消化內(nèi)鏡機(jī)器人的研究進(jìn)展

閆婧爽，閆 斌，彭麗華

消化內(nèi)鏡技術(shù)發(fā)展至今已有近200 年的歷史[1-4]，已經(jīng)成為消化系統(tǒng)疾病診療過(guò)程的重要工具。特別是近年來(lái)不斷涌現(xiàn)的新型內(nèi)鏡技術(shù)，如共聚焦內(nèi)鏡、窄帶成像（Narrow Band Imaging,NBI）內(nèi)鏡，以及內(nèi)鏡下黏膜切除術(shù)（Endoscopic Mucosal Resection,EMR）、內(nèi)鏡黏膜下剝離術(shù)（Endoscopic Submucosal Dissection,ESD）、經(jīng)自然腔道內(nèi)鏡手術(shù)（Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery,NOTES）等內(nèi)鏡技術(shù)的不斷成熟，使胃腸道疾病診斷更及時(shí)，治療更趨微創(chuàng)化。

機(jī)器人是一種可重新編程的自動(dòng)化多功能機(jī)器裝置，其本質(zhì)是代替或協(xié)助人類執(zhí)行各種任務(wù)，醫(yī)療機(jī)器人亦如此。主從式醫(yī)療機(jī)器人是由主端和從端構(gòu)成，醫(yī)師可通過(guò)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程操控。隨著消化內(nèi)鏡的普及，需要接受消化內(nèi)鏡檢查和治療的患者增加，內(nèi)鏡應(yīng)用的困境也逐漸顯現(xiàn)：①日益增長(zhǎng)的內(nèi)鏡診療需求與內(nèi)鏡醫(yī)師人員短缺的矛盾；②內(nèi)鏡廣泛普及與操作規(guī)范化的矛盾；③復(fù)雜內(nèi)鏡操作時(shí)間長(zhǎng)、病例多與內(nèi)鏡醫(yī)師體能所限的矛盾；④突發(fā)呼吸道傳染病流行期間，床旁檢查與疫情防控的矛盾等。這些需求和矛盾，推動(dòng)了消化內(nèi)鏡機(jī)器人的研發(fā)，以達(dá)到解放人力、規(guī)范高效操作、實(shí)現(xiàn)主從端分離等要求，有望實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手術(shù)診療[5]。從1988年Ikuta[6]研發(fā)的第一臺(tái)微型機(jī)器人內(nèi)鏡至今，不同類型和驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)器人內(nèi)鏡不斷出現(xiàn)，現(xiàn)就這些研究進(jìn)展作一綜述。

1 檢查型內(nèi)鏡操控機(jī)器人系統(tǒng)

2016 年解放軍總醫(yī)院楊云生教授團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室[7]聯(lián)合研發(fā)設(shè)計(jì)了一套主從式軟式內(nèi)鏡操作機(jī)器人系統(tǒng)YunSRobot，具有雙臂協(xié)同操作軟式鏡體、扭矩高效傳遞，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控等特點(diǎn)。Yun‐SRobot系統(tǒng)從端由雙機(jī)械臂（輸送臂和操作臂）、軟式內(nèi)鏡（Olympus胃鏡GIF-H260）構(gòu)成，主端由雙控制手柄、人機(jī)交互界面組成。該機(jī)器人系統(tǒng)的工作原理：仿醫(yī)生雙手控鏡，采用輸送臂和操作臂的雙機(jī)械臂構(gòu)型。輸送臂具有5 個(gè)被動(dòng)自由度和2個(gè)主動(dòng)自由度，可實(shí)現(xiàn)軟式內(nèi)鏡遠(yuǎn)端的托舉與輸送。操作臂具有5 個(gè)主動(dòng)自由度，可實(shí)現(xiàn)操作部撥輪的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制軟式內(nèi)鏡的彎曲指向，以及控制操作部的俯仰、扭轉(zhuǎn)和整體跟隨。醫(yī)師通過(guò)操作控制手柄實(shí)現(xiàn)對(duì)上述機(jī)器人功能的控制，而且手柄上集成了水氣操作按鈕，可在操作過(guò)程中完成沖刷、送氣和負(fù)壓吸引操作。該系統(tǒng)已通過(guò)模型試驗(yàn)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)，對(duì)其安全性、可行性和操作效能等進(jìn)行了驗(yàn)證[7-9]。該團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步完成了基于公用4G 網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了遠(yuǎn)程應(yīng)用的可行性[10]。該機(jī)器人的突出優(yōu)勢(shì)在于可搭載醫(yī)院現(xiàn)有的內(nèi)鏡系統(tǒng)，無(wú)需更換內(nèi)鏡設(shè)備。檢查型內(nèi)鏡操控機(jī)器人系統(tǒng)是治療型內(nèi)鏡操控機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)搭載與之匹配的治療附件操作系統(tǒng)，有望實(shí)現(xiàn)各種機(jī)器人內(nèi)鏡治療操作。

2 治療型內(nèi)鏡操控機(jī)器人系統(tǒng)

受限于傳統(tǒng)內(nèi)鏡管徑，EMR、ESD、NOTES等復(fù)雜內(nèi)鏡治療耗時(shí)長(zhǎng)，靈活度低，復(fù)雜內(nèi)鏡治療技術(shù)的發(fā)展更需要強(qiáng)大靈活、高度操控性的內(nèi)鏡多任務(wù)平臺(tái)。目前，已有多款內(nèi)鏡平臺(tái)設(shè)計(jì)面世，日本奧林巴斯公司的雙通道內(nèi)鏡DCE[11]、R-Scope[12]、En‐doSamurai 系統(tǒng)[13]，以及Anubiscope 內(nèi)鏡操作平臺(tái)（Karl-Storz，德國(guó)）[14]、直驅(qū)內(nèi)鏡系統(tǒng)DDES（Boston Scientific,美國(guó)）[15]、無(wú)切口操作平臺(tái)IOP（USGI，美國(guó)）[16]等內(nèi)鏡平臺(tái)的面世解決了腔內(nèi)復(fù)雜操作的諸多困境，但以上內(nèi)鏡平臺(tái)均為手動(dòng)操控，在本綜述中不做詳述，主要就手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)介紹如下。

根據(jù)操作模式的不同，手術(shù)機(jī)器人可分為主從式內(nèi)鏡機(jī)器人系統(tǒng)和床旁治療型內(nèi)鏡機(jī)器人。主從式內(nèi)鏡機(jī)器人系統(tǒng)由主端控制子系統(tǒng)與從端機(jī)器人子系統(tǒng)構(gòu)成，主端和從端可基于互聯(lián)網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)實(shí)現(xiàn)遙控操作[7]。床旁治療型內(nèi)鏡機(jī)器人需要醫(yī)師直接或間接通過(guò)操縱桿實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)鏡機(jī)器人或機(jī)械臂的控制。床旁治療型內(nèi)鏡機(jī)器人在一定程度上限制了醫(yī)師的操作空間，而主從式機(jī)器人系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。

2.1 主從式內(nèi)鏡機(jī)器人系統(tǒng)

2.1.1 Viacath 系統(tǒng)Viacath 系統(tǒng)是美國(guó)漢森醫(yī)療公司[17]于2007 年研發(fā)的用于消化道ESD 手術(shù)的主從式手術(shù)機(jī)器人，由帶觸覺(jué)反饋界面的主控制臺(tái)、從動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及柔性鞘管組成。兩個(gè)關(guān)節(jié)式手術(shù)器械在內(nèi)鏡器械腔道內(nèi)前進(jìn)，可在內(nèi)鏡反饋的腔道視野下代替醫(yī)生雙手進(jìn)行組織提拉、切割等操作。Viacath 系統(tǒng)的從動(dòng)系統(tǒng)與Laprotek 系統(tǒng)[18]（一種腹腔鏡遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人）相同，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。動(dòng)物研究驗(yàn)證其可在胃和結(jié)腸中進(jìn)行黏膜切除和縫合。二代系統(tǒng)改進(jìn)了手術(shù)器械的設(shè)計(jì)并增加可操控的柔性鞘管，實(shí)現(xiàn)了手術(shù)器械與內(nèi)鏡的協(xié)調(diào)控制。ViaCath 的預(yù)期用途包括減肥手術(shù)、胃食管反流病修復(fù)和大面積黏膜切除術(shù)，主從式的控制架構(gòu)有望實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手術(shù)操控。

2.1.2 Endo-MASTER系統(tǒng) Endo-MASTER系統(tǒng)（Master and Slave Transluminal Endoscopic Robot,MASTER）是新加坡南洋理工大學(xué)Thant 團(tuán)隊(duì)[19]于2006 年研發(fā)的主從式腔內(nèi)內(nèi)鏡機(jī)器人。MASTER是一種主從式雙臂機(jī)器人，2 個(gè)操作臂共有9 個(gè)自由度，其中7 個(gè)自由度由腱鞘驅(qū)動(dòng)，2 個(gè)自由度（前/后平移）通過(guò)直接推拉操作臂產(chǎn)生。左臂配置電鉤，可以實(shí)現(xiàn)電凝電切等操作，右臂配置抓鉗，可以?shī)A取和提拉病人的黏膜組織。多項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究已驗(yàn)證了Endo-MASTER 在完成食管ESD[20]、胃ESD[21-23]、NOTES（如肝楔形切除術(shù)、全胃切除術(shù)）[23-25]等手術(shù)方面的可行性和安全性。Endo-MASTER 機(jī)器人初步應(yīng)用于早期胃癌患者的ESD手術(shù)治療[26]，平均操作時(shí)間為18.6 min，隨訪無(wú)手術(shù)并發(fā)癥及腫瘤殘留或復(fù)發(fā)。Endo-MASTER 機(jī)器人的易操作性還能幫助提高內(nèi)鏡醫(yī)生的培養(yǎng)效率，輔助經(jīng)驗(yàn)缺乏的ESD新手順利完成手術(shù)操作[27]。

2.1.3 STRAS系統(tǒng)Donno 等[28]于2013年研發(fā)了一款輔助內(nèi)鏡手術(shù)的新型遠(yuǎn)程操控機(jī)器人(Single access and Transluminal Robotic Assistant for Sur‐geons,STRAS)。STRAS 是一個(gè)基于內(nèi)鏡和柔性器械的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，與醫(yī)療環(huán)境兼容，允許在手術(shù)室輕松設(shè)置。它可提供10 個(gè)自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)鏡相機(jī)的3D 定位。STRAS 是基于Anubiscope 內(nèi)鏡平臺(tái)[14]的修改簡(jiǎn)化版機(jī)器人系統(tǒng)，可滿足一名內(nèi)鏡醫(yī)生完成所有ESD 操作，但存在部分旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)無(wú)法完成、小幅度運(yùn)動(dòng)精確度受限等問(wèn)題[29]。2018 年該團(tuán)隊(duì)對(duì)STRAS 系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)[30]，二代STRAS 由1 個(gè)內(nèi)鏡模塊、2 個(gè)設(shè)備模塊、1 個(gè)旋轉(zhuǎn)/平移模塊、1 個(gè)U 型支架、1 個(gè)移動(dòng)推車構(gòu)成。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證STRAS 可完整完成豬的結(jié)腸ESD 操作全過(guò)程[31]。

2.1.4 RAFE系統(tǒng) Tsutomu 等[32]于2017年設(shè)計(jì)了一款用于ESD 的機(jī)器人輔助軟式內(nèi)鏡（Robotic-Assisted Flexible Endoscope,RAFE），其主要特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了內(nèi)鏡治療的單手操控，簡(jiǎn)化了ESD 操作流程。RAFE 系統(tǒng)為主從式內(nèi)鏡系統(tǒng)，適配所有商用內(nèi)鏡。軟式內(nèi)鏡通過(guò)手柄及轉(zhuǎn)盤實(shí)現(xiàn)4 個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)（上/下、左/右、前/后和旋轉(zhuǎn)），將內(nèi)鏡手柄固定在系統(tǒng)支架中，通過(guò)內(nèi)部的電動(dòng)輪控制內(nèi)鏡手柄上的轉(zhuǎn)盤，通過(guò)手柄下配置的按鈕操控內(nèi)鏡的氣/水閥及抽吸閥。RAFE 已經(jīng)在離體豬胃上完成ESD操作，結(jié)果顯示RAFE 與傳統(tǒng)內(nèi)鏡在ESD 手術(shù)時(shí)間方面沒(méi)有顯著差異，但RAFE 系統(tǒng)能幫助新手更快完成ESD。

2.1.5 ETRS 系統(tǒng) 日本Keiichiro 團(tuán)隊(duì)[33]于2019 年研發(fā)了用于ESD 的主從式內(nèi)鏡治療機(jī)器人系統(tǒng)（Endoscopic Therapeutic Robot System,ETRS），可遠(yuǎn)程操控三種內(nèi)鏡手術(shù)器械（抓鉗、刀鉗、注射針），該系統(tǒng)的L 型操作臺(tái)滿足一個(gè)內(nèi)鏡醫(yī)生完成全部操作，操作臺(tái)前方是手術(shù)器械控制系統(tǒng)，右手邊是內(nèi)鏡控制系統(tǒng)。手術(shù)器械控制系統(tǒng)通過(guò)操作手柄實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)器械（抓鉗和刀鉗）的控制。目前，ETRS系統(tǒng)已完成動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2 床旁治療型內(nèi)鏡機(jī)器人

2.2.1 Flex機(jī)器人系統(tǒng)Flex機(jī)器人系統(tǒng)最初（2013年）是為頭頸部外科手術(shù)研發(fā)的[34-35]。該系統(tǒng)最初沒(méi)有密封通道來(lái)保持胃腸道操作過(guò)程所要求的抽吸。隨后該設(shè)備增加了抽吸功能，適應(yīng)證得到擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)肛門進(jìn)入乙狀結(jié)腸的抽吸，并可配備用于黏膜剝離的手術(shù)器械，該系統(tǒng)在2017 年獲得美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局的應(yīng)用批準(zhǔn)[36]。Flex 系統(tǒng)由2 個(gè)子系統(tǒng)組成：攜帶機(jī)器人內(nèi)鏡的推車，帶有高清顯示器和操縱桿的控制臺(tái)。軟式內(nèi)鏡前端具有102°的自由度，兩側(cè)的器械通道可配備多種軟式手術(shù)器械。內(nèi)鏡到達(dá)目標(biāo)病變后，內(nèi)鏡可變?yōu)閯傂早R身，為醫(yī)師提供穩(wěn)定的操作環(huán)境，同時(shí)內(nèi)鏡前端具有觸覺(jué)反饋，輔助醫(yī)師進(jìn)行復(fù)雜操作。Turiani等[37]應(yīng)用該系統(tǒng)與傳統(tǒng)內(nèi)鏡進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與ESD 新手使用傳統(tǒng)內(nèi)鏡相比，機(jī)器人輔助系統(tǒng)在病變整體切除方面更有效，手術(shù)時(shí)間更短，穿孔率更低。

2.2.2 REXTER 機(jī)器人系統(tǒng) 韓國(guó)Kim 團(tuán)隊(duì)[38]于2019 年研發(fā)了一款輔助ESD 手術(shù)的基于轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的內(nèi)鏡輔助機(jī)器人(Revolute Joint-Based Auxiliary Transluminal Endoscopic Robot,REXTER)。作為內(nèi)鏡輔助機(jī)器人，REXTER 可以與現(xiàn)有的內(nèi)鏡連接或分離，通過(guò)提供額外的運(yùn)動(dòng)范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)和操作。它包括1 個(gè)機(jī)器人手臂、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制模塊。REXTER 的操作基于腱鞘機(jī)制，可提供4 個(gè)自由度。使用REXTER進(jìn)行操作時(shí)，需要助手操縱控制模塊輔助完成手術(shù)器械的開(kāi)合。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,REXTER 能縮短ESD 操作時(shí)間，尤其是對(duì)無(wú)ESD經(jīng)驗(yàn)的內(nèi)鏡新手。

2.2.3 用于NOTES 的新型可展開(kāi)臂 傳統(tǒng)NOTES借助于內(nèi)鏡的器械通道，操作范圍受內(nèi)鏡直徑的限制，為解決此問(wèn)題，2020 年山東大學(xué)杜付鑫團(tuán)隊(duì)[39]研發(fā)了一種用于NOTES 的新型可展開(kāi)機(jī)械臂，增加了操作范圍。操縱臂由1個(gè)連續(xù)臂和1個(gè)可展開(kāi)臂組成，可展開(kāi)臂分為2 部分，由中間連桿過(guò)渡，通過(guò)驅(qū)動(dòng)繩和機(jī)械結(jié)構(gòu)鎖定。其特點(diǎn)是：當(dāng)驅(qū)動(dòng)線不受鎖定力作用時(shí)，可展開(kāi)臂具有良好的柔韌性，可以穿過(guò)內(nèi)鏡的工作通道；當(dāng)驅(qū)動(dòng)線鎖定時(shí)可展開(kāi)臂具有良好的剛度和負(fù)載能力。該系統(tǒng)在300 g的載荷下展開(kāi)臂可以將形變保持在3.5 mm 以內(nèi)，兩個(gè)末端執(zhí)行器之間的角度可以保持在[88°～110°]范圍內(nèi)。但該機(jī)械臂直徑為5.7 mm，仍需要進(jìn)一步改進(jìn)才能應(yīng)用于臨床操作。可展開(kāi)臂的負(fù)載能力、操作靈活度等均需后期實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3 問(wèn)題與展望

消化內(nèi)鏡機(jī)器人技術(shù)不斷發(fā)展，必將推動(dòng)內(nèi)鏡診療更趨微創(chuàng)化、智能化、精細(xì)化，同時(shí)減輕內(nèi)鏡醫(yī)師工作負(fù)擔(dān)及患者痛苦。但目前消化內(nèi)鏡機(jī)器人廣泛應(yīng)用于臨床仍面臨著諸多問(wèn)題：①受消化道管腔狹小、操作空間受限、胃腸道蠕動(dòng)活躍等因素影響，目前機(jī)器人的操控性、靈活性、精準(zhǔn)度仍低于內(nèi)鏡專家的手工操作；②內(nèi)鏡機(jī)器人各組成附件的尺寸有待進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)以適配不同消化內(nèi)鏡系統(tǒng)，擴(kuò)大其適應(yīng)證適用于不同消化道管腔；③部分患者對(duì)內(nèi)鏡機(jī)器人檢查及治療仍持懷疑態(tài)度，接受程度不高。雖然現(xiàn)階段內(nèi)鏡機(jī)器人系統(tǒng)臨床應(yīng)用范圍小，但相信隨著醫(yī)療工程技術(shù)的進(jìn)步，內(nèi)鏡機(jī)器人系統(tǒng)會(huì)不斷優(yōu)化完善，終會(huì)成為內(nèi)鏡醫(yī)師的好“幫手”。

未來(lái)消化內(nèi)鏡機(jī)器人可能在以下幾個(gè)方面有所突破：①真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作，可自主識(shí)別腔內(nèi)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)自由插入和退出；②搭載智能化診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別病變；③多功能多模態(tài)機(jī)器人，滿足檢查、診斷、治療等多功能需求。總之，我們相信消化內(nèi)鏡機(jī)器人技術(shù)在未來(lái)消化系統(tǒng)疾病診療中的應(yīng)用將更加深入全面，達(dá)到智能化、精準(zhǔn)化的臨床需求。