手术医师操纵机器人在微创外科的应用进展

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2017-06-27 14:34:00

随着器械的改进和手术医师操作技能的提高，微创外科取得了长足发展。本文是一篇机器人在微创外科的应用进展，接下来让我们一起来看看吧~

一、历史与背景

在世界上引起巨大轰动。从此迎来了微创手术的新时代，腹腔镜外科成为最具活力的领域。此后，随着器械的改进和手术医师操作技能的提高，微创外科取得了长足发展。

但是现有的内镜手术在临床应用中也暴露出了不足：(1)经固定的通道器械操作限制了医生的活动度和手的灵巧性;(2)二维图像使外科医生失去了视觉的深度感和对术野直观平稳控制力;(3)手眼间协调性差，使得精细的解剖和吻合变得困难;(4)触觉的减弱和手的不自主阵颤、易疲劳增加了操作的困难等。为了解决上述问题，科学家们开发了计算机辅助手术系统，即“手术机器人”系统，使微创外科的发展进入了一个新时代。

Kwoh 等为了提高神经外科活检的精确度使用了“美洲狮 560”，这是最早应用于手术的机器人。3 年后，“美洲狮 560”又被 Davies等成功地应用于经尿道前列腺切除术，最终演化成一种专门行经尿道前列腺切除术的设备PROBOT。同期，第一个被美国 FDA 批准并应用于髋关节置换手术的机器人“ROBODOC”诞生，用以提高术中股骨调整的精准度。但这个时期的机器人与现在流行的主从式(master-slave)手术机器人仍有很大不同。

主从式机器人系统概念最初源于美国军方的远程手术构想圈。1994年，美国ComputerMotion 公司在军方风险基金的资助下研制了第一台协助微创手术的内窥镜自动定位系统——伊索(automated endoscopic system for optimal positioning，Aesop)。尽管它还不是能执行指令独自进行手术操作的“机器人”，而只是一只“扶镜”的电子机械手，但是迈出了机器人技术介入外科手术的关键一步。1999年，Intuitive Surgical公司制造的“达芬奇”(da Vinci)和 Computer Motion 公司制造的“宙斯”(Zeus)机器人手术系统都通过了欧洲CE市场认证，标志着真正“手术机器人”的诞生，并于2000年7月通过了美国 FDA市场认证。“达芬奇”现已成为世界上首套可以正式在医院手术室腹腔手术中使用的机器人手术系统。手术机器人将医生的手术操作转化为数字信息，传递给机器人的操作臂，控制操作臂来完成手术。手术操作转化为数字信息后又可借助高速宽带技术与其他有数字接口的设备对接以远距离传输，实现远程手术。2001年9月，外科医师在美国纽约通过观看电视屏幕操纵机械手，远距离遥控7000 km 外位于法国斯特拉斯堡医院手术室里的机器人“宙斯”，成功地为一位68岁的患者进行了腹腔镜胆囊切除术。此次手术的成功是远程手术的一个里程碑，标志外科手术跨时代的飞跃。

二、手术机器人的系统组成与特点

机器人手术系统主要由控制台、传递外科医生手部动作的有线网络系统和操作臂三部分组成。控制台是机器人手术系统的核心，由计算机系统、手术操作监视器、机器人控制监视器、操作手柄和输入、输出设备等组成。操作臂通常有3个，其中1个用于控制腹腔镜，另外 2 个用于控制器械。手术前，医生需要通过机器人控制监视器设定器械动作的幅度、张开的角度、器械闭合后锁定与否以及操作臂的活动范围等。系统设定完成后，医生可在远离手术台的控制台，通过观察病人体腔内三维图像来引导操作手柄的操纵，控制“扶镜”和执行手术操作的机械臂进行手术。医生的动作经过计算机过滤后，按比例缩小后实时传递给操作臂，保证了手术操作的精确性和稳定性。机器人手术系统采用的基于计算机视觉的主动引导技术、语音控制技术、手术器械跟踪技术、触觉反馈技术等，则保证了手术操作的顺利进行。“宙斯”的“扶镜”手是声控的，而“达芬奇”的手术器械头端增加“手腕关节”，扩大了活动范围和灵活性。

与传统腹腔镜手术相比，手术机器人具备如下优点：

(1)无需助手扶持腹腔镜，而是根据术者意愿随意调节镜头的方向机位置，保持提供清晰、稳定和接近真实的、极佳的三维图像，得到的术野直观平稳，能有效克服传统腹腔镜手术中操作易疲劳、助手和术者协调不一致的弊端。

(2)机器人手术系统通过软件处理来消除术者手部的震颤，将控制柄的大幅度移动按照比例转换成在患者体内的精细动作。

(3)恢复了术者合适的眼手协调性，提高了手术操作的精确性、稳定性和轻柔性，三维与二维的视觉差距主要在更精细操作的空间定位上，而视觉上的这一突破将会提升术者对手术操作的自信与掌控力。这对于高精度的手术，如心脏和脑部手术以及长时间的复杂手术尤其重要。

(4)值得注意的是，尽管称为机器人手术，但操作意图和指令仍是由医师发出的，外科操作仍需遵循传统手术原则并以腹腔镜技术为基础，但又突破了原腹腔镜技术“只看不敢动”。

(5)完全改变了传统外科医师临台手术模式，形成一种实时透明的经验传承与交流模式。而且机器人手术系统具有记忆功能，方便医生之间讨论、交流。还可以实时通过网络获求手术室外的援助，形成多团队配合和多学科融合的新型诊疗模式，同时造就了一个全新的外科模式。

同其他任何新技术一样，机器人手术也有其缺点：1)成本昂贵，需要特制手术室和专门培训的人员;2)手术时间相对较长;3)缺乏触觉反馈，致使组织误伤、缝线断裂均常有发生;4)动作比例设定、手颤过滤功能及影像系统使机器人技术在狭小空间及精细操作方面(如心外科手术、前列腺手术)具有出色的性能，但在需要较大幅度牵引动作的手术中，操作臂就会经常超出下限而必须重新设定。

三、机器人手术的临床应用

手术机器人的诞生时间虽然很短，但是其潜在的巨大技术优势已为世界各地的医生所认同，其应用领域在迅速拓展，手术种类和数量迅速增加，手术机器人的技术优势正逐渐转化成优越的治疗效果。目前，国际上手术机器人在医学多个领域多个学科如心脏微创外科、泌尿外科、神经外科、关节脊柱外科、妇产科等均获得较好的成就。同样，手术机器人在普外科领域的运用亦是业绩斐然。胆囊切除是世界上开展最早、例数最多的机器人手术，而当前的机器人胃底折叠术、食管贲门括约肌切开术、肠切除吻合术和肥胖症手术也已被成熟应用，胰腺手术、结直肠手术等也有开展。

我国运用手术机器人进行医学手术操作起步较晚。2004年4月，深圳市人民医院引进了大陆第一台“宙斯”手术机器人系统，并于当月完成了大陆首例“宙斯”手术机器人胆囊切除术。

2006年12月，北京解放军总医院购入中国首台“达芬奇”手术机器人，并分别于2007年1月和10月成功实施了中国首例“达芬奇”机器人房间隔缺损修补术和前列腺癌根治术，从此拉开了中国“达芬奇”机器人手术的帷幕。

张小磊等回顾性分析达芬奇手术机器人系统进行胃癌手术97例 (机器人组) 和腹腔镜辅助胃癌手术70 例 (腹腔镜组) 的临床资料，发现与腹腔镜组相比 , 机器人组患者术中出血量(ml)少(80.8±53.1 vs 153.7±26.4，P=0.001)、淋巴结清扫数量(枚/例)多(23.1±5.4 vs 20.0±4.3，P=0.001)、手术时间(min)长(272.3±46.1 vs 240.3±89.1，P=0.003)、术后进食半流质时间(d)早(3.2±0.8 vs 3.6±1.2，P=0.002)及住院时间(d)短(6.1±2.6 vs 6.9±2.3，P =0.037)，差异均有统计学意义，而两组患者近端切缘长度、远端切缘长度、术后下床时间、通气时间及术后并发症发生率的比较，差异均无统计学意义，认为达芬奇机器人系统辅助胃癌手术安全可行，具有术中出血少、淋巴结清扫数多和术后康复快等优点，可取得与腹腔镜手术相同的肿瘤根治效果。王巍等运用手术机器人在结直肠癌根治术领域取得良好的效果。由于在狭小空间和精细操作上的优势，机器人手术系统可望在小儿微创外科领域发挥独特的价值，如对小儿细小胆道、肠道的吻合等。

四、展望

目前我国手术机器人在普外科领域亦取得了巨大发展。赵舒霖等成功开展了手术机器人对肝脏肿瘤肝切除治疗，与传统腹腔镜组对比，手术机器人组的手术时间、住院时间均缩短，但术中出血量增多。周宁新等通过手术机器人系统在胆管恶性肿瘤领域寻找新的突破口。韩波等运用手术机器人系统成功开展了胰腺手术。以诊断性手术为主的操作限制。手术机器人的出现，使微创外科的发展进入新的一页。目前手术机器人的临床应用已扩展到外科领域的各个分支，极大地拓展了传统的腹腔镜微创外科，将掀起微创外科的又一次新技术革命浪潮。手术机器人的临床应用已扩展到外科领域的各个分支，极大地拓展了传统的腹腔镜微创外科，实现了具有跨时代意义的飞跃。可以预计，手术机器人将掀起微创外科的又一次新技术革命浪潮。相信未来外科领域中的各种手术操作都将可以通过手术机器人系统完成。

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