扶鏡機(jī)器人在腔鏡手術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)展及發(fā)展分析

萬(wàn)廣英,鄒振亞,董康迪,周曉陽(yáng),段紅香,張曼曼,茅金寶

(1.山東第一醫(yī)科大學(xué)附屬省立醫(yī)院麻醉手術(shù)科一部,山東 濟(jì)南,250021;2.山東第一醫(yī)科大學(xué)附屬省立醫(yī)院胃腸外科)

微創(chuàng)一直以來(lái)是外科手術(shù)發(fā)展的主要方向及外科醫(yī)生追求的目標(biāo),目前腔鏡手術(shù)仍是我國(guó)主要的手術(shù)方式。標(biāo)準(zhǔn)的腔鏡手術(shù)團(tuán)隊(duì)由主刀外科醫(yī)生、扶鏡手、洗手護(hù)士、巡回護(hù)士組成[1]。扶鏡手一般由低年資醫(yī)生或醫(yī)學(xué)生擔(dān)任,有時(shí)洗手護(hù)士也會(huì)擔(dān)任此角色[2]。為了給主刀醫(yī)生提供最佳手術(shù)視角,扶鏡手通常處于不利的位置,因此會(huì)違背扶鏡手的人體工程學(xué),從而導(dǎo)致助手出現(xiàn)頸肩、腰背部疼痛等勞損[3]。此外,由于腔鏡手術(shù)時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)于扶鏡手的體力與耐力也是一種考驗(yàn),從而導(dǎo)致鏡頭在手術(shù)過(guò)程中出現(xiàn)碰撞、不自覺(jué)移位等現(xiàn)象[4]。為解決這一問(wèn)題,扶鏡機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。雖然達(dá)芬奇機(jī)器人手術(shù)具備更高的穩(wěn)定性,但因缺乏力學(xué)反饋及昂貴的價(jià)格,目前尚未實(shí)現(xiàn)全面的臨床應(yīng)用[5]。扶鏡機(jī)器人因較短的學(xué)習(xí)曲線、節(jié)省的費(fèi)用、優(yōu)異的效果等優(yōu)勢(shì)得到國(guó)外學(xué)者的廣泛應(yīng)用。本文現(xiàn)對(duì)扶鏡機(jī)器人在腔鏡手術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)與分析,并為其發(fā)展提供借鑒與指導(dǎo)。

1 扶鏡機(jī)器人的起源與發(fā)展

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)工程的發(fā)展,腔鏡手術(shù)中鏡頭震顫、視野不穩(wěn)定等問(wèn)題逐漸得到解決。相機(jī)支架最初分為被動(dòng)與主動(dòng)相機(jī)支架。被動(dòng)相機(jī)支架是由數(shù)個(gè)金屬桿、關(guān)節(jié)連接組成,尖端有一個(gè)固定內(nèi)鏡的夾子。使用時(shí)術(shù)者將其安裝在手術(shù)床導(dǎo)軌上,通過(guò)手動(dòng)移動(dòng)支架將其固定在合適位置。主動(dòng)相機(jī)支架的關(guān)節(jié)則是由電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),目前存在多種控制方式,如語(yǔ)音、紅外線、圖像引導(dǎo)等。研究證實(shí),與被動(dòng)相機(jī)支架相比,主動(dòng)相機(jī)支架可改善術(shù)中操作任務(wù),并且不會(huì)增加手術(shù)時(shí)間,因此主動(dòng)相機(jī)支架更具備臨床優(yōu)勢(shì)[6-7]。AESOPTM是美國(guó)Computer Motion公司的產(chǎn)品,也是第一個(gè)被美國(guó)食品藥品管理局批準(zhǔn)用于輔助手術(shù)的扶鏡機(jī)器人[8],成為眾多手術(shù)機(jī)器人的前身。起初AESOPTM系統(tǒng)是通過(guò)手或腳遙控使用[9],1996年第二代AESOPTM系統(tǒng)置入了聲卡,升級(jí)為語(yǔ)音控制。1998年完成第一例腔鏡膽囊切除術(shù)。截至2002年,全世界使用AESOPTM已完成175 000例手術(shù)。2003年美國(guó)Computer Motion公司與生產(chǎn)達(dá)芬奇機(jī)器人的Intuitive Surgical公司合并,隨后達(dá)芬奇機(jī)器人幾乎壟斷了全球的市場(chǎng),扶鏡機(jī)器人也因此未完全融入到市場(chǎng)與臨床中[10]。機(jī)器人手術(shù)因缺乏力學(xué)反饋及高昂的價(jià)格限制了其發(fā)展、應(yīng)用,于是近年扶鏡機(jī)器人又重新引起了關(guān)注,并逐漸應(yīng)用于各類腔鏡手術(shù)中,如膽囊切除、腹股溝疝修補(bǔ)、前列腺切除等手術(shù),均取得較好的效果。

2 扶鏡機(jī)器人的控制模式及特點(diǎn)

扶鏡機(jī)器人產(chǎn)品包括多種,如FreeHandTM、EndoAssistTM、SoloassistTM、VikyTM、AESOPTM、AutoLapTM等[1,11-17]。不同的產(chǎn)品具備不同的控制模式：(1)紅外線控制模式。EndoAssistTM與FreeHandTM使用紅外線控制方式,EndoAssistTM術(shù)中需將機(jī)器人推至術(shù)者對(duì)側(cè)床旁。術(shù)者頭上佩戴一個(gè)紅外線發(fā)射裝置,在屏幕上放置紅外線傳感器,以接收醫(yī)生的動(dòng)作,術(shù)者按下腳踏開關(guān)則可做出平移、傾斜、變焦等動(dòng)作。此外,EndoAssistTM有一個(gè)力傳感器作為安全保護(hù)功能,如果術(shù)中遇到過(guò)大的阻力會(huì)立刻暫停設(shè)備。FreeHandTM比EndoAssistTM使用更方便,FreeHandTM體積相對(duì)較小,可固定在手術(shù)床兩側(cè)的導(dǎo)軌上,術(shù)者佩戴紅外線傳輸耳機(jī)進(jìn)行信號(hào)傳輸。(2)語(yǔ)音控制模式。AESOPTM與VikyTM系統(tǒng)使用此控制模式,Wagner等[15]的研究對(duì)比了AESOPTM與EndoAssistTM兩種控制模式的機(jī)器人,結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種控制模式在腔鏡手術(shù)中的效果差異并無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,但AESOPTM在執(zhí)行速度方面遜色于EndoAssistTM,原因是AESOPTM在運(yùn)行過(guò)程中容易出現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別錯(cuò)誤。VikyTM不僅解決了語(yǔ)音識(shí)別錯(cuò)誤的問(wèn)題,而且體積更小、使用更便捷。(3)操縱桿控制模式。操縱桿控制模式則是術(shù)者通過(guò)點(diǎn)擊小型無(wú)菌控制器上的按鍵,以控制鏡頭的上下左右與進(jìn)退,如SoloassistTM。此控制模式的機(jī)器人為液壓驅(qū)動(dòng),體型小,可固定在手術(shù)床導(dǎo)軌上。(4)圖像引導(dǎo)控制模式。此控制模式的扶鏡機(jī)器人于2018年投入臨床使用,圖像引導(dǎo)即術(shù)者通過(guò)點(diǎn)擊小型無(wú)菌控制器上的按鍵,設(shè)備自動(dòng)定位所使用器械的尖端,對(duì)器械進(jìn)行跟蹤然后定位至術(shù)野。此類控制模式扶鏡機(jī)器人的典型代表是AutoLapTM,但因AutoLapTM的支架構(gòu)造是平行四邊形,從而限制了相機(jī)的活動(dòng)范圍。

目前,扶鏡機(jī)器人有多種,隨著技術(shù)的更新迭代,其性能與智能化水平也在不斷提升。扶鏡機(jī)器人產(chǎn)品應(yīng)根據(jù)手術(shù)類型、個(gè)人愛(ài)好選擇,如結(jié)腸手術(shù)應(yīng)避免選擇平行四邊形支架設(shè)計(jì)(如AutoLapTM),而是選擇手臂活動(dòng)范圍較大的扶鏡機(jī)器人,以減少術(shù)中重新定位的次數(shù)[18]。目前扶鏡機(jī)器人正在逐漸淘汰傳統(tǒng)的大型臺(tái)式機(jī),市場(chǎng)上更多的是可固定在手術(shù)臺(tái)導(dǎo)軌的機(jī)器,具備方便安裝且節(jié)約手術(shù)空間的優(yōu)勢(shì)。紅外線、語(yǔ)音控制、操縱桿及圖像引導(dǎo)模式的扶鏡機(jī)器人在使用性能方面并無(wú)太大差異,術(shù)者可根據(jù)自己喜好及實(shí)際情況選擇。

3 扶鏡機(jī)器人在腔鏡手術(shù)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.1 良好的安全性 扶鏡機(jī)器人在臨床上使用的前提是必須具備足夠的安全性,對(duì)此研究者們相繼驗(yàn)證了扶鏡機(jī)器人的安全性。Kim等[19]在一項(xiàng)回顧性研究中分析了扶鏡機(jī)器人在腔鏡結(jié)腸癌根治術(shù)中的安全性與短期轉(zhuǎn)歸(住院時(shí)間、出血量、中轉(zhuǎn)開腹率、排氣時(shí)間、進(jìn)食時(shí)間、并發(fā)癥發(fā)生率),結(jié)果顯示,與傳統(tǒng)人工扶鏡相比,兩種方式差異并無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。其他研究者也同樣證實(shí)了扶鏡機(jī)器人在腔鏡手術(shù)中的安全性[1,20]。此外,扶鏡機(jī)器人在腔鏡甲狀腺手術(shù)等空間狹小、操作精細(xì)的手術(shù)中也是安全、可行的,術(shù)后均無(wú)嚴(yán)重并發(fā)癥發(fā)生[21]。

3.2 提高鏡頭穩(wěn)定性 傳統(tǒng)的腔鏡手術(shù)中,扶鏡手需要快速地遵循術(shù)者指示,并且提前預(yù)判術(shù)者的需求,從而進(jìn)行操作[22]。扶鏡手的人員構(gòu)成也比較復(fù)雜,如醫(yī)學(xué)生、住院醫(yī)生。因此,在傳統(tǒng)腔鏡手術(shù)中助手的經(jīng)驗(yàn)差異也會(huì)影響鏡頭的穩(wěn)定程度[23]。此外,由于部分手術(shù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),對(duì)扶鏡手的體力、耐力也是一種考驗(yàn),會(huì)影響鏡頭的穩(wěn)定性。扶鏡機(jī)器人將鏡頭的控制權(quán)交給術(shù)者,減少了以上因素對(duì)腔鏡手術(shù)畫面穩(wěn)定性的影響,提升了手術(shù)效率。研究證實(shí),扶鏡機(jī)器人可減少術(shù)中鏡頭的錯(cuò)誤移動(dòng)次數(shù)、清洗次數(shù),也避免了主刀醫(yī)師手術(shù)意圖與扶鏡手之間響應(yīng)的誤差,達(dá)到了“人機(jī)合一”,從而提高了響應(yīng)速度。Stolzenburg等[13]的隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)中,研究者將50例前列腺癌癥患者隨機(jī)分配至人類助手與扶鏡機(jī)器人組中,比較兩組清洗鏡頭與鏡頭移動(dòng)錯(cuò)誤的次數(shù),結(jié)果顯示,實(shí)驗(yàn)組清洗次數(shù)[(3.8±2.3)vs.(5±1.3),P=0.005]、移動(dòng)錯(cuò)誤次數(shù)[(3.7±1.5)vs.(7.5±4.3),P<0.001]均少于對(duì)照組。其他多項(xiàng)研究結(jié)果也與其保持一致[24-25],此外,Holl?nder等[26]在一項(xiàng)1 033例手術(shù)的大型研究中報(bào)道,術(shù)者因?yàn)榉鲧R機(jī)器人具備更穩(wěn)定的圖像、更佳的自控能力,更偏愛(ài)機(jī)器人而非人類助手扶鏡。

3.3 改善助手人體工程學(xué) 腔鏡手術(shù)中,扶鏡是一項(xiàng)不符合人體工程學(xué)的任務(wù),尤其扶鏡手位于中心工作軸之外時(shí),會(huì)引起背部的扭轉(zhuǎn)及腿、肩部受力不對(duì)稱的現(xiàn)象[27-28]。扶鏡機(jī)器人的出現(xiàn)幫助手術(shù)助手改善了人體工程學(xué),Wijsman等[3]將30例腹腔鏡手術(shù)患者納入研究,隨機(jī)分為試驗(yàn)組(使用AutoLapTM扶鏡機(jī)器人)與對(duì)照組(使用傳統(tǒng)扶鏡手),在術(shù)中的預(yù)定步驟對(duì)外科醫(yī)生與助手的姿勢(shì)進(jìn)行拍照,使用快速上肢評(píng)估量表評(píng)估人體工程學(xué)評(píng)分,采用主觀問(wèn)卷對(duì)不適程度進(jìn)行評(píng)分。結(jié)果顯示,實(shí)驗(yàn)組助手與醫(yī)生的快速上肢評(píng)估量表評(píng)分均低于對(duì)照組,且助手的快速上肢評(píng)估量表評(píng)分差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[(2.55±0.54)vs.(3.69±0.57),P=0.001)];此外,試驗(yàn)組助手的精神與身體不適評(píng)分均低于對(duì)照組。一項(xiàng)研究[26]調(diào)查了使用FreeHandTM的30家醫(yī)院的43名外科醫(yī)生對(duì)此系統(tǒng)的評(píng)價(jià),其中人機(jī)的工程學(xué)一項(xiàng)被評(píng)為“良好”。由此可見,使用扶鏡機(jī)器人可在很大程度上改善助手的人體工程學(xué)。

3.4 改善術(shù)者體驗(yàn) Wijsman等[1]采用李克特量表(1～7分,得分越低滿意度越高)對(duì)使用扶鏡機(jī)器人的醫(yī)生進(jìn)行滿意度測(cè)試。結(jié)果顯示,得分為2.62分,術(shù)者一致認(rèn)為此系統(tǒng)使用方便(2.70分)、易于學(xué)習(xí)(2.30分)、使用簡(jiǎn)單(2.50分)、舒適(2.10分),可提升手術(shù)的整體效率。Gillen等[12]同樣采取李克特量表進(jìn)行評(píng)估,在滿意度、操作與手術(shù)質(zhì)量方面術(shù)者均給出了較高的評(píng)價(jià)。褚亮等[21]研究了扶鏡機(jī)器人在腔鏡甲狀腺手術(shù)中的應(yīng)用,并調(diào)查了術(shù)者使用的主觀感受(包括視野疲勞度、視野精準(zhǔn)度、視野穩(wěn)定性、術(shù)中操作感),結(jié)果顯示扶鏡機(jī)器人在視野穩(wěn)定性與精準(zhǔn)度方面優(yōu)于對(duì)照組[(4.7±0.5) vs. (4.0±0.5),P<0.05;(4.6±0.5) vs. (3.8±0.6),P<0.05]。在Holl?nder的調(diào)查中[26],主刀醫(yī)生一致認(rèn)為扶鏡手的角色開始變得“多余”,助手不再受拿相機(jī)的限制,可轉(zhuǎn)為協(xié)助手術(shù),從而使復(fù)雜手術(shù)變得高效,減輕了術(shù)者的主觀手術(shù)壓力。

3.5 降低成本 達(dá)芬奇機(jī)器人手術(shù)雖然具備較高的精確度并已在全球得到廣泛開展,但其價(jià)格昂貴,給醫(yī)療機(jī)構(gòu)及患者帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。扶鏡機(jī)器人在手術(shù)中取代扶鏡手的位置,可縮減手術(shù)團(tuán)隊(duì)的規(guī)模,在一定程度上節(jié)省人力成本[1]。Kraft等[14]發(fā)現(xiàn),每天使用一次扶鏡機(jī)器人則每年可為扶鏡手節(jié)省400 h。此外,Stott等[20]的研究證實(shí),使用FreeHand扶鏡機(jī)器人進(jìn)行腹腔鏡肝臟切除術(shù)時(shí),相較使用實(shí)習(xí)生、護(hù)理人員扶鏡可節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本。最后,在新冠肺炎的流行時(shí)期,扶鏡機(jī)器人的使用可減少手術(shù)團(tuán)隊(duì)人數(shù)及院內(nèi)聚集性感染[29]。

4 扶鏡機(jī)器人在腔鏡手術(shù)應(yīng)用中的不足

4.1 手術(shù)時(shí)間 扶鏡機(jī)器人是否比傳統(tǒng)腔鏡手術(shù)花費(fèi)更多的時(shí)間仍存在爭(zhēng)議[14,30]。通過(guò)對(duì)已有文獻(xiàn)的研究,手術(shù)時(shí)間長(zhǎng)這一現(xiàn)象可歸因于術(shù)者對(duì)機(jī)器人不熟練的使用與安裝。術(shù)者需足夠了解且熟悉扶鏡機(jī)器人的使用技術(shù);有研究顯示,扶鏡機(jī)器人學(xué)習(xí)曲線較短,術(shù)者僅需進(jìn)行三次操作就可具備使用機(jī)器人的能力[31]。扶鏡機(jī)器人雖不像全機(jī)器人一樣需要長(zhǎng)時(shí)間的安裝與準(zhǔn)備時(shí)間,但仍需要在合適位置正確安裝在手術(shù)臺(tái)導(dǎo)軌上,尤其為保持手術(shù)無(wú)菌程度進(jìn)行無(wú)菌套袋覆蓋時(shí),需要巡回護(hù)士與醫(yī)生的熟練鋪置與配合。研究表明,經(jīng)驗(yàn)豐富的手術(shù)團(tuán)隊(duì),其安裝與使用時(shí)間會(huì)大大縮短[26]。因此,在使用扶鏡機(jī)器人前應(yīng)對(duì)術(shù)者進(jìn)行統(tǒng)一培訓(xùn),以確保術(shù)者對(duì)機(jī)器人程序的熟悉及使用的安全性。

4.2 機(jī)器人故障 扶鏡機(jī)器人并未報(bào)道存在重大的不良事件,但仍存在一些小故障,如鏡頭的意外移動(dòng)、語(yǔ)音識(shí)別的失誤,這些失誤均會(huì)導(dǎo)致手術(shù)暫停、手術(shù)時(shí)間延長(zhǎng)。雖然在扶鏡機(jī)器人的配合下,術(shù)者可單獨(dú)完成較為簡(jiǎn)單的手術(shù)(如疝修補(bǔ)術(shù)、膽囊切除術(shù))[10],但出現(xiàn)機(jī)器失誤需重新定位系統(tǒng)時(shí),則需要巡回護(hù)士或臺(tái)下助手予以幫助[1]。因此,應(yīng)選擇最適合手術(shù)類型的扶鏡機(jī)器人,且使用前應(yīng)將其牢固地固定在手術(shù)床兩側(cè)或?qū)к壣?避免術(shù)中磕碰引起位移。

5 小結(jié)與展望

隨著腔鏡手術(shù)的發(fā)展,扶鏡手及鏡頭穩(wěn)定性問(wèn)題逐漸引起關(guān)注。扶鏡機(jī)器人作為時(shí)代的產(chǎn)物,引發(fā)了科研人員的興趣。該設(shè)備具備良好的安全性,運(yùn)行中能保證鏡頭的穩(wěn)定,改善扶鏡手的人體工程學(xué)及術(shù)者的體驗(yàn),并降低成本。但目前扶鏡機(jī)器人仍處在不斷更新階段,需要進(jìn)一步的研究證實(shí)最佳控制模式,研制出更輕便、活動(dòng)范圍更大的產(chǎn)品。此外,扶鏡機(jī)器人可進(jìn)一步結(jié)合人工智能技術(shù),進(jìn)行深度學(xué)習(xí),從而精準(zhǔn)識(shí)別術(shù)中組織,最大程度減少術(shù)中失誤。