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(jī)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(jī)器人輔助手術(shù)具有更加精細(xì)、微創(chuàng)等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的特點(diǎn)及達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人組成原理，并對(duì)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的臨床應(yīng)用情況和未來(lái)發(fā)展做了簡(jiǎn)要探討。

外科手術(shù)機(jī)器人；微創(chuàng)外科；腔鏡手術(shù)

1 概述

20世紀(jì)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(kāi)展，正式開(kāi)創(chuàng)了微創(chuàng)外科時(shí)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(diǎn)，深受患者的推崇，同時(shí)也成為各個(gè)醫(yī)院吸引患者的重要外科項(xiàng)目。微創(chuàng)手術(shù)也逐漸成為醫(yī)院醫(yī)療水平的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此傳統(tǒng)的電視腹腔鏡系統(tǒng)作為一項(xiàng)基礎(chǔ)的手術(shù)設(shè)備被各級(jí)醫(yī)院接納和購(gòu)買(mǎi)。

隨著電視腔鏡手術(shù)的廣泛開(kāi)展，其局限性也逐漸暴露出來(lái)，電視腹腔鏡手術(shù)對(duì)復(fù)雜精細(xì)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(dāng)困難，需要施術(shù)者具有豐富的開(kāi)腹手術(shù)經(jīng)驗(yàn)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(guó)內(nèi)僅見(jiàn)少數(shù)個(gè)案報(bào)道[2]。且從目前有限經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，腹腔鏡胰十二指腸切除術(shù)并沒(méi)有在縮短住院時(shí)間和減少費(fèi)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(shí)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(lèi)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(lèi)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(dá)到廣泛微創(chuàng)化、精細(xì)化的目的,必須有一種新的外科平臺(tái)的出現(xiàn)才能解決。就像工業(yè)生產(chǎn)已依靠機(jī)器人作業(yè)達(dá)到了人類(lèi)無(wú)法達(dá)成的成就一樣，外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)運(yùn)而生，突破了人類(lèi)在外科手術(shù)領(lǐng)域的局限，開(kāi)創(chuàng)了外科手術(shù)又一個(gè)新紀(jì)元。

機(jī)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(jī)器人前列腺癌根治術(shù)和腎盂成形術(shù)在美國(guó)已具備“金標(biāo)準(zhǔn)”的地位，占相關(guān)手術(shù)總量的平均比例超過(guò)1/3，在一些地區(qū)甚至達(dá)到90%，而且達(dá)芬奇外科機(jī)器人系統(tǒng)也參與到很多最先進(jìn)的外科技術(shù)中，如“一站式”心臟雜交技術(shù)、不開(kāi)胸不跳冠脈搭橋，以及“Day Surgery”[4]等。

2 手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

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

（1）提供主刀醫(yī)生高清晰、立體的手術(shù)視野，符合人類(lèi)工程學(xué)，讓醫(yī)生擁有和人眼一樣的立體式感覺(jué)，可以清晰準(zhǔn)確地進(jìn)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(shí)消除不必要的顫動(dòng)，所以手術(shù)器械完全達(dá)到人手的靈活度和準(zhǔn)確度，可以進(jìn)行人手不能觸及的狹小空間的精細(xì)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(tái)，操控精密機(jī)器手臂及3D攝影內(nèi)視鏡，操作方式完全尊重醫(yī)生開(kāi)放手術(shù)操作方式，不需要長(zhǎng)時(shí)間的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)；

（4）一個(gè)主刀醫(yī)生就可以完成一個(gè)電視腔鏡手術(shù)團(tuán)隊(duì)的全部工作，減少了主刀醫(yī)生和其他手術(shù)團(tuán)隊(duì)成員的配合，更容易實(shí)現(xiàn)主刀醫(yī)生的意圖；

（5）主刀醫(yī)生采取坐姿進(jìn)行系統(tǒng)操作，舒適的坐勢(shì)有利于長(zhǎng)時(shí)間復(fù)雜的手術(shù)，而且延長(zhǎng)了主刀醫(yī)生的手術(shù)生命。

其他優(yōu)點(diǎn)還包括：減少麻醉需求量、感染風(fēng)險(xiǎn)、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(shí)間縮短、住院天數(shù)減少等。對(duì)于大多數(shù)手術(shù)而言，病人康復(fù)時(shí)間大幅縮短，可快速恢復(fù)日常作息。

綜合起來(lái)，使用手術(shù)機(jī)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(jiǎn)單，大大擴(kuò)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(biāo)，能夠達(dá)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(jī)器人系統(tǒng)與傳統(tǒng)電視腔鏡系統(tǒng)技術(shù)性能的對(duì)比，可以看出，手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)在技術(shù)方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

表1 傳統(tǒng)電視腔鏡手術(shù)與手術(shù)機(jī)器人技術(shù)性能對(duì)比

3 達(dá)芬奇da Vinci? S?手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)介紹

美國(guó)Intuitive Surgical生產(chǎn)的達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，于1999年取得歐洲CE認(rèn)證，2000年取得美國(guó)FDA認(rèn)證。達(dá)芬奇Da Vinci?S?手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)是最新一代手術(shù)機(jī)器人平臺(tái)，能夠通過(guò)微創(chuàng)的方法完成復(fù)雜的外科手術(shù)。實(shí)施手術(shù)時(shí)外科醫(yī)生不與病人直接接觸，通過(guò)觀察監(jiān)視器操作控制系統(tǒng)，醫(yī)生的動(dòng)作通過(guò)計(jì)算機(jī)傳遞給手術(shù)臺(tái)邊的機(jī)械手，機(jī)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(dòng)作。醫(yī)生控制臺(tái)裝有三維視覺(jué)系統(tǒng)和動(dòng)作定標(biāo)系統(tǒng)，醫(yī)生手臂、手腕和手指的運(yùn)動(dòng)通過(guò)傳感器在電腦中記錄下來(lái)，并同步翻譯給機(jī)器手臂。達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)主要分為3 部分：① 外科醫(yī)生控制臺(tái)；② 機(jī)械臂、攝像臂和手術(shù)器械組成的手術(shù)臺(tái)車(chē)；③ 三維高清視頻影像平臺(tái)。

3.1 外科醫(yī)生控制臺(tái)

外科醫(yī)生控制臺(tái)是Da Vinci?S?系統(tǒng)的控制中心，由計(jì)算機(jī)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(jiàn)圖1。外科醫(yī)生控制臺(tái)的操作者坐在消毒區(qū)域以外，通過(guò)使用控制手柄來(lái)控制手術(shù)器械和立體腔鏡。手術(shù)者通過(guò)雙手動(dòng)作傳動(dòng)手術(shù)臺(tái)車(chē)上仿真機(jī)械臂完成各種操作，從而達(dá)到了手術(shù)者的手在患者體內(nèi)做手術(shù)的效果。同時(shí)可通過(guò)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(dá)到開(kāi)放手術(shù)的靈活性。

3.2 手術(shù)臺(tái)車(chē)

手術(shù)臺(tái)車(chē)（圖2）是Da Vinci?S?系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)部分，上面安裝有工作臂和持鏡臂。第一代達(dá)芬奇機(jī)器人只有2只工作臂，2003年起，新一代達(dá)芬奇機(jī)器人安裝了3只工作臂，增強(qiáng)了應(yīng)用能力和靈活性。手術(shù)車(chē)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(jī)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(dòng)出現(xiàn)視野不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

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

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

圖4 外科機(jī)器人視頻高清影像系統(tǒng)

4 手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)在臨床中的應(yīng)用

手術(shù)機(jī)器人于1997 年3 月在比利時(shí)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(jī)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(jī)器人價(jià)值的領(lǐng)域,手術(shù)機(jī)器人克服了常規(guī)腔鏡手術(shù)技術(shù)局限,實(shí)現(xiàn)了心臟外科的微創(chuàng)化。使用手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)可完成房間隔缺損修補(bǔ)、冠狀動(dòng)脈搭橋、心包腫物切除等手術(shù)[5,6]。目前美國(guó)、加拿大以及西歐等國(guó)已成功應(yīng)用手術(shù)機(jī)器人實(shí)行微創(chuàng)二尖瓣置換成形術(shù)和冠脈搭橋術(shù)。國(guó)內(nèi)解放軍總醫(yī)院于2007 年1 月在國(guó)內(nèi)率先使用該系統(tǒng),截至2009年底，2年左右時(shí)間，已完成各類(lèi)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(bào)道了機(jī)器人腹腔鏡下前列腺癌根治術(shù)、腎盂成形術(shù)等。隨著機(jī)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(kāi)始應(yīng)用機(jī)器人進(jìn)行。Beecken[9]等人報(bào)道1例58歲男性進(jìn)行根治性膀胱切除及體內(nèi)新膀胱術(shù)。Da Vinci機(jī)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(jī)器人的最初目的，但是泌尿外科迅速進(jìn)入了機(jī)器人手術(shù)領(lǐng)域，并因?yàn)榍傲邢侔└涡g(shù)發(fā)展了機(jī)器人手術(shù)技術(shù)。目前，全世界大約400臺(tái)機(jī)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(yùn)用手術(shù)機(jī)器人進(jìn)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(shí)也被認(rèn)為是普外科醫(yī)生接觸手術(shù)機(jī)器人的一種非常合適的入門(mén)“練習(xí)”手術(shù)。利用機(jī)器人進(jìn)行膽囊切除術(shù)已多有報(bào)道[10]。

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

4.4 在婦科中的應(yīng)用

手術(shù)機(jī)器人第一次運(yùn)用于婦科是在1998 年。Mettler 等人[12]使用AESOP 機(jī)器人進(jìn)行手術(shù), 他們對(duì)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(shí)間為85 min , 而有AESOP 輔助下手術(shù)時(shí)間為70 min。并證實(shí)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(shí)施了輸卵管吻合再通術(shù)[13]，證實(shí)了機(jī)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(jī)器人在臨床中的應(yīng)用遠(yuǎn)不止上述所列的幾種，理論上講，手術(shù)機(jī)器人可以應(yīng)用于所有的外科手術(shù)。由于手術(shù)機(jī)器人應(yīng)用于臨床的時(shí)間還不長(zhǎng)，出于醫(yī)學(xué)安全和謹(jǐn)慎的目的，許多手術(shù)目前并未采用手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，這需要一個(gè)過(guò)程。

5 討論與展望

手術(shù)機(jī)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(tái)又一次發(fā)生了質(zhì)的飛躍，目前被公認(rèn)為開(kāi)創(chuàng)了外科手術(shù)平臺(tái)的新紀(jì)元。微創(chuàng)外科是外科學(xué)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)作為微創(chuàng)外科手術(shù)平臺(tái)，從技術(shù)角度講無(wú)疑是目前最先進(jìn)的系統(tǒng)。手術(shù)機(jī)器人的出現(xiàn)，使以前很多難以開(kāi)展的手術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，前列腺癌機(jī)器人輔助手術(shù)已成為前列腺癌根治術(shù)的“金標(biāo)準(zhǔn)”[7]，所有這些都極大的造福了患者。

當(dāng)然，目前手術(shù)機(jī)器人還存在一些缺點(diǎn)和不足，如觸覺(jué)反饋體系的缺陷，醫(yī)生只能通過(guò)視覺(jué)信息反饋彌補(bǔ)觸覺(jué)反饋的不足；系統(tǒng)技術(shù)的復(fù)雜性，在使用過(guò)程中發(fā)生機(jī)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(zhǔn)備耗時(shí)較長(zhǎng)；成本昂貴等[14-15]。但手術(shù)機(jī)器人正式應(yīng)用于臨床只不過(guò)短短的十余年時(shí)間，隨著醫(yī)學(xué)和科技的進(jìn)步，完全有理由相信上述缺點(diǎn)和不足都會(huì)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(lái)更先進(jìn)的人工智能手術(shù)機(jī)器人、納米手術(shù)機(jī)器人也會(huì)應(yīng)用于臨床[16]。

[1] 楊來(lái)春.腹腔鏡手術(shù)的臨床應(yīng)用與進(jìn)展[J].腹部外科,1996,8(3): 142-144.

[2] 盧榜裕,李建軍.腹腔鏡胰十二指腸切除術(shù)圍手術(shù)期處理[J].中華腔鏡外科雜志(電子版),2010,3(1):37-42.

[3] 嚴(yán)加費(fèi),牟一平.腹腔鏡胰腺手術(shù)的現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].中華普通外科學(xué)文獻(xiàn)(電子版),2010,4(3):268-270.

[4] 熊利華.機(jī)器人在心臟外科中的應(yīng)用[J].實(shí)用醫(yī)學(xué)雜志,2005, 21(10):1010-1011.

[5] Mehmanesh H,Hence R,Lange R.Totally endoscopic mitral valve repair[J]. Thorac Cardiovase Surg,2002,123(1):96-97.

[6] Kypson AP,Chitwood WR Jr.Robotic mitral valve surgery[J]. Am J Surg,2004,188(4A Suppl):83S-88S.

[7] 王加利,李佳春,高長(zhǎng)青,等.機(jī)器人輔助心臟手術(shù)的體外循環(huán)灌注策略[J].南方醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào),2009,29(11):2300-2303.

[8] Menon M,Tewari A,Peabody JO,et al.Vattikuti Institute prostatectomy,a technique of robotic radical prostatectomy for management of localized carcinoma of the prostate: experience of over 1100 cases[J].Urol Clin North Am,2004,31(4):701-717.

[9] Beecken WD,Wolfram M,Engl T,et al.Robot assisted laparoscopic radical cystectomy and intra-abdominal formation of an orthotopic ileal neobladder[J].Eur Urol,2003,44:337-339.

[10] Goh PM,Lomanto D,So JB.Robotic assisted laparoscopic chole- cystectomy[J].Surg Endosc,2002,16(1):216-217.

[11] 周寧新.達(dá)芬奇機(jī)器人胰十二指腸切除手術(shù)要點(diǎn)[J].中華普外科手術(shù)學(xué)雜志(電子版),2010,4(3):240-245.

[12] Mettler L,Irahim M,Jonat W.One year of experience working with the aid of a robotic assistant (the voice2cont rolled optic holder AESOP) in gynaecological endoscopic surgery[J].Hum Reprod,1998,113:2748-2750.

[13] Goldberg JM,Falcone T.Laparoscopic microsurgical tubal anastomosis with and without robotic assistance[J].Hum Reprod,2003,18:145-147.

[14] 李揚(yáng),賀晶.達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用與管理建議[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2009,24(1):132-134.

[15] 楊國(guó)忠.如何看待高新技術(shù)的引進(jìn)和應(yīng)用—從衛(wèi)生部達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)評(píng)估會(huì)引發(fā)的聯(lián)想[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2009,24(1):135.

[16] 金訊波,張棟,夏慶華.機(jī)器人輔助技術(shù)的未來(lái)與展望[J].山東醫(yī)藥,2009,46(39):112-114.

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