機器人在經自然腔道手術中的應用*

吳東波，徐 巍，綜述 馮澤榮，審校

(廣西壯族自治區人民醫院，廣西 南寧530021)

經自然腔道內鏡手術(natural orifice transluminal endoscopic surgery，NOTES)是指通過自然孔口(口腔、肛門、陰道口、尿道口等)進入腹腔或胸腔進行操作的一種外科手術。NOTES 起始于20 世紀后期，Wilk 于1994年首次表述了NOTES 的基本概念［1］，此后美國名為Apollo 的研究小組于2004年發表了經口、經胃進行腹腔探查及肝活檢術的報道［2］，正式將NOTES 應用于臨床。NOTES 經人體自身的一些自然腔道進行手術，在解決患者疾患的過程中，未在人體表面留有切口，減輕了術后疼痛，增加了美容效果，獲得了更好的生理微創與心理微創效果［3］。對于那些肥胖、體質差、疤痕體質及對美容效果要求較高的人群而言，NOTES 將成為他們最好的選擇［4］。但NOTES 的一些缺點也是明顯的，如手術器械欠缺靈活度、二維成像及軟式纖維鏡缺乏牢固穩定的操作平臺等。隨著達芬奇機器人手術系統的出現，人們開始探討將達芬奇機器人手術系統應用到NOTES 中。達芬奇手術系統的器械臂有7 個關節，活動范圍大，且非常靈活;先進的視覺系統能夠三維成像;機械臂穩定，能提供牢固的操作平臺［5］，恰好彌補了傳統NOTES 的這些缺陷。

1 應用達芬奇機器人手術系統進行NOTES手術的探討

機器人手術系統的歷史追溯到20 世紀90年代。1994年美國computer motion 公司研制了第一臺協助微創手術的內窺鏡自動定位系統，取名伊索(Aesop)，此后又生產出宙斯(ZeusTM)機器人手術系統，于2000年獲得美國FDA 市場認證后應用于臨床［6］。同樣來自美國的Intuitive Surgical 公司通過成功研究主從式遠程操控技術(Master-Slave Telemanipulator)，使得機器人手術系統的研究邁出了決定性的一步。2000年Intuitive Surgical 公司制造的達芬奇(da VinciR)機器人手術系統通過了美國FDA 市場認證后正式在手術室使用。2003年美國Intuitive Surgical 公司收購了computer motion 公司。目前市場上用于腹腔鏡手術的機器人手術系統只有達芬奇手術機器人系統。

達芬奇手術機器人系統由三部分組成［7］:(1)醫師控制臺(Surgeon Console):由計算機系統、監視器、操作手柄及輸出設備等組成。醫師坐在無菌區外的控制臺前，雙手正常位通過雙手動作傳動帶動手術臺上仿真機械臂完成各種操作，并可通過聲控、手控或踏板控制腹腔鏡。(2)床旁機械臂系統(Patient Side Cart):包括2～3 只工作臂及1 只持鏡臂。持鏡臂用于握持腹腔鏡物鏡，可提供穩定的圖像，避免傳統腹腔鏡術中助手疲勞導致手部抖動出現視野不穩定的問題。工作臂用于完成術中各種操作，有7 個自由度，可作沿垂直軸360°、水平軸270°旋轉，且每個關節活動度均＞90°，使其比人手有更大的靈活性。(3)三維成像系統(3-D Vision System):傳統腹腔鏡技術一個主要的弊端在于二維平面成像，術者在監視器中無法辨別組織前后相對關系。達芬奇機器人的3D 高清影像系統可完全解決這一問題，為術者提供真實的術野，利于術中辨認組織關系，同時使縫合、打結等操作更簡便。基于以上優點，達芬奇機器人輔助腹腔鏡手術已成為腹部外科手術的主流。但對于將達芬奇機器人手術系統應用于NOTES，國內外尚未見其應用于臨床，只有少量國外論文報道其在豬及尸體上的一些實驗研究，既有成功又有失敗。

Haber 等［8］在2008年發表了一篇研究快報，稱其團隊利用10 頭豬進行了達芬奇手術機器人NOTES。他們將陰道作為一只達芬奇手術機械臂的手術通道，另一只機械臂與內窺鏡經臍進入。他們共成功完成了10 例腎盂成形術、10 例部分腎臟切除術、10 例根治性腎臟切除術(5 頭豬行左右腎腎盂成形術，再進行左右腎根治性腎臟切除術，另外5 頭豬進行左右腎部分切除術)(圖1、圖2)。盡管他們的實驗尚不是完全的經陰道NOTES，但創新性地將達芬奇手術機器人應用于NOTES，為后來的相關研究提供了寶貴的思路與經驗。Humberto Laydner 團隊于2012年在女尸上進行了3 例經陰道腎臟切除術［9］(圖3、圖4)。第1 例尸體采用膀胱截石位，由于尸體下肢與機械臂間存在碰撞，使手術以失敗告終。第2 例，Humberto Laydner 改變了尸體的手術體位，采用俯臥位后右側腎臟得以完全切除。第3 例因造成了尸體直腸損傷手術失敗。盡管他們的3 例實驗僅有1 例成功，但取得了完全經陰道NOTES 的成功。

圖1 經臍進入腹腔的三腔道套管［8］

圖2 機械臂的放置［8］

圖3 尸體采用俯臥折刀位［9］

圖4 四通道端口［9］

由于達芬奇手術系統無觸覺反饋系統，因此縫合打結只能依靠術者經驗，這是目前達芬奇機器人手術系統最大的缺點。縫合打結是外科手術重要而關鍵的技術。那么，在NOTES 中達芬奇手術系統能否安全可靠地完成縫合打結技術呢?Yoshitaka Demura 團隊2013年在豬的身上測試了達芬奇手術機器人完全經直腸吻合小腸及直腸的效果［10］，其結果令人振奮。達芬奇手術機器人經直腸小腸縫合抗壓能力［(67.7 ±29.3)mmHg］與達芬奇手術機器人經腹小腸縫合抗壓能力［(73.3 ±18.2)mmHg］無明顯差異;在直腸縫合中，達芬奇手術機器人經直腸的縫合抗壓能力［(149. 9 ±81.1)mmHg］與開腹對照組［(195.0 ±60.5)mmHg］無明顯差異。實驗的成功得益于達芬奇機器人手術系統機械臂靈活而又穩定的持針，以及真實的3D 成像。

目前，應用達芬奇機器人手術系統進行NOTES 僅限于動物實驗，尚不能應用推廣于臨床，最主要的問題是:(1)龐大的達芬奇機器人手術系統會與患者的身體發生碰撞;(2)狹小的自然腔道導致狹小的操作三角，手術操作非常困難;(3)人體解剖機構的差異，引起手術操作的困難，如陰道穹窿與骶骨胛間的角度及骨盆形態學特征等。于是，人們想到了微型內鏡機器人。

2 內窺鏡機器人應用于NOTES

內鏡機器人體積小，在腹腔內不會與腹腔器官發生碰撞;有較寬的操作平臺，操作三角良好;腹腔寬大，操作空間也寬大，人體解剖結構的差異對手術不會造成影響。因此，在一定程度上克服了龐大的達芬奇機器人手術系統應用于NOTES 的困難。在一些國家，已有一些機構研制出了內鏡機器人，但相關研究報道較少。新加坡南洋工業大學研發出一種內窺鏡機器人，名為主從式機器人(Master And Slave Transluminal Endoscopic Robot，MASTER)，由三部分組成:主操控器、從屬控制器(末端有兩個工作臂:抓手、單級電極鉤)及雙通道內窺鏡［11］。醫生通過主操控器操作，命令通過電線由主操控器傳至從屬控制器，通過其末端的器械行手術操作。Sun 等［12］于2011年成功使用此系統行內鏡下黏膜下肌切開術，并發表論文稱此系統具有如下優點:(1)2 個工作臂進入腹腔后，在體外通過操控主控制器來控制末端的工作臂，以實現整個手術流程;(2)術野清晰，體外操作空間大，舒適、方便;(3)工作臂末端帶有內鏡頭，能形成清晰的手術視野，腔內器械較少，活動空間大，容易形成穩固的操作三角。Phee 等［13］于2012年為5 例早期胃癌患者行黏膜下切開術，手術順利完成。Chiu 團隊［14］于2014年在兩頭豬上使用此系統(圖5)進行了胃全層切除術，第一頭豬手術用時56 min，第二頭用時70 min，術中未造成周圍器官損傷。Chiu 團隊［14］提出了此系統尚存在一些需要進一步完善的地方，如術中末端工作臂不可以更換;末端器械比較單一，未來還可增加如剪刀、剝離器、持針鉗等;還可進行個體化設計滿足不同腔道的手術。Yao 等［15］于2013年在美國機械工程師學會雜志上發表論文，稱其構架出一種新的可重構的內窺鏡機器人系統(圖6)。其利用中間一個環形的平臺很好地解決了器械回撤的問題。外部器械可通過中間的通道進入腹腔進行操作。其缺點也是比較明顯的，首先，支架平臺是彈性的，提供的牽引、推撥等基本手術操作的力量是有限的，不足以進行復雜的手術;其次，末端的器械簡單，缺乏多樣性，不能進行復雜的操作。未來，可改良操作平臺的結構設計，適當地改變器械臂的材料，應用強度更大的材料，以提供更加強大的牽拉、剪切力度;適當增加多種手術器械，以便進行較復雜的操作。

圖6 可重構的內窺鏡機器人［15］

3 展 望

將機器人手術系統應用于NOTES 將是人類在手術史上的一次飛躍，給病患帶來的是術后疼痛更輕、恢復更快、住院時間更短、并發癥更少及美容效果更好。尤其內窺鏡機器人輔助的NOTES，手術入路經自然腔道，手術切口小，疼痛輕，小型的內鏡機器人在寬敞的腹腔空間使各種復雜操作得以順利完成。我們面臨的關鍵技術問題，包括如何建立內鏡機器人寬大的手術操作平臺，如何完成內鏡機器人打開與收納的結構設計，如何增加多樣的手術機械臂等。只要解決了這些問題，相信內鏡機器人的NOTES 會成為外科重要的發展方向。

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