達芬奇手術機器人系統介紹及應用進展

杜祥民 張永壽

1 引言

減少病人的手術創傷，一直是現代醫學的一個努力目標。20世紀80年代，由腹腔鏡開啟了外科手術的“微創化”時代，但腹腔鏡有局限：手術器械轉動角度受限，造成了一些手術盲區，而且只能提供給外科醫生二維的手術視野。這些因素限制了腹腔鏡技術向更復雜外科手術的拓展，也成為當前腹腔鏡技術發展中的“瓶頸”。進入21世紀，為克服腹腔鏡技術的不足，外科手術機器人手術逐漸地成為微創外科手術的主要潮流。手術機器人的開發并迅速投入臨床應用，以其全新的理念和效果被認為是外科發展史上的一次革命，也預示著第三代外科手術時代的來臨[1]。

醫療外科機器人系統的研究和開發引起了西方許多發達國家如美國、意大利、日本等國政府和學術界的極大關注，并投入了大量的人力和財力。1994年美國的Computer Motion公司研制了第一臺協助微創手術的內窺鏡自動定位系統，取名伊索(Aesop)，從而邁出了機器人手術系統研制的關鍵一步[2]。在手術機器人系統方面取得突破性進展的應首推美國的Intuitive Surgical公司，該公司是開發革命性微創手術儀器和技術的先驅。他們已經成功的通過改進手術程序，使外科手術的精確和技術超越了人類雙手的極限，從而拓寬了微創手術（MIS）的應用。1999年1月由Intuitive Surgical公司制造的“達芬奇”（da Vinci）機器人手術系統獲得歐洲CE市場認證，標志著世界第一臺真正的手術機器人的誕生；2000年7月通過了美國FDA市場認證后，“達芬奇”成為世界上首套可以正式在手術室中使用的機器人手術系統。

2 系統介紹及功能

“達芬奇”手術機器人是世界上僅有的、可以正式在腹腔手術中使用的機器人手術系統，也是目前最復雜和最昂貴的外科手術系統之一。該系統充分結合了美國航天航空局和眾多研究機構開發的先進技術，代表了當今世界外科手術機器人的最高水平。它的手術特點猶如萊昂納多·達·芬奇的畫作手法一樣精細，能將手術造成的創傷降到最低點。目前，廣泛應用于臨床的是Intuitive Surgical公司開發出的最新的第三代產品。

“達芬奇”機器人實際上是一種“內窺鏡手術器械控制系統”，與通常意義上的機器人有明顯差別。手術系統主要有3個子系統組成：醫師操控臺、床旁機械臂手術系統和3D成像系統。3個看似獨立的子系統在為病人實施手術時雖然各有分工，各司其職，但相輔相成，緊密關聯。簡單來說，進行手術的醫生在操控臺上操作，系統將醫生在病人體外的動作精確傳遞到機械臂，轉化為手術器械在病人體內的動作，從而完成外科手術。

（1）醫師操作臺

該操作臺是達芬奇系統的控制核心，由計算機系統、監視器、操作手柄及輸出設備等組成。在手術中，醫師坐在無菌區外的控制臺前，雙手正常位套入操作手柄指環，通過雙手動作傳動帶動手術臺上仿真機械臂完成各種操作，并可通過聲控、手控或踏板控制腹腔鏡。術者雙腳置于控制臺腳踏上配合完成電切、電凝等相關操作，并用一個雙目內窺鏡觀察患者體腔內三維圖像。

（2）床旁機械臂手術系統

包括2～3只工作臂及1只持鏡臂。持鏡臂用于術中握持腹腔鏡物鏡，與傳統腹腔鏡助手握持相比，可提供更加穩定的圖像，避免傳統腹腔鏡術中助手疲勞致手部抖動出現視野不穩定的問題。工作臂用于完成術中各種操作，有7個自由度，包括臂關節上下、前后、左右運動與機械手的左右、旋轉、開合、末端關節彎曲共7種動作，可作沿垂直軸360°和水平軸270°旋轉，且每個關節活動度均＞90°。外科醫師通過操作手柄經計算機翻譯和傳送外科醫師手部動作到機械臂器械末端，可進行上下、左右、旋轉等連續動作，使其比人手有更大的靈活性。手術臺旁可有一名醫師助手和一名刷手護士，根據術者的意愿負責替換機器人的機械手，并可經輔助孔操作，進行牽拉、吸引等協助手術的一些工作。

（3）3D成像系統

內裝da Vinci系統的圖像處理設備，并配有監視器，還可放置輔助手術設備(如二氧化碳充氣系統)，一個雙高強光源系統，一個雙CCD攝像系統。術中由臺下巡回護士操作。傳統腹腔鏡技術的一個主要弊端在于二維平面成像，術者在監視器中無法辨別組織前后相對關系，只有經過充分練習后才可掌握操作。達芬奇機器人的3D高清影像系統可完全解決這一問題，為術者提供真實的術野，利于術中辨認組織關系，同時使縫合、打結等操作更簡便易學，提高手術效率[1-3]。

從開放性的第一代外科手術到腹腔鏡手術為代表的第二代外科手術，手術切口大、創傷大、出血多、術后并發癥較多、疼痛較明顯，給病人造成心理和生理上的痛苦。與傳統外科手術相比，以“達芬奇”為代表的機器人手術具有3個明顯優勢：一是突破了人眼的局限，可以進入人體內部的機器鏡，使手術視野放大20倍。機械手臂增加了活動的自由度，大大提高了手術醫師的操作能力，能將控制柄的大幅度移動按照比例轉換成患者體內的精細動作。二是突破了人手的局限，在原來手伸不進的區域，機器手可以在360度的空間下靈活穿行，完成轉動、挪動、擺動、緊握等動作，且機械手上有穩定器，具有人手無法相比的穩定性及精確度，防止人手可能出現的抖動現象，狹窄解剖區域中比人手更靈活，因而可輔助完成精細復雜等各類高難度手術。三是無需開腹，創口僅在1 cm左右，創傷小，出血少，恢復快，大大縮短了術后住院時間，術后存活率和康復率都大大提高。

3 臨床應用

世界上“達芬奇”手術機器人系統已經廣泛地在多學科得到了應用，例如：泌尿外科、心臟外科、胸外科、胃腸外科、肝膽外科、婦產科、普外科、耳鼻喉科。目前，全世界已有33個國家、800多家醫院成功開展了60多萬例機器人手術，使得“達芬奇”外科手術機器人倍受廣大外科醫生的認可和推崇。典型的有：泌尿外科：前列腺切除術、腎盂成形術、腎移植、腎切除術、精索靜脈曲張、輸精管吻合術、盆腔淋巴結切除術、腎囊腫手術、輸尿管切除術、輸尿管成形術[4]；心臟外科：全腔內心臟搭橋手術、心臟不停跳取（單支或雙支）乳內動脈、二尖瓣修復術、二尖瓣置換術；胸外科：肺葉切除術、胸腺切除術、楔形切除術、食管的失弛緩癥[5]；胃腸外科：結腸切除術、半結腸切除術、直腸低位前切除術、胃旁路術、HELLER 肌切開術、胃束帶術、胃部分切除術；肝膽外科：肝移植手術、肝葉切除術、胰切除術、脾臟切除術；婦產科：子宮切除術、肌瘤切除術、皮樣囊腫、LAVH、卵巢囊腫切除術、卵巢切除術、卵巢錯位、子宮肌瘤切除術、輸卵管切除術、輸卵管-卵巢切除術、輸卵管結扎術[6]；普通外科：膽囊切除術、抗反流手術、食管賁門括約肌切開術、胰腺手術、結直腸手術、治療肥胖癥手術等[7-8]。

盡管“達芬奇”手術機器人系統在臨床中得到了越來越廣泛的應用，但是其自身存在的缺陷也不容回避。“達芬奇”機器人最主要的技術缺陷在于觸覺反饋體系的缺失，因術者雙手不直接接觸手術部位，無觸覺感知，無法判斷組織的質地、彈性、有無搏動等性質。其次，系統的技術復雜，學習曲線較長，醫師與系統的配合需要長時間的磨合。另外， 由于生產商通過收購競爭對手和專利保護等手段在這一領域形成了壟斷，“達芬奇”機器人的價格昂貴、居高不下，總體購置費用在1700萬人民幣左右[9]。且部分器械屬手術耗材，開展一例手術平均耗材費用約2萬元，手術成本很高。同樣的手術用“達芬奇”做要比用內鏡做多花費40%左右的費用[10]。此外，機器人體積龐大，需要配置專門的手術室及維護人員，手術前的準備及手術中更換器械等操作耗時較長[1-3]。

4 國內、外應用情況

如今在美國等發達國家，“達芬奇”機器人已在腹腔、胸腔、盆腔等相關手術領域中發揮重要作用。以前列腺癌根治手術為例，自2000年開展首例手術機器人前列腺癌根治性切除以來，該手術已在國外得到迅速推廣。目前，在北歐國家超過一半以上的前列腺癌根治手術由手術機器人完成，而在美國，這一比例更是高達90%。至2010年6月30日，全球共有1571臺“達芬奇”手術機器人系統，主要集中于上述歐美發達國家，其中美國超過1160臺，歐洲276臺。

作為Intuitive Surgical外科手術機器人在中國的獨家代理和售后服務提供商，美中互利公司已經在中國成功安裝了20臺達芬奇外科手術機器人系統，其中內地9臺、香港5臺、臺灣6臺。2005年11月在香港安裝了國內第一臺da Vinci手術機器人系統，并在香港威爾士親王醫院成立了具有世界水平的“達芬奇”外科手術機器人系統培訓中心。中國人民解放軍總醫院（301醫院）于2007年首先引進達芬奇外科手術機器人系統。2009年初，二炮總醫院安裝了第二臺。隨后，南京軍區南京總醫院、第三軍醫大學附屬西南醫院和上海的瑞金醫院、中山醫院、華山醫院、胸科醫院等陸續安裝并投入使用。

作為首家在中國大陸地區使用“達芬奇”外科手術機器人系統的用戶，301醫院自2007年開展首例全機器人心臟手術以來，先后創建了國內第一個微創機器人心臟外科中心并組建了國內第一支機器人心臟手術團隊，目前全世界只有幾個心臟外科中心能夠開展此類機器人心臟手術，國內尚無其它醫院擁有該系統開展此類手術[11]。在高長青主任的帶領下，至今共完成21種210例手術，其中包括全機器人心臟不停跳下房間隔缺損修補、心臟不停跳下房間隔缺損修補+三尖瓣成形、心臟不停跳下右房腫瘤切除、全機器人部分肺靜脈畸形引流矯正及全機器人微創不開胸下室間隔缺損修補等5種國際首創手術，手術數量、種類和質量均處于亞洲最高水平。301醫院完成的手術量和手術種類目前在亞洲處于最高水平，不僅保持著在機器人心臟外科領域絕對領先的地位，也標志著中國微創心臟外科水平達到世界先進水平。

5 小結與展望

利用機器人實施外科手術，曾經被認為是一種遙遠的甚至是冒險的情景，但是隨著當前科學技術日新月異的發展，外科手術機器人手術將逐漸成為微創外科手術的主要潮流。外科機器人技術為外科手術提供更廣闊空間，代表今后外科手術的發展方向，它可開展更精細、精確、復雜的手術，它與其他技術，如單孔手術、激光、冷凍等結合，將使外科手術技術發生質的飛躍。以醫療外科機器人系統的研究為基礎發展起來的醫療電子設備的產值在過去幾年以每年10%的速度增長，預計醫用機器人在今后五年內還會以每年20%～40%的速度增長。各國政府不僅希望醫療外科機器人系統的研究能為疾病的治療帶來方便，產生良好的社會效益，更希望醫療外科機器人的系統研究能生成一個新的經濟增長點，獲得良好的經濟效益。

值得期待的是，使用“達芬奇”手術機器人，將逐步開創遠程手術的概念。就是讓醫生從離病人很遠的地方來進行精密的手術。如果醫生不用站在病人的身旁進行手術，而是在離病人幾十厘米遠的計算機臺旁遠程控制機器人手臂，那么下一步將是從離得更遠的位置來進行手術。遠程遙控手術在經驗豐富的外科醫生和病人之間建立起全新的聯系，使病人在原地、原醫院即可接受遠地專家的會診及其治療與護理，從而節約醫生和病人大量的時間和金錢。在一定程度上遏制持續上漲的醫療費用、加強了醫生之間的技術交流和學習，并實現醫療資源的均衡分布。遠程遙控手術潛在的軍事價值也逐漸顯現，手術醫生可在后方遙控操作系統完成前線急需的高難度手術，這可能對平時、戰時傷員的救治將產生深遠的影響。

目前，遠程手術的主要障礙就是醫生手的移動和機器人手臂做出的反應之間的時間延遲。但仍然有理由相信，隨著技術的不斷進步與發展，可能通過某種特殊的方式，將全球的da Vinci手術機器人聯系起來，形成一個局域網系統，先在系統內實現遠程會診、手術教學，再逐步向手術機器人遠程手術過渡。隨著達芬奇外科手術系統的應用范圍和數量擴大，其技術優勢將為更多患者帶來益處。達芬奇機器人已攻克了諸多復雜疑難外科手術，機器人外科微創技術應用并將成為未來醫學治療趨勢。

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[4]蔣紹博，王慕文，王正.達芬奇機器人手術系統在泌尿外科手術中的應用[J].山東醫藥，2009，49(39)：111-112.

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[9]楊國忠.如何看待高新技術的引進和應用——從衛生部達芬奇手術機器人系統技術評估會引發的聯想[J].臨床影像技術，2009，24(1)：119-135.

[10]姚寶瑩.神奇的達芬奇機器人[J].首都醫藥，2009(10)：41-42.

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