机器人技术在结直肠肿瘤外科中的应用

陈竟文 韦烨 许剑民

一、机器人手术技术发展的历史

机器人手术系统源于20世纪90年代，IBM公司发明的Robdoc系统几乎没有实际的临床应用，只能算是启蒙阶段。最早具有现代意义的机器人手术系统是Computer Motion公司发明的AESOP(伊索)机器人手术操作系统。伊索机器人手术操作系统由医生通过语音或脚踏板来控制镜头，调整视野，可以克服扶镜手疲劳所带来的镜头不稳定，但其功能单一，未能实现机械手进入手术区域操作，国内包括复旦大学附属中山医院等多家医院曾使用过该系统，当时仅应用于心脏手术。1998年由Computer Motion公司研发的Zeus(宙斯)操作系统，具有独立的外科操作平台和机械臂，成为现代意义的机器人外科手术系统。2000年6月，达芬奇机器人手术系统成为了FDA批准的第一个用于腹腔镜手术的自动机械系统。机器人手术系统里程碑式的临床应用是在2001年9月，Marescaux医生在美国纽约应用宙斯系统，远程操作，为远在法国的患者实行了代号为“Lindbergh”的胆囊切除手术[1]，国内有数家医疗单位也曾引进过该系统。2001年Intuitive Surgical公司收购Computer Motion公司后，在宙斯系统基础上研制出了达芬奇手术操作系统，该系统在临床上应用最为广泛[2]。2008年7月，达芬奇机器人手术系统通过了中国SFDA的认证。来自官方的数据，截至2013年8月底，达芬奇系统全球共装机2799台，其中美国2001台，欧洲443台，亚洲245台，中国大陆有16台，这一数字仍在不断上升之中。

18世纪80年代，Billroth完成了人类历史上第一例腹部外科手术，这类传统的开腹手术被称为第一代手术，是外科手术的金标准。20世纪80年代，以腹腔镜技术为标志的微创外科，代表了外科手术发展的方向，在许多外科领域已经取代了传统的开腹手术，被称为第二代外科手术。多数学者认为腹腔镜结直肠癌手术对比传统的开腹手术，虽然并不能提高患者的长期生存率，但是确实能改善患者术后的胃肠道功能恢复，缩短其住院时间[3]。进入21世纪后，以达芬奇机器人手术系统为代表的手术机器人的开发和临床应用，以其全新的理念和技术优势被认为是现代外科发展史的一个里程碑，预示着第三代外科手术时代的到来。每一代的外科手术各有其优缺点，黎介寿院士等[4]对其进行了详细的总结(表1)。

目前，达芬奇机器人手术已在心胸外科[5]、泌尿外科[6]、妇科[7]和腹部外科[8]等领域逐渐普及。达芬奇机器人手术系统在腹部外科已经得到了广泛的应用，其主要应用在行常规腹腔镜手术操作较为困难的手术中，包括复杂肝段切除[9]、胃癌根治术[10]、结直肠癌根治术[11]、胰腺部分切除[12]和胰十二指肠切除术[13]等。2001年该系统第一次被应用于结直肠疾病的外科治疗，Weber教授完成了两例结肠良性疾病的手术[14]。目前，达芬奇机器人手术已广泛应用于结直肠良恶性肿瘤的手术治疗当中。在结直肠癌合并肝转移的同期切除手术中，应用达芬奇机器人也可以达到良好的效果。

二、达芬奇机器人手术系统的构成和特点

达芬奇机器人手术系统由美国Intuitive Surgical公司生产，主要由三个部分组成：(1)医生操作主控台(surgeon console)：所有的操作控制在这个平台完成；(2)床旁机械臂塔(patient cart)：它由仿真机械手臂组成，共有4个臂，包括了3支具有7个自由度交互功能的仿真机械臂和1支扶镜臂；(3)三维成像视频影像平台。实施手术时外科医生不与患者直接接触，通过三维视觉系统和动作定标系统操作控制，医生手臂、手腕和手指的动作通过传感器在计算机中记录下来，并同步翻译给机器手臂，机械手臂的前端根据需要安装各种特殊的手术器械来模拟外科医生的技术动作，完成手术操作。

该系统具有如下特点：(1)图像清晰，应用高清三维立体成像系统呈现高清的手术视野，术者通过双眼接受来自左右摄像机传来的完整图像，形成了三维立体图，使术者有如开腹手术一般的直观感，弥补了腹腔镜手术二维平面空间感的缺失，同时在高清基础上可以放大视野，最高可达15倍，能更精确地移动机械手臂进行操作。机械扶镜臂能保证镜头固定，避免了画面抖动。(2)操作准确，达芬奇机器人机械臂具有7个方向自由度的活动，在操作范围内可以任意改变角度进行操作，即便是在狭小的空间里，也可以通过机械臂头端的转向活动来完成操作，具有腹腔镜所无法比拟的灵活性。区别于腹腔镜的反向操作器械，达芬奇手术系统的机械臂可以完全模拟术者的动作，做到直观的同向控制。控制器可以自动过滤人手的生理颤动，保证了更高的操作稳定性和准确性。动作定标系统，可确保更换器械时原操作位置不变。(3)操作便利，达芬奇机器人手术系统彻底改变了术者站着手术的传统模式，主刀医师坐在操作平台前完成手术操作，减轻了疲劳，更适合长时间复杂手术的开展[15]。达芬奇手术系统配备了几乎所有手术器械的机械手版本，包括抓钳、超声刀、电钩、电凝剪刀等，方便术者选择合适的手术器械。通过脚踏开关，术者可以自由选择需要控制的机械臂，包括镜头和另外三个器械臂，但同时只能控制两个机械臂。(4)远程可操作，借助光缆等高科技传送设备，图像和操作信号可以进行及时的远距离传送，使远程手术操作变成了现实。

表1 三代外科手术技术特点比较表

三、机器人手术在结直肠肿瘤外科中的应用

Yang等[16]荟萃分析了16个临床研究结果，对比了564例达芬奇机器人手术系统辅助手术和929例腹腔镜手术。该研究结果显示,与腹腔镜结直肠手术比较，达芬奇机器人手术系统辅助结直肠手术具有术中出血少、中转开腹率低等优点，但是手术时间较长，住院花费明显偏高。Memon[17]的荟萃研究纳入7个结直肠癌手术的临床研究，对比分析了353例达芬奇机器人手术系统和401例腹腔镜手术的疗效。该研究结果显示，与腹腔镜手术比较，达芬奇机器人手术系统的优势在于中转开腹率下降，而在术后并发症、环周及远端切缘阳性率、淋巴结清扫数目和住院时间等方面，差异无统计学意义。

Park等[18]前瞻性的对比分析了35例采用达芬奇机器人手术系统和35例采用腹腔镜行右半结肠癌手术的疗效。研究结果显示，两组患者中转开腹率、术后并发症发生率、住院时间、切缘阳性率和淋巴结清扫数目，差异无统计学意义，而达芬奇机器人手术系统的手术时间和花费却明显提高。因此Park等认为达芬奇机器人手术系统在右半结肠癌治疗方面并无优势。D’Annibale等[19]的一组50例采用达芬奇机器人手术系统行右半结肠癌手术的研究结果显示，手术相关死亡率为2%，平均淋巴结清扫数目为14枚，无一例中转开腹，短期生存率达92%，但平均手术时间长达223 min，明显长于开腹或腹腔镜右半结肠癌根治术所需手术时间。

Choi等[20]一组50例采用达芬奇机器人手术系统行直肠癌手术研究结果显示，无一例患者发生手术死亡，无一例中转开腹，平均淋巴结清扫数目为20枚，吻合口漏发生率为8.3%，环周切缘阳性率为2%，与开腹或腹腔镜手术效果相似，但手术时间延长，平均为304 min，明显长于开腹或腹腔镜直肠癌根治手术。Baek等[21]重点分析了154例采用达芬奇机器人手术系统行直肠癌手术和150例腹腔镜直肠癌手术的疗效。在术后恢复时间和并发症发生率两组类似的情况下，达芬奇机器人手术系统平均手术时间增加了66 min，平均住院花费更是提高了4 669美元。

达芬奇机器人手术系统一个重大的优势，就是在狭小的空间中可以获得灵活的操作和清晰的视野。但是该项优势能否在低位直肠癌根治手术中达到保护盆底自主神经的效果，目前尚缺少大量的前瞻性研究结果支持。Kim等[22]对比分析了达芬奇机器人手术系统辅助低位直肠癌手术和腹腔镜辅助低位直肠癌手术，机器人组患者的排尿功能和性功能恢复时间较腹腔镜组有明显的提前，术后排尿功能恢复从6个月(腹腔镜组)提前到了3个月(机器人组)，勃起功能恢复从12个月(腹腔镜组)提前到了6个月(机器人组)，但是明确的结论还有待于大样本前瞻性临床研究明确。目前在Clinical Trail中注册登记在研的临床研究，主要都是关注达芬奇机器人手术系统在中低位直肠癌治疗中的优势。

四、机器人结直肠肿瘤手术的前景

相对于腹腔镜手术，达芬奇机器人手术系统优点突出，图像的清晰立体、操作的便捷顺利和人员的专业化等，但同样有其突出的缺点。

1.价格昂贵：达芬奇系统目前还不可能得到广泛的开展，最重要的原因就是价格昂贵[23]，体现在两方面，一是使用成本高，第三代机器人手术系统的售价高达2200万元人民币，与该系统配套的器械及无菌套等的费用是500美元/次/把，即使不计算机器的折旧费，每台手术也必须增加2～3万元的耗材费用，使得手术成本大增；二是维修费用高，为防止达芬奇手术系统出现问题，每4个月需进行一次预防性维修，每年的维修保养费约是购置费用的10%。

2.触觉反馈缺失：目前的达芬奇机器人手术系统无法提供触觉反馈，术者只能通过视觉观察来弥补触觉反馈的不足。外科医生依赖的“手感”消失了，对于手术中抓持和牵拉的力度、器械打结时缝线的松紧判断都增加了难度，术者必须经过反复的训练来掌握。另外对于较小的肿瘤，特别是没有侵犯浆膜的肿瘤，术中难以定位，还需要借助术中肠镜或荧光显影技术等。

3.机械故障：越是复杂的系统，其发生故障的概率就越高。虽然目前还没有在使用过程中发生机械故障导致危险的报道，但手术系统一旦发生重大的错误，其后果将是灾难性的。达芬奇手术系统未来的远程手术应用，则更是需要一个高效且绝对安全的网络保障。

4.手术时间长：机器人手术都需要装配机械臂，装配时间大约是30分钟，这就延长了手术时间，增加了患者的创伤应激。达芬奇手术只能固定一个体位，若需要变化体位则需要重新摆放机械臂，这样也增加了手术的时间。

5.优势不明显：在腹腔镜手术广泛开展并得到良好应用的同时，达芬奇机器人系统并未表现出足够的优势。达芬奇机器人结直肠手术对比于腹腔镜手术，其术后肠道功能恢复、住院时间等并无明显优势[24]，其远期疗效仍需要进一步的随访数据。迄今为止还没有任何国家的医疗管理机构发布机器人手术相关的临床应用指南，对于复杂手术还是首选传统开腹手术。机器人手术系统一个最大的优势，就是在狭小的空间中可以获得灵活的操作和清晰的视野，在低位直肠癌根治手术中能分辨并保护盆底自主神经、输尿管和生殖血管，能更为精确的分离和缝合[25]，但是明确的结论还有待于大样本的前瞻性临床研究。

医学技术的发展有目共睹，随着科技的进步，机器人手术的费用应该会逐渐下调。而单孔达芬奇机器人技术则为我们描绘了一幅未来微创外科的蓝图，利用机械臂的灵活性在单孔中完成相对复杂的结直肠癌手术，将更充分体现机器人手术系统的优势[26]。FireFly荧光显影技术结合最新的达芬奇机器人系统，让外科医师在手术中能清楚识别肿瘤边界，准确辨认重要的组织和血管，为手术的安全性和有效性保驾护航[27]。当今最先进的机器人手术模拟训练器，MIMIC机器人模拟训练器，无需购买专用机器人训练器械即能学习最先进的机器人手术操作，方便实用且节省成本[28]。另外，远程外科必将是机器人手术技术革命下一阶段的研究方向，随着技术的革新，外科手术将突破距离的限制，为偏远地区的患者、为几百公里之外战场中的伤员、甚至为太空中的宇航员进行手术，必将变成现实；远程外科还使跨国、跨地域的手术和教学演示成为可能[29]。

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