手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)在顱頜面外科中的應(yīng)用及發(fā)展

朱建華 郭傳瑸

北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院·口腔醫(yī)院口腔頜面外科，北京100081

手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)在顱頜面外科中的應(yīng)用及發(fā)展

朱建華 郭傳瑸

北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院·口腔醫(yī)院口腔頜面外科，北京100081

近年來機(jī)器人輔助外科手術(shù)以其微創(chuàng)、精準(zhǔn)、安全的特點(diǎn)受到了越來越多的關(guān)注。顱頜面外科傳統(tǒng)手術(shù)嚴(yán)重影響美觀。機(jī)器人輔助手術(shù)延伸了醫(yī)生的視覺范圍和可操作空間，提高了手術(shù)效果及患者術(shù)后生活質(zhì)量。本文對手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展以及近年來在顱頜面外科的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

機(jī)器人； 顱頜面外科； 微創(chuàng)手術(shù)

近年來伴隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、先進(jìn)制造業(yè)的進(jìn)步以及導(dǎo)航和三維成像技術(shù)的普及，機(jī)器人輔助外科手術(shù)以其微創(chuàng)、精準(zhǔn)、安全的特點(diǎn)受到了越來越多的關(guān)注。不同于工業(yè)及航空用機(jī)器人，醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人將醫(yī)學(xué)及工程學(xué)充分結(jié)合并發(fā)揮各自優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作的最大化，與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)相比，在手術(shù)術(shù)前設(shè)計(jì)、路徑規(guī)劃、微創(chuàng)、可視化、虛擬及遠(yuǎn)程手術(shù)方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢及應(yīng)用[1]。顱頜面外科手術(shù)涉及人體面部特征，個性化要求高，顱頜面區(qū)域解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，手術(shù)操作視野狹窄，傳統(tǒng)手術(shù)切口較大，嚴(yán)重影響美觀[2]。機(jī)器人輔助手術(shù)延伸了醫(yī)生的視覺范圍和可操作空間，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治療，減少創(chuàng)傷，開拓了顱頜面外科微創(chuàng)手術(shù)新的發(fā)展方向[1,3]。本文對國內(nèi)外手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展以及近年來在顱頜面外科的應(yīng)用進(jìn)行綜述，并對現(xiàn)狀及前景進(jìn)行探討和展望。

1 手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展歷史及應(yīng)用背景

醫(yī)療機(jī)器人種類繁多，主要包括：手術(shù)機(jī)器人、服務(wù)護(hù)理機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人、醫(yī)療培訓(xùn)用模擬機(jī)器人、診療機(jī)器人、術(shù)中導(dǎo)航機(jī)器人、輔助機(jī)器人[4]。Davies[5]將手術(shù)機(jī)器人定義為“一種具有人工傳感的機(jī)械手，在計(jì)算機(jī)控制下能夠重新設(shè)定程序進(jìn)行移動和定位工具，從而實(shí)現(xiàn)一系列的手術(shù)操作”。1985年，Kwoh等[6]使用UNIMATION PUMA 200機(jī)器人對可疑的腦部病變進(jìn)行活檢手術(shù)，開創(chuàng)了外科手術(shù)機(jī)器人的先河。PUMA 200 是一款可編程、計(jì)算機(jī)控制的通用型工業(yè)機(jī)器人，具有6個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，相對精度可達(dá)0.05 mm, 通過逆運(yùn)動學(xué)解算，實(shí)現(xiàn)靶點(diǎn)的精確定位。Davies[5]使用Probot機(jī)器人在之前的可行性研究基礎(chǔ)之上成功實(shí)施了前列腺切除術(shù)，這是歷史上第一次使用機(jī)器人自動從人體移除組織。Probot機(jī)器人前身為Puma 560工業(yè)機(jī)器人，Davies等[7]對此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究，認(rèn)為相比較具有大運(yùn)動空間的工業(yè)機(jī)器人，擁有特定運(yùn)動和力量的?？茩C(jī)器人更為安全，并促進(jìn)了二代產(chǎn)品Probot機(jī)器人的誕生[5]。無獨(dú)有偶，同年，Taylor等[8]使用Robodoc機(jī)器人完成了第一臺矯形手術(shù)。Robodoc系統(tǒng)是第一個可預(yù)規(guī)劃切割軌跡的機(jī)器人系統(tǒng)，包括交互式的術(shù)前設(shè)計(jì)系統(tǒng)及術(shù)中操作機(jī)器人系統(tǒng)，通過對股骨的精確切割，實(shí)現(xiàn)人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，并成功實(shí)現(xiàn)商品化[4,9]。

不同于之前的全自動機(jī)器人，Davies等[10]于1997年提出了具有“自主約束力的機(jī)器人”理念，即Acobot機(jī)器人。Acobot系統(tǒng)允許外科醫(yī)生通過手持力量操縱桿在預(yù)先編程的范圍內(nèi)進(jìn)行精確膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)，將醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和機(jī)器人約束力相結(jié)合，成為全自動手術(shù)機(jī)器人向主從手術(shù)機(jī)器人發(fā)展的過渡[5,10]。伴隨內(nèi)鏡技術(shù)的發(fā)展，手術(shù)機(jī)器人迎來新的發(fā)展機(jī)遇。1994年，AESOP機(jī)器人成為第一臺獲得美國食品與藥物管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）認(rèn)證可應(yīng)用于臨床的機(jī)器人，開創(chuàng)了手術(shù)機(jī)器人新紀(jì)元[11-12]。AESOP系統(tǒng)采取聲音控制內(nèi)窺鏡定位，只用于成像，不執(zhí)行侵入性操作[11-12]。在此基礎(chǔ)之上研發(fā)的ZEUS機(jī)器人以及Da Vinci機(jī)器人是主從機(jī)器人的典型代表，通過內(nèi)窺鏡系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集、主控制臺操縱各種手術(shù)器械完成手術(shù)，是目前臨床應(yīng)用最為成熟的機(jī)器人[5,12]。2001年由Marescaux等[13]在位于美國紐約的主控制臺前通過高速光纖電纜遠(yuǎn)程遙控位于法國斯特拉斯堡的ZEUS機(jī)器人，成功為一位68歲的女性患者施行了腹腔鏡膽囊切除術(shù)，開啟了遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)的篇章 。

機(jī)器人手術(shù)目前已經(jīng)成功應(yīng)用于神經(jīng)外科、整形外科、泌尿外科、介入科、心胸外科、腹腔外科等[4]。1994年Kavanagh[14]利用圖像引導(dǎo)的Robodoc機(jī)器人系統(tǒng)在顳骨上第一次進(jìn)行了口腔頜面外科領(lǐng)域的臨床前試驗(yàn)。第一臺用于顱頜面外科的交互式手術(shù)機(jī)器人——OTTO系統(tǒng)誕生于1998年[15]，Lueth和Hein等將其安裝在手術(shù)天花板上用于鉆孔或切割。2012年，國內(nèi)第一套顱頜面外科輔助手術(shù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了術(shù)前手術(shù)設(shè)計(jì)與規(guī)劃、術(shù)中實(shí)時導(dǎo)航、機(jī)器人輔助定位把持功能，并進(jìn)行了醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)[1]。

2 手術(shù)機(jī)器人在顱頜面外科的應(yīng)用

顱頜面手術(shù)區(qū)域位于頜面頸部，解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，血管神經(jīng)集中，手術(shù)風(fēng)險高，實(shí)施困難大。為了保證視野，手術(shù)切口通常較大，影響美觀，甚至造成嚴(yán)重的心里負(fù)擔(dān)。機(jī)器人輔助手術(shù)經(jīng)微創(chuàng)切口進(jìn)入體內(nèi)，提供了新的手術(shù)途徑，現(xiàn)將其在顱頜面外科的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)。

2.1 整復(fù)手術(shù)

2.1.1 皮瓣修復(fù)術(shù) Genden等[16]使用Da Vinci機(jī)器人利用局部轉(zhuǎn)移瓣完成了9例腫瘤術(shù)后修復(fù)重建病例，包括黏膜推進(jìn)瓣、梨形黏膜瓣及咽后壁瓣。Genden認(rèn)為相對于開放式手術(shù)，機(jī)器人手術(shù)可使患者避免氣管切開，同時恢復(fù)期短，可以更早地接受輔助治療；相對于激光手術(shù)，機(jī)器人手術(shù)可行組織切除及修復(fù)重建，減少肉芽組織的形成，避免了腭咽部的狹窄。

Selber[17]在2010年對Da Vinci手術(shù)機(jī)器人在口咽缺損修復(fù)重建的應(yīng)用進(jìn)行了系列研究，包括1例游離前臂皮瓣、2例游離股前外側(cè)皮瓣及1例面動脈肌黏膜瓣。除面動脈肌黏膜瓣術(shù)后因意外摘除外，其余均恢復(fù)良好。Selber認(rèn)為Da Vinci機(jī)器人手術(shù)除了避免下頜骨劈開或下唇切開外，其在限定空間內(nèi)的良好的視野和精度以及對于手部震顫的濾除使其更適用于微血管吻合，但是內(nèi)鏡光線不足、器械粗糙以及觸覺反饋的缺失是其不利因素。

2.1.2 正頜手術(shù) 手術(shù)機(jī)器人在正頜手術(shù)中的應(yīng)用報道極少。Theodossy等[18]和Omar等[19]使用機(jī)器人臂（FARO臂）在模型外科上模擬了正頜手術(shù)。該研究表明機(jī)器人輔助模型外科手術(shù)在前后及垂直平面上更精準(zhǔn)。陳黎明等[20]將日本安川MOTOMAN SV3X型機(jī)器人與光學(xué)導(dǎo)航相結(jié)合，在人體顱骨上模擬顱面骨畸形整復(fù)手術(shù)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端執(zhí)行器定位誤差小于2 mm，方位角度誤差小于5°，導(dǎo)航及機(jī)器人的配準(zhǔn)誤差是其主要存在的問題。

2.1.3 腭裂手術(shù) 機(jī)器人輔助腭裂修復(fù)術(shù)近年來也受到了部分學(xué)者的關(guān)注，取得了一定的進(jìn)展。最近，Khan等[21]利用Da Vinci機(jī)器人在兒童氣道模型上進(jìn)行了腭裂手術(shù)臨床前試驗(yàn)，證實(shí)了經(jīng)口腔的機(jī)器人腭裂修復(fù)術(shù)技術(shù)上的可行性。

Nadjmi[22]在尸體上模擬Da Vinci機(jī)器人輔助腭裂修復(fù)手術(shù)，實(shí)現(xiàn)了腭部肌肉的解剖分離及應(yīng)用評估。隨后該團(tuán)隊(duì)在10例唇腭裂患者上進(jìn)行了臨床應(yīng)用，包括5例單純腭裂、2例單側(cè)完全腭裂伴唇裂、2例雙側(cè)完全腭裂伴唇裂、1例腭隱裂，平均年齡9.5個月（9～12個月），術(shù)中、術(shù)后均未見并發(fā)癥，較常規(guī)手術(shù)平均住院日縮短1.4 d，但手術(shù)時間平均增加35 min。Nadjmi認(rèn)為機(jī)器人手術(shù)可以減少肌肉的血管、神經(jīng)以及黏膜表面的損傷，提高腭及咽鼓管的功能，高分辨率的3D成像技術(shù)也可彌補(bǔ)觸覺反饋缺失的不利因素，并且相比較傳統(tǒng)手術(shù)術(shù)者的不自然姿式，機(jī)器人手術(shù)更符合人體工程學(xué)。

2.2 腫瘤手術(shù)

2.2.1 經(jīng)口入路手術(shù) 經(jīng)歷早期的探索，經(jīng)口Da Vinci機(jī)器人手術(shù)近年來取得了長足的發(fā)展，并且于2009年通過了美國FDA的批準(zhǔn)可選擇性的用于頭頸部良、惡性腫瘤手術(shù)[23]。2011年，Walvekar等[24]第一次報道了Da Vinci機(jī)器人手術(shù)在前口底用于雙側(cè)舌下腺囊腫摘除的病例，術(shù)后頜下腺導(dǎo)管及舌神經(jīng)未見損傷。他們認(rèn)為機(jī)器人手術(shù)能夠提供高清的三維放大圖像，操作靈活、精準(zhǔn)，手術(shù)效果更加可期，并便于教學(xué)，但是術(shù)后的長期復(fù)發(fā)率有待進(jìn)一步研究。同年，Kayhan等[25]第一次報道了舌根部腺樣囊性癌的經(jīng)口機(jī)器人手術(shù)。術(shù)后生活質(zhì)量高，半年未見復(fù)發(fā)或轉(zhuǎn)移，證實(shí)了舌根部腫瘤行經(jīng)口機(jī)器人手術(shù)的安全和有效性。

經(jīng)口Da Vinci機(jī)器人手術(shù)在咽旁間隙腫瘤的患者當(dāng)中應(yīng)用也引起了更多學(xué)者的關(guān)注，多見于多形性腺瘤[26-27]、脂肪瘤[26,28]、神經(jīng)鞘瘤[29-30]。Chan等[31]通過對44例行經(jīng)口Da Vinci機(jī)器人手術(shù)的咽旁腫物患者回顧發(fā)現(xiàn)，無意中多形性腺瘤包膜破裂的患者高達(dá)24%，遠(yuǎn)高于開放式手術(shù)入路。Chan認(rèn)為尖銳的器械、缺少觸覺反饋、操作空間狹窄、缺乏雙手操作、不能安全夾持包膜等均可導(dǎo)致如此高的發(fā)生率，必要的時候仍需要結(jié)合手指的鈍性分離。經(jīng)口機(jī)器人手術(shù)也被選擇性用于咽旁腫瘤的治療[30,32]。由于缺乏咬骨鉗和動力裝置，對于顱底腫瘤的患者機(jī)器人手術(shù)存在一定的限制，尤其是需要擴(kuò)大切除的侵襲性或惡性腫瘤[33]。雖然經(jīng)口機(jī)器人手術(shù)較傳統(tǒng)手術(shù)有著獨(dú)特的優(yōu)勢，但是也存在明顯的手術(shù)禁忌[3,23,26]：1）腫瘤顯露不充分，其主要取決于解剖因素（下頜后縮、張口受限、頸項(xiàng)僵直）及腫瘤位置、分期等；2）累及頸內(nèi)動脈。

2.2.2 經(jīng)耳后入路手術(shù) 頸部腫物的機(jī)器人手術(shù)可采用隱蔽的耳后入路：在發(fā)際線下0.5 cm，切口起自耳后溝向上彎曲延伸至外耳道平面，以胸鎖乳突肌和耳大神經(jīng)作為標(biāo)記進(jìn)行翻瓣，制備操作空間[34]。2013年，Park等[34]報道了9例頸部良性腫物經(jīng)耳后入路的Da Vinci機(jī)器人手術(shù)，其中頜下腺切除6例（多形性腺瘤3例、慢性頜下腺炎3例）、第二鰓裂囊腫2例、淋巴結(jié)病變1例。平均翻瓣時間30.1 min，手術(shù)時間62.4 min，平均出血量6.6 mL，未見面神經(jīng)下頜緣支、舌下神經(jīng)及副神經(jīng)損傷，術(shù)后美學(xué)效果滿意。Park認(rèn)為耳后入路的缺點(diǎn)主要在于切口距離病變位置較遠(yuǎn)，需要花費(fèi)更多的時間進(jìn)行制備皮瓣，同時長而薄的皮瓣可能發(fā)生缺血壞死。

機(jī)器人手術(shù)在頸淋巴清掃中的應(yīng)用也是方興未艾。2012年Lee與Kim等[35]在10例早期cN0的口腔鱗癌患者中行Da Vinci機(jī)器人輔助的肩胛舌骨上頸淋巴清掃術(shù)，未見明顯術(shù)中并發(fā)癥。在該研究中，同傳統(tǒng)手術(shù)相比，機(jī)器人手術(shù)的平均時間是其2倍，但是在引流置管時間、平均住院日、分檢淋巴結(jié)數(shù)目方面無明顯差別，術(shù)后美學(xué)效果的滿意度明顯高于前者。后來該團(tuán)隊(duì)[36]又對經(jīng)耳后入路的機(jī)器人輔助的治療性頸淋巴清掃術(shù)進(jìn)行了對照研究（機(jī)器人手術(shù)20例，傳統(tǒng)手術(shù)33例），結(jié)果顯示較傳統(tǒng)的頸部橫切口，耳后切口明顯減少術(shù)后的淋巴性水腫。在隨訪時間內(nèi)（機(jī)器人手術(shù)組平均為8個月，傳統(tǒng)手術(shù)組平均為9.3個月），機(jī)器人手術(shù)組未見復(fù)發(fā)，傳統(tǒng)手術(shù)組2例復(fù)發(fā)。Kim認(rèn)為機(jī)器人手術(shù)術(shù)中操作細(xì)致，不會過緊的夾持標(biāo)本，從而可減少腫瘤種植的發(fā)生。

2.2.3 穿刺手術(shù) 穿刺手術(shù)機(jī)器人多見于神經(jīng)外科、泌尿外科、心胸外科、腹腔外科等用于活檢、射頻消融、近距離放療等。目前針對顱頜面外科的穿刺手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)未見報道。筆者所在的單位目前正致力于顱底以及面?zhèn)壬顓^(qū)疾病穿刺手術(shù)機(jī)器人的研發(fā)，現(xiàn)已處于醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)階段。Bale等[37]將無框架的立體定位裝置安裝于6個自由度的機(jī)械臂上，在導(dǎo)航的引導(dǎo)下用于三叉神經(jīng)痛的射頻熱凝手術(shù)。在模型、尸體及臨床試驗(yàn)中，平均定位精度可達(dá)（1.31± 0.67）mm，并且在所有的尸體及患者穿刺試驗(yàn)中，均一次成功。

2.3 種植手術(shù)

作為輔助機(jī)器人的一種[4]，機(jī)器人輔助牙科種植手術(shù)也具有獨(dú)特優(yōu)勢。2001年，Boesecke等[38]模擬了48例機(jī)器人輔助種植體植入術(shù)，可對術(shù)前設(shè)計(jì)的種植體位置、方向、深度精確定位，協(xié)助醫(yī)生進(jìn)行種植窩的制備。Sun等[39]提出了在醫(yī)生監(jiān)督下，通過機(jī)器人輔助種植手術(shù)系統(tǒng)自動執(zhí)行術(shù)前設(shè)計(jì)的構(gòu)想，避免了中間種植導(dǎo)板及醫(yī)生操作所帶來的誤差。他們認(rèn)為注冊是影響圖像引導(dǎo)機(jī)器人輔助種植手術(shù)的最重要因素之一，可以決定整個系統(tǒng)的最終精度。Sun等[39]使用6個自由度的Mitsubishi機(jī)器人進(jìn)行模型試驗(yàn)，結(jié)果顯示注冊精度可達(dá)（1.42±0.7）mm，表明了機(jī)器人輔助種植手術(shù)的可行性。

3 現(xiàn)狀和展望

顱頜面外科所涉及的區(qū)域空間狹窄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、美觀要求高。與傳統(tǒng)手術(shù)相比，機(jī)器人輔助顱頜面外科手術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢[4,16-17,22,34,36]。1）手術(shù)微創(chuàng)化：①經(jīng)口或耳后隱蔽切口手術(shù)，避免了下唇切開或下頜骨劈開及頸部橫切口，避免嚴(yán)重術(shù)后瘢痕，明顯提高美學(xué)效果；②機(jī)器人手術(shù)減少氣管切開的可能，術(shù)后愈合快，更早地接受輔助治療；③手術(shù)機(jī)器人可提供放大的高清圖像，避免傳統(tǒng)開放式手術(shù)對于精細(xì)結(jié)構(gòu)如神經(jīng)、血管、淋巴管等組織的損傷，減少術(shù)后并發(fā)癥；④術(shù)中出血量少，術(shù)后恢復(fù)快，縮短平均住院日；⑤術(shù)后功能恢復(fù)好，生活質(zhì)量高。2）提高手術(shù)質(zhì)量：在狹窄的空間內(nèi)手術(shù)機(jī)器人具有高分辨率的三維視野，操作更靈活，定位精確，同時可以濾除手部的震顫，保證手術(shù)的安全性和高效性。3）符合人體工程學(xué)，降低勞動強(qiáng)度。

目前應(yīng)用到臨床的手術(shù)機(jī)器人，體積龐大、花費(fèi)高昂，并且大多沒有考慮力覺反饋的問題，成為了約束機(jī)器人手術(shù)發(fā)展的一個瓶頸。手術(shù)機(jī)器人在顱頜面外科中的應(yīng)用尚存在如下的問題[22-23,31,33-35]。1）顱頜面手術(shù)常同時涉及軟組織和骨組織，目前并沒有專門的手術(shù)機(jī)器人和器械可適用于顱頜面外科所有手術(shù)，尤其是涉及到顱底區(qū)的惡性腫瘤；2）機(jī)器人手術(shù)微創(chuàng)化的需要，切口距離病變位置較遠(yuǎn)，制備較長的皮瓣可導(dǎo)致手術(shù)時間的延長及皮瓣的缺血壞死；3）機(jī)器人手術(shù)在顱頜面外科尤其是腫瘤外科、整復(fù)外科中，由于相關(guān)手術(shù)器械的缺乏、微創(chuàng)切口導(dǎo)致操作空間的狹窄及其最重要缺陷——觸覺反饋的缺失可能會造成腫瘤破裂種植、頸內(nèi)動脈損傷、組織撕裂及灼傷的風(fēng)險，尤其在缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的情況下。機(jī)器人手術(shù)的臨床應(yīng)用目前仍屬于起步階段，還有很長的路要走，伴隨科技的進(jìn)步及研究的深入，適用于顱頜面外科的專科機(jī)器人及相關(guān)的器械、基于力覺反饋的模擬和遠(yuǎn)程手術(shù)將是未來的研究和發(fā)展方向，顱頜面外科手術(shù)也將更加微創(chuàng)、精準(zhǔn)。

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（本文編輯 李彩）

Application and development of surgical robot systems in craniomaxillofacial surgery

Zhu Jianhua, Guo Chuanbin.
(Dept. of Oral and Maxillofacial Surgery, Peking University School and Hospital of Stomatology, Beijing 100081, China)

Supported by: The National High Technology Research and Development Program of China (2012AA041606). Correspondence: Guo Chuanbin, E-mail: guodazuo@sina.com.

Traditional craniomaxillofacial surgery significantly affects aesthetic appreciation. In contrast to traditional methods, robot-assisted surgery has been extensively investigated because it is microinvasive, precise, and safe. With robotassisted surgery, operational vision and manipulation space become extended. As a result, operational quality and patient’s postoperative life are improved. This article reviewed the development of surgical robot systems and their applications in craniomaxillofacial surgery.

robot; craniomaxillofacial surgery; minimally invasive surgery

R 782

A [doi] 10.7518/hxkq.2016.05.021

2016-02-16；

2016-06-10

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)（2012AA041606）

朱建華，住院醫(yī)師，博士，E-mail：zjhsd8811@163.com

郭傳瑸，教授，博士，E-mail：guodazuo@sina.com