機器人輔助經(jīng)自然腔道內(nèi)鏡手術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望*

閻于珂 綜述 鄒書兵 審校

(南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院肝膽胰外科，南昌 330006)

·文獻綜述·

機器人輔助經(jīng)自然腔道內(nèi)鏡手術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望*

閻于珂 綜述 鄒書兵**審校

(南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院肝膽胰外科，南昌 330006)

腹腔鏡和介入內(nèi)鏡在臨床的成功應(yīng)用開創(chuàng)了微創(chuàng)領(lǐng)域的全新時代，經(jīng)自然腔道內(nèi)鏡手術(shù)(natural orifice transluminal endoscopic surgery, NOTES)巧妙地將腔鏡手術(shù)和內(nèi)鏡技術(shù)融合，再次翻開了微創(chuàng)外科的新篇章。NOTES的發(fā)展必然伴隨技術(shù)的創(chuàng)新，盡管前進的道路上仍有挑戰(zhàn)，但NOTES已取得令人矚目的成績。近年來，機器人技術(shù)的蓬勃發(fā)展，開創(chuàng)了機器人輔助手術(shù)的新時代，有研究者將其應(yīng)用到NOTES中，為相關(guān)問題的解決帶來了希望。本文對目前機器人在NOTES中的研發(fā)現(xiàn)狀和應(yīng)用進展做一綜述，旨在提高對機器人輔助NOTES技術(shù)的了解。

1 NOTES及手術(shù)機器人的發(fā)展簡史

以腹腔鏡手術(shù)為代表的微創(chuàng)外科在臨床各專業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，在解除疾患的同時，追求手術(shù)更微創(chuàng)和更美觀已成為外科醫(yī)生的主旋律，在這種理念的激勵下NOTES隨之出現(xiàn)。2004年Kalloo等[1]在動物模型成功經(jīng)胃置入軟鏡完成腹腔探查及肝臟活檢術(shù)，之后NOTES以嶄新的手術(shù)理念迅速發(fā)展起來，激發(fā)了全球外科醫(yī)生和內(nèi)鏡醫(yī)生的研究興趣。為促進NOTES更順利的研究和推行，2005年美國胃腸內(nèi)鏡學(xué)會(American Society of Gastrointestinal Endoscopy,ASGE)和胃腸內(nèi)鏡外科醫(yī)師學(xué)會(Society of American Gastrointestinal and Endoscopic Surgeons,SAGES)的14位專家成立了經(jīng)自然腔道手術(shù)研究和評估協(xié)會(natural orifice surgery consortium for assessment and research, NOSCAR)，并于次年發(fā)表NOTES白皮書[2]，指明面對的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向等問題。2007年Marescaux等[3]完成了人體經(jīng)陰道膽囊切除術(shù)，這次手術(shù)堪稱NOTES從動物實驗走向臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)折點，更將其推向了臨床實踐的高潮。時至今日，NOTES初步的臨床實踐已顯露出術(shù)后疼痛輕、腹腔粘連少、恢復(fù)時間快和腹壁無瘢痕等優(yōu)勢，同時也從簡單操作延伸至相對復(fù)雜的手術(shù)[4，5]，有學(xué)者預(yù)言這項新技術(shù)將是繼腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)之后又一次外科史上的里程碑，被譽為第三次手術(shù)革命[6，7]。

與此同時，機械電子系統(tǒng)、計算機輔助技術(shù)和微米/納米科學(xué)的迅猛興起，掀起了機器人輔助微創(chuàng)外科的一場新革命。1985年人類首次將工業(yè)機器人PUMA560引進手術(shù)室協(xié)助術(shù)者導(dǎo)向定位進行腦組織活檢，此后用于前列腺切除術(shù)的機器人PROBOT和髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的機器人ROBODOC相繼開發(fā)并獲得應(yīng)用，開創(chuàng)了機器人外科的先河[8]。眾多研究機構(gòu)以極大的熱情投身于手術(shù)機器人的制造中，其中最受關(guān)注的是Intuitive Surgical公司的Da Vinci機器人[9]，其將硬性內(nèi)鏡同機器人技術(shù)相結(jié)合，并集成導(dǎo)航、定位、遙控操作等多項技術(shù)，在臨床開展各類手術(shù)[10，11]，成為目前世界上應(yīng)用最廣泛、最成功的手術(shù)機器人。在硬鏡領(lǐng)域?qū)C器人技術(shù)從理論轉(zhuǎn)換為實踐的同時，NOTES的出現(xiàn)讓軟鏡技術(shù)得到了騰躍式的突破，更大地拓展內(nèi)鏡治療的領(lǐng)地，但傳統(tǒng)的內(nèi)鏡器械平臺已無法滿足NOTES的需求，而機器人與軟性內(nèi)鏡的結(jié)合無疑為其發(fā)展助一臂之力，不僅能提供穩(wěn)定、舒適的手術(shù)平臺，還可以輔助完成精細的內(nèi)鏡手術(shù)，規(guī)范操作方式，實現(xiàn)遠程手術(shù)，更以NOTES特有的手術(shù)入徑和操作空間給予研制具有臨床實用性的機器人平臺奠定了基礎(chǔ)，并為體內(nèi)手術(shù)機器人的應(yīng)用提供了可能。

2 機器人應(yīng)用于NOTES的研發(fā)現(xiàn)狀及應(yīng)用進展

完善的器械平臺對于NOTES的臨床應(yīng)用和長遠發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。起初傳統(tǒng)的軟性內(nèi)鏡因管形很好地匹配生理腔道被廣泛使用，但操作中的視覺角度不穩(wěn)定、操作三角難暴露、器械互相易干擾等缺陷證明其尚不足以實施復(fù)雜的NOTES?；诂F(xiàn)有內(nèi)鏡平臺的缺點，醫(yī)用機器人的出現(xiàn)使上述問題迎刃而解，機器人技術(shù)讓NOTES的操作更靈活和精準(zhǔn)，安全性獲得最大保障。雖然目前NOTES的機器人系統(tǒng)方興未艾，但勢必會推動NOTES未來的進展。

2.1 MASTER手術(shù)機器人系統(tǒng)

主從式腔道內(nèi)鏡機器人(Master and slave transluminal endoscopic robot, MASTER)是Phee等[12]研發(fā)于NOTES的新型機器人平臺(圖1)。MASTER是一種纜繩驅(qū)動的柔性雙臂操作系統(tǒng)，由控制臺、遠程手術(shù)工作站和機械臂組成，手術(shù)時連接到傳統(tǒng)的內(nèi)鏡孔道置入人體腔道內(nèi)，需要內(nèi)鏡醫(yī)生以及機器人操作醫(yī)生協(xié)作手術(shù)。MASTER控制臺通過電纜與末端的機械臂相連接，術(shù)者將手臂放置其內(nèi)操縱，通過傳感器和機器編碼傳遞到機械臂末端的2個效應(yīng)器(抓鉗和電鉤)，使其擁有9個自由度，用來執(zhí)行不同位置、方向和空間的手術(shù)操作。伴隨觸覺反饋傳感器、介入導(dǎo)航系統(tǒng)(術(shù)前CT/MRI/DSA影像系統(tǒng)、術(shù)中視覺三維重建系統(tǒng)和磁性導(dǎo)向系統(tǒng))的逐步完善，MASTER維持空間定位將更加精確，使NOTES將變得更容易導(dǎo)向和控制，術(shù)者可清楚地辨認臟器周圍的結(jié)構(gòu)，避免醫(yī)源性損傷的發(fā)生，并降低手術(shù)并發(fā)癥和操作復(fù)雜性。MASTER已成功用于豬模型下行內(nèi)鏡黏膜下剝離術(shù)和肝楔形切除術(shù)[13，14]，表現(xiàn)出良好的抓持、剪切和穩(wěn)定操作三角的能力，并使得操作容易和精準(zhǔn)。目前，Phee等[15]已應(yīng)用MASTER成功施行人體早期胃腫瘤黏膜下剝離術(shù)。然而，MASTER多為實驗研究，缺乏大樣本存活動物實驗和臨床實踐評估，并且存在術(shù)者同機械臂運動滯后的缺陷，我們期待MASTER能夠克服目前的缺點，逐步過渡到NOTES的臨床應(yīng)用中。

2.2 ViaCath腔內(nèi)手術(shù)機器人

ViaCath是EndoVia Medical開發(fā)的適用于腔道內(nèi)NOTES的遠程遙控式機器人[16](圖2)，包括主控制臺與手術(shù)操作臺。醫(yī)生操作的主控制臺具有觸覺控制介面，手術(shù)操作臺則是由一長條形且可彎曲的鉸接機器臂所建構(gòu)而成，此機械臂的末端效應(yīng)器是2個手術(shù)器械和一個鏡頭，可供醫(yī)生在控制臺操作和觀看病人體內(nèi)畫面。隨著ViaCath的研發(fā)，機械臂效應(yīng)器已擁有了9個自由度，使其操作范圍進一步擴大。ViaCath已被用于在存活的豬模型施行內(nèi)鏡黏膜切除術(shù)，表現(xiàn)出缺乏腔內(nèi)空間定位、有限的抓鉗能力和無法充分的暴露操作三角等劣勢，同樣是作為一種電纜驅(qū)動柔性系統(tǒng)，操作的延遲和運動的滯后仍會發(fā)生。然而，源于ViaCath提供簡易靈活的交互操作模式等優(yōu)勢，已有學(xué)者開發(fā)出新的柔性機器人系統(tǒng)(Sensei robotic system)，并成功應(yīng)用于心房顫動(房顫)和腎結(jié)石的治療(圖3)。用于房顫消融可顯著減少術(shù)者所受電離輻射時間及總手術(shù)時間，在即刻、中期隨訪成功率和并發(fā)癥方面優(yōu)于人工消融；泌尿系結(jié)石的應(yīng)用雖為個案，但術(shù)者成功施行遠程操作，手術(shù)成功率和并發(fā)癥不亞于傳統(tǒng)手術(shù)[17，18]。臨床實踐的結(jié)果鼓舞人心，希望ViaCath逐步完善，盡快轉(zhuǎn)變到NOTES的研發(fā)應(yīng)用中。

2.3 i-Snake機器人

i-Snake機器人應(yīng)用仿生蛇形原理和先進的成像、傳感技術(shù)，旨在提供一個平臺來擴展NOTES的應(yīng)用范圍[19]。i-Snake是一種可曲、靈巧的鉸鏈?zhǔn)綑C器人，包括近端的致動控制組件，硬性傳動軸和遠端具有7個自由度鉸鏈部分，能有效地進行空腔內(nèi)外操作且無須腹腔鏡輔助。i-Snake最大的特點在于結(jié)合了鉸鏈?zhǔn)綑C器人和手控機械設(shè)備兩者的優(yōu)勢，同時應(yīng)用混合肌腱式直線微電機技術(shù)，靈敏地根據(jù)術(shù)者控制進行準(zhǔn)確運動，能夠增強成像和傳感功能。i-Snake內(nèi)部由3個工作通道組成，一個通道用于放置標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)鏡攝像頭，其余2個通道置入各種內(nèi)鏡器械便于術(shù)中的抓鉗、分離和剪切。在存活動物實驗中，i-Snake已成功完成經(jīng)陰道腹腔探查術(shù)和輸卵管結(jié)扎術(shù)(圖4)，有限的組織操作能力和維持操作三角是其缺陷，目前尚未見人體實踐應(yīng)用的報告。

2.4 體內(nèi)微型機器人

2.4.1 成像機器人 Oleynikov等[20]設(shè)計出新型體內(nèi)成像機器人并應(yīng)用于NOTES，它被固定在一個折疊式三腳架平臺，由LED提供照明，2個獨立的永磁直流電機提供驅(qū)動，允許以45° 2個不同平面旋轉(zhuǎn)傾斜并提供360°水平視角，能顯示額外的視野使術(shù)者安全地在腹腔操作，機器人已成功應(yīng)用于犬和豬的實驗?zāi)Ｐ蚚21](圖5)。在此基礎(chǔ)上，Rentschler等[22]研發(fā)出NOTES平臺的移動成像機器人，由2個獨立驅(qū)動的螺旋形輪和1個可調(diào)節(jié)的聚焦圖像傳感器組成，能在腹腔內(nèi)提供視覺反饋和增強深度感知，并在不損傷組織的前提下直行和翻轉(zhuǎn)運動，目前已在豬模型證明其有效性；同時將活檢鉗和移動成像機器人相結(jié)合，可在腹腔探查的同時行組織活檢[23]，進一步增強機器人的作用(圖6)。磁固定導(dǎo)向系統(tǒng)(magnetic anchoring and guidance system, MAGS)的出現(xiàn)更加穩(wěn)定了成像機器人系統(tǒng)，Lehman等[24]利用磁力吸引開發(fā)出腹膜式成像機器人，體內(nèi)機器人部分與體外磁鐵相吸并固定于體內(nèi)，通過控制體外部分可以對體內(nèi)部分的方向、視角、位置等加以控制。成像機器人使NOTES在術(shù)中得到更優(yōu)的可視化視角，提高了手術(shù)安全性，為NOTES多功能機器人的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

2.4.2 手術(shù)機器人 成像模塊和操作工具共同配備讓微型機器人的功能更加完善。①Shah等[25]介紹了經(jīng)胃置入腹腔的多功能手術(shù)機器人平臺，具備組織牽拉、抓取、灼燒和立體成像的能力(圖7)。該平臺由微型雙臂機器人、磁體系統(tǒng)和控制臺組成，機器人借助內(nèi)鏡胃造瘺后進入腹腔，借助磁體系統(tǒng)實現(xiàn)定位和固定，通過外部磁體控制面板操縱內(nèi)部機械臂完成手術(shù)操作。Lehman等[26]為增強機器人的便捷性和靈活性，將腹腔鏡控制手柄連接到末端操作臂，使其擁有6個自由度并具備模仿人類關(guān)節(jié)運動的功能，有效地將術(shù)者手臂運動傳遞到機器人，該機器人已用于動物進行腹腔探查、膽囊和小腸切除[27]。②NOTES操作入路的獨特性，使多個微型機器人通過解剖腔道置入腹腔成為可能，不同的機器人都須各司其職，協(xié)作配合，統(tǒng)一接受體外操縱以完成腔內(nèi)操作。Lehman等[24]已在動物模型驗證了多個協(xié)作機器人的可行性(圖8)，通過胃腸內(nèi)鏡將成像、照明、牽引操作機器人放入腹腔，通過控制體外磁性操作柄實現(xiàn)定位、固定和操縱內(nèi)部機器人，顯示出穩(wěn)定的成像、充足的視野和多重的組織操縱能力等優(yōu)勢。③MAGS技術(shù)和器械的愈發(fā)成熟(圖8)，使NOTES術(shù)中精確定位、最適術(shù)野、對抗?fàn)恳刃枨笥行Ы鉀Q。在體外控制平臺磁力的作用下，體內(nèi)的機器臂可以獲得最大的移動范圍和精準(zhǔn)切割的能力，使手術(shù)更安全有效。目前，MAGS已成功應(yīng)于豬模型的經(jīng)陰道膽囊切除術(shù)和腎臟切除術(shù)[28，29]，表現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景。

2.4.3 重組機器人 無線控制技術(shù)的成熟使模塊化機器人在NOTES中得到發(fā)展，每個機器人依次連接組成模塊系統(tǒng)，經(jīng)解剖腔道進入體腔后，由術(shù)者操縱外部控制器啟動無線模塊機器人自我裝配和進行手術(shù)(圖9)。通常一組模塊系統(tǒng)包括一個中央主體模塊，多重結(jié)構(gòu)模塊和功能模塊，同組的模塊化機器人可被組裝成幾種不同拓撲結(jié)構(gòu)在腹腔內(nèi)執(zhí)行不同的任務(wù)，完成手術(shù)后機器人可拆解成單獨的模塊天然排泄。重組機器人的設(shè)計不僅降低了每個模塊的大小，而且還能夠很方便地在操作過程中添加和更換不同的功能模塊。Zygomalas等[30]基于模塊化機器人的理念開發(fā)出一個創(chuàng)新的NOTES機器人平臺，將多個模塊在胃腸道內(nèi)整合完成手術(shù)操作，將給現(xiàn)有的手術(shù)方式新的挑戰(zhàn)。

圖1 MASTER手術(shù)機器人機械臂 圖2 ViaCath腔內(nèi)手術(shù)機器人 圖3 Sensei robotic system 圖4 i-Snake經(jīng)陰道NOTES 圖5 成像機器人 圖6 移動成像及活檢機器人 圖7 手術(shù)機器人和膽囊切除術(shù) 圖8 協(xié)作機器人和MAGS平臺 圖9 重組機器人

3 機器人輔助NOTES的未來展望

醫(yī)療機器人的誕生和迅速發(fā)展，正是現(xiàn)代外科不斷追求微創(chuàng)和精準(zhǔn)的具體表現(xiàn)，而NOTES的出現(xiàn)預(yù)示著即將到來的微創(chuàng)領(lǐng)域新紀(jì)元。初步的探索讓NOTES得到了人們的認可，但新式器械平臺的研發(fā)遲緩制約了其向更復(fù)雜的外科手術(shù)的拓展，也成為其臨床應(yīng)用和未來發(fā)展的瓶頸，然而手術(shù)機器人技術(shù)的成熟為NOTES的發(fā)展指引了新的方向，機器人技術(shù)的輔助不僅克服傳統(tǒng)軟鏡的局限性[31]，更將體內(nèi)手術(shù)機器人變?yōu)楝F(xiàn)實。目前的實驗研究已表明NOTES機器人系統(tǒng)的有效可行性，但安全應(yīng)用于臨床仍需要在以下幾個方面進行深入研究：①加強力觸覺反饋系統(tǒng)提高手術(shù)安全性。Wang等[32]通過對內(nèi)鏡器械的改進使術(shù)者不僅可以提供給機械臂適當(dāng)?shù)牧α浚夷軌蚋杏X到組織的不同特性。②改善腔內(nèi)空間定向降低手術(shù)并發(fā)癥，三維圖像能夠在生理腔道內(nèi)提供更精確的導(dǎo)向，H?ller等[33]設(shè)計出新型的集成實時三維表面模塊的內(nèi)鏡,使NOTES的操作更順利，同時超聲內(nèi)鏡的應(yīng)用可以準(zhǔn)確地探查周邊的臟器，避免誤傷。③開發(fā)微型化的手術(shù)機器人，使其能更好的應(yīng)用于腔內(nèi)手術(shù)。Smith等[34]展望把“電子黏土(Claytronics)”技術(shù)同NOTES相融合，電子黏土原子(catoms)通過生理腔道到達手術(shù)部位后組裝成相應(yīng)手術(shù)的機器人執(zhí)行操作，之后自行拆卸排除。④研發(fā)具備多功能傳感器的智能化手術(shù)機器人，不僅能夠在術(shù)者的控制下精確完成手術(shù)操作，而且可以在術(shù)中檢測腹腔內(nèi)各種生理指標(biāo)。總之，NOTES的機器人操作系統(tǒng)已初見雛形，但多數(shù)仍處于實驗階段，欲使其順利發(fā)展和臨床應(yīng)用，仍需要內(nèi)鏡醫(yī)師、外科醫(yī)師和器械工程師的共同努力。

4 結(jié)語

隨著機器人輔助NOTES技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新應(yīng)用，NOTES技術(shù)也越發(fā)成熟與完善。歷經(jīng)十多年的發(fā)展，NOTES新式器械平臺的研發(fā)已取得突破性的進展，但臨床中亟待安全簡便而行之有效的工具為NOTES的廣泛開展治療提供輔助和支持。上述的機器人技術(shù)雖在實驗中各顯優(yōu)勢，但臨床應(yīng)用需要大樣本的觀察和證實。我們相信NOTES作為新生事物的出現(xiàn)有其強大生命力，無疑是微創(chuàng)手術(shù)和內(nèi)鏡治療的一次革命，盡管尚處在發(fā)展的初期，但隨著機器人技術(shù)逐步的解決技術(shù)難題，定會使其在臨床的應(yīng)用順利開展，同時NOTES必會在微創(chuàng)外科領(lǐng)域得到快速發(fā)展。

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(修回日期：2014-02-14)

(責(zé)任編輯：李賀瓊)

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《泌尿外科微創(chuàng)手術(shù)學(xué)》(第2版)

由北京大學(xué)第三醫(yī)院馬潞林教授主編的《泌尿外科微創(chuàng)手術(shù)學(xué)》(第2版)近期由人民衛(wèi)生出版社出版發(fā)行，2013年12月15日以后全國各大書店有售。本書總結(jié)了近年來微創(chuàng)泌尿外科的新技術(shù)與新進展，詳細講解了泌尿外科腹腔鏡、經(jīng)皮腎鏡、輸尿管鏡、纖維電子輸尿管鏡、經(jīng)尿道內(nèi)鏡、精囊鏡和顯微男科手術(shù)等。

北京大學(xué)第三醫(yī)院泌尿外科是衛(wèi)生部國家臨床重點專科，其微創(chuàng)泌尿外科學(xué)一直處于國內(nèi)領(lǐng)先、國際一流水平?！睹谀蛲饪莆?chuàng)手術(shù)學(xué)》一書，不僅凝聚了國內(nèi)外微創(chuàng)外科領(lǐng)域的最新進展，而且闡述了國內(nèi)多位專家學(xué)者的寶貴經(jīng)驗。本書非常側(cè)重臨床實用性，關(guān)注點集中在各種內(nèi)鏡手術(shù)的臨床應(yīng)用，書中對每種微創(chuàng)手術(shù)的解剖要點、理論基礎(chǔ)知識、圍手術(shù)期處理、手術(shù)操作步驟、相關(guān)并發(fā)癥及對策，都有詳細的講解和分析。

圖文并茂是本書的一大特色。北京大學(xué)第三醫(yī)院泌尿外科通過多年的臨床實踐，積累了大量寶貴的臨床資料。本書共搜集整理手術(shù)實景圖片1000余幅，各類圖片極具代表性，充分展示了手術(shù)的全貌，更便于讀者借鑒參考。本書還附有DVD教學(xué)光盤，讀者可以看到23種微創(chuàng)手術(shù)的實況錄像。手術(shù)錄像內(nèi)容完整，細節(jié)詳實，讀者在結(jié)合理論學(xué)習(xí)的同時，可以更切實深入地體會各種手術(shù)的細節(jié)要領(lǐng)，提高手術(shù)技術(shù)。

《泌尿外科微創(chuàng)手術(shù)學(xué)》編纂的理念：使泌尿外科醫(yī)師獲得真正實用的臨床參考資料。因此，具有一定臨床工作經(jīng)驗的專業(yè)讀者，完全可以參照此書親自開展各種泌尿外科微創(chuàng)手術(shù)。

江西省衛(wèi)生廳重大科技計劃項目(No:20094005)

R61;TP24

：A

：1009-6604(2014)06-0563-05

10.3969/j.issn.1009-6604.2014.06.026

2013-09-01)

**通訊作者，E-mail:zousb999@163.com