機器人外科手術系統的發展、應用與未來

■ 文/王國民

王國民，教授、博士生導師，復旦大學泌尿外科研究所顧問。曾任復旦大學上海醫學院常務副院長，中山醫院副院長、泌尿外科主任等職務。2016年獲達·芬奇機器人杰出貢獻獎、中國達·芬奇機器人奠基人榮譽。

未來的外科手術發展，一方面要發揮人的智慧，要變革和創新，另一方面也要借助于各種高科技，包括外科機器人、人工智能。

20世紀科學技術的快速發展促進了醫學的巨大進步，它使醫學技術取得了許多革命性的創新成果。在微創外科領域，機器人外科手術系統（以下簡稱“外科機器人”）已被引入外科手術的各專科，它的技術優勢和手術效果有目共睹，使外科手術跨入了一個完全嶄新的時代。它不僅是當今醫學技術的進步，更是人類智慧與文明的豐富表現。

外科機器人的發生及發展

外科機器人的研發源于人們實際需要，比如，如何為前線戰士及航空母艦、潛水艇、航天空間站、月球基地上的人員手術，如何讓技術高超、富有經驗的外科醫生為異地患者手術實現遠程醫療，等等。研究人員先后研制了一代代外科機器人試圖解決以上的問題，實現人類的機器人手術“夢”。

1994年，美國Computer Motion公司首先推出“伊索”（AESOP）外科機器人裝置，這是美國食品藥品監督管理局（FDA）批準的第一臺外科機器人裝置。該機器人裝置引入了視覺技術、語言控制技術等先進科技，單個機械臂具有6個自由度，可用于手術中扶持腹腔鏡。扶持腹腔鏡得到的圖像比經驗豐富的助手更加精確、穩定，可使手術者的思維與視野高度統一，減少與助手不同思維的干擾，使腹腔鏡手術更精細和安全。1997年，筆者在美國約翰·霍普金斯大學醫學中心做訪問學者期間，曾經參加了“伊索”外科機器人的動物實驗和臨床觀察，2001年國內率先引進“伊索”外科機器人輔助腹腔鏡泌尿外科手術。之后，該公司又推出結合“伊索”技術，擁有3個機械臂，7個自由度，并支持遠程手術的“宙斯”（ZEUS）機器人外科手術系統。2001年9月7日，美國紐約的外科醫生利用該機器人裝置為遠在6 320千米外的法國斯特拉斯堡患者成功實施了一臺膽囊切除術。這是迄今世界上唯一一次利用外科機器人完成的遠程手術。

目前全世界使用最多的外科機器人是達·芬奇（da Vinic）機器人外科手術系統，它由美國Intuitive Surgical公司于1998年12月研制成功，2000年7月11日經美國FDA批準上市。至今，該公司已推出四代商業化產品，分別是第一代（1999年）達·芬奇標準手術機器人；第二代（2006年）達·芬奇機器人外科手術系統S（da Vinci S）；第三代（2009年）達·芬奇機器人外科手術系統Si（da Vinci Si）以及第四代（2014年）達·芬奇機器人外科手術系統Xi（da Vinci Xi）。達·芬奇機器人外科手術系統由三個部分組成，即外科醫生控制臺、床旁機械臂系統和成像系統。控制臺與手術臺的距離為2～3米或更遠，機械臂系統包括3個機械臂和1個攝影臂，手術時根據需要可以選用2或3個機械臂，用于插入各種特制的手術器械。三個部分的組件由數據傳輸光纜連接成一體，實現其完整的操作功能。手術進行時，除主刀醫師外，僅需床旁助手、洗手護士和巡回護士各一名協助完成手術。

外科機器人設備優勢明顯。首先，三維高清手術視野可將圖像放大10～15倍，使圖像更清晰，組織定位和器械操作更準確；其次，攜帶手術器械的Endowrist仿人手腕具有7個自由度及540°旋轉，能識別和過濾手顫抖信號；最后，機器人還有合理的人體工程力學設計的控制臺。此外，達·芬奇機器人Si和Xi除了具有三維超高清手術視野、更高的分辨率、設計新穎的操控界面外，還具備雙控制臺的功能，可將攝影鏡安裝在任何一個機械臂上，同時支持單孔手術、熒光顯影等。因此，該系統的手術器械完全可以達到人手的靈活度和準確度，并能進行人手不能觸及的狹小空間的精細手術操作。該系統使手術醫生學習曲線縮短，疲勞減輕，手術更安全。

外科手術的發展歷程

外科手術的發展大致經歷了三個階段，也有人稱之為三個時代。

第一代：開放性手術時代。從19世紀有外科手術開始到現代的開放性手術，已有100多年歷史。人們曾面臨手術帶來的疼痛、感染、出血和手術后休克等醫學問題，現在全都得到了相應的解決，并有了麻醉、消毒滅菌、顯微外科技術、器官移植、關節置換、各種內鏡的微創技術等突出的成就。

第二代：微創手術時代。以腹腔鏡手術為代表的各種內鏡手術在多學科進入臨床應用。尤其是1985年德國人梅希芝·米厄（Erich Muhe）、1987年法國醫生菲利普·穆雷（Philippe Mouret）、1988年法國醫生弗朗索瓦·杜波依斯（Francois Dubois）等相繼完成了腹腔鏡膽囊切除術，一舉震驚了世界外科學界。腹腔鏡不再單純用來做檢查，而能夠將病變組織切除，從而開創了外科手術的新歷程。外科手術從很長的切口演變成腹腔鏡的小孔（3～4個），或單孔就可以進入腹腔做手術，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）就能進行手術。隨之，微創外科的概念也產生并完善，其技術在普通外科、泌尿外科、婦科、胸外科及小兒外科等領域迅速傳播和發展，成績斐然。人們認為微創手術是繼外科學史上麻醉、消毒滅菌、臨床營養治療、器官移植后的一個里程碑。

第三代：機器人外科時代。20世紀90年代，外科機器人研制成功并應用于臨床，很快被外科各專科的醫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器人大會宣布機器人外科時代的到來。外科機器人技術被認為是外科手術的未來發展方向，它是人類醫學外科學史上的又一個里程碑。

外科機器人的臨床應用

至2017年6月底，達·芬奇機器人外科手術系統的全球裝機已達4 149臺，其中美國2 703臺、歐洲698臺、亞洲538臺，其他地區210臺。至2017年12月，我國裝機量為69臺，主要分布在北京、上海及各省主要城市的部分三甲醫院。2016年全球達·芬奇機器人的年手術量超過70萬例，比2015年增長15%。據統計，至2017年6月底，我國完成達·芬奇機器人手術共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。

●在泌尿外科領域中的應用

泌尿外科采用外科機器人進行手術比較早，也更加普遍，主要用于前列腺癌根治術、腎部分切除術、腎癌根治術、腎盂輸尿管整形術、輸尿管膀胱再植術、全膀胱切除術和腎上腺腫瘤切除術等。自2000年由德國醫生葉切·賓德爾（Jechen Binder）完成世界上第一例機器人輔助根治性前列腺切除術后，外科機器人在前列腺癌根治術領域的技術越來越成熟，已被認為是前列腺癌手術的“金標準”。據統計，在美國，85%的前列腺癌患者采用外科機器人輔助根治性前列腺切除（RARP）。RARP與傳統腹腔鏡手術比較，手術時間和術后住院天數的差異無統計學的意義，但它具有術中出血量少、并發癥少、手術切緣陽性率低、中轉開放手術率低、患者術后控尿能力強等優點。2004年，美國學者馬修·格特曼（Matthew Gettman）等首次報道應用達·芬奇機器人外科手術系統完成腎部分切除術。其結果表明，機器人可變的腕關節活動可有效地切除腎腫瘤，并進行精確的腎重建，整個手術過程的熱缺血時間低于30分鐘。同時，達·芬奇機器人在縫合技術方面優勢十分明顯。2003年，美國亨利福特醫院的摩尼·梅農（Mani Menon）等首次報道應用達·芬奇機器人外科手術系統輔助全膀胱切除和尿路改道手術。筆者所在的復旦大學附屬中山醫院泌尿外科團隊從2009年7月至今采用達·芬奇外科機器人已完成各類手術超過1 600例，手術優勢明顯，療效優良。

●在普通外科領域中的應用

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

自1998年由比利時醫生雅克·希彭斯（Jacques Himpens）完成首例機器人外科手術系統膽囊切除術后，國內外在膽囊切除術方面積累了大量的臨床實踐經驗。

在肝外科手術中已有多篇利用外科機器人進行肝葉切除的報道。瓦西·塞爾邦（Vasile Serban）等人認為，外科機器人可以安全有效地應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。臨床結果表明，利用外科機器人進行肝外科手術可以使操作更加精細，術中出血量少，術后住院天數減少，對肝硬化患者進行肝切除也較安全。但是，手術時間較長，可能與術者早期操作相對不熟練有關。在手術操作過程中，利用術中超聲可以準確地判斷病變范圍、位置及其與主要血管的關系，有利于提高肝葉切除的準確性、安全性。關于半肝切除等復雜肝臟手術的報道較少，對肝惡性病變切除的長期預后的研究尚缺乏臨床大樣本的隨機對照試驗數據。

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

2002年，日本九州醫學院橋爪誠（Makoto Hashizume）等人首次報道外科機器人胃癌根治術，適用于早期胃癌、部分局部進展期胃癌。近期觀察結果表明，外科機器人手術與傳統腹腔鏡手術療效無明顯差異，但學習曲線更短，淋巴結清掃更多，消化道各種吻合方式均較腹腔鏡手術有明顯的技術優勢。

●在婦科領域中的應用

2005年，美國FDA批準達·芬奇機器人外科手術系統可應用于婦科手術。據統計，至2010年，美國95%的婦科腫瘤醫師所在醫療機構都擁有該機器人。外科機器人已開展的手術有宮頸癌根治術、子宮內膜癌根治術、卵巢癌根治術、子宮肌瘤剔除術以及子宮內膜異位癥切除術、輸卵管狹窄切除再通術和骶骨陰道固定術等。在國內，凡開展外科機器人婦科手術的醫療機構大多已開展以上的手術，并有論文發表。采用外科機器人手術對患者可以減少術中出血量、術后住院天數以及并發癥，使手術操作更加精準，更為舒適。在開腹、腹腔鏡與外科機器人的手術比較，結果顯示，三者療效相當或外科機器人手術更優，手術者學習曲線縮短，比較容易掌握。

●在胸外科、心臟外科及其他領域中的應用

達·芬奇機器人可用于胸外科包括肺葉切除、食管癌根治術、縱隔腫瘤切除術等；在心臟外科包括二尖瓣修復/置換術、房缺修補，取乳內動脈術、心包腫瘤切除術、室缺修補術以及不停跳冠脈搭橋術等都有應用。其他應用領域包括小兒腎盂輸尿管連接處先天性狹窄整形術，成人經腋下/乳暈下甲狀腺切除術等。

外科機器人的未來

未來的外科手術一方面要發揮人的智慧，要變革和創新，另一方面也要借助于各種高科技，包括外科機器人、人工智能。雖然達·芬奇機器人外科手術系統已進入第三代（Si）和第四代（Xi），在硬件技術層面也有許多改進和創新，但是與臨床的需要尚存在距離，國內用戶普遍反映存在設備昂貴、缺乏力反饋信息傳遞、整個系統較龐大等問題。未來的外科機器人在視覺、操控和整合技術方面需要創新，比如視覺上在內鏡前端配備顯微鏡、超聲血流探測儀、支持更多分子追蹤顯示技術，整合即時影像識別技術和三維影像信息；操控上除了多人同時/切換操控外，可以運用遠程操控；增加語音識別或人工智能輔助捕捉記錄主刀的操控動作等。此外，還可以引入第三方技術包括術中放療、三維影像重建等。在手術方式上采用單孔途徑，尚需改進更多的手術器械，提供可彎曲的內鏡及器械，使操作過程中銳、鈍性分離、切割、結扎、電凝及縫合更加得心應手。

綜上，外科機器人為外科手術發展提供了一個良好的平臺，使外科技術發生了新的飛躍，患者可以獲得精準醫療的效果。我們期盼未來的外科機器人向小型化、智能化和遠程化方向發展，更大地發揮外科機器人的優勢。面對外科機器人及人工智能的發展，我們要做的，就是把控好技術未來發展的方向，讓它造福于人類。