機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展、應(yīng)用與未來

■ 文/王國民

王國民，教授、博士生導(dǎo)師，復(fù)旦大學(xué)泌尿外科研究所顧問。曾任復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院常務(wù)副院長(zhǎng)，中山醫(yī)院副院長(zhǎng)、泌尿外科主任等職務(wù)。2016年獲達(dá)·芬奇機(jī)器人杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)、中國達(dá)·芬奇機(jī)器人奠基人榮譽(yù)。

未來的外科手術(shù)發(fā)展，一方面要發(fā)揮人的智慧，要變革和創(chuàng)新，另一方面也要借助于各種高科技，包括外科機(jī)器人、人工智能。

20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展促進(jìn)了醫(yī)學(xué)的巨大進(jìn)步，它使醫(yī)學(xué)技術(shù)取得了許多革命性的創(chuàng)新成果。在微創(chuàng)外科領(lǐng)域，機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“外科機(jī)器人”）已被引入外科手術(shù)的各專科，它的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和手術(shù)效果有目共睹，使外科手術(shù)跨入了一個(gè)完全嶄新的時(shí)代。它不僅是當(dāng)今醫(yī)學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，更是人類智慧與文明的豐富表現(xiàn)。

外科機(jī)器人的發(fā)生及發(fā)展

外科機(jī)器人的研發(fā)源于人們實(shí)際需要，比如，如何為前線戰(zhàn)士及航空母艦、潛水艇、航天空間站、月球基地上的人員手術(shù)，如何讓技術(shù)高超、富有經(jīng)驗(yàn)的外科醫(yī)生為異地患者手術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療，等等。研究人員先后研制了一代代外科機(jī)器人試圖解決以上的問題，實(shí)現(xiàn)人類的機(jī)器人手術(shù)“夢(mèng)”。

1994年，美國Computer Motion公司首先推出“伊索”（AESOP）外科機(jī)器人裝置，這是美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)的第一臺(tái)外科機(jī)器人裝置。該機(jī)器人裝置引入了視覺技術(shù)、語言控制技術(shù)等先進(jìn)科技，單個(gè)機(jī)械臂具有6個(gè)自由度，可用于手術(shù)中扶持腹腔鏡。扶持腹腔鏡得到的圖像比經(jīng)驗(yàn)豐富的助手更加精確、穩(wěn)定，可使手術(shù)者的思維與視野高度統(tǒng)一，減少與助手不同思維的干擾，使腹腔鏡手術(shù)更精細(xì)和安全。1997年，筆者在美國約翰·霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)中心做訪問學(xué)者期間，曾經(jīng)參加了“伊索”外科機(jī)器人的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床觀察，2001年國內(nèi)率先引進(jìn)“伊索”外科機(jī)器人輔助腹腔鏡泌尿外科手術(shù)。之后，該公司又推出結(jié)合“伊索”技術(shù)，擁有3個(gè)機(jī)械臂，7個(gè)自由度，并支持遠(yuǎn)程手術(shù)的“宙斯”（ZEUS）機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)。2001年9月7日，美國紐約的外科醫(yī)生利用該機(jī)器人裝置為遠(yuǎn)在6 320千米外的法國斯特拉斯堡患者成功實(shí)施了一臺(tái)膽囊切除術(shù)。這是迄今世界上唯一一次利用外科機(jī)器人完成的遠(yuǎn)程手術(shù)。

目前全世界使用最多的外科機(jī)器人是達(dá)·芬奇（da Vinic）機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)，它由美國Intuitive Surgical公司于1998年12月研制成功，2000年7月11日經(jīng)美國FDA批準(zhǔn)上市。至今，該公司已推出四代商業(yè)化產(chǎn)品，分別是第一代（1999年）達(dá)·芬奇標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)機(jī)器人；第二代（2006年）達(dá)·芬奇機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)S（da Vinci S）；第三代（2009年）達(dá)·芬奇機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)Si（da Vinci Si）以及第四代（2014年）達(dá)·芬奇機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)Xi（da Vinci Xi）。達(dá)·芬奇機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，即外科醫(yī)生控制臺(tái)、床旁機(jī)械臂系統(tǒng)和成像系統(tǒng)。控制臺(tái)與手術(shù)臺(tái)的距離為2～3米或更遠(yuǎn)，機(jī)械臂系統(tǒng)包括3個(gè)機(jī)械臂和1個(gè)攝影臂，手術(shù)時(shí)根據(jù)需要可以選用2或3個(gè)機(jī)械臂，用于插入各種特制的手術(shù)器械。三個(gè)部分的組件由數(shù)據(jù)傳輸光纜連接成一體，實(shí)現(xiàn)其完整的操作功能。手術(shù)進(jìn)行時(shí)，除主刀醫(yī)師外，僅需床旁助手、洗手護(hù)士和巡回護(hù)士各一名協(xié)助完成手術(shù)。

外科機(jī)器人設(shè)備優(yōu)勢(shì)明顯。首先，三維高清手術(shù)視野可將圖像放大10～15倍，使圖像更清晰，組織定位和器械操作更準(zhǔn)確；其次，攜帶手術(shù)器械的Endowrist仿人手腕具有7個(gè)自由度及540°旋轉(zhuǎn)，能識(shí)別和過濾手顫抖信號(hào)；最后，機(jī)器人還有合理的人體工程力學(xué)設(shè)計(jì)的控制臺(tái)。此外，達(dá)·芬奇機(jī)器人Si和Xi除了具有三維超高清手術(shù)視野、更高的分辨率、設(shè)計(jì)新穎的操控界面外，還具備雙控制臺(tái)的功能，可將攝影鏡安裝在任何一個(gè)機(jī)械臂上，同時(shí)支持單孔手術(shù)、熒光顯影等。因此，該系統(tǒng)的手術(shù)器械完全可以達(dá)到人手的靈活度和準(zhǔn)確度，并能進(jìn)行人手不能觸及的狹小空間的精細(xì)手術(shù)操作。該系統(tǒng)使手術(shù)醫(yī)生學(xué)習(xí)曲線縮短，疲勞減輕，手術(shù)更安全。

外科手術(shù)的發(fā)展歷程

外科手術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段，也有人稱之為三個(gè)時(shí)代。

第一代：開放性手術(shù)時(shí)代。從19世紀(jì)有外科手術(shù)開始到現(xiàn)代的開放性手術(shù)，已有100多年歷史。人們?cè)媾R手術(shù)帶來的疼痛、感染、出血和手術(shù)后休克等醫(yī)學(xué)問題，現(xiàn)在全都得到了相應(yīng)的解決，并有了麻醉、消毒滅菌、顯微外科技術(shù)、器官移植、關(guān)節(jié)置換、各種內(nèi)鏡的微創(chuàng)技術(shù)等突出的成就。

第二代：微創(chuàng)手術(shù)時(shí)代。以腹腔鏡手術(shù)為代表的各種內(nèi)鏡手術(shù)在多學(xué)科進(jìn)入臨床應(yīng)用。尤其是1985年德國人梅希芝·米厄（Erich Muhe）、1987年法國醫(yī)生菲利普·穆雷（Philippe Mouret）、1988年法國醫(yī)生弗朗索瓦·杜波依斯（Francois Dubois）等相繼完成了腹腔鏡膽囊切除術(shù)，一舉震驚了世界外科學(xué)界。腹腔鏡不再單純用來做檢查，而能夠?qū)⒉∽兘M織切除，從而開創(chuàng)了外科手術(shù)的新歷程。外科手術(shù)從很長(zhǎng)的切口演變成腹腔鏡的小孔（3～4個(gè)），或單孔就可以進(jìn)入腹腔做手術(shù)，甚至無須切開皮膚，僅利用人體本身的自然腔道（如食管、氣管、尿道、陰道等）就能進(jìn)行手術(shù)。隨之，微創(chuàng)外科的概念也產(chǎn)生并完善，其技術(shù)在普通外科、泌尿外科、婦科、胸外科及小兒外科等領(lǐng)域迅速傳播和發(fā)展，成績(jī)斐然。人們認(rèn)為微創(chuàng)手術(shù)是繼外科學(xué)史上麻醉、消毒滅菌、臨床營養(yǎng)治療、器官移植后的一個(gè)里程碑。

第三代：機(jī)器人外科時(shí)代。20世紀(jì)90年代，外科機(jī)器人研制成功并應(yīng)用于臨床，很快被外科各專科的醫(yī)生所接受并受到患者的青睞。2009年10月，在美國芝加哥召開的首屆國際機(jī)器人大會(huì)宣布機(jī)器人外科時(shí)代的到來。外科機(jī)器人技術(shù)被認(rèn)為是外科手術(shù)的未來發(fā)展方向，它是人類醫(yī)學(xué)外科學(xué)史上的又一個(gè)里程碑。

外科機(jī)器人的臨床應(yīng)用

至2017年6月底，達(dá)·芬奇機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)的全球裝機(jī)已達(dá)4 149臺(tái)，其中美國2 703臺(tái)、歐洲698臺(tái)、亞洲538臺(tái)，其他地區(qū)210臺(tái)。至2017年12月，我國裝機(jī)量為69臺(tái)，主要分布在北京、上海及各省主要城市的部分三甲醫(yī)院。2016年全球達(dá)·芬奇機(jī)器人的年手術(shù)量超過70萬例，比2015年增長(zhǎng)15%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，至2017年6月底，我國完成達(dá)·芬奇機(jī)器人手術(shù)共53 101例，其中泌尿外科23 432例，普通外科14 636例，胸外科6 263例，婦科5 972例。

●在泌尿外科領(lǐng)域中的應(yīng)用

泌尿外科采用外科機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)比較早，也更加普遍，主要用于前列腺癌根治術(shù)、腎部分切除術(shù)、腎癌根治術(shù)、腎盂輸尿管整形術(shù)、輸尿管膀胱再植術(shù)、全膀胱切除術(shù)和腎上腺腫瘤切除術(shù)等。自2000年由德國醫(yī)生葉切·賓德爾（Jechen Binder）完成世界上第一例機(jī)器人輔助根治性前列腺切除術(shù)后，外科機(jī)器人在前列腺癌根治術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)越來越成熟，已被認(rèn)為是前列腺癌手術(shù)的“金標(biāo)準(zhǔn)”。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在美國，85%的前列腺癌患者采用外科機(jī)器人輔助根治性前列腺切除（RARP）。RARP與傳統(tǒng)腹腔鏡手術(shù)比較，手術(shù)時(shí)間和術(shù)后住院天數(shù)的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)的意義，但它具有術(shù)中出血量少、并發(fā)癥少、手術(shù)切緣陽性率低、中轉(zhuǎn)開放手術(shù)率低、患者術(shù)后控尿能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。2004年，美國學(xué)者馬修·格特曼（Matthew Gettman）等首次報(bào)道應(yīng)用達(dá)·芬奇機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)完成腎部分切除術(shù)。其結(jié)果表明，機(jī)器人可變的腕關(guān)節(jié)活動(dòng)可有效地切除腎腫瘤，并進(jìn)行精確的腎重建，整個(gè)手術(shù)過程的熱缺血時(shí)間低于30分鐘。同時(shí)，達(dá)·芬奇機(jī)器人在縫合技術(shù)方面優(yōu)勢(shì)十分明顯。2003年，美國亨利福特醫(yī)院的摩尼·梅農(nóng)（Mani Menon）等首次報(bào)道應(yīng)用達(dá)·芬奇機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)輔助全膀胱切除和尿路改道手術(shù)。筆者所在的復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院泌尿外科團(tuán)隊(duì)從2009年7月至今采用達(dá)·芬奇外科機(jī)器人已完成各類手術(shù)超過1 600例，手術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，療效優(yōu)良。

●在普通外科領(lǐng)域中的應(yīng)用

普通外科包括肝膽胰外科、胃腸外科、結(jié)直腸外科等。目前，采用外科機(jī)器人的主要手術(shù)有肝葉切除術(shù)、胰體尾切除術(shù)、胃癌根治術(shù)、胃折疊術(shù)等減肥手術(shù)、結(jié)直腸癌根治術(shù)，也用于胰十二指腸切除術(shù)、胰中段切除、胃短流術(shù)以及食管裂孔疝修補(bǔ)術(shù)。

自1998年由比利時(shí)醫(yī)生雅克·希彭斯（Jacques Himpens）完成首例機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)膽囊切除術(shù)后，國內(nèi)外在膽囊切除術(shù)方面積累了大量的臨床實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

在肝外科手術(shù)中已有多篇利用外科機(jī)器人進(jìn)行肝葉切除的報(bào)道。瓦西·塞爾邦（Vasile Serban）等人認(rèn)為，外科機(jī)器人可以安全有效地應(yīng)用于肝左葉切除治療各種肝良性、惡性腫瘤和肝腫塊的局部切除。臨床結(jié)果表明，利用外科機(jī)器人進(jìn)行肝外科手術(shù)可以使操作更加精細(xì)，術(shù)中出血量少，術(shù)后住院天數(shù)減少，對(duì)肝硬化患者進(jìn)行肝切除也較安全。但是，手術(shù)時(shí)間較長(zhǎng)，可能與術(shù)者早期操作相對(duì)不熟練有關(guān)。在手術(shù)操作過程中，利用術(shù)中超聲可以準(zhǔn)確地判斷病變范圍、位置及其與主要血管的關(guān)系，有利于提高肝葉切除的準(zhǔn)確性、安全性。關(guān)于半肝切除等復(fù)雜肝臟手術(shù)的報(bào)道較少，對(duì)肝惡性病變切除的長(zhǎng)期預(yù)后的研究尚缺乏臨床大樣本的隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由于胰腺解剖位置較深，且毗鄰多有重要的血管分布，以及術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率較高，傳統(tǒng)的腹腔鏡手術(shù)在胰腺外科發(fā)展緩慢，基本被認(rèn)為是“禁區(qū)”。2002年，美國蒙蒂菲奧里醫(yī)療中心的斯科特·梅爾文（Scott Melvin）等人首次將達(dá)·芬奇機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用于胰腺外科，揭開了機(jī)器人胰腺外科的序幕。目前，外科機(jī)器人技術(shù)幾乎涵蓋了所有的胰腺手術(shù)，并得到了專家的認(rèn)可。它可以克服傳統(tǒng)腹腔鏡技術(shù)的局限性，最大限度發(fā)揮微創(chuàng)的優(yōu)勢(shì)，在腹腔有限的空間中做到精細(xì)的解剖操作，并可以有效地控制術(shù)中出血，減少手術(shù)損傷。

2002年，日本九州醫(yī)學(xué)院橋爪誠（Makoto Hashizume）等人首次報(bào)道外科機(jī)器人胃癌根治術(shù)，適用于早期胃癌、部分局部進(jìn)展期胃癌。近期觀察結(jié)果表明，外科機(jī)器人手術(shù)與傳統(tǒng)腹腔鏡手術(shù)療效無明顯差異，但學(xué)習(xí)曲線更短，淋巴結(jié)清掃更多，消化道各種吻合方式均較腹腔鏡手術(shù)有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

●在婦科領(lǐng)域中的應(yīng)用

2005年，美國FDA批準(zhǔn)達(dá)·芬奇機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)可應(yīng)用于婦科手術(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，至2010年，美國95%的婦科腫瘤醫(yī)師所在醫(yī)療機(jī)構(gòu)都擁有該機(jī)器人。外科機(jī)器人已開展的手術(shù)有宮頸癌根治術(shù)、子宮內(nèi)膜癌根治術(shù)、卵巢癌根治術(shù)、子宮肌瘤剔除術(shù)以及子宮內(nèi)膜異位癥切除術(shù)、輸卵管狹窄切除再通術(shù)和骶骨陰道固定術(shù)等。在國內(nèi)，凡開展外科機(jī)器人婦科手術(shù)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)大多已開展以上的手術(shù)，并有論文發(fā)表。采用外科機(jī)器人手術(shù)對(duì)患者可以減少術(shù)中出血量、術(shù)后住院天數(shù)以及并發(fā)癥，使手術(shù)操作更加精準(zhǔn)，更為舒適。在開腹、腹腔鏡與外科機(jī)器人的手術(shù)比較，結(jié)果顯示，三者療效相當(dāng)或外科機(jī)器人手術(shù)更優(yōu)，手術(shù)者學(xué)習(xí)曲線縮短，比較容易掌握。

●在胸外科、心臟外科及其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

達(dá)·芬奇機(jī)器人可用于胸外科包括肺葉切除、食管癌根治術(shù)、縱隔腫瘤切除術(shù)等；在心臟外科包括二尖瓣修復(fù)/置換術(shù)、房缺修補(bǔ)，取乳內(nèi)動(dòng)脈術(shù)、心包腫瘤切除術(shù)、室缺修補(bǔ)術(shù)以及不停跳冠脈搭橋術(shù)等都有應(yīng)用。其他應(yīng)用領(lǐng)域包括小兒腎盂輸尿管連接處先天性狹窄整形術(shù)，成人經(jīng)腋下/乳暈下甲狀腺切除術(shù)等。

外科機(jī)器人的未來

未來的外科手術(shù)一方面要發(fā)揮人的智慧，要變革和創(chuàng)新，另一方面也要借助于各種高科技，包括外科機(jī)器人、人工智能。雖然達(dá)·芬奇機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)已進(jìn)入第三代（Si）和第四代（Xi），在硬件技術(shù)層面也有許多改進(jìn)和創(chuàng)新，但是與臨床的需要尚存在距離，國內(nèi)用戶普遍反映存在設(shè)備昂貴、缺乏力反饋信息傳遞、整個(gè)系統(tǒng)較龐大等問題。未來的外科機(jī)器人在視覺、操控和整合技術(shù)方面需要?jiǎng)?chuàng)新，比如視覺上在內(nèi)鏡前端配備顯微鏡、超聲血流探測(cè)儀、支持更多分子追蹤顯示技術(shù)，整合即時(shí)影像識(shí)別技術(shù)和三維影像信息；操控上除了多人同時(shí)/切換操控外，可以運(yùn)用遠(yuǎn)程操控；增加語音識(shí)別或人工智能輔助捕捉記錄主刀的操控動(dòng)作等。此外，還可以引入第三方技術(shù)包括術(shù)中放療、三維影像重建等。在手術(shù)方式上采用單孔途徑，尚需改進(jìn)更多的手術(shù)器械，提供可彎曲的內(nèi)鏡及器械，使操作過程中銳、鈍性分離、切割、結(jié)扎、電凝及縫合更加得心應(yīng)手。

綜上，外科機(jī)器人為外科手術(shù)發(fā)展提供了一個(gè)良好的平臺(tái)，使外科技術(shù)發(fā)生了新的飛躍，患者可以獲得精準(zhǔn)醫(yī)療的效果。我們期盼未來的外科機(jī)器人向小型化、智能化和遠(yuǎn)程化方向發(fā)展，更大地發(fā)揮外科機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)。面對(duì)外科機(jī)器人及人工智能的發(fā)展，我們要做的，就是把控好技術(shù)未來發(fā)展的方向，讓它造福于人類。