機(jī)器人技術(shù)的沿革與展望

張旭 丁強(qiáng)

1中國人民解放軍總醫(yī)院泌尿外科100853北京

腹腔鏡技術(shù)是20世紀(jì)醫(yī)學(xué)發(fā)展過程中重要的里程碑，具有創(chuàng)傷小、痛苦少、恢復(fù)快、效果好等優(yōu)點(diǎn)，代表了微創(chuàng)外科發(fā)展方向。進(jìn)入21世紀(jì)，基于腹腔鏡技術(shù)，隨著專用機(jī)器人——達(dá)芬奇系統(tǒng)的推出，微創(chuàng)外科進(jìn)入了機(jī)器人時(shí)代。

機(jī)器人一詞來自捷克語“robota”，意思是強(qiáng)迫勞動(dòng)。1920年捷克作家KarelˇCapek在他的科幻舞臺(tái)劇“Rossum's Universal Robots”中首先使用這個(gè)名稱。隨著自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)和極端工作環(huán)境中，在其他領(lǐng)域同樣得到迅速發(fā)展，其中包括醫(yī)學(xué)。

1 機(jī)器人技術(shù)的沿革

機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)最早可追溯到解決殘疾人日?；顒?dòng)的輔助康復(fù)器械。其中最具代表性的是RAID（Robot for Assisting the Integration of the Disabled）系統(tǒng)。機(jī)器人被首次用于協(xié)助手術(shù)治療始于1985年，由洛杉磯Memorial醫(yī)院的Kwoh等報(bào)道，將Unimation PUMA 200工業(yè)機(jī)器人帶入手術(shù)室控制一臺(tái)激光器進(jìn)行顱腦手術(shù)。此后，PUMA 560機(jī)器人被用于CT引導(dǎo)下腦部穿刺活檢。

將機(jī)器人應(yīng)用于腔內(nèi)泌尿外科的最早嘗試始于1989年，由倫敦皇家學(xué)院機(jī)械工程系研究組研發(fā)了名為PROBOT的機(jī)器人。在經(jīng)尿道前列腺切除術(shù)中執(zhí)行精確的、重復(fù)性的、受控制的操作，能夠按照之前確定的計(jì)劃執(zhí)行手術(shù)任務(wù)。

法國里昂Edouard Herriot醫(yī)院泌尿移植科的Albert Gelet于1993年研制了高強(qiáng)度聚焦超聲消融裝置治療前列腺癌。該裝置利用預(yù)先創(chuàng)建的前列腺三維模型，通過一個(gè)可引導(dǎo)機(jī)器人直腸內(nèi)探頭的電腦系統(tǒng)計(jì)劃并監(jiān)測全部治療過程。

意大利研究組于1995年開發(fā)了SR 8438Sankyo Scara機(jī)器人系統(tǒng)。由于整合了超聲監(jiān)測功能，該系統(tǒng)可以在經(jīng)會(huì)陰前列腺穿刺活檢操作中幫助進(jìn)行精確定位，同時(shí)用四個(gè)攝像機(jī)記錄患者的位置和身體形態(tài)，這是泌尿外科首個(gè)遙控機(jī)器人程序。

約翰霍普金斯大學(xué)開發(fā)LARS機(jī)器人系統(tǒng)以協(xié)助泌尿外科醫(yī)生進(jìn)行經(jīng)皮腎臟穿刺，此裝置經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)，稱為PAKY裝置。該裝置輔助泌尿外科醫(yī)生在控制臺(tái)通過遙控調(diào)整穿刺針，沿著選定的運(yùn)動(dòng)軌跡正確移動(dòng)，為開發(fā)全自動(dòng)化機(jī)器人輔助經(jīng)皮腎穿刺技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

在泌尿外科，機(jī)器人更流行的應(yīng)用平臺(tái)是腹腔鏡手術(shù)。自從上世紀(jì)90年代早期以來，腹腔鏡手術(shù)在泌尿外科系統(tǒng)領(lǐng)域引發(fā)極大的興趣。由于腹腔鏡手術(shù)的學(xué)習(xí)曲線陡峭，機(jī)器人系統(tǒng)為了克服腹腔鏡技術(shù)的局限性和探索微創(chuàng)手術(shù)優(yōu)勢而得到迅速發(fā)展。

1994年聲控機(jī)器人伊索（AESOP，用于最優(yōu)定位的自動(dòng)內(nèi)鏡系統(tǒng)）被設(shè)計(jì)用來接收手術(shù)醫(yī)生的指示并控制腹腔鏡攝像頭，成為第一個(gè)被美國食品和藥品管理局（FDA）批準(zhǔn)用于臨床的手術(shù)機(jī)器人。

最早的功能性主仆機(jī)器人系統(tǒng)是由Jensen and Hill公司開發(fā)的利用電訊聯(lián)系遙控手術(shù)的SRI系統(tǒng)，Bowersox等于1996年首次描述了該系統(tǒng)應(yīng)用于開放手術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，展示了機(jī)器人進(jìn)行精細(xì)手術(shù)操作的可行性。

機(jī)器人技術(shù)的新時(shí)代開始于美國國防部和美國國家航空航天局的軍事用途，他們與斯坦福研究所開發(fā)的戰(zhàn)場機(jī)器人，最初被設(shè)計(jì)用來提供戰(zhàn)場及時(shí)手術(shù)護(hù)理。

Fred Moll和Robert Young于1995年在美國加州創(chuàng)立Intuitive Surgical公司，獲得該樣機(jī)并進(jìn)行商業(yè)改進(jìn)后，制造了第一個(gè)原型機(jī)——Mona機(jī)器人，并于1997年在比利時(shí)的St.Blasius醫(yī)院開展了歷史上首例機(jī)器人輔助腹腔鏡膽囊切除術(shù)。

在此基礎(chǔ)上，Intuitive Surgical公司于1999年開發(fā)研制出達(dá)芬奇系統(tǒng)（da Vinci System），于2000年獲得美國FDA認(rèn)證，準(zhǔn)許應(yīng)用于外科手術(shù)。同期，Computer Motion公司在伊索機(jī)器人（AESOP）輔助持鏡系統(tǒng)以及附加兩個(gè)固定于手術(shù)臺(tái)上的機(jī)械臂裝置的基礎(chǔ)上，推出了宙斯系統(tǒng)（Zeus System）。2002年其微腕器械（MicroWrist instruments）獲得美國FDA的批準(zhǔn)。2003年兩公司合并后，不斷創(chuàng)新，至今已經(jīng)發(fā)展到第三代達(dá)芬奇系統(tǒng)，不僅可以進(jìn)行手術(shù)操作，還可以用于教學(xué)和手術(shù)模擬演練。

達(dá)芬奇系統(tǒng)的出現(xiàn)一改以往手術(shù)室常規(guī)格局，顛覆了傳統(tǒng)外科觀念。術(shù)者無需刷手上手術(shù)臺(tái)，通過操作平臺(tái)控制靈活的機(jī)械臂和360°可旋轉(zhuǎn)腕關(guān)節(jié)器械，在高清放大的三維手術(shù)野，如同操縱游戲機(jī)一樣進(jìn)行手術(shù)，更好的保護(hù)重要解剖結(jié)構(gòu)，進(jìn)行更精細(xì)的操作，提高了手術(shù)技巧、手術(shù)速度和精準(zhǔn)水平，將手術(shù)質(zhì)量推上更高境界，不斷挑戰(zhàn)手術(shù)禁區(qū)，在手術(shù)復(fù)雜性和精細(xì)程度上已經(jīng)超過了傳統(tǒng)腹腔鏡技術(shù)。

Menon等報(bào)道機(jī)器人輔助腹腔鏡的學(xué)習(xí)曲線比普通腹腔鏡短，更容易掌握，尤其是具有腹腔鏡手術(shù)基礎(chǔ)的醫(yī)生，其學(xué)習(xí)過程明顯縮短。這些都給機(jī)器人輔助腹腔鏡手術(shù)的發(fā)展帶來廣闊空間，短短十余年，全球多個(gè)中心都有千例以上的報(bào)道。

機(jī)器人系統(tǒng)的另外一個(gè)優(yōu)勢是可以和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)合，為在全世界任何一個(gè)地方實(shí)施手術(shù)或在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行手術(shù)提供了可能性。2001年由在美國紐約的Jacques Marescaux醫(yī)生對(duì)位于法國斯特拉斯堡的患者成功施行第一例跨洲機(jī)器人輔助腹腔鏡膽囊切除術(shù)，這一治療被稱為“林德伯格”手術(shù)，載入外科史冊(cè)。目前限制遠(yuǎn)程手術(shù)的主要技術(shù)障礙是數(shù)據(jù)傳輸中的延遲和信號(hào)反饋，也就是控制臺(tái)和操作機(jī)械臂之間的信號(hào)交互問題。另外數(shù)據(jù)傳輸過程中防止信號(hào)中斷、隱私泄露和失真等也是重要的技術(shù)難題。

基于智能化控制系統(tǒng)以及精細(xì)化操作平臺(tái)，其在泌尿外科的最佳適應(yīng)證是需要準(zhǔn)確顯露和精細(xì)重建技巧的手術(shù)。此外，所治療的疾病發(fā)病率應(yīng)足夠高，以便有穩(wěn)定的手術(shù)量可供發(fā)展和規(guī)范技術(shù)。因此，在泌尿外科經(jīng)常開展的術(shù)式是根治性前列腺切除術(shù)、根治性膀胱切除術(shù)、腎盂成形術(shù)和活體供腎切除術(shù)等。目前應(yīng)用最廣泛、最成功的是前列腺根治術(shù)。靈活的機(jī)械臂在狹小的骨盆中間可以達(dá)到更加精細(xì)的解剖，更易于保留神經(jīng)，保護(hù)控尿結(jié)構(gòu)，達(dá)到根治腫瘤、保留性功能和理想控尿的三連勝效果。

2 機(jī)器人技術(shù)的展望

微創(chuàng)外科的發(fā)展方向是在保證療效的前提下，創(chuàng)傷更小、恢復(fù)更快、美容效果更好。應(yīng)運(yùn)而生的單孔（LESS）、經(jīng)自然腔道（NOTES）手術(shù)在一定程度上滿足了這方面要求。體表微瘢甚至無瘢就能夠達(dá)到傳統(tǒng)開放手術(shù)的療效，符合現(xiàn)代人對(duì)高質(zhì)量生活水平和審美的追求。

隨著外科微創(chuàng)化的潮流和理念的革新，人們逐漸認(rèn)識(shí)到以往創(chuàng)傷越大的手術(shù)，越受益于微創(chuàng)外科。這種理念的推廣自然會(huì)將LESS、NOTES同機(jī)器人系統(tǒng)相結(jié)合。LESS和NOTES的美容效果加上機(jī)器人系統(tǒng)靈活精準(zhǔn)的操作，可以克服LESS和NOTES方面的不足，發(fā)揮機(jī)器人系統(tǒng)獨(dú)特的優(yōu)勢，其應(yīng)用前景非常樂觀。

目前已有多家公司正在致力于此。Intuitive Surgical公司研制開發(fā)的單孔機(jī)器人手術(shù)平臺(tái)（VeSPA），采用可彎器械和弧形套管進(jìn)行交叉操作，避免了機(jī)械臂之間的干擾。歐洲研發(fā)設(shè)計(jì)的ARAKNES系統(tǒng)，將兩個(gè)機(jī)械臂和內(nèi)窺鏡整合一體，進(jìn)入腹腔后，機(jī)械臂重新展開，利用關(guān)節(jié)的隨意折曲，完成高難度操作。這些都已經(jīng)具備了微創(chuàng)單孔機(jī)器人的雛形。目前處于試驗(yàn)開發(fā)和轉(zhuǎn)化階段，應(yīng)用于臨床指日可待。Hasen公司研究的機(jī)器人輔助輸尿管檢查系統(tǒng)（Endovia），目前已經(jīng)完成臨床試驗(yàn)，開始應(yīng)用于臨床。磁錨定導(dǎo)航系統(tǒng)（magnetic anchoring and guidance system，MAGS）是另外一個(gè)有助于NOTES發(fā)展的技術(shù)。MAGS由外部磁力錨、內(nèi)部攝像裝置、被動(dòng)組織牽張器和機(jī)械臂組成，通過外部的磁力錨將腹內(nèi)的攝像頭和機(jī)械臂固定在腹壁上，從而完成手術(shù)。初步動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究表明，該技術(shù)可以節(jié)省空間，并減少器械之間的碰撞。

新興的數(shù)字化模擬人體技術(shù)將三維重建獲得的虛擬圖像與患者相應(yīng)的器官位置相疊加，產(chǎn)生三維立體的實(shí)時(shí)效果，使手術(shù)醫(yī)生獲得肉眼無法看到的器官內(nèi)部的空間信息。其采用的影像基礎(chǔ)為CT、MRI和超聲造影等。尤其重要的是數(shù)字化模擬人體技術(shù)獲得的三維圖像恰好與機(jī)器人攝像頭獲得的三維影像相匹配，從而為機(jī)器人技術(shù)和數(shù)字化模擬人體技術(shù)相結(jié)合提供了一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)性物質(zhì)基礎(chǔ)。醫(yī)學(xué)增益現(xiàn)實(shí)正是此類技術(shù)的代表。目前該技術(shù)仍處于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)階段，國內(nèi)外多家中心都致力于此項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)研究?，F(xiàn)在存在諸多難題急需解決，如由于呼吸和心跳帶來的器官位移和變形等情況所引起的空間實(shí)時(shí)變化，無法滿意的提供實(shí)時(shí)參考的影像數(shù)據(jù)。

醫(yī)學(xué)發(fā)展永無止境，科技創(chuàng)新層出不窮，醫(yī)學(xué)與數(shù)字化信息技術(shù)、智能化工程機(jī)械技術(shù)等相結(jié)合，是人類向自身疾病挑戰(zhàn)，征服自然的必然過程。

我們相信，人類智慧終會(huì)戰(zhàn)勝這些難題，革命性的外科前景終會(huì)實(shí)現(xiàn)。