單臂機器人系統輔助膽囊切除術同傳統三孔和單孔腹腔鏡膽囊切除術的動物實驗對照研究

郭 偉，劉 洋，汪 棟，靖 超，張忠濤

[ 首都醫科大學附屬北京友誼醫院普通外科中心普外三科（肝膽外科），北京 100032 ]

近年來，以Da Vinci機器人輔助手術系統為代表的多臂微創手術機器人系統被廣泛應用于臨床，相比傳統多孔微創手術具有操作精度高、運動靈活度高、圖像視野穩定等諸多優點，為微創技術在腹部外科復雜疑難手術中的應用與拓展提供了更大的空間。單孔腔鏡手術相較于傳統腔鏡具有更加微創、恢復快和美容效果好等諸多優點，是目前微創外科領域的的主要發展方向[1-3]；同時也因為“直線視野、操作三角喪失、器械體外筷子效應”等諸多難題限制了該技術在腹部外科復雜手術中的應用，相關問題亟待解決。單臂腔鏡手術機器人系統正是為解決這些問題而發展起來的新型手術機器人系統，是目前微創機器人領域的研發熱點。首都醫科大學附屬北京友誼醫院同上海微創醫療機器人集團合作，已成功研發出單臂腔鏡手術機器人原理樣機，經初步驗證，其具有操作靈巧度高、集成度高、成本低、機器人系統擺位時間短及擺位空間大等諸多優勢。為進一步驗證所研發單臂腔鏡機器人系統在腹部外科應用的安全性與有效性，并為后續的人體臨床試驗提供更多數據和操作經驗支持，本文開展了單臂機器人系統輔助膽囊切除術同傳統三孔和單孔腹腔鏡膽囊切除術的動物實驗對照研究，現報道如下。

1 材料和方法

1.1 實驗動物 體質量28～33 kg雌性實驗豬40只，由首都醫科大學附屬北京友誼醫院實驗動物中心提供和飼養，每天投食標準飼料2次，允許自由清水。動物耳標記數字1～40，經喂養適應1周后開展手術。實驗過程中對動物的處置符合首都醫科大學附屬北京友誼醫院動物倫理學要求。

1.2 實驗器材 ①腹腔鏡機組（美國Stryker 1288HD），包括監視器、攝像系統、冷光源、全自動CO2氣腹機等，鏡頭為10 mm規格的30°鏡（美國Stryker 502-859-030）。②常規腹腔鏡器械（杭州康基醫療）：包括Veress氣腹針、10 mm/5 mm穿刺器（Trocar）、Hem-o-lok施夾鉗（10 mm/5 mm）、5 mm分離鉗、抓鉗、剪刀、電凝鉤、沖洗吸引器等。③常規剖腹手術器材、麻醉機及藥品：由實驗動物中心提供。④單孔腹腔鏡入路裝置：采用單孔四通道裝備（北京航天卡迪，型號：HK-TH-60.4TX，以下稱QuaPort，圖1），除外1個10 mm鏡孔外，還有1個5～12 mm通道和3個3～5 mm通道。⑤單臂機器人系統：一款具有自主知識產權的從式手術機器人系統（圖2），由醫生控制臺、機器人臺車和成像系統組成，具有小型化、集成化和模塊化的特點，已完成干式操作箱模擬實驗（套環、縫合、打結等）和前期動物實驗。⑥樣本處理相關實驗設備及試劑：主要設備耗材：一次性無菌注射器針頭30G 1/2（美國BD公司），實驗用無菌離心管、EP管、一次性無菌凍存管（美國Corning公司），微量移液器（德國Eppendorf公司），細胞計數板（上海玉光光學儀器廠），-80 ℃低溫冰箱（日本SANYO公司，型號：MDFU53V），低溫高速離心機（德國Eppendorf公司，型號：5424R），96孔板酶標儀（美國Promega公司，型號：GloMaxTM）；試劑：豬C反應蛋白（CRP）ELISA試劑盒（美國 Abcam 公司，型號：ab205089，6.25～200 ng/mL），豬白介素6（IL-6）ELISA試劑盒（美國Abcam公司，型號：ab100755，40.96～10 000 pg/mL），豬血清腎上腺素（ADR）ELISA試劑盒（上海酶聯生物，型號：ml002381）、豬血清皮質醇（COR）ELISA試劑盒（上海酶聯生物，型號：ml087204）。

圖1 單孔腹腔鏡入路裝置

圖2 自主研發單臂腔鏡機器人系統

1.3 手術方法 實驗豬自8:00起禁食，13:00～17:00手術，每天完成2臺。動物采用氣管插管全麻。在進行麻醉時，根據耳標數字進行隨機分組，分為常規手術組（10只）、常規單孔組（15只）和單孔機器人組（15只）。手術與麻醉均由固定醫生團隊完成。

1.3.1 傳統三孔組（Group A） 臍上做10 mm縱行切口，Veress法制造CO2氣腹，氣腹壓力設定為12 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa），置入10 mm Trocar，連接腹腔鏡。劍突下及右肋緣下分別做小切口，腔鏡直視下置入10 mm和5 mm Trocar。豬的膽囊管細長，且膽總管不易顯露，膽囊管的離斷點選擇肝右內葉和右外葉匯合處的內側緣。手術采用順行切除法，首先分離膽囊管（含膽囊動脈）并使用Hem-o-lock夾閉，再剝離膽囊床。膽囊標本經劍突下切口取出，縫合各切口。

1.3.2 傳統單孔組（Group B） 臍上做25 mm弧形切口，Hasson法置入QuaPort，連接氣腹及腹腔鏡設備。使用傳統硬性腹腔鏡器械進行手術，步驟同上，膽囊標本與QuaPort一起取出，縫合肚臍切口。

1.3.3 單孔機器人組（Group C） 臍上做25mm弧形切口，逐層切開進入腹腔，置入單孔機器人專用套筒后，固定套筒與操作吊塔，再置入機械臂及30°專用內窺鏡。手術床可調整為反Trendelenbrug位（10°～15°），根據向左旋轉5°～15°，以達到更好暴露膽囊的目的。暫停機器人操作系統，然后由臺上助手繼續調整內窺鏡及機械臂方向，將膽囊三角部分作為視野中央。開啟機器人操作系統后，主刀醫生展開機械臂，以抓鉗（1號機械臂）向右上方牽拉膽囊底部，更好顯露膽囊三角及肝十二指腸韌帶。以分離鉗（2號機械臂）牽拉膽囊壺腹部，開始以單極電鉤打開膽囊頸附近的漿膜組織。膽囊管的離斷點選擇肝右內葉和右外葉匯合處的內側緣，（利用4號機械臂或由臺上助手建立輔助戳卡孔）以Hem-o-lok夾夾閉膽囊動脈近端，再以單極電鉤（4號機械臂）凝閉膽囊動脈遠端并切斷。再用分離鉗或抓鉗（2號機械臂）牽拉膽囊壺腹，再以單極電鉤將膽囊從膽囊床剝離，觀察是否有出血及膽漏發生。最后待收攏各個機械臂，并移除機械臂后，以抓鉗抓住膽囊標本，并將膽囊標本放置于臍部切口下，完整取出標本，縫合肚臍切口。

1.4 術后處理 術后實驗動物即拔除氣管插管，停止靜脈補液，運返動物籠。術后6 h即可自由進食。術后14 d處死動物，并尸檢明確腹部愈合情況。

1.5 樣本采集與檢測

1.5.1 樣本采集與處理 各組分別于術前及術后第1、3、7、14 d，晨起空腹采集耳緣靜脈血1 mL于1.5 mL EP管內，血樣采集后取20 μL血液進行白細胞計數（顯微計數法，1%冰醋酸液稀釋），余血樣常溫靜置30 min后以3 000 r/min低速離心15min，使用微量移液器將上層血清轉移至無菌EP管中，于-80℃低溫條件凍存。

1.5.2 血液學指標檢測 根據CRP、ADR、COR、IL-6 ELISA試劑盒說明書，應用酶標儀檢測各血清樣本的OD值（波長按說明書調整），依照標準曲線計算各組血清樣本上述指標數值。

1.6 觀察指標 ①比較三種不同方法的手術成功率、手術中轉率、膽囊完整率，手術時間、出血量、死亡率和術后并發癥等。手術成功定義為完成膽囊切除。手術中轉定義：因副損傷導致無法控制的出血危急實驗動物生命時，常規腹腔鏡手術改為開腹手術，常規單孔手術增加戳孔轉為常規腹腔鏡手術或開腹手術，單孔機器人手術改為常規單孔手術、常規腹腔鏡手術或開腹手術。膽囊完整指手術中操作未引起膽囊破損和膽汁漏入腹腔，膽囊標本可以完整取出切口外。手術時間從切開皮膚開始計算，完成全部皮膚縫合結束。出血量以負壓吸引容器中血量為準（切片紗布的出血量忽略不計，腹腔中不使用紗布）。②血液學指標：手術當天和術后第1、3、7、14 d，早晨喂食前采集耳緣靜脈血，進行白細胞計數（WBC） +C反應蛋白（CRP）和血清腎上腺素（ADR）、血清皮質醇（COR）、白介素6（IL-6）等檢測。③動物體質量變化：手術當天和術后第1、3、7、14 d，使用專用的動物稱重籠進行體質量測量，早晨喂食前測量體重。

1.7 統計學方法 使用IBM SPSS Statistics ver 28.0軟件包進行統計分析，正態分布計量資料數據以均數±標準差表示，非正態分布的計量資料數據以中位數±95%置信區間表示，組間的指標比較采用ANOVA檢驗；手術并發癥計數資料以頻數表示，采用卡方檢驗。P＜0.05表示有統計學意義。

2 結果

2.1 動物一般情況及手術并發癥 所有實驗動物均順利完成手術操作，無手術失敗或中轉手術，術后實驗動物恢復順利，均存活14 d。尸檢均未觀察到腹腔出血、膽漏、膿腫、Hem-o-lok夾移位、膽道損傷、切口感染等并發癥。三組手術出血量沒有統計學差異（P=0.76，圖3），各時間點三組動物體重亦無統計學差異（表1）。

表1 各手術組手術當日和術后第1、3、7、14 d體質量比較（單位：kg）

圖3 各手術組出血量比較（P=0.76）

2.2 手術時間 三組所需手術時間為單臂機器人組(65.13±10.06)min＞常規單孔組(44.47±5.357)min＞常規手術組(24.20±7.64)min（圖4，K-W檢驗P＜0.001）。隨著手術例數的增加，單孔機器人組所需手術時間有逐漸減少的趨勢，但常規單孔組的手術時間無明顯變化。

圖4 各組手術時間比較（P＜0.001）

2.3 膽囊完整率 常規手術組出現膽囊破損1例，膽囊完整率為90%；常規單孔組中出現膽囊破損4例（第1、6、7、14例），膽囊完整率為73.3%；單臂機器人組出現膽囊破損3例（第1、2、4例），膽囊完整率為80%。三組之間膽囊完整率有統計學差異（P＜0.005）。從發生膽囊破損的手術次序看，單孔機器人組膽囊破損只發生在初期，待學習曲線度過后未再發生；而常規單孔手術的膽囊破損似乎和手術次序無關。

2.4 血液學指標 如表2所示，三組動物在各個時間點的白細胞計數（WBC）、C反應蛋白（CRP）、血清腎上腺素（ADR）、血清皮質醇（COR）、白介素6（IL-6）均無統計學差異，各指標隨手術時間的動態變化趨勢亦相同，提示3種手術方法引起的炎癥和應激反應程度相近。

表2 不同手術組在不同手術時間的WBC、CRP、ADR、COR、IL-6比較( ±s)

表2 不同手術組在不同手術時間的WBC、CRP、ADR、COR、IL-6比較( ±s)

WBC：白細胞計數；CRP：C反應蛋白；ADR：血清腎上腺素；COR：血清皮質醇；IL-6：白介素-6。

血液學指標 時間 常規手術組 常規單孔組 單孔機器人組 F(DFn=2,DFd=37)值 P值WBC(×109/L) 手術當天 19.7±4.7 20.1±5.5 20.2±5.4 0.029 0.97術后1 d 25.7±5.4 26.1±5.5 27.5±5.1 0.419 0.66術后3 d 22.4±5.5 23.5±5.3 23.2±5.3 0.130 0.88術后7 d 20.5±5.6 19.6±5.4 19.9±5.7 0.079 0.92術后14 d 20.7±4.8 19.9±4.4 20.9±5.0 0.183 0.83 CRP(mg/L) 手術當天 10.1±2.5 10.5±2.4 10.2±2.4 0.097 0.91術后1 d 139.7±37.4 150.1±30.5 169.5±37.1 2.412 0.10術后3 d 34.4±5.5 40.5±8.3 37.2±7.3 2.148 0.13術后7 d 15.5±3.6 16.6±3.7 16.9±3.4 0.488 0.62術后14 d 10.7±2.5 11.0±2.1 10.9±2.4 0.051 0.95 ADR(ng/L) 手術當天 480.1±110.5 473.4±121.5 490.2±124.4 0.074 0.93術后1 d 519.7±112.4 557.1±127.5 539.5±131.1 0.269 0.77術后3 d 610.4±121.5 679.5±132.3 643.2±133.7 0.864 0.43術后7 d 503.5±123.6 530.6±129.4 539.9±127.4 0.254 0.78術后14 d 476.7±115.5 481.0±131.4 493.9±121.4 0.069 0.93 COR(mg/L) 手術當天 95.1±17.5 93.4±18.5 96.2±19.4 0.086 0.92術后1 d 127.9±21.4 151.0±29.8 139.1±31.0 2.015 0.15術后3 d 100.4±21.5 113.5±19.3 105.2±22.3 1.265 0.30術后7 d 93.5±19.6 96.3±18.4 99.9±21.4 0.324 0.73術后14 d 95.7±18.5 97.1±21.4 93.9±19.5 0.962 0.91 IL-6(ng/L) 手術當天 130.1±31.5 133.4±35.1 137.2±29.7 0.140 0.86術后1 d 199.2±41.4 243.1±47.5 235.5±47.1 0.296 0.06術后3 d 213.4±44.5 210.5±46.3 230.2±43.3 0.817 0.45術后7 d 170.5±36.1 163.6±34.1 159.9±37.4 0.263 0.77術后14 d 137.7±35.1 131.0±34.9 139.0±38.2 0.203 0.82

3 討論

2007年5月，美國醫生完成世界第一例經臍單孔腹腔鏡膽囊切除術。目前，經臍單孔腹腔鏡手術已經能夠完成諸如膽囊切除、闌尾切除、腎切除、右半結腸切除[4-7]等多種手術。研究結果顯示，該手術的優勢不僅僅在于隱藏手術瘢痕的美容效果，在緩解術后疼痛、促進康復方面也有滿意的療效。2008年5月，筆者中心完成了國內第一例經臍單孔腹腔鏡膽囊切除術[8]。此后，又陸續完成了經臍單孔闌尾切除、膽囊闌尾聯合切除、肝囊腫開窗、肝內膽管囊腺瘤剝除術及回盲部切除術[9-10]等。受制于“直線視野、操作三角喪失、器械體外筷子效應”等諸多傳統單孔腔鏡技術難以逾越的難點，極大地限制了單孔技術在外科領域適應癥的拓展，諸如胃癌根治術、胰十二指腸切除術、胰體尾切除術及肝葉切除術等復雜手術，鮮有單孔腔鏡技術的報道。成熟的Da Vinci多臂機器人輔助手術系統已在臨床取得的巨大成功，適應癥拓展到腹部外科、泌尿外科、婦產科等多個外科領域。將單孔技術同機器人輔助手術系統有機的結合能夠有效規避傳統單孔腔鏡的技術難點，從而為單孔技術推廣打開新局面，因而單臂機器人輔助系統的研發成為近年來醫療機器人領域的研發熱點。

筆者中心同上海微創醫療機器人集團合作自主研發成功單臂腔鏡手術機器人系統，機械臂采用Y構型方案，尖端為柔性臂的器械與腹腔鏡通過平行同道送入體內，頭端柔性臂部分將器械于腹腔內展開，從而形成有效的器械操作三角關系，可以在狹小空間內實現7個自由度的精準操作，配合3D高清成像系統，有效規避了傳統單孔腹腔鏡的技術難點。

本研究結果提示單臂機器人系統手術組所有手術均順利完成，安全性指標方面，術后均未觀察到腹腔出血、膽漏、膿腫、Hem-o-lock夾移位、膽道損傷、切口感染等并發癥，同另外兩組比較無差異。手術出血量比較，三組亦未見統計學差異。單臂機器人系統手術組手術時間方面明顯長于另外兩組，考慮有以下兩方面原因：①對接和撤除機器人系統增加了手術統計時間。②術者團隊早期仍在學習曲線內，無論術者操作還是同助手的配合仍在磨合期。根據手術時間曲線變化來看，通過5例手術的磨合后，機器人組手術時間呈明顯下降趨勢，接近傳統單孔手術組。另外一項指標顯示膽囊完整率單臂機器人組介于傳統三孔組和傳統單孔組之間，三組比較存在統計學差異。實驗動物豬膽囊壁薄，同肝臟層次欠清，保證膽囊壁完整切除需較高手術技巧和操作的高穩定性。在此指標方面傳統單孔組表現最差，由于器械筷子效應在體外相互干擾影響器械尖端的穩定性，故膽囊完整率最低。單臂機器人組發生膽囊破損出現在第1、2、4例手術，在后11例手術中均未在發生，可以看到在度過學習曲線后機器人操作的穩定性優勢便逐漸顯現。

通過本項研究筆者團隊體會，借助單臂機器人操作系統實施手術更符合大多數外科醫生的手術操作邏輯和習慣，同時手術適應癥的范圍也更加廣泛。傳統單孔腔鏡手術由于體外器械擁擠，采用交叉操作往往更為便利，即左右手交叉操作原則，這種操作邏輯對左利手的術者較為友好，但大多數外科醫生難以適應需較長的學習曲線。另外傳統單孔腔鏡手術較為適合膽囊切除、闌尾切除、疝修補等操作范圍相對局限的手術，一旦為游離范圍較大的手術，如胃癌根治術、腸癌根治術等則難度會成倍增加。單臂手術機器人系統的柔性手術壁能夠在腹腔內有效展開，符合傳統腔鏡的操作角度和操作習慣，有利于將單孔技術向更為復雜的腹部手術進行拓展。

本項研究僅為單臂機器人系統輔助手術安全性和有效性的初步評價的動物實驗，選擇術式也是較為簡單的膽囊切除術，樣本量亦偏小，尚需更多更復雜術式來進一步對機器人系統進行評價和驗證，并盡早開展人體臨床試驗。同時受限于柔性機械臂的本身的特性，在手術需要吸引出血滲液、進出縫針、釋放血管夾等操作時仍需要增加輔助孔進行操作，但相信伴隨技術的進步上述問題都能得到有效解決。

目前中國市場尚無單臂腔鏡手術機器人產品獲批上市，因此，具有我國完全自主知識產權的單臂機器人系統的成功研發，具有重大社會意義和經濟效益，代表我國已經走在尖端醫療機器人系統研發的前端。本項研究初步驗證了單臂腔鏡機器人系統的安全性與有效性，為后續的人體臨床試驗提供了堅實的數據和操作經驗支持。