機器人技術(shù)在結(jié)直腸腫瘤外科中的應(yīng)用

陳竟文 韋燁 許劍民

一、機器人手術(shù)技術(shù)發(fā)展的歷史

機器人手術(shù)系統(tǒng)源于20世紀90年代，IBM公司發(fā)明的Robdoc系統(tǒng)幾乎沒有實際的臨床應(yīng)用，只能算是啟蒙階段。最早具有現(xiàn)代意義的機器人手術(shù)系統(tǒng)是Computer Motion公司發(fā)明的AESOP(伊索)機器人手術(shù)操作系統(tǒng)。伊索機器人手術(shù)操作系統(tǒng)由醫(yī)生通過語音或腳踏板來控制鏡頭，調(diào)整視野，可以克服扶鏡手疲勞所帶來的鏡頭不穩(wěn)定，但其功能單一，未能實現(xiàn)機械手進入手術(shù)區(qū)域操作，國內(nèi)包括復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院等多家醫(yī)院曾使用過該系統(tǒng)，當時僅應(yīng)用于心臟手術(shù)。1998年由Computer Motion公司研發(fā)的Zeus(宙斯)操作系統(tǒng)，具有獨立的外科操作平臺和機械臂，成為現(xiàn)代意義的機器人外科手術(shù)系統(tǒng)。2000年6月，達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)成為了FDA批準的第一個用于腹腔鏡手術(shù)的自動機械系統(tǒng)。機器人手術(shù)系統(tǒng)里程碑式的臨床應(yīng)用是在2001年9月，Marescaux醫(yī)生在美國紐約應(yīng)用宙斯系統(tǒng)，遠程操作，為遠在法國的患者實行了代號為“Lindbergh”的膽囊切除手術(shù)[1]，國內(nèi)有數(shù)家醫(yī)療單位也曾引進過該系統(tǒng)。2001年Intuitive Surgical公司收購Computer Motion公司后，在宙斯系統(tǒng)基礎(chǔ)上研制出了達芬奇手術(shù)操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)在臨床上應(yīng)用最為廣泛[2]。2008年7月，達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)通過了中國SFDA的認證。來自官方的數(shù)據(jù)，截至2013年8月底，達芬奇系統(tǒng)全球共裝機2799臺，其中美國2001臺，歐洲443臺，亞洲245臺，中國大陸有16臺，這一數(shù)字仍在不斷上升之中。

18世紀80年代，Billroth完成了人類歷史上第一例腹部外科手術(shù)，這類傳統(tǒng)的開腹手術(shù)被稱為第一代手術(shù)，是外科手術(shù)的金標準。20世紀80年代，以腹腔鏡技術(shù)為標志的微創(chuàng)外科，代表了外科手術(shù)發(fā)展的方向，在許多外科領(lǐng)域已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的開腹手術(shù)，被稱為第二代外科手術(shù)。多數(shù)學(xué)者認為腹腔鏡結(jié)直腸癌手術(shù)對比傳統(tǒng)的開腹手術(shù)，雖然并不能提高患者的長期生存率，但是確實能改善患者術(shù)后的胃腸道功能恢復(fù)，縮短其住院時間[3]。進入21世紀后，以達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)為代表的手術(shù)機器人的開發(fā)和臨床應(yīng)用，以其全新的理念和技術(shù)優(yōu)勢被認為是現(xiàn)代外科發(fā)展史的一個里程碑，預(yù)示著第三代外科手術(shù)時代的到來。每一代的外科手術(shù)各有其優(yōu)缺點，黎介壽院士等[4]對其進行了詳細的總結(jié)(表1)。

目前，達芬奇機器人手術(shù)已在心胸外科[5]、泌尿外科[6]、婦科[7]和腹部外科[8]等領(lǐng)域逐漸普及。達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)在腹部外科已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，其主要應(yīng)用在行常規(guī)腹腔鏡手術(shù)操作較為困難的手術(shù)中，包括復(fù)雜肝段切除[9]、胃癌根治術(shù)[10]、結(jié)直腸癌根治術(shù)[11]、胰腺部分切除[12]和胰十二指腸切除術(shù)[13]等。2001年該系統(tǒng)第一次被應(yīng)用于結(jié)直腸疾病的外科治療，Weber教授完成了兩例結(jié)腸良性疾病的手術(shù)[14]。目前，達芬奇機器人手術(shù)已廣泛應(yīng)用于結(jié)直腸良惡性腫瘤的手術(shù)治療當中。在結(jié)直腸癌合并肝轉(zhuǎn)移的同期切除手術(shù)中，應(yīng)用達芬奇機器人也可以達到良好的效果。

二、達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)的構(gòu)成和特點

達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)由美國Intuitive Surgical公司生產(chǎn)，主要由三個部分組成：(1)醫(yī)生操作主控臺(surgeon console)：所有的操作控制在這個平臺完成；(2)床旁機械臂塔(patient cart)：它由仿真機械手臂組成，共有4個臂，包括了3支具有7個自由度交互功能的仿真機械臂和1支扶鏡臂；(3)三維成像視頻影像平臺。實施手術(shù)時外科醫(yī)生不與患者直接接觸，通過三維視覺系統(tǒng)和動作定標系統(tǒng)操作控制，醫(yī)生手臂、手腕和手指的動作通過傳感器在計算機中記錄下來，并同步翻譯給機器手臂，機械手臂的前端根據(jù)需要安裝各種特殊的手術(shù)器械來模擬外科醫(yī)生的技術(shù)動作，完成手術(shù)操作。

該系統(tǒng)具有如下特點：(1)圖像清晰，應(yīng)用高清三維立體成像系統(tǒng)呈現(xiàn)高清的手術(shù)視野，術(shù)者通過雙眼接受來自左右攝像機傳來的完整圖像，形成了三維立體圖，使術(shù)者有如開腹手術(shù)一般的直觀感，彌補了腹腔鏡手術(shù)二維平面空間感的缺失，同時在高清基礎(chǔ)上可以放大視野，最高可達15倍，能更精確地移動機械手臂進行操作。機械扶鏡臂能保證鏡頭固定，避免了畫面抖動。(2)操作準確，達芬奇機器人機械臂具有7個方向自由度的活動，在操作范圍內(nèi)可以任意改變角度進行操作，即便是在狹小的空間里，也可以通過機械臂頭端的轉(zhuǎn)向活動來完成操作，具有腹腔鏡所無法比擬的靈活性。區(qū)別于腹腔鏡的反向操作器械，達芬奇手術(shù)系統(tǒng)的機械臂可以完全模擬術(shù)者的動作，做到直觀的同向控制?？刂破骺梢宰詣舆^濾人手的生理顫動，保證了更高的操作穩(wěn)定性和準確性。動作定標系統(tǒng)，可確保更換器械時原操作位置不變。(3)操作便利，達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)徹底改變了術(shù)者站著手術(shù)的傳統(tǒng)模式，主刀醫(yī)師坐在操作平臺前完成手術(shù)操作，減輕了疲勞，更適合長時間復(fù)雜手術(shù)的開展[15]。達芬奇手術(shù)系統(tǒng)配備了幾乎所有手術(shù)器械的機械手版本，包括抓鉗、超聲刀、電鉤、電凝剪刀等，方便術(shù)者選擇合適的手術(shù)器械。通過腳踏開關(guān)，術(shù)者可以自由選擇需要控制的機械臂，包括鏡頭和另外三個器械臂，但同時只能控制兩個機械臂。(4)遠程可操作，借助光纜等高科技傳送設(shè)備，圖像和操作信號可以進行及時的遠距離傳送，使遠程手術(shù)操作變成了現(xiàn)實。

表1 三代外科手術(shù)技術(shù)特點比較表

三、機器人手術(shù)在結(jié)直腸腫瘤外科中的應(yīng)用

Yang等[16]薈萃分析了16個臨床研究結(jié)果，對比了564例達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)輔助手術(shù)和929例腹腔鏡手術(shù)。該研究結(jié)果顯示,與腹腔鏡結(jié)直腸手術(shù)比較，達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)輔助結(jié)直腸手術(shù)具有術(shù)中出血少、中轉(zhuǎn)開腹率低等優(yōu)點，但是手術(shù)時間較長，住院花費明顯偏高。Memon[17]的薈萃研究納入7個結(jié)直腸癌手術(shù)的臨床研究，對比分析了353例達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)和401例腹腔鏡手術(shù)的療效。該研究結(jié)果顯示，與腹腔鏡手術(shù)比較，達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)的優(yōu)勢在于中轉(zhuǎn)開腹率下降，而在術(shù)后并發(fā)癥、環(huán)周及遠端切緣陽性率、淋巴結(jié)清掃數(shù)目和住院時間等方面，差異無統(tǒng)計學(xué)意義。

Park等[18]前瞻性的對比分析了35例采用達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)和35例采用腹腔鏡行右半結(jié)腸癌手術(shù)的療效。研究結(jié)果顯示，兩組患者中轉(zhuǎn)開腹率、術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率、住院時間、切緣陽性率和淋巴結(jié)清掃數(shù)目，差異無統(tǒng)計學(xué)意義，而達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)的手術(shù)時間和花費卻明顯提高。因此Park等認為達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)在右半結(jié)腸癌治療方面并無優(yōu)勢。D’Annibale等[19]的一組50例采用達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)行右半結(jié)腸癌手術(shù)的研究結(jié)果顯示，手術(shù)相關(guān)死亡率為2%，平均淋巴結(jié)清掃數(shù)目為14枚，無一例中轉(zhuǎn)開腹，短期生存率達92%，但平均手術(shù)時間長達223 min，明顯長于開腹或腹腔鏡右半結(jié)腸癌根治術(shù)所需手術(shù)時間。

Choi等[20]一組50例采用達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)行直腸癌手術(shù)研究結(jié)果顯示，無一例患者發(fā)生手術(shù)死亡，無一例中轉(zhuǎn)開腹，平均淋巴結(jié)清掃數(shù)目為20枚，吻合口漏發(fā)生率為8.3%，環(huán)周切緣陽性率為2%，與開腹或腹腔鏡手術(shù)效果相似，但手術(shù)時間延長，平均為304 min，明顯長于開腹或腹腔鏡直腸癌根治手術(shù)。Baek等[21]重點分析了154例采用達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)行直腸癌手術(shù)和150例腹腔鏡直腸癌手術(shù)的療效。在術(shù)后恢復(fù)時間和并發(fā)癥發(fā)生率兩組類似的情況下，達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)平均手術(shù)時間增加了66 min，平均住院花費更是提高了4 669美元。

達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)一個重大的優(yōu)勢，就是在狹小的空間中可以獲得靈活的操作和清晰的視野。但是該項優(yōu)勢能否在低位直腸癌根治手術(shù)中達到保護盆底自主神經(jīng)的效果，目前尚缺少大量的前瞻性研究結(jié)果支持。Kim等[22]對比分析了達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)輔助低位直腸癌手術(shù)和腹腔鏡輔助低位直腸癌手術(shù)，機器人組患者的排尿功能和性功能恢復(fù)時間較腹腔鏡組有明顯的提前，術(shù)后排尿功能恢復(fù)從6個月(腹腔鏡組)提前到了3個月(機器人組)，勃起功能恢復(fù)從12個月(腹腔鏡組)提前到了6個月(機器人組)，但是明確的結(jié)論還有待于大樣本前瞻性臨床研究明確。目前在Clinical Trail中注冊登記在研的臨床研究，主要都是關(guān)注達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)在中低位直腸癌治療中的優(yōu)勢。

四、機器人結(jié)直腸腫瘤手術(shù)的前景

相對于腹腔鏡手術(shù)，達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)優(yōu)點突出，圖像的清晰立體、操作的便捷順利和人員的專業(yè)化等，但同樣有其突出的缺點。

1.價格昂貴：達芬奇系統(tǒng)目前還不可能得到廣泛的開展，最重要的原因就是價格昂貴[23]，體現(xiàn)在兩方面，一是使用成本高，第三代機器人手術(shù)系統(tǒng)的售價高達2200萬元人民幣，與該系統(tǒng)配套的器械及無菌套等的費用是500美元/次/把，即使不計算機器的折舊費，每臺手術(shù)也必須增加2～3萬元的耗材費用，使得手術(shù)成本大增；二是維修費用高，為防止達芬奇手術(shù)系統(tǒng)出現(xiàn)問題，每4個月需進行一次預(yù)防性維修，每年的維修保養(yǎng)費約是購置費用的10%。

2.觸覺反饋缺失：目前的達芬奇機器人手術(shù)系統(tǒng)無法提供觸覺反饋，術(shù)者只能通過視覺觀察來彌補觸覺反饋的不足。外科醫(yī)生依賴的“手感”消失了，對于手術(shù)中抓持和牽拉的力度、器械打結(jié)時縫線的松緊判斷都增加了難度，術(shù)者必須經(jīng)過反復(fù)的訓(xùn)練來掌握。另外對于較小的腫瘤，特別是沒有侵犯漿膜的腫瘤，術(shù)中難以定位，還需要借助術(shù)中腸鏡或熒光顯影技術(shù)等。

3.機械故障：越是復(fù)雜的系統(tǒng)，其發(fā)生故障的概率就越高。雖然目前還沒有在使用過程中發(fā)生機械故障導(dǎo)致危險的報道，但手術(shù)系統(tǒng)一旦發(fā)生重大的錯誤，其后果將是災(zāi)難性的。達芬奇手術(shù)系統(tǒng)未來的遠程手術(shù)應(yīng)用，則更是需要一個高效且絕對安全的網(wǎng)絡(luò)保障。

4.手術(shù)時間長：機器人手術(shù)都需要裝配機械臂，裝配時間大約是30分鐘，這就延長了手術(shù)時間，增加了患者的創(chuàng)傷應(yīng)激。達芬奇手術(shù)只能固定一個體位，若需要變化體位則需要重新擺放機械臂，這樣也增加了手術(shù)的時間。

5.優(yōu)勢不明顯：在腹腔鏡手術(shù)廣泛開展并得到良好應(yīng)用的同時，達芬奇機器人系統(tǒng)并未表現(xiàn)出足夠的優(yōu)勢。達芬奇機器人結(jié)直腸手術(shù)對比于腹腔鏡手術(shù)，其術(shù)后腸道功能恢復(fù)、住院時間等并無明顯優(yōu)勢[24]，其遠期療效仍需要進一步的隨訪數(shù)據(jù)。迄今為止還沒有任何國家的醫(yī)療管理機構(gòu)發(fā)布機器人手術(shù)相關(guān)的臨床應(yīng)用指南，對于復(fù)雜手術(shù)還是首選傳統(tǒng)開腹手術(shù)。機器人手術(shù)系統(tǒng)一個最大的優(yōu)勢，就是在狹小的空間中可以獲得靈活的操作和清晰的視野，在低位直腸癌根治手術(shù)中能分辨并保護盆底自主神經(jīng)、輸尿管和生殖血管，能更為精確的分離和縫合[25]，但是明確的結(jié)論還有待于大樣本的前瞻性臨床研究。

醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展有目共睹，隨著科技的進步，機器人手術(shù)的費用應(yīng)該會逐漸下調(diào)。而單孔達芬奇機器人技術(shù)則為我們描繪了一幅未來微創(chuàng)外科的藍圖，利用機械臂的靈活性在單孔中完成相對復(fù)雜的結(jié)直腸癌手術(shù)，將更充分體現(xiàn)機器人手術(shù)系統(tǒng)的優(yōu)勢[26]。FireFly熒光顯影技術(shù)結(jié)合最新的達芬奇機器人系統(tǒng)，讓外科醫(yī)師在手術(shù)中能清楚識別腫瘤邊界，準確辨認重要的組織和血管，為手術(shù)的安全性和有效性保駕護航[27]。當今最先進的機器人手術(shù)模擬訓(xùn)練器，MIMIC機器人模擬訓(xùn)練器，無需購買專用機器人訓(xùn)練器械即能學(xué)習最先進的機器人手術(shù)操作，方便實用且節(jié)省成本[28]。另外，遠程外科必將是機器人手術(shù)技術(shù)革命下一階段的研究方向，隨著技術(shù)的革新，外科手術(shù)將突破距離的限制，為偏遠地區(qū)的患者、為幾百公里之外戰(zhàn)場中的傷員、甚至為太空中的宇航員進行手術(shù)，必將變成現(xiàn)實；遠程外科還使跨國、跨地域的手術(shù)和教學(xué)演示成為可能[29]。

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