達芬奇機器人的“前世、今生、來世”

安芳芳，荊朝俠，彭燕，李莎

1. 陜西中醫藥大學，陜西 咸陽 712000；2. 陜西中醫藥大學第二附屬醫院，陜西 咸陽 712000

引言

在科技創新層出疊現的今天，醫療技術和設備也處于日新月異、不斷更新換代中。外科手術從“簡單粗暴”的開放式到微創精細的腔鏡下，從傳統的人握手術刀到人機交互的新型機器人，從二維平面到三維視覺，開創了一個個先鋒時代。手術機器人是集醫學、信息技術、運動控制學、圖像處理技術、人工視覺等多學科于一體的研究結果[1]，其正以全新的理念和優勢逐步取代著慣例的手術方式，成為外科微創時代的潮流。現就達芬奇機器人的發展和研究現狀做一綜述，并展望達芬奇機器人的研究方向，期望本文能為相關領域研究者帶來思考。

1 發展歷程

達芬奇手術機器人是由美國Intuitive Surgical公司開發研制所得，是當前全球應用最為廣泛的手術機器人[2]。達芬奇機器人在1999年獲得了歐洲聯盟CE市場的認證后，次年被美國食品和藥物管理局正式批準，并應用于臨床[3]。起初達芬奇機器人主要應用于泌尿外科，隨后涉及到心胸外科、婦科等各領域[4-5]。達芬奇機器人是集智能化與微創化于一體的先進手術設備。

近幾年，達芬奇機器人在全球的銷量在急劇增長，在中國大陸的裝載量也在逐年增加，手術量也隨之在迅速增長。2007年，達芬奇機器人在全球全年度共完成手術約9萬例，2010年約28萬例，2013年約55萬例，具體數據如圖 1所示[6-15]。

圖1 達芬奇機器人的裝載及使用情況

2 基礎構造

達芬奇機器人由外科醫生控制臺系統、床旁機械臂系統和成像系統三部分組成（圖2）。

圖2 達芬奇機器人的組成

（1）外科醫生控制臺系統。手術時主刀醫生坐在位于無菌區外的外科醫生控制臺前，眼睛專注于立體目鏡里的手術視野，通過手握住控制器和腳踩腳踏板來控制手術器械和三維內窺鏡，使得手術器械尖端隨著主控制器同步運動而模擬主刀醫生的手完成手術操作達到手術目的。

（2）床旁機械臂系統。由一個攝像臂和兩個器械臂構成的床旁機械臂系統是達芬奇手術機器人的操作部件。此部分主要由位于無菌區內的助手醫生更換器械和內窺鏡協助主刀醫生完成手術。機械臂的腕部采用了可提供7個自由度的新型技術，更精細靈活、范圍更廣，能夠完成人手無法完成的動作[16]。此外，床旁機械臂系統還具有震動消除和動作定位系統，能濾除主刀醫生手部的顫動，可以成比例（5:1）縮減主刀醫生的動作幅度[17-18]。

（3）成像系統。此系統位于無菌區外，內裝有達芬奇機器人的圖像處理設備和核心處理器，可由巡回護士來負責操作。其內窺鏡可以10倍以上放大手術視野，是可以提供高清三維立體影像的高分辨率鏡頭。

3 臨床應用

3.1 泌尿外科

達芬奇機器人在起初主要應用于泌尿外科，如前列腺癌的根治、腎臟切除、膀胱切除、輸精管吻合等。3D高清影像及具有七個自由度精確控制的機械臂突破了以往的2D成像和人手轉動手術器械的局限性。尤其對于深部操作和精細操作的手術，其優勢更為突出，如輸尿管隧道的處理、各種組織的精細分離、周圍淋巴結的清掃，精確的縫合等[19]。傳統的手術方式切口較大、術中術后出血量多、并發癥較多，而達芬奇機器人可以明顯降低這些風險的發生[20]。陸兆祥等[21]對400例泌尿外科手術患者進行對比研究，發現其在手術時間及術后出血量方面均優于傳統手術方式。孟銳等[22]將80例泌尿外科手術患者分為兩組進行比較，得出應用達芬奇機器人的術中出血量少于傳統腔鏡手術、術后排氣時間及下床時間均早于傳統腹腔鏡手術。目前，達芬奇機器人在前列腺癌根治術中的應用已被作為最佳的手術方式在臨床中迅速推廣使用[23]。

3.2 心胸外科

傳統的心胸外科手術大多需要開胸，在體外循環下完成手術，風險較高、術后恢復時間長、并發癥多。傳統胸腔鏡手術方式雖然不需要開胸，風險較低、術后恢復也較快，但對于一些解剖結構復雜的手術，如肺葉切除術、食管癌切除、胸腺切除等手術，其具有一定的局限性。達芬奇機器人的震顫濾過系統、動作縮減系統、擁有七個自由度的器械臂、3D影像等使得心胸外科手術在狹小的范圍內更容易完成，淋巴結清掃更徹底[24-25]。Seong等[26]對145例縱隔腫瘤切除術患者分為三組進行對比研究，發現達芬奇機器人手術的優勢明顯高于開腹手術，略高于傳統胸腔鏡手術。丁仁泉等[27]也對203名縱隔手術患者進行對比分析，得出達芬奇機器人在手術安全性及術后恢復上均優于傳統胸腔鏡手術。王述民[14]也報道了其在肺部手術中的成功應用。

3.3 婦科

手術是婦科腫瘤的常規治療方式，盆腔是大部分婦科腫瘤選擇的手術區域。盆腔的狹窄性致使手術視野和操作空間受限，難以順暢完結需要精細縫合、分離、淋巴結清掃、內臟神經保留等的復雜操作。達芬奇機器人則在這些方面表現出了明顯的優勢[28-29]。李勤等[30]選取了40例子宮肌瘤剝除術的患者，將其分為兩組進行手術后比較，結果得出使用達芬奇機器人的患者在術后腸道功能恢復時間、術后平均住院日、下床活動時間方面均優于傳統腹腔鏡手術。齊金紅等[31]將151例應用達芬奇機器人手術的婦科腫瘤患者的情況進行了分析，結果顯示達芬奇機器人在惡性腫瘤手術中優勢明顯，出血少、創傷小、恢復快、安全性高。趙宏喜等[32]將166例婦科惡性腫瘤手術患者分為兩組進行比較，結果得出應用達芬奇機器人手術組在術中出血量、術后通氣時間、術后住院天數、并發癥發生率等方面均優于傳統腹腔鏡手術組。

4 優缺點分析

4.1 優點

達芬奇機器人與傳統腔鏡手術相比具有諸多優勢。高度放大的三維視覺、具有七個自由度精確控制的機械臂以及保存了自然的眼-手-儀器的對準，無不體現著技術的進步。3D高清醫療影像使得手術視野的圖像更清晰，使主刀醫生較傳統腔鏡手術更能把握手術操作的距離，更能辨析復雜的組織結構，使手術的精確度有所提升[16,33]；震顫濾過系統使得手術操作的穩定性有所提高，震顫濾波能有效濾除操作醫生手部的顫動[17,34]；動作縮減系統可以成比例（5:1）縮減主刀醫生的動作幅度，提高了手術的精準性，可以減少因此造成的風險因素[18]；擁有七個自由度的器械臂使得手術操作的靈巧性大幅度提升[35-36]；精細的腹腔器械使得手術風險降低、創傷變小、恢復加快[37]；人機交互桌面的設計提供了客觀的眼-手協調操作；內置的麥克風使得術中的溝通更加有效率；術中自然的坐姿操作降低了術者的疲勞，保證了長久手術的順利進行。

4.2 缺點

4.2.1 昂貴的費用

歐洲內鏡外科學會（European Society of Endoscopic Surgery，EAES）[38]聲明昂貴的費用一直是阻礙達芬奇機器人在普通外科手術中廣泛推廣的一個重要因素。EAES曾搜索了所有關于機器人成本效益的數據，從中提取了1818篇，絕大部分指出了同樣的問題。昂貴的儀器設備；昂貴的維修保養費用；昂貴的醫療費用。而這些高昂的費用會造成醫院和患者財務上的壓力，從而可能使相關者的決策產生偏移。昂貴的費用同時也限制了其培訓的開展，截至2017年底，大陸裝載的69臺達芬奇機器人中，僅有1臺作為培訓專用[15]。

4.2.2 缺乏觸覺反饋

限制達芬奇機器人在世界范圍內普及的另一個重要原因是它缺乏觸覺反饋（力反饋）[39-41]。手術中觸覺反饋的缺失會影響手術的安全性和精準性。在絕大多數研究中，誤傷器官、撕裂組織和縫線損傷是達芬奇系統機器人手術的一個重要風險因素，而引起其發生的主要原因通常為觸覺反饋缺失[42-44]。

4.2.3 大而笨重的體積

大而笨重的體積也是達芬奇機器人的一個弊端，它不僅占據了手術室較大的空間，而且裝卸和搬運均較為不易[45-46]。

4.2.4 其他

安全問題應當是達芬奇機器人正式投入使用前的一個相當重要的部分，有報道指出大多數手術中的傷害并不是設備本身造成的，而與設備缺乏精細的安全提示功能和人員未經過設備安全使用的標準培訓密切相關[47]。

5 展望

達芬奇機器人是科技發展、信息進步狀態下，人類思想和行動的產物，是一種先進的機器人腔鏡系統。但其發展依舊緩慢，未能較快地大范圍推廣使用。達芬奇機器人在觸覺反饋技術、鑒別功能和避障功能、遠程通信技術、人機交互技術、眼球跟蹤技術等領域還有進一步發展的空間，可在以下幾個方面嘗試進一步提升。

（1）增加觸覺反饋。由于缺乏觸覺反饋是達芬奇機器人系統一直以來的一個發展弊端，觸覺反饋的缺失使手術中一些操作的力度很難掌控，使操作的精準性下降，因此增加觸覺反饋非常必要。

（2）增加鑒別功能和避障功能。達芬奇機器人擁有2個關鍵的技術軌跡：① 可以將機械臂末端的手術器械送達至手術點的命令軌跡；② 指令軌跡可以按主刀醫生的指示帶動手術器械完成指定的手術操作。達芬奇機器人在狹小的空間進行一些復雜的手術時，由于主刀醫生所下指令受各種因素的影響，使得其在選取手術路徑時可能會產生偏移，而誤傷一些組織和神經，增加鑒別功能和避障功能可以提高手術的安全性。

（3）充分應用遠程通信技術。遠程通信隨著互聯網的急劇發展而成為現代生活的熱點，遠程醫療也成為醫學領域研究的熱點話題。外科醫生不需要往返奔波就可以為世界各地的患者實行手術。其技術要求將遠程人機通信與人機協作技術相結合應用于手術機器人系統，并將遠程操控的虛擬現實技術和臨場感技術融入其中。遠程醫療也意味著醫生之間、醫院之間更高層面的競爭，這也會督促醫生要時刻保持進步。

（4）增加人工智能。隨著時代發展，人工智能已不是一個新名詞，各類人工智能機器人比比皆是。在達芬奇機器人系統里，增加人工智能，使其不僅僅局限于按部就班的執行命令，更可具有人工思考和自學能力。

（5）將位置跟蹤技術與定位系統相結合。雖然達芬奇機器人擁有了3D影像，但器械尖端距離組織或神經的距離也僅僅只能通過肉眼所看，沒有精準的距離數據報告，如果將位置跟蹤技術及自主導航技術與定位系統相結合應用于機械臂末端的手術器械中，研發出能夠精確測出手術器械尖端至組織的距離并予以顯示和提醒，這會使得手術更加精確安全。

（6）利用眼球跟蹤技術實現內窺鏡的自主運動。目前，達芬奇機器人的內窺鏡是由主刀醫生通過腳踏板控制的。試想如果在立體目鏡和內窺鏡上裝上眼球跟蹤裝置，這樣內窺鏡就會隨著瞳孔的移動而自由移動呈現主刀醫生所需的目標區域。眼球跟蹤技術是將紅外設備和圖像采集設備相結合，根據眼球及周邊組織的特征變化和虹膜的角度變化來實現跟蹤，通過自主投射紅外線等光束到眼部虹膜上從而來提取特征，進而追蹤眼睛的實時變化得知用戶的需求和狀態并予以響應，來實現用眼睛控制內窺鏡的目的。

（7）增加虛擬模擬功能。在投入使用達芬奇機器人前對術者的培訓也是至關重要的。除了常規培訓外，為了更逼真的練習，我們也希望看到有虛擬模擬部分。它是利用高科技實現的偽實物或仿實物技術。虛擬模擬器的功能不僅包括熟練掌握手術部位的解剖結構、剖析組織、探查并抓取目標組織、放置鈦夾鉗、縫合打結、提高操作技能的靈巧性，還可以對此次模擬操作進行測評。

手術機器人的研究目的并不是要完全取代外科醫生，而是要借助人機協調的理念來實現系統的控制。預測未來的達芬奇機器人將朝著更智能化、信息化、微型化，手術微創化、精準化的方向發展。