外科手術機器人系統及其臨床應用

戚仕濤，劉鐵兵

南京軍區南京總醫院 醫學工程科，江蘇南京 210002

外科手術機器人系統及其臨床應用

戚仕濤，劉鐵兵

南京軍區南京總醫院 醫學工程科，江蘇南京 210002

與傳統電視腔鏡手術相比，外科機器人輔助手術具有更加精細、微創等優點。本文介紹了手術機器人系統的特點及達芬奇手術機器人組成原理，并對手術機器人系統的臨床應用情況和未來發展做了簡要探討。

外科手術機器人；微創外科；腔鏡手術

1 概述

20世紀80年代電視腹腔鏡系統手術在膽囊切除術的成功開展，正式開創了微創外科時代[1]。微創外科與傳統手術相比，具有傷口小且美觀，術中出血較少，恢復較快，患者術后疼痛降低，住院天數減少等優點，深受患者的推崇，同時也成為各個醫院吸引患者的重要外科項目。微創手術也逐漸成為醫院醫療水平的評價標準，因此傳統的電視腹腔鏡系統作為一項基礎的手術設備被各級醫院接納和購買。

隨著電視腔鏡手術的廣泛開展，其局限性也逐漸暴露出來，電視腹腔鏡手術對復雜精細的手術顯得力不從心。例如胰十二指腸手術，要在電視腔鏡下完成眾多的體內縫合相當困難，需要施術者具有豐富的開腹手術經驗和嫻熟的電視腔鏡手術技術。因此，迄今為止，全世界完成的電視腔鏡胰十二指腸手術并不多，國內僅見少數個案報道[2]。且從目前有限經驗來看，腹腔鏡胰十二指腸切除術并沒有在縮短住院時間和減少費用上顯現出優越性，相反這種手術所需要的手術時間和術后并發癥卻要多于傳統手術方法。因此腹腔鏡胰十二指腸切除術目前仍處于探索階段，有待完善[3]。與此類似的還有泌尿外科微創前列腺癌根治術和心臟外科微創心臟搭橋等。

由于人類一些器官的生理、解剖結構的特殊性和傳統電視腔鏡技術的局限性，外科手術要達到廣泛微創化、精細化的目的,必須有一種新的外科平臺的出現才能解決。就像工業生產已依靠機器人作業達到了人類無法達成的成就一樣，外科手術機器人系統的應運而生，突破了人類在外科手術領域的局限，開創了外科手術又一個新紀元。

機器人輔助外科手術現在已被醫生和患者廣泛接受，如機器人前列腺癌根治術和腎盂成形術在美國已具備“金標準”的地位，占相關手術總量的平均比例超過1/3，在一些地區甚至達到90%，而且達芬奇外科機器人系統也參與到很多最先進的外科技術中，如“一站式”心臟雜交技術、不開胸不跳冠脈搭橋，以及“Day Surgery”[4]等。

2 手術機器人系統的優點

與傳統電視腹腔鏡手術系統相比，手術機器人系統具有如下明顯的優點：

（1）提供主刀醫生高清晰、立體的手術視野，符合人類工程學，讓醫生擁有和人眼一樣的立體式感覺，可以清晰準確地進行組織定位和器械操作；

（2）仿真手腕手術器械可以模擬人的手指的靈活度，同時消除不必要的顫動，所以手術器械完全達到人手的靈活度和準確度，可以進行人手不能觸及的狹小空間的精細手術操作；

（3）醫生使用含手腳操作裝置的醫生控制臺，操控精密機器手臂及3D攝影內視鏡，操作方式完全尊重醫生開放手術操作方式，不需要長時間的培訓和學習；

（4）一個主刀醫生就可以完成一個電視腔鏡手術團隊的全部工作，減少了主刀醫生和其他手術團隊成員的配合，更容易實現主刀醫生的意圖；

（5）主刀醫生采取坐姿進行系統操作，舒適的坐勢有利于長時間復雜的手術，而且延長了主刀醫生的手術生命。

其他優點還包括：減少麻醉需求量、感染風險、失血量或輸血必要、創傷和疤痕等。病人從這種新的手術方式也受益良多：切口變小、康復時間縮短、住院天數減少等。對于大多數手術而言，病人康復時間大幅縮短，可快速恢復日常作息。

綜合起來，使用手術機器人系統讓復雜的微創手術變得如例行手術一般簡單，大大擴大微創手術應用范圍，滿足了外科領域追求卓越的目標，能夠達到更加理想的手術效果、更小的創傷和更大的患者適用范圍。表1給出了手術機器人系統與傳統電視腔鏡系統技術性能的對比，可以看出，手術機器人系統在技術方面具有顯著的優勢。

表1 傳統電視腔鏡手術與手術機器人技術性能對比

3 達芬奇da Vinci? S?手術機器人系統介紹

美國Intuitive Surgical生產的達芬奇手術機器人系統，于1999年取得歐洲CE認證，2000年取得美國FDA認證。達芬奇Da Vinci?S?手術機器人系統是最新一代手術機器人平臺，能夠通過微創的方法完成復雜的外科手術。實施手術時外科醫生不與病人直接接觸，通過觀察監視器操作控制系統，醫生的動作通過計算機傳遞給手術臺邊的機械手，機械手的前端安裝各種微創手術器械模擬外科醫生的技術動作。醫生控制臺裝有三維視覺系統和動作定標系統，醫生手臂、手腕和手指的運動通過傳感器在電腦中記錄下來，并同步翻譯給機器手臂。達芬奇手術機器人系統主要分為3 部分：① 外科醫生控制臺；② 機械臂、攝像臂和手術器械組成的手術臺車；③ 三維高清視頻影像平臺。

3.1 外科醫生控制臺

外科醫生控制臺是Da Vinci?S?系統的控制中心，由計算機系統、監視器、控制手柄、腳踏控制板及輸出設備組成，見圖1。外科醫生控制臺的操作者坐在消毒區域以外，通過使用控制手柄來控制手術器械和立體腔鏡。手術者通過雙手動作傳動手術臺車上仿真機械臂完成各種操作，從而達到了手術者的手在患者體內做手術的效果。同時可通過聲控、手控或踏板控制腹腔鏡。手術者雙腳置于腳踏控制板上配合完成電切、電凝等相關操作。Da Vinci?S?系統讓手術者在微創的環境里可以達到開放手術的靈活性。

3.2 手術臺車

手術臺車（圖2）是Da Vinci?S?系統的運轉部分，上面安裝有工作臂和持鏡臂。第一代達芬奇機器人只有2只工作臂，2003年起，新一代達芬奇機器人安裝了3只工作臂，增強了應用能力和靈活性。手術車的基本功能是支撐手術器械臂和鏡頭臂。工作臂裝上各種手術器械（仿真機械手如圖3），用于完成各種復雜的手術操作，持鏡臂用于術中握持腹腔鏡物鏡，可提供更加穩定的圖像，避免了傳統腹腔鏡手術中助手疲勞導致手部抖動出現視野不穩定的現象。

機械手可以模擬人手各種操作，動作的自由度高達7自由度，包括臂關節上下、前后、自由運動與仿真手腕的左右、旋轉、開合、末端關節彎曲共7種動作，可沿垂直軸360°和水平軸270°旋轉，且每個關節活動度大于90°。尤其在行深部操作時，機械手動作靈活，體積小巧，與開放手術的人手操作相比具有顯著優勢。仿真機械手配置了各種類型的手術器械，可滿足抓持、鉗夾、縫合等各項操作要求；同時機械臂具有計算機輔助位置記憶功能，更換器械后機械臂可迅速回復至更換前位置，具有“即插即用，無縫連接”的特點。

3.3 三維高清視頻影像系統

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，只有充分練習后才可以掌握。達芬奇機器人的三維高清影像系統（圖4）則完全解決這一問題，為術者提供了一個真實的手術視野，使打結、縫合等操作變得簡單易學。另外，借助數碼放大技術，無須移動腹腔鏡即可將手術部位放大10～15倍，有利于更加精細的手術操作。

圖4 外科機器人視頻高清影像系統

4 手術機器人系統在臨床中的應用

手術機器人于1997 年3 月在比利時布魯塞爾圣·皮埃爾（St Pierre）醫院完成了第一例腹腔鏡手術——膽囊切除術。隨后幾年里,手術機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等。

4.1 心臟外科中的應用

心臟外科是最能體現手術機器人價值的領域,手術機器人克服了常規腔鏡手術技術局限,實現了心臟外科的微創化。使用手術機器人系統可完成房間隔缺損修補、冠狀動脈搭橋、心包腫物切除等手術[5,6]。目前美國、加拿大以及西歐等國已成功應用手術機器人實行微創二尖瓣置換成形術和冠脈搭橋術。國內解放軍總醫院于2007 年1 月在國內率先使用該系統,截至2009年底，2年左右時間，已完成各類心臟手術共125 例，均取得了滿意的手術效果[7]。

4.2 在泌尿外科中的應用

2003年Monon[8]報道了機器人腹腔鏡下前列腺癌根治術、腎盂成形術等。隨著機器人腹腔鏡前列腺癌根治術技術的成熟,膀胱癌根治術也開始應用機器人進行。Beecken[9]等人報道1例58歲男性進行根治性膀胱切除及體內新膀胱術。Da Vinci機器人最初主要是為微創心臟外科手術研制的,泌尿外科并不是Da Vinci機器人的最初目的，但是泌尿外科迅速進入了機器人手術領域，并因為前列腺癌根治術發展了機器人手術技術。目前，全世界大約400臺機器人在臨床上應用，大多數主要用于泌尿外科。

4.3 在普通外科中的應用

膽囊切除術是目前運用手術機器人進行普外科手術中數量最多、技術最熟練的手術,它同時也被認為是普外科醫生接觸手術機器人的一種非常合適的入門“練習”手術。利用機器人進行膽囊切除術已多有報道[10]。

第二炮兵總醫院周寧新2009年1月在國內首先應用機器人進行胰十二指腸切除手術，并與同期開腹手術進行了比較，結果表明，機器人手術組的總體并發癥發生率低于開腹手術組, 術中出血量及腹壁切口低于開腹手術,術后下床時間更是明顯低于開腹手術,出院時間亦明顯早于開腹手術[11]。

4.4 在婦科中的應用

手術機器人第一次運用于婦科是在1998 年。Mettler 等人[12]使用AESOP 機器人進行手術, 他們對15 例患者行腹腔鏡輔助下陰式子宮全切術, 普通手術時間為85 min , 而有AESOP 輔助下手術時間為70 min。并證實了使用AESOP較人工控制腹腔鏡頭更有效。Cleveland臨床小組在1998年成功地實施了輸卵管吻合再通術[13]，證實了機器人系統在婦科手術中的可行性及精確性。

4.5 在其他外科手術中的應用

手術機器人在臨床中的應用遠不止上述所列的幾種，理論上講，手術機器人可以應用于所有的外科手術。由于手術機器人應用于臨床的時間還不長，出于醫學安全和謹慎的目的，許多手術目前并未采用手術機器人系統，這需要一個過程。

5 討論與展望

手術機器人系統的發明是醫學和工程學結合的又一典型代表，它的出現使外科手術平臺又一次發生了質的飛躍，目前被公認為開創了外科手術平臺的新紀元。微創外科是外科學未來發展的趨勢，手術機器人系統作為微創外科手術平臺，從技術角度講無疑是目前最先進的系統。手術機器人的出現，使以前很多難以開展的手術得以實現，前列腺癌機器人輔助手術已成為前列腺癌根治術的“金標準”[7]，所有這些都極大的造福了患者。

當然，目前手術機器人還存在一些缺點和不足，如觸覺反饋體系的缺陷，醫生只能通過視覺信息反饋彌補觸覺反饋的不足；系統技術的復雜性，在使用過程中發生機械故障的幾率大于一般的內窺鏡手術系統；手術前及手術中的規劃和準備耗時較長；成本昂貴等[14-15]。但手術機器人正式應用于臨床只不過短短的十余年時間，隨著醫學和科技的進步，完全有理由相信上述缺點和不足都會逐步的解決。而且，隨著智能化技術、納米技術的發展，未來更先進的人工智能手術機器人、納米手術機器人也會應用于臨床[16]。

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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