嵇 武綜述,李 寧,黎介壽審校

達芬奇手術機器人的應用進展

嵇 武綜述,李 寧,黎介壽審校

手術機器人在微創(chuàng)的基礎上,以前所未有之優(yōu)勢將手術的精度提升到了一個全新的高度。在國外已廣泛應用于心胸外科、泌尿外科、婦科和腹部外科等手術,國內也有數家醫(yī)院開始應用手術機器人,取得了良好的效果。一個以手術機器人為代表、以信息化處理為標志的新的外科手術時代即將來臨。本文系統(tǒng)介紹手術機器人的構成、技術特點和應用進展,探討存在的問題和發(fā)展方向。

手術機器人;腹腔鏡;微創(chuàng)外科

近年來興起的手術機器人技術在微創(chuàng)的基礎上,將手術的精度和可行性提升到了一個全新的高度,引起學術界的廣泛關注,甚至有人預言一個以手術機器人為代表、以信息化處理為標志的新的外科手術時代即將來臨[1-2]。目前,國外手術機器人已在心胸外科、泌尿外科、婦科和腹部外科等領域逐漸普及[3-6],國內也有數家醫(yī)療單位陸續(xù)引進代表當今手術機器人最高水平的達芬奇 (da Vinci)手術機器人,并迅速投入運用。

1 達芬奇手術機器人的構成與特點

達芬奇手術機器人由美國 Intuitive Surgical公司生產,目前國內購置的是第三代高清型 (da Vinci S),有三個部分組成:①手術醫(yī)師的操作主控臺。②機械臂、攝像臂和手術器械組成的移動平臺。③三維成像視頻影像平臺。實施手術時外科醫(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,機械手臂的前端安裝各種特殊的手術器械模擬外科醫(yī)生的技術動作,完成手術操作。達芬奇手術機器人除繼承了腹腔鏡手術微創(chuàng)的優(yōu)點外,其優(yōu)越性表現在[7-8]:手術器械上的關節(jié)具有多個活動自由度,更加靈活,拓展了手術人員的操作能力,提高手術精度;在手術中手術器械可濾除人手自然顫動;系統(tǒng)末端的手術器械具有牽引、切割、縫合等多種功能,能在狹小空間操作精細手術;高分辨率的三維圖像處理設備,便于外科醫(yī)生清晰精確地進行組織定位和器械操作;術者可采取坐姿進行手術操作,利于完成長時間、復雜的手術。

2 從外科手術的發(fā)展比較手術機器人的技術優(yōu)勢

18世紀 80年代,醫(yī)學先驅 Billroth打開了患者的腹腔,完成了人類歷史上首例腹部外科手術,這種傳統(tǒng)的開腹 (開胸)手術被稱為第一代外科手術,一直沿用至今。20世紀 80年代,以腹腔鏡技術為標志的微創(chuàng)手術取得突破性進展,在許多外科領域取代傳統(tǒng)手術,被稱為第二代外科手術。進入 21世紀,以 da Vinci為代表的手術機器人開發(fā)并迅速投入臨床應用,以其全新的理念和技術優(yōu)勢被認為是外科發(fā)展史上的又一次革命,也預示著第三代外科手術時代的來臨。三代外科手術技術特點的比較見表1。

2 手術機器人的臨床應用

2.1 心胸外科 開放式心胸外科手術需要開胸,分離胸骨,游離肋骨,在體外循環(huán)下完成,手術創(chuàng)傷大,手術風險高,術后恢復時間長。胸腔鏡已用于肺葉切除、冠狀動脈搭橋等心胸外科手術,這種微創(chuàng)的手術方法不用開胸,僅需在肋間作幾個小切口,就能完成手術操作,患者痛苦小,術后恢復快。但其適用范圍有限,無法完成一些解剖結構復雜的手術,因而開展并不普及。手術機器人最早于 1999年完成了首例冠狀動脈旁路移植術,2003年起用于各種心臟外科直視手術。它在不破壞胸廓完整性的前提下,能精準地完成手術操作,而且適應證范圍廣泛,幾乎涵蓋所有的心胸外科手術[9-11],如心臟外科的全腔內心臟搭橋、心臟不停跳取乳內動脈、二尖瓣成形、二尖瓣置換、房間隔缺損修補、三尖瓣成形、心臟腫瘤切除,胸外科的肺葉切除、食管癌切除、胸腺切除和食管失弛緩癥的治療等。其中,全腔內心臟搭橋手術和二尖瓣成形手術是手術機器人在心胸外科開展的代表手術。臨床應用表明手術機器人的手術安全性高,療效明顯好于開放式手術和胸腔鏡手術[12-13]。經過 10余年的發(fā)展,手術機器人在心胸外科應用已逐步成熟,但其技術要求高,實施難度大,目前在國際上僅有為數不多的心胸外科中心能夠常規(guī)開展。國內解放軍總醫(yī)院高長青等率先于2007年起應用 da Vinci手術機器人治療各種心胸外科疾病,至 2009年已完成 21種共 210余例手術[14],在該領域處于國際領先水平。

表1 三代外科手術技術特點的比較

2.2 泌尿外科 腹腔鏡技術被越來越廣泛地應用于泌尿外科手術,這一微創(chuàng)的手術方式適用于許多常規(guī)的泌尿外科手術,如腎切除、腎上腺切除、輸尿管切開、膀胱腫瘤切除、前列腺腫瘤切除等。但由于泌尿系統(tǒng)解剖學上的特殊性,限制了腹腔鏡技術的普及和推廣,一些復雜的手術往往難以掌握,而且手術并發(fā)癥發(fā)生率較高。手術機器人以其獨特的深部操作和精細操作的技術優(yōu)勢,在國外廣泛應用于各種泌尿外科手術[15-16],包括前列腺癌根治、腎切除、腎盂成形、全膀胱切除、輸精管吻合、輸尿管成形、活體供腎切取等。其中,前列腺癌根治術是最能體現其技術優(yōu)勢的手術,手術機器人提供寬闊視野和準確、靈活的控制能力,能夠清楚呈現組織、器官的解剖構造和神經血管束的走行,精細的分離有利于淋巴結的清掃,準確的縫合保證了吻合的高質量,手術中精確保留前列腺側筋膜,有利于減少手術對患者性生活的影響,術后病理檢查和隨訪都顯示了良好的腫瘤切除效果[17]。自 2000年開展首例手術機器人前列腺癌根治性切除以來,該術式在國外得到迅速推廣。目前,在北歐國家超過一半以上的前列腺癌根治手術由手術機器人完成,而在美國,這一比例更是高達 90%,已成為前列腺癌根治手術的“金標準”[18]。

2.3 婦科 以腹腔鏡技術為代表的微創(chuàng)手術方式正逐步取代傳統(tǒng)的開放式手術,應用于從卵巢囊腫開窗引流到全子宮切除和盆腔淋巴結清掃等各種婦科手術中。但是大部分的婦科手術需要在狹窄的盆腔內完成,手術操作的視野和空間都非常有限,這使腹腔鏡器械的活動自由度受限,且操作的動作幅度不穩(wěn)定,難以完成一些需要精細分離、縫合及淋巴結清掃的操作,限制了腹腔鏡技術在復雜婦科手術中的應用。da Vinci手術機器人于 2005年被美國FDA批準用于婦科微創(chuàng)手術,此后,該技術迅速普及。臨床應用結果表明手術機器人手術具有更高的精確性,更好的操控性,能在骨盆中完成精細的操作,有利于功能的重建和盆腔淋巴結清掃[19]。國外報道較多的是用于宮頸癌根治手術,該手術需要運用精確的分離技術進行韌帶切斷、輸尿管游離、淋巴結清掃等,可以充分發(fā)揮手術機器人的技術優(yōu)勢,達到理想的手術效果[20-21]。對于需要進行比較復雜縫合技術的手術,如復雜的子宮肌瘤切除術,運用手術機器人靈巧的手術臂高質量地完成縫合,有助于減少術后并發(fā)癥的發(fā)生。此外,報道的手術機器人手術還有全子宮切除、輸卵管再通吻合、卵巢切除和盆底重建等[22-23]。

2.4 腹部外科 早期手術機器人主要用于腹部外科,開展了一些比較簡單的手術,但并沒有表現出比腹腔鏡手術更明顯的優(yōu)勢,因而未推廣應用。近年來,隨著手術機器人在其他外科領域的成功開展,其在腹部外科的應用和研究又重新活躍,迅速開展了各種手術。根據其對第二代腹腔鏡手術的影響程度,可將手術機器人腹部外科手術分為三類:①對常規(guī)開展的腹腔鏡手術基本沒有影響的機器人手術,例如機器人膽囊切除、抗反流的胃底折疊、疝修補、闌尾切除、可調節(jié)捆扎帶胃減容和良性胃腸腫瘤的切除等。②可顯著提高腹腔鏡手術效果的機器人手術,范圍比較廣泛,包括機器人肝葉切除[24]、復雜膽道重建[25]、胃旁路減重[26-27]、胃癌根治[28-29]、結直腸癌根治[30-31]、胰腺部分切除和胰十二指腸切除等[32]。③目前在腹腔鏡下難以完成,唯有手術機器人能精準完成的一些手術,例如內臟動脈瘤切除吻合、細口徑的膽管空場吻合、復雜的腹腔內淋巴結清掃等。國外統(tǒng)計資料表明手術機器人在腹部外科的應用仍不如心胸外科、泌尿外科廣泛,其原因在于:①腹腔鏡技術在腹部外科應用普及、技術成熟,絕大多數的腹部手術可在腹腔鏡下完成。②常規(guī)的腹部手術難度不大,對手術精度的要求不是很高。③有些腹部手術涉及的范圍廣泛,手術機器人操作受限制。因此,合理掌握手術機器人在腹部手術的適應證顯得尤為重要[33],通常認為主要包括兩個方面:①手術機器人對某些特殊部位的腹部手術比較適用,如近端胃切除術、結腸肝曲和脾曲切除術、低位直腸切除術等。②手術機器人對長時間、精細的腹部手術優(yōu)勢明顯,如胰十二指腸切除術、復雜的肝臟和膽道手術、血管吻合術等。而對于比較簡單的腹部手術,從效價比角度考慮,目前還是主張盡量在腹腔鏡下完成,或作為開展手術機器人手術早期的適應性訓練。

3 手術機器人臨床應用中存在的問題

3.1 存在缺陷 手術機器人自身仍存在著一定的缺陷,如:觸覺反饋體系的缺失;手術機器人的器械臂固定以后,其操作范圍受限;整套設備的體積過于龐大,安裝、調試比較復雜;系統(tǒng)的技術復雜,在使用過程中可能發(fā)生各種機械故障,如術中死機等;系統(tǒng)的學習曲線較長,醫(yī)生與系統(tǒng)的配合需要長時間的磨合;手術前的準備及手術中更換器械等操作耗時較長等。

3.2 費用昂貴 手術機器人的使用成本昂貴,表現在幾個方面:①購置費用高,目前國內第三代四臂da Vinci手術機器人的總體購置費用在 2000萬以上。②手術成本高,機器人手術中專用的操作器械每用 10次就需強制性更換,而更換一個操作器械需花費約 2000美元。③維修費用高,手術機器人需定期進行預防性維修,每年維修保養(yǎng)費用也是一筆不小的開支。造成機器人手術使用成本高的原因通常被認為是其生產商通過收購競爭對手和專利保護等手段在這一領域形成了壟斷所致,而這也成為制約手術機器人進一步發(fā)展的一個重要原因。

4 前景展望

從目前的應用結果分析,手術機器人突破了腹腔鏡技術發(fā)展的一些限制,提高了手術的精度和可行性,使腹腔鏡技術得到更高的傳承。今后可能通過設備的改進、技術的完善進一步成為微創(chuàng)外科的新標準:①手術機器人自身的不斷完善,將向小型化、智能化和實用性方向發(fā)展,使其具備與其他影像學資料更強的兼容性,并開發(fā)具有觸覺反饋功能的操作系統(tǒng)和適配的操作器械[34]。②不斷開發(fā)新的產品,并降低使用的成本[35]。在國外該領域已形成壟斷的形勢下,國內北京航天航空大學與海軍總醫(yī)院聯合研發(fā)的 CRAS手術機器人顯得彌足珍貴,目前 CRAS已完成第五代的研制和臨床應用,但在擴大適用范圍和實用性方面還有許多問題需要解決。積極開發(fā)國產的整套手術機器人系統(tǒng)、研發(fā)適配的手術器械,可能是在我國降低手術機器人使用成本的重要途徑。③遠程會診、教學和手術的開展,雖早在 2001年,第一例通過手術機器人完成的跨大西洋遠程手術已經完成,但由于手術信號傳導過程中的時間延遲等問題還沒有滿意的解決方案,使這一極具發(fā)展前景的技術至今未能推廣應用。但我們仍然有理由相信,隨著技術的不斷進步與發(fā)展,可能通過某種特殊的方式,將全球的 da Vinci手術機器人聯系起來,形成一個局域網系統(tǒng),先在系統(tǒng)內實現遠程會診、手術教學,再逐步向手術機器人遠程手術過渡。④在軍事醫(yī)學和急救醫(yī)學方面的應用,美軍一直是手術機器人研發(fā)的積極倡導者和推動者,歷經阿富汗戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭的考驗,美軍充分意識到了手術機器人潛在的軍事價值,近年來明顯加快了在該領域的研究步伐,重點是高分辨率數字信號的傳輸技術、便攜式手術機器人系統(tǒng) (Trauma Pod)等。據報道已完成部分試驗工作,有些成果即將投入實際應用,這可能對平時、戰(zhàn)時傷員的救治將產生深遠的影響。

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R616

A

1672-271X(2010)05-0427-04

2010-06-23)

嵇 武 (1969-),男,江蘇灌南人,博士,主任醫(yī)師,從事微創(chuàng)外科工作

210002江蘇南京,南京軍區(qū)南京總醫(yī)院全軍普通外科研究所

(本文編輯:黃攸生)