還可以用于教學和手術模擬演練。

達芬奇系統的出現一改以往手術室常規(guī)格局，顛覆了傳統外科觀念。術者無需刷手上手術臺，通過操作平臺控制靈活的機械臂和360°可旋轉腕關節(jié)器械，在高清放大的三維手術野，如同操縱游戲機一樣進行手術，更好的保護重要解剖結構，進行更精細的操作，提高了手術技巧、手術速度和精準水平，將手術質量推上更高境界，不斷挑戰(zhàn)手術禁區(qū)，在手術復雜性和精細程度上已經超過了傳統腹腔鏡技術。

Menon等報道機器人輔助腹腔鏡的學習曲線比普通腹腔鏡短，更容易掌握，尤其是具有腹腔鏡手術基礎的醫(yī)生，其學習過程明顯縮短。這些都給機器人輔助腹腔鏡手術的發(fā)展帶來廣闊空間，短短十余年，全球多個中心都有千例以上的報道。

機器人系統的另外一個優(yōu)勢是可以和數據傳輸系統結合，為在全世界任何一個地方實施手術或在危險區(qū)域內進行手術提供了可能性。2001年由在美國紐約的Jacques Marescaux醫(yī)生對位于法國斯特拉斯堡的患者成功施行第一例跨洲機器人輔助腹腔鏡膽囊切除術，這一治療被稱為“林德伯格”手術，載入外科史冊。目前限制遠程手術的主要技術障礙是數據傳輸中的延遲和信號反饋，也就是控制臺和操作機械臂之間的信號交互問題。另外數據傳輸過程中防止信號中斷、隱私泄露和失真等也是重要的技術難題。

基于智能化控制系統以及精細化操作平臺，其在泌尿外科的最佳適應證是需要準確顯露和精細重建技巧的手術。此外，所治療的疾病發(fā)病率應足夠高，以便有穩(wěn)定的手術量可供發(fā)展和規(guī)范技術。因此，在泌尿外科經常開展的術式是根治性前列腺切除術、根治性膀胱切除術、腎盂成形術和活體供腎切除術等。目前應用最廣泛、最成功的是前列腺根治術。靈活的機械臂在狹小的骨盆中間可以達到更加精細的解剖，更易于保留神經，保護控尿結構，達到根治腫瘤、保留性功能和理想控尿的三連勝效果。

2 機器人技術的展望

微創(chuàng)外科的發(fā)展方向是在保證療效的前提下，創(chuàng)傷更小、恢復更快、美容效果更好。應運而生的單孔（LESS）、經自然腔道（NOTES）手術在一定程度上滿足了這方面要求。體表微瘢甚至無瘢就能夠達到傳統開放手術的療效，符合現代人對高質量生活水平和審美的追求。

隨著外科微創(chuàng)化的潮流和理念的革新，人們逐漸認識到以往創(chuàng)傷越大的手術，越受益于微創(chuàng)外科。這種理念的推廣自然會將LESS、NOTES同機器人系統相結合。LESS和NOTES的美容效果加上機器人系統靈活精準的操作，可以克服LESS和NOTES方面的不足，發(fā)揮機器人系統獨特的優(yōu)勢，其應用前景非常樂觀。

目前已有多家公司正在致力于此。Intuitive Surgical公司研制開發(fā)的單孔機器人手術平臺（VeSPA），采用可彎器械和弧形套管進行交叉操作，避免了機械臂之間的干擾。歐洲研發(fā)設計的ARAKNES系統，將兩個機械臂和內窺鏡整合一體，進入腹腔后，機械臂重新展開，利用關節(jié)的隨意折曲，完成高難度操作。這些都已經具備了微創(chuàng)單孔機器人的雛形。目前處于試驗開發(fā)和轉化階段，應用于臨床指日可待。Hasen公司研究的機器人輔助輸尿管檢查系統（Endovia），目前已經完成臨床試驗，開始應用于臨床。磁錨定導航系統（magnetic anchoring and guidance system，MAGS）是另外一個有助于NOTES發(fā)展的技術。MAGS由外部磁力錨、內部攝像裝置、被動組織牽張器和機械臂組成，通過外部的磁力錨將腹內的攝像頭和機械臂固定在腹壁上，從而完成手術。初步動物實驗研究表明，該技術可以節(jié)省空間，并減少器械之間的碰撞。

新興的數字化模擬人體技術將三維重建獲得的虛擬圖像與患者相應的器官位置相疊加，產生三維立體的實時效果，使手術醫(yī)生獲得肉眼無法看到的器官內部的空間信息。其采用的影像基礎為CT、MRI和超聲造影等。尤其重要的是數字化模擬人體技術獲得的三維圖像恰好與機器人攝像頭獲得的三維影像相匹配，從而為機器人技術和數字化模擬人體技術相結合提供了一個重要的結構性物質基礎。醫(yī)學增益現實正是此類技術的代表。目前該技術仍處于動物實驗和臨床試驗階段，國內外多家中心都致力于此項技術的開發(fā)研究?，F在存在諸多難題急需解決，如由于呼吸和心跳帶來的器官位移和變形等情況所引起的空間實時變化，無法滿意的提供實時參考的影像數據。

醫(yī)學發(fā)展永無止境，科技創(chuàng)新層出不窮，醫(yī)學與數字化信息技術、智能化工程機械技術等相結合，是人類向自身疾病挑戰(zhàn)，征服自然的必然過程。

我們相信，人類智慧終會戰(zhàn)勝這些難題，革命性的外科前景終會實現。