李愛民 李進華 李建民 張濤 楊瑞林 邢元 劉全達 王樹新

國產(chǎn)機器人妙手S系統(tǒng)遠程手術(shù)實驗研究

李愛民 李進華 李建民 張濤 楊瑞林 邢元 劉全達 王樹新

目的 驗證國產(chǎn)手術(shù)機器人妙手S系統(tǒng)遠程手術(shù)的安全性和穩(wěn)定性。方法 將國產(chǎn)手術(shù)機器人妙手S系統(tǒng)的主從手分開，主手放置在天津大學(xué)機械工程學(xué)院機器人實驗室，從手放置在北京第二炮兵總醫(yī)院(現(xiàn)火箭軍總醫(yī)院)機器人外科實驗室。在天津操作手術(shù)機器人主手，通過因特網(wǎng)遠程控制北京的機器人臂(從手)進行遠程豬膽囊切除、胃穿孔修補、肝臟楔形切除術(shù)。檢測機器人遠程進行切除、縫合、打結(jié)、止血等操作的安全性和穩(wěn)定性。天津至北京距離118 km。結(jié)果 本次動物(豬)實驗完成遠程膽囊切除、胃穿孔修補、肝臟楔形切除術(shù)，為國內(nèi)首次動物腹部外科遠程手術(shù)成功案例。膽囊切除手術(shù)時間為50 min，出血5 ml；胃穿孔修補手術(shù)時間為20 min，出血0 ml；肝臟楔形切除手術(shù)為30 min，出血15 ml。順行法切除膽囊，先解剖膽囊三角，顯露出膽囊管、膽囊動脈和膽總管，離斷膽囊管后，順行剝離膽囊漿膜，注意避免損傷肝臟及右肝管、右肝動脈。胃穿孔修補采用2-0慕絲線行全層間斷縫合術(shù)，共縫合3針。肝臟楔形切除肝葉邊緣大小約2 cm×1 cm肝組織。術(shù)中無周圍臟器損傷等并發(fā)癥。手術(shù)過程有延時效應(yīng)，延時平均小于250 ms，機器人手術(shù)系統(tǒng)無明顯抖動等不良狀況，實驗順利完成。結(jié)論 國產(chǎn)手術(shù)機器人妙手S系統(tǒng)具有良好的安全性和穩(wěn)定性，可順利完成腹部外科遠程手術(shù)。

機器人； 遠程手術(shù)； 遠程醫(yī)學(xué)； 膽囊切除術(shù)； 微創(chuàng)外科； 豬

機器人手術(shù)系統(tǒng)是目前國外機器人研究領(lǐng)域中最活躍的方向之一，其發(fā)展前景非?？春?。20世紀90年代起，國際先進機器人計劃(international advanced robotics programme,IARP)已多次召開醫(yī)療外科機器人研討會。美國國防高等研究計劃署(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)己經(jīng)立項，開展基于遙控操作的外科研究，用于戰(zhàn)傷手術(shù)急救。

機器人手術(shù)系統(tǒng)的潛在優(yōu)勢是遠程手術(shù)。2000年，Micali等[1]首先報道了從美國巴爾的摩到意大利羅馬機器人遠程手術(shù)指導(dǎo)實驗(telementoring)，5例中4例獲得成功。同年，Cheah等[2]完成了自新加坡到美國巴爾的摩遠程腹腔鏡膽囊切除術(shù)。2001年，Marescaux等[3]完成了世界首例從美國紐約(New York)到法國斯特拉斯堡(Strasbourg)橫跨大西洋的機器人遠程膽囊切除術(shù)，即著名的林白手術(shù)(Lindbergh Operation)，這是遠程手術(shù)(telesurgery)的一個里程碑，標志著外科手術(shù)跨時代的飛躍。

緊跟國際研究前沿，第二炮兵總醫(yī)院(現(xiàn)火箭軍總醫(yī)院)與天津大學(xué)開展醫(yī)工合作研究，在妙手A系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了新一代國產(chǎn)機器人手術(shù)系統(tǒng)妙手S系統(tǒng)(MicroHand S system)，并開展了動物實驗和初期臨床應(yīng)用研究，取得了成功[4-5]。為進一步驗證妙手S系統(tǒng)遠程手術(shù)的安全性和有效性，經(jīng)第二炮兵總醫(yī)院倫理委員會審查同意后開展了本實驗。傳統(tǒng)概念的遠程醫(yī)學(xué)(telemedicine)包括遠程醫(yī)療會診、遠程醫(yī)學(xué)教育、遠程醫(yī)療保健咨詢系統(tǒng)等。機器人遠程手術(shù)是將微創(chuàng)手術(shù)機器人技術(shù)應(yīng)用于遠程手術(shù)[6]，是遠程醫(yī)學(xué)中最為復(fù)雜的部分，使外科醫(yī)生可為病人實施手術(shù)而不受地域的限制，該技術(shù)無論在民用還是軍用方面都具有重要的實際應(yīng)用價值。

設(shè)備與方法

一、設(shè)備介紹

1.MicroHand S手術(shù)機器人系統(tǒng)簡介 妙手S系統(tǒng)是一款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的從式手術(shù)機器人系統(tǒng)(圖1)，由醫(yī)生控制臺、機器人臺車和成像系統(tǒng)組成，具有小型化和模塊化的特點，可用于復(fù)雜的胸腹腔微創(chuàng)外科手術(shù)，目前已完成動物實驗和初期臨床研究[4-5]。

圖1 A.妙手S系統(tǒng);B.妙手S系統(tǒng)套環(huán)實驗

2.遠程通訊系統(tǒng)測試 遠程動物實驗前通過模擬實驗(套環(huán)、縫合、打結(jié)等)進行了網(wǎng)絡(luò)通訊狀況測試。測試結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)包平均傳輸延時在9.1 ms和24.6 ms之間變化[7]。

3.實驗時間 2015年7月18日。

4.實驗?zāi)康?驗證國產(chǎn)手術(shù)機器人妙手S系統(tǒng)遠程手術(shù)的安全性、穩(wěn)定性和有效性。

5.實驗設(shè)計 利用新一代國產(chǎn)機器人手術(shù)系統(tǒng)妙手S系統(tǒng)，于天津大學(xué)機械工程學(xué)院機器人實驗室操作手術(shù)機器人，通過商用因特網(wǎng)絡(luò)(天地通網(wǎng)絡(luò)公司)，遠程控制北京第二炮兵總醫(yī)院機器人外科實驗室的機器人臂進行手術(shù)，擬行手術(shù)：機器人遠程膽囊切除術(shù)、胃穿孔修補術(shù)、肝臟楔形切除術(shù)。天津至北京距離118 km。

6.實驗用品 麻醉機、氧氣罐(3罐)、CO2罐(2罐)、手術(shù)器械臺、麻醉機連接管子、實驗豬(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供，體重21 kg，雌性)。動物麻醉誘導(dǎo)劑速眠新(1盒)、動物全身麻醉常規(guī)用藥等。

二、實驗方法

在上述遠程通訊系統(tǒng)測試結(jié)果基礎(chǔ)上，遠程動物實驗采用天津大學(xué)與第二炮兵總醫(yī)院合作研發(fā)的妙手S手術(shù)機器人系統(tǒng)(MicroHand S system)，機器人主手放置于天津大學(xué)機械工程學(xué)院實驗室(圖2A)，機器人從手放置于北京解放軍第二炮兵總醫(yī)院機器人外科實驗室(圖2B)，兩地相距118 km，主從手之間采用10M帶寬的商用網(wǎng)絡(luò)(VPN)作為連接鏈路。采用實驗豬作為實驗對象，分別進行了膽囊切除、胃穿孔修補和肝臟楔形切除術(shù)。實驗豬采取仰臥姿，固定于自制的手術(shù)床上，4個直徑為12 mm的Trocar置于實驗豬的腹腔上部，醫(yī)生依據(jù)臨床手術(shù)經(jīng)驗確定Trocar擺放位置，其中左側(cè)和右側(cè)對稱放置的Trocar分別作為機器人的兩個工具通道，中間的Trocar放置內(nèi)窺鏡，右下側(cè)的Trocar作為助手輔助的工具通道，整體Trocar以肝門部為中心呈扇形分布。實驗中首先完成膽囊切除手術(shù)，具體如下：①國產(chǎn)機器人妙手S系統(tǒng)開機調(diào)試準備；網(wǎng)絡(luò)通訊調(diào)試；②氣管插管全麻成功后，常規(guī)消毒，鋪巾，臍下穿刺建立氣腹，氣腹壓力設(shè)置在12 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)；以肝門部為手術(shù)區(qū)域中心，按扇形分布布置機器人Trocar，連接從手端機器人器械臂；③遠程主手端操作；④測試網(wǎng)絡(luò)時間延時，測試結(jié)果顯示平均延時小于250 ms；⑤進行機器人遠程膽囊切除，游離膽囊管及膽囊動脈，夾畢后切斷，順行法切除膽囊，仔細剝離膽囊床漿膜，避免損傷肝臟，避免切破膽囊壁；⑥順利切除膽囊后，本地操作取出膽囊。

圖2 A.天津大學(xué)機器人實驗室遠程控制臺,主刀手術(shù)操作;B.北京第二炮兵總醫(yī)院機器人外科實驗室,本地助手手術(shù)操作

胃穿孔修補術(shù)先用Veress氣腹針穿刺胃竇部前壁制造胃穿孔模型，采用2-0慕絲線行全層間斷縫合術(shù)，共縫合3針。主要檢測機器人遠程縫合、打結(jié)等操作。肝臟楔形切除肝葉邊緣約2 cm×1 cm大小肝組織，主要檢測機器人遠程電凝止血效果及網(wǎng)絡(luò)延時對手術(shù)的影響。

結(jié) 果

本次動物(豬)實驗順利完成遠程機器人膽囊切除(圖3)、胃穿孔修補、肝臟楔形切除術(shù)。膽囊切除手術(shù)時間為50 min，術(shù)中出血5 ml。在胃穿孔縫合手術(shù)中，手術(shù)工具更換為兩把針持，主要評估遠程手術(shù)縫合操作，手術(shù)時間為20 min，術(shù)中出血0 ml。在肝臟楔形切除手術(shù)中，再次將工具更換為組織抓鉗和高頻電刀，主要評估遠程手術(shù)的電切、電凝功能，實驗獲取的肝葉活檢樣本由助手經(jīng)Trocar孔取出，手術(shù)時間為30 min，術(shù)中出血15 ml。術(shù)中無周圍臟器的損傷，手術(shù)過程中有一定的延時效應(yīng)，但基本不影響實驗順利完成。機器人遠程手術(shù)操作過程中未出現(xiàn)明顯抖動或其他機器人系統(tǒng)不穩(wěn)定情況。

A.應(yīng)用鈦夾夾閉膽囊管;B.應(yīng)用電刀離斷膽囊管;C.膽囊床剝離過程;D.手術(shù)完成后取出的完整膽囊標本圖3 機器人遠程(豬)膽囊切除術(shù)

討 論

手術(shù)機器人是微創(chuàng)外科與機器人技術(shù)相融合的產(chǎn)物。國外研究機構(gòu)相繼開展了手術(shù)機器人的研究，并開發(fā)出各自的機器人手術(shù)系統(tǒng)[8-10]。遠程操作是機器人手術(shù)系統(tǒng)的一項獨特功能，這一創(chuàng)新開啟了遠程手術(shù)時代的大幕，打破了傳統(tǒng)外科手術(shù)臨場模式。

1996年誕生了世界上首個遠程手術(shù)工作站，可允許醫(yī)生在異地通過微波通訊來完成可移動部隊醫(yī)院(mobile army surgical hospital，MASH)的手術(shù)[11]。2001年，美國Computer Motion 公司在Zeus系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將主從系統(tǒng)分離并引入網(wǎng)絡(luò)通信以及安全機制，成功開發(fā)了Zeus遠程手術(shù)機器人系統(tǒng)[12]。該系統(tǒng)成功應(yīng)用于全球第一次跨大西洋遠程機器人膽囊切除手術(shù)——林白手術(shù)[3]。當(dāng)時，法國電信公司鼎力配合，采用平均155 ms延時的高速光纖網(wǎng)絡(luò)與異步傳輸器和Zeus系統(tǒng)連接使得手術(shù)順利完成。2003年，日本東京大學(xué)開發(fā)了面向遠程腹腔微創(chuàng)手術(shù)的機器人系統(tǒng)[13]，并借助這套系統(tǒng)完成了日本與韓國[14]以及日本與泰國[15]之間的實驗豬膽囊切除手術(shù)。

國內(nèi)的科研機構(gòu)也開展了遠程機器人系統(tǒng)研究。2003年，海軍總醫(yī)院利用黎元手術(shù)機器人系統(tǒng)完成了中國首次腦外科異地手術(shù)[16]。2006年，北京積水潭醫(yī)院利用自主研發(fā)的主從式機器人輔助脛骨髓內(nèi)釘內(nèi)固定手術(shù)系統(tǒng)進行遠程手術(shù)操作[17]，結(jié)果證實自主研發(fā)的遠程骨科機器人手術(shù)系統(tǒng)安全有效。腦科手術(shù)和骨科手術(shù)相對于腹腔外科手術(shù)來說，重要的是影像導(dǎo)航和定位，不需要全程非間斷的實時手術(shù)視頻傳輸遠程操作，對網(wǎng)絡(luò)延時的要求不大，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊笠膊桓?。國?nèi)關(guān)于遠程腹腔微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的研究則僅停留在技術(shù)研究及仿真階段[18]，未實施樣機開發(fā)工作和動物實驗等。

遠程手術(shù)由于機器人主手和從手分離，數(shù)據(jù)指令、圖像等通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。確保遠程手術(shù)高效完成關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)傳輸速度。網(wǎng)絡(luò)延時嚴重影響手術(shù)操作；短暫的數(shù)據(jù)傳輸延時導(dǎo)致手術(shù)時間較實際用時明顯增加[19-20]。由于延時隨時間變化，容易發(fā)生數(shù)據(jù)包的亂序，從而導(dǎo)致機器人操作手運動發(fā)生抖動現(xiàn)象，甚至造成機器人運動的不穩(wěn)定。針對遠程機器人手術(shù)所涉及的主要問題，包括時變網(wǎng)絡(luò)所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)包亂序、丟包、高清三維(three dimension，3D)圖像合成及傳輸?shù)冗M行探討和研究，進而提出了一套完整的3D高清立體視覺的遠程微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)實現(xiàn)方法。第二炮兵總醫(yī)院機器人外科實驗室和天津大學(xué)機械工程學(xué)院開展醫(yī)工結(jié)合研究，搭建相應(yīng)的軟硬件平臺，并對其進行大量模擬實驗研究[7]，最終在國內(nèi)首次成功地實現(xiàn)了機器人腹部外科遠程手術(shù)動物實驗。實驗成功后中國醫(yī)藥報[21]和中國軍網(wǎng)等相關(guān)媒體進行了報道，相關(guān)網(wǎng)站進行了轉(zhuǎn)載。

實驗結(jié)果表明妙手S系統(tǒng)經(jīng)商用網(wǎng)絡(luò)的遠程手術(shù)操作安全可行，不需要像林白手術(shù)那樣建設(shè)專用網(wǎng)絡(luò)專線，大大減少了費用，同時可通過目前發(fā)達的商用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)大規(guī)模建立機器人手術(shù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)不僅保持了原始本地系統(tǒng)的完整性，而且開發(fā)周期短、消耗經(jīng)費少。天津至北京的遠程手術(shù)動物實驗結(jié)果顯示，所開發(fā)遠程控制平臺主從控制性能良好，可進一步根據(jù)手術(shù)精度和靈活度的需求開展更先進的遠程手術(shù)系統(tǒng)開發(fā)。后續(xù)研究工作包括完善系統(tǒng)功能，增強系統(tǒng)安全性保障，防止黑客攻擊等，開發(fā)遠程高速3D視頻壓縮解壓縮傳輸，減少網(wǎng)絡(luò)延時，同時進行更復(fù)雜的遠程手術(shù)測試。此外，目前的國產(chǎn)機器人器械有待進一步完善，目前條件尚不能完成肝葉、肝段切除等復(fù)雜操作。

開發(fā)遠程手術(shù)機器人系統(tǒng)具有深遠的現(xiàn)實意義。首先，由于地域和經(jīng)濟發(fā)展的影響，不同地區(qū)的外科手術(shù)質(zhì)量是不一樣的，遠程手術(shù)既可以節(jié)省就醫(yī)時間與費用，也可以使落后地區(qū)人民享受到發(fā)達地區(qū)甚至發(fā)達國家的醫(yī)療技術(shù)服務(wù)。其次，醫(yī)生借助遠程手術(shù)機器人可為戰(zhàn)場上的傷員[22]和災(zāi)區(qū)的病人提供手術(shù)救治。尤其在我國，地域遼闊且存在東西部地區(qū)醫(yī)療資源嚴重分布不均，對該技術(shù)存在更為特殊的需求，充分應(yīng)用該技術(shù)將有助于緩解我國醫(yī)療資源分布不均的現(xiàn)狀，有效解決病人就醫(yī)難的實際問題。

Lindbergh手術(shù)為全世界遠程手術(shù)的發(fā)展開創(chuàng)了先河[3]。這也使得太空手術(shù)夢想成為可能，實現(xiàn)這一夢想的關(guān)鍵問題是如何保證宇宙空間數(shù)據(jù)有效傳輸、失重環(huán)境下手術(shù)操作以及手術(shù)設(shè)備的小型化便攜化[23]。2007年，第一例失重狀態(tài)下遠程手術(shù)在美國國家航空航天局C-9宇宙飛船上采用斯坦福國際研發(fā)中心研制的M7輕巧便攜機器人手術(shù)裝置進行了驗證[24]。同年，華盛頓大學(xué)研發(fā)的Raven機器人手術(shù)系統(tǒng)成功重復(fù)了上述試驗[25]。開展國產(chǎn)手術(shù)機器人系統(tǒng)太空手術(shù)研究是進一步的目標。

致 謝：感謝天津大學(xué)機械工程學(xué)院高元倩博士、蘇赫博士、梁科博士、劉玉亮工程師等為國產(chǎn)機器人妙手S系統(tǒng)遠程手術(shù)實驗提供工程技術(shù)支持。感謝第二炮兵總醫(yī)院肝膽外科來龍祥、成娣、雷磊、賈薇薇、沙小琪等醫(yī)師，麻醉科隋波、李冠華、吳海龍等醫(yī)師，手術(shù)室鞏燕、郭傳真、倪子瀟、劉娜等護士參與配合本實驗的工作。周寧新教授設(shè)計指導(dǎo)了本實驗，謹以此文深切緬懷。

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Experiments of telesurgery using domestic surgical Robotic MicroHand S system

LiAimin*,LiJinhua,LiJianmin,ZhangTao,YangRuilin,XingYuan,LiuQuanda,WangShuxin.

*DepartmentofHepatobiliarySurgery,RocketForcesGeneralHospital,Beijing100088,China

Correspondingauthor:LiuQuanda,Email:liuquanda@sina.com；WangShuxin，Email：shuxinw@tju.edu.cn

Objective To verify the safety,stability and validity of the self-developed MicroHand S robotic surgical system in telesurgery.Methods The master-slave MicroHand S system has been deconstructed into a master console and several assisted robotic arms and further set in different venues.The master console has been settled in the robot laboratory of School of Mechanical Engineering of Tianjin University,and the assisted manipulation arms have been placed in the visual surgery lab of General Hospital of PLA Second Artillery (now renamed Rocket Forces General Hospital) in Beijing.Through the internet,several telesurgeries have been successfully performed like cholecystectomy,suture of gastric perforation and hepatic wedge resection by remote control in Tianjin and assistant manipulation in Beijing.The distance between Tianjin and Beijing is 118 km.Results The implementation of animal (porcine) experiments in the remote cholecystectomy,suture of gastric perforation and hepatic wedge resection has been considered as the first success of abdominal telesurgery in China.Operation time for cholecystectomy,suture for gastric perforation and liver wedge resection was 50 min,20 min and 30 min respectively,with estimated blood loss of 5,0 and 15 mL respectively.After dissecting the Calot triangle,the cholecystic duct,cholecystic artery and common bile duct were confirmed.The cholecystic duct was cut and the cholecyst was removed from the liver carefully,avoiding injury of liver,right hepatic bile duct and right hepatic artery.The 2-0 mersilk was used for suture of gastric perforation,with three whole layer interrupted sutures.Liver wedge resection was performed from the edge of liver,2 cm 1 cm hepatic tissue acquired.No injury of peripheral organs occurred during the operation.There were time delays in the operation process and the delays were less than 250 ms averagely.All the telesurgeries have been conducted smoothly with no obvious robotic jitters and other systemic errors.Conclusions The self-developed MicroHand S robotic surgical system is safe,stable and feasible in the abdominal use of remote operations.

Robotics; Telesurgery; Telemedicine; Cholecystectomy; Minimally invasive surgery； Poricine

·論 著·(實驗研究)

國家國際科技合作專項項目(2014DFA70710)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51405339)

100088 北京，火箭軍總醫(yī)院肝膽外科(李愛民、張濤、劉全達)；天津大學(xué)機械工程學(xué)院(李進華、李建民、楊瑞林、邢元、王樹新)

劉全達，Email：liuquanda@sina.com；王樹新，Email：shuxinw@tju.edu.cn

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10.3969/j.issn.1003-5591.2016.06.019

2016-09-20)