機器人技術在結直腸腫瘤外科中的應用

陳竟文 韋燁 許劍民

一、機器人手術技術發展的歷史

機器人手術系統源于20世紀90年代，IBM公司發明的Robdoc系統幾乎沒有實際的臨床應用，只能算是啟蒙階段。最早具有現代意義的機器人手術系統是Computer Motion公司發明的AESOP(伊索)機器人手術操作系統。伊索機器人手術操作系統由醫生通過語音或腳踏板來控制鏡頭，調整視野，可以克服扶鏡手疲勞所帶來的鏡頭不穩定，但其功能單一，未能實現機械手進入手術區域操作，國內包括復旦大學附屬中山醫院等多家醫院曾使用過該系統，當時僅應用于心臟手術。1998年由Computer Motion公司研發的Zeus(宙斯)操作系統，具有獨立的外科操作平臺和機械臂，成為現代意義的機器人外科手術系統。2000年6月，達芬奇機器人手術系統成為了FDA批準的第一個用于腹腔鏡手術的自動機械系統。機器人手術系統里程碑式的臨床應用是在2001年9月，Marescaux醫生在美國紐約應用宙斯系統，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[1]，國內有數家醫療單位也曾引進過該系統。2001年Intuitive Surgical公司收購Computer Motion公司后，在宙斯系統基礎上研制出了達芬奇手術操作系統，該系統在臨床上應用最為廣泛[2]。2008年7月，達芬奇機器人手術系統通過了中國SFDA的認證。來自官方的數據，截至2013年8月底，達芬奇系統全球共裝機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，這類傳統的開腹手術被稱為第一代手術，是外科手術的金標準。20世紀80年代，以腹腔鏡技術為標志的微創外科，代表了外科手術發展的方向，在許多外科領域已經取代了傳統的開腹手術，被稱為第二代外科手術。多數學者認為腹腔鏡結直腸癌手術對比傳統的開腹手術，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后的胃腸道功能恢復，縮短其住院時間[3]。進入21世紀后，以達芬奇機器人手術系統為代表的手術機器人的開發和臨床應用，以其全新的理念和技術優勢被認為是現代外科發展史的一個里程碑，預示著第三代外科手術時代的到來。每一代的外科手術各有其優缺點，黎介壽院士等[4]對其進行了詳細的總結(表1)。

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

二、達芬奇機器人手術系統的構成和特點

達芬奇機器人手術系統由美國Intuitive Surgical公司生產，主要由三個部分組成：(1)醫生操作主控臺(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。實施手術時外科醫生不與患者直接接觸，通過三維視覺系統和動作定標系統操作控制，醫生手臂、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需要安裝各種特殊的手術器械來模擬外科醫生的技術動作，完成手術操作。

該系統具有如下特點：(1)圖像清晰，應用高清三維立體成像系統呈現高清的手術視野，術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，使術者有如開腹手術一般的直觀感，彌補了腹腔鏡手術二維平面空間感的缺失，同時在高清基礎上可以放大視野，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向活動來完成操作，具有腹腔鏡所無法比擬的靈活性。區別于腹腔鏡的反向操作器械，達芬奇手術系統的機械臂可以完全模擬術者的動作，做到直觀的同向控制。控制器可以自動過濾人手的生理顫動，保證了更高的操作穩定性和準確性。動作定標系統，可確保更換器械時原操作位置不變。(3)操作便利，達芬奇機器人手術系統徹底改變了術者站著手術的傳統模式，主刀醫師坐在操作平臺前完成手術操作，減輕了疲勞，更適合長時間復雜手術的開展[15]。達芬奇手術系統配備了幾乎所有手術器械的機械手版本，包括抓鉗、超聲刀、電鉤、電凝剪刀等，方便術者選擇合適的手術器械。通過腳踏開關，術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，使遠程手術操作變成了現實。

表1 三代外科手術技術特點比較表

三、機器人手術在結直腸腫瘤外科中的應用

Yang等[16]薈萃分析了16個臨床研究結果，對比了564例達芬奇機器人手術系統輔助手術和929例腹腔鏡手術。該研究結果顯示,與腹腔鏡結直腸手術比較，達芬奇機器人手術系統輔助結直腸手術具有術中出血少、中轉開腹率低等優點，但是手術時間較長，住院花費明顯偏高。Memon[17]的薈萃研究納入7個結直腸癌手術的臨床研究，對比分析了353例達芬奇機器人手術系統和401例腹腔鏡手術的療效。該研究結果顯示，與腹腔鏡手術比較，達芬奇機器人手術系統的優勢在于中轉開腹率下降，而在術后并發癥、環周及遠端切緣陽性率、淋巴結清掃數目和住院時間等方面，差異無統計學意義。

Park等[18]前瞻性的對比分析了35例采用達芬奇機器人手術系統和35例采用腹腔鏡行右半結腸癌手術的療效。研究結果顯示，兩組患者中轉開腹率、術后并發癥發生率、住院時間、切緣陽性率和淋巴結清掃數目，差異無統計學意義，而達芬奇機器人手術系統的手術時間和花費卻明顯提高。因此Park等認為達芬奇機器人手術系統在右半結腸癌治療方面并無優勢。D’Annibale等[19]的一組50例采用達芬奇機器人手術系統行右半結腸癌手術的研究結果顯示，手術相關死亡率為2%，平均淋巴結清掃數目為14枚，無一例中轉開腹，短期生存率達92%，但平均手術時間長達223 min，明顯長于開腹或腹腔鏡右半結腸癌根治術所需手術時間。

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

達芬奇機器人手術系統一個重大的優勢，就是在狹小的空間中可以獲得靈活的操作和清晰的視野。但是該項優勢能否在低位直腸癌根治手術中達到保護盆底自主神經的效果，目前尚缺少大量的前瞻性研究結果支持。Kim等[22]對比分析了達芬奇機器人手術系統輔助低位直腸癌手術和腹腔鏡輔助低位直腸癌手術，機器人組患者的排尿功能和性功能恢復時間較腹腔鏡組有明顯的提前，術后排尿功能恢復從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，主要都是關注達芬奇機器人手術系統在中低位直腸癌治療中的優勢。

四、機器人結直腸腫瘤手術的前景

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

1.價格昂貴：達芬奇系統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]，體現在兩方面，一是使用成本高，第三代機器人手術系統的售價高達2200萬元人民幣，與該系統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，每臺手術也必須增加2～3萬元的耗材費用，使得手術成本大增；二是維修費用高，為防止達芬奇手術系統出現問題，每4個月需進行一次預防性維修，每年的維修保養費約是購置費用的10%。

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

3.機械故障：越是復雜的系統，其發生故障的概率就越高。雖然目前還沒有在使用過程中發生機械故障導致危險的報道，但手術系統一旦發生重大的錯誤，其后果將是災難性的。達芬奇手術系統未來的遠程手術應用，則更是需要一個高效且絕對安全的網絡保障。

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

5.優勢不明顯：在腹腔鏡手術廣泛開展并得到良好應用的同時，達芬奇機器人系統并未表現出足夠的優勢。達芬奇機器人結直腸手術對比于腹腔鏡手術，其術后腸道功能恢復、住院時間等并無明顯優勢[24]，其遠期療效仍需要進一步的隨訪數據。迄今為止還沒有任何國家的醫療管理機構發布機器人手術相關的臨床應用指南，對于復雜手術還是首選傳統開腹手術。機器人手術系統一個最大的優勢，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中能分辨并保護盆底自主神經、輸尿管和生殖血管，能更為精確的分離和縫合[25]，但是明確的結論還有待于大樣本的前瞻性臨床研究。

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

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