閆婧爽，閆 斌，彭麗華

消化內(nèi)鏡技術(shù)發(fā)展至今已有近200 年的歷史[1-4]，已經(jīng)成為消化系統(tǒng)疾病診療過程的重要工具。特別是近年來不斷涌現(xiàn)的新型內(nèi)鏡技術(shù)，如共聚焦內(nèi)鏡、窄帶成像（Narrow Band Imaging,NBI）內(nèi)鏡，以及內(nèi)鏡下黏膜切除術(shù)（Endoscopic Mucosal Resection,EMR）、內(nèi)鏡黏膜下剝離術(shù)（Endoscopic Submucosal Dissection,ESD）、經(jīng)自然腔道內(nèi)鏡手術(shù)（Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery,NOTES）等內(nèi)鏡技術(shù)的不斷成熟，使胃腸道疾病診斷更及時，治療更趨微創(chuàng)化。

機器人是一種可重新編程的自動化多功能機器裝置，其本質(zhì)是代替或協(xié)助人類執(zhí)行各種任務(wù)，醫(yī)療機器人亦如此。主從式醫(yī)療機器人是由主端和從端構(gòu)成，醫(yī)師可通過工作臺實現(xiàn)對機器人的遠程操控。隨著消化內(nèi)鏡的普及，需要接受消化內(nèi)鏡檢查和治療的患者增加，內(nèi)鏡應用的困境也逐漸顯現(xiàn)：①日益增長的內(nèi)鏡診療需求與內(nèi)鏡醫(yī)師人員短缺的矛盾；②內(nèi)鏡廣泛普及與操作規(guī)范化的矛盾；③復雜內(nèi)鏡操作時間長、病例多與內(nèi)鏡醫(yī)師體能所限的矛盾；④突發(fā)呼吸道傳染病流行期間，床旁檢查與疫情防控的矛盾等。這些需求和矛盾，推動了消化內(nèi)鏡機器人的研發(fā)，以達到解放人力、規(guī)范高效操作、實現(xiàn)主從端分離等要求，有望實現(xiàn)遠程手術(shù)診療[5]。從1988年Ikuta[6]研發(fā)的第一臺微型機器人內(nèi)鏡至今，不同類型和驅(qū)動裝置的機器人內(nèi)鏡不斷出現(xiàn)，現(xiàn)就這些研究進展作一綜述。

1 檢查型內(nèi)鏡操控機器人系統(tǒng)

2016 年解放軍總醫(yī)院楊云生教授團隊與中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室[7]聯(lián)合研發(fā)設(shè)計了一套主從式軟式內(nèi)鏡操作機器人系統(tǒng)YunSRobot，具有雙臂協(xié)同操作軟式鏡體、扭矩高效傳遞，可實現(xiàn)遠程操控等特點。Yun‐SRobot系統(tǒng)從端由雙機械臂（輸送臂和操作臂）、軟式內(nèi)鏡（Olympus胃鏡GIF-H260）構(gòu)成，主端由雙控制手柄、人機交互界面組成。該機器人系統(tǒng)的工作原理：仿醫(yī)生雙手控鏡，采用輸送臂和操作臂的雙機械臂構(gòu)型。輸送臂具有5 個被動自由度和2個主動自由度，可實現(xiàn)軟式內(nèi)鏡遠端的托舉與輸送。操作臂具有5 個主動自由度，可實現(xiàn)操作部撥輪的旋轉(zhuǎn)，進而控制軟式內(nèi)鏡的彎曲指向，以及控制操作部的俯仰、扭轉(zhuǎn)和整體跟隨。醫(yī)師通過操作控制手柄實現(xiàn)對上述機器人功能的控制，而且手柄上集成了水氣操作按鈕，可在操作過程中完成沖刷、送氣和負壓吸引操作。該系統(tǒng)已通過模型試驗、動物實驗和臨床試驗，對其安全性、可行性和操作效能等進行了驗證[7-9]。該團隊還進一步完成了基于公用4G 網(wǎng)絡(luò)的遠程模型試驗，驗證了遠程應用的可行性[10]。該機器人的突出優(yōu)勢在于可搭載醫(yī)院現(xiàn)有的內(nèi)鏡系統(tǒng)，無需更換內(nèi)鏡設(shè)備。檢查型內(nèi)鏡操控機器人系統(tǒng)是治療型內(nèi)鏡操控機器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)搭載與之匹配的治療附件操作系統(tǒng)，有望實現(xiàn)各種機器人內(nèi)鏡治療操作。

2 治療型內(nèi)鏡操控機器人系統(tǒng)

受限于傳統(tǒng)內(nèi)鏡管徑，EMR、ESD、NOTES等復雜內(nèi)鏡治療耗時長，靈活度低，復雜內(nèi)鏡治療技術(shù)的發(fā)展更需要強大靈活、高度操控性的內(nèi)鏡多任務(wù)平臺。目前，已有多款內(nèi)鏡平臺設(shè)計面世，日本奧林巴斯公司的雙通道內(nèi)鏡DCE[11]、R-Scope[12]、En‐doSamurai 系統(tǒng)[13]，以及Anubiscope 內(nèi)鏡操作平臺（Karl-Storz，德國）[14]、直驅(qū)內(nèi)鏡系統(tǒng)DDES（Boston Scientific,美國）[15]、無切口操作平臺IOP（USGI，美國）[16]等內(nèi)鏡平臺的面世解決了腔內(nèi)復雜操作的諸多困境，但以上內(nèi)鏡平臺均為手動操控，在本綜述中不做詳述，主要就手術(shù)機器人系統(tǒng)介紹如下。

根據(jù)操作模式的不同，手術(shù)機器人可分為主從式內(nèi)鏡機器人系統(tǒng)和床旁治療型內(nèi)鏡機器人。主從式內(nèi)鏡機器人系統(tǒng)由主端控制子系統(tǒng)與從端機器人子系統(tǒng)構(gòu)成，主端和從端可基于互聯(lián)網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)實現(xiàn)遙控操作[7]。床旁治療型內(nèi)鏡機器人需要醫(yī)師直接或間接通過操縱桿實現(xiàn)對內(nèi)鏡機器人或機械臂的控制。床旁治療型內(nèi)鏡機器人在一定程度上限制了醫(yī)師的操作空間，而主從式機器人系統(tǒng)有望實現(xiàn)遠程操作。

2.1 主從式內(nèi)鏡機器人系統(tǒng)

2.1.1 Viacath 系統(tǒng)Viacath 系統(tǒng)是美國漢森醫(yī)療公司[17]于2007 年研發(fā)的用于消化道ESD 手術(shù)的主從式手術(shù)機器人，由帶觸覺反饋界面的主控制臺、從動驅(qū)動機構(gòu)以及柔性鞘管組成。兩個關(guān)節(jié)式手術(shù)器械在內(nèi)鏡器械腔道內(nèi)前進，可在內(nèi)鏡反饋的腔道視野下代替醫(yī)生雙手進行組織提拉、切割等操作。Viacath 系統(tǒng)的從動系統(tǒng)與Laprotek 系統(tǒng)[18]（一種腹腔鏡遠程手術(shù)機器人）相同，由電機驅(qū)動。動物研究驗證其可在胃和結(jié)腸中進行黏膜切除和縫合。二代系統(tǒng)改進了手術(shù)器械的設(shè)計并增加可操控的柔性鞘管，實現(xiàn)了手術(shù)器械與內(nèi)鏡的協(xié)調(diào)控制。ViaCath 的預期用途包括減肥手術(shù)、胃食管反流病修復和大面積黏膜切除術(shù)，主從式的控制架構(gòu)有望實現(xiàn)遠程手術(shù)操控。

2.1.2 Endo-MASTER系統(tǒng) Endo-MASTER系統(tǒng)（Master and Slave Transluminal Endoscopic Robot,MASTER）是新加坡南洋理工大學Thant 團隊[19]于2006 年研發(fā)的主從式腔內(nèi)內(nèi)鏡機器人。MASTER是一種主從式雙臂機器人，2 個操作臂共有9 個自由度，其中7 個自由度由腱鞘驅(qū)動，2 個自由度（前/后平移）通過直接推拉操作臂產(chǎn)生。左臂配置電鉤，可以實現(xiàn)電凝電切等操作，右臂配置抓鉗，可以夾取和提拉病人的黏膜組織。多項動物實驗研究已驗證了Endo-MASTER 在完成食管ESD[20]、胃ESD[21-23]、NOTES（如肝楔形切除術(shù)、全胃切除術(shù)）[23-25]等手術(shù)方面的可行性和安全性。Endo-MASTER 機器人初步應用于早期胃癌患者的ESD手術(shù)治療[26]，平均操作時間為18.6 min，隨訪無手術(shù)并發(fā)癥及腫瘤殘留或復發(fā)。Endo-MASTER 機器人的易操作性還能幫助提高內(nèi)鏡醫(yī)生的培養(yǎng)效率，輔助經(jīng)驗缺乏的ESD新手順利完成手術(shù)操作[27]。

2.1.3 STRAS系統(tǒng)Donno 等[28]于2013年研發(fā)了一款輔助內(nèi)鏡手術(shù)的新型遠程操控機器人(Single access and Transluminal Robotic Assistant for Sur‐geons,STRAS)。STRAS 是一個基于內(nèi)鏡和柔性器械的手術(shù)機器人系統(tǒng)，與醫(yī)療環(huán)境兼容，允許在手術(shù)室輕松設(shè)置。它可提供10 個自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)鏡相機的3D 定位。STRAS 是基于Anubiscope 內(nèi)鏡平臺[14]的修改簡化版機器人系統(tǒng)，可滿足一名內(nèi)鏡醫(yī)生完成所有ESD 操作，但存在部分旋轉(zhuǎn)運動無法完成、小幅度運動精確度受限等問題[29]。2018 年該團隊對STRAS 系統(tǒng)進行了優(yōu)化改進[30]，二代STRAS 由1 個內(nèi)鏡模塊、2 個設(shè)備模塊、1 個旋轉(zhuǎn)/平移模塊、1 個U 型支架、1 個移動推車構(gòu)成。動物實驗驗證STRAS 可完整完成豬的結(jié)腸ESD 操作全過程[31]。

2.1.4 RAFE系統(tǒng) Tsutomu 等[32]于2017年設(shè)計了一款用于ESD 的機器人輔助軟式內(nèi)鏡（Robotic-Assisted Flexible Endoscope,RAFE），其主要特點是實現(xiàn)了內(nèi)鏡治療的單手操控，簡化了ESD 操作流程。RAFE 系統(tǒng)為主從式內(nèi)鏡系統(tǒng)，適配所有商用內(nèi)鏡。軟式內(nèi)鏡通過手柄及轉(zhuǎn)盤實現(xiàn)4 個自由度運動（上/下、左/右、前/后和旋轉(zhuǎn)），將內(nèi)鏡手柄固定在系統(tǒng)支架中，通過內(nèi)部的電動輪控制內(nèi)鏡手柄上的轉(zhuǎn)盤，通過手柄下配置的按鈕操控內(nèi)鏡的氣/水閥及抽吸閥。RAFE 已經(jīng)在離體豬胃上完成ESD操作，結(jié)果顯示RAFE 與傳統(tǒng)內(nèi)鏡在ESD 手術(shù)時間方面沒有顯著差異，但RAFE 系統(tǒng)能幫助新手更快完成ESD。

2.1.5 ETRS 系統(tǒng) 日本Keiichiro 團隊[33]于2019 年研發(fā)了用于ESD 的主從式內(nèi)鏡治療機器人系統(tǒng)（Endoscopic Therapeutic Robot System,ETRS），可遠程操控三種內(nèi)鏡手術(shù)器械（抓鉗、刀鉗、注射針），該系統(tǒng)的L 型操作臺滿足一個內(nèi)鏡醫(yī)生完成全部操作，操作臺前方是手術(shù)器械控制系統(tǒng)，右手邊是內(nèi)鏡控制系統(tǒng)。手術(shù)器械控制系統(tǒng)通過操作手柄實現(xiàn)對每個器械（抓鉗和刀鉗）的控制。目前，ETRS系統(tǒng)已完成動物實驗驗證。

2.2 床旁治療型內(nèi)鏡機器人

2.2.1 Flex機器人系統(tǒng)Flex機器人系統(tǒng)最初（2013年）是為頭頸部外科手術(shù)研發(fā)的[34-35]。該系統(tǒng)最初沒有密封通道來保持胃腸道操作過程所要求的抽吸。隨后該設(shè)備增加了抽吸功能，適應證得到擴展，可實現(xiàn)經(jīng)肛門進入乙狀結(jié)腸的抽吸，并可配備用于黏膜剝離的手術(shù)器械，該系統(tǒng)在2017 年獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局的應用批準[36]。Flex 系統(tǒng)由2 個子系統(tǒng)組成：攜帶機器人內(nèi)鏡的推車，帶有高清顯示器和操縱桿的控制臺。軟式內(nèi)鏡前端具有102°的自由度，兩側(cè)的器械通道可配備多種軟式手術(shù)器械。內(nèi)鏡到達目標病變后，內(nèi)鏡可變?yōu)閯傂早R身，為醫(yī)師提供穩(wěn)定的操作環(huán)境，同時內(nèi)鏡前端具有觸覺反饋，輔助醫(yī)師進行復雜操作。Turiani等[37]應用該系統(tǒng)與傳統(tǒng)內(nèi)鏡進行對照試驗，動物實驗結(jié)果顯示，與ESD 新手使用傳統(tǒng)內(nèi)鏡相比，機器人輔助系統(tǒng)在病變整體切除方面更有效，手術(shù)時間更短，穿孔率更低。

2.2.2 REXTER 機器人系統(tǒng) 韓國Kim 團隊[38]于2019 年研發(fā)了一款輔助ESD 手術(shù)的基于轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的內(nèi)鏡輔助機器人(Revolute Joint-Based Auxiliary Transluminal Endoscopic Robot,REXTER)。作為內(nèi)鏡輔助機器人，REXTER 可以與現(xiàn)有的內(nèi)鏡連接或分離，通過提供額外的運動范圍來實現(xiàn)復雜的運動和操作。它包括1 個機器人手臂、驅(qū)動機構(gòu)和控制模塊。REXTER 的操作基于腱鞘機制，可提供4 個自由度。使用REXTER進行操作時，需要助手操縱控制模塊輔助完成手術(shù)器械的開合。動物實驗結(jié)果顯示,REXTER 能縮短ESD 操作時間，尤其是對無ESD經(jīng)驗的內(nèi)鏡新手。

2.2.3 用于NOTES 的新型可展開臂 傳統(tǒng)NOTES借助于內(nèi)鏡的器械通道，操作范圍受內(nèi)鏡直徑的限制，為解決此問題，2020 年山東大學杜付鑫團隊[39]研發(fā)了一種用于NOTES 的新型可展開機械臂，增加了操作范圍。操縱臂由1個連續(xù)臂和1個可展開臂組成，可展開臂分為2 部分，由中間連桿過渡，通過驅(qū)動繩和機械結(jié)構(gòu)鎖定。其特點是：當驅(qū)動線不受鎖定力作用時，可展開臂具有良好的柔韌性，可以穿過內(nèi)鏡的工作通道；當驅(qū)動線鎖定時可展開臂具有良好的剛度和負載能力。該系統(tǒng)在300 g的載荷下展開臂可以將形變保持在3.5 mm 以內(nèi)，兩個末端執(zhí)行器之間的角度可以保持在[88°～110°]范圍內(nèi)。但該機械臂直徑為5.7 mm，仍需要進一步改進才能應用于臨床操作?？烧归_臂的負載能力、操作靈活度等均需后期實驗進行驗證。

3 問題與展望

消化內(nèi)鏡機器人技術(shù)不斷發(fā)展，必將推動內(nèi)鏡診療更趨微創(chuàng)化、智能化、精細化，同時減輕內(nèi)鏡醫(yī)師工作負擔及患者痛苦。但目前消化內(nèi)鏡機器人廣泛應用于臨床仍面臨著諸多問題：①受消化道管腔狹小、操作空間受限、胃腸道蠕動活躍等因素影響，目前機器人的操控性、靈活性、精準度仍低于內(nèi)鏡專家的手工操作；②內(nèi)鏡機器人各組成附件的尺寸有待進一步優(yōu)化改進以適配不同消化內(nèi)鏡系統(tǒng)，擴大其適應證適用于不同消化道管腔；③部分患者對內(nèi)鏡機器人檢查及治療仍持懷疑態(tài)度，接受程度不高。雖然現(xiàn)階段內(nèi)鏡機器人系統(tǒng)臨床應用范圍小，但相信隨著醫(yī)療工程技術(shù)的進步，內(nèi)鏡機器人系統(tǒng)會不斷優(yōu)化完善，終會成為內(nèi)鏡醫(yī)師的好“幫手”。

未來消化內(nèi)鏡機器人可能在以下幾個方面有所突破：①真正實現(xiàn)自動操作，可自主識別腔內(nèi)環(huán)境，實現(xiàn)自由插入和退出；②搭載智能化診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)自動識別病變；③多功能多模態(tài)機器人，滿足檢查、診斷、治療等多功能需求?？傊?，我們相信消化內(nèi)鏡機器人技術(shù)在未來消化系統(tǒng)疾病診療中的應用將更加深入全面，達到智能化、精準化的臨床需求。