中国机器人微创心血管外科的历史、现状与展望

高长青 中国人民解放军总医院心血管外科 （北京 100853）

中国机器人微创心血管外科的历史、现状与展望

高长青 中国人民解放军总医院心血管外科 （北京 100853）

机器人微创手术技术在国内已开展近十年。文章回顾了机器人手术技术的历史演变，概述该技术在国内的发展历程，详实的介绍了机器人微创技术在心血管外科领域取得的成就，并展望了机器人微创手术技术的发展方向。

机器人 外科手术 微创 心血管外科

“机器人”技术产生于20世纪60年代并应用于汽车制造业和核工业领域，随后越来越多的特种“机器人”逐步应用于军事、海洋探测、航天、医疗等人类生产生活的各个领域。同时，在医疗领域，20世纪是微创外科的形成与发展时期，腔镜技术是其典型代表，这种手术方式与传统的开放式手术相比具有创伤小、瘢痕轻、恢复快等优点，但以临床实践来看，腔镜技术存在协调性和灵活性差、精细解剖困难、器械操作难度大，不能满足心脏手术所需的精细操作等缺陷。为解决腔镜外科手术中存在的精度不足、操作疲劳等问题，研究者开始探索在外科手术中引入机器人技术，以改善手术效果。1995年美国Intuitive Surgical公司制造了“达芬奇”（da Vinci）机器人手术系统，2000年通过了美国食品和药物管理局（FDA）市场认证后，“达芬奇”成为世界上首套可以正式在医院手术室中使用的机器人手术系统，早期主要用于腹腔手术中，逐步应用于心脏外科等手术中，同时也有望应用于远程急救医学，实现战争、地震等极端环境下的遥控手术。“达芬奇”机器人手术系统与传统腔镜外科的区别是，可控制性强、操作精细、手术视野良好，术者劳动强度降低、不易疲劳，可以提高术者工作效率和准确度。

机器人手术可最大程度的减小手术切口、降低手术创伤，是目前微创心脏外科学最前沿技术。“达芬奇”机器人手术系统的三维手术视野可按比例完全再现人体组织内部结构，微创器械的直径为8mm，可通过钥匙孔大小的切口进入人体组织内，可以完成人手不可能完成的高难度动作，大大增加了手术可覆盖范围和完成高难度操作的可能性。借助机器人手术系统的辅助，可在胸腔完全闭合的情况下完成心脏手术。由于心血管手术操作复杂、风险较高，机器人手术系统成功应用心脏手术具有里程碑意义[1]。

1.国内机器人心脏手术的发展和应用

1.1 国内机器人微创技术零突破

2005年底，经过多年对机器人手术系统的跟踪考察及临床结果分析，结合中国心血管外科发展状况，中国人民解放军总医院（以下简称“解放军总医院”）正式提出引进“达芬奇”机器人手术系统并进行技术创新的立项计划。当时，亚洲仅日本、台湾、香港等国家和地区拥有少数几台手术机器人，且仅应用于泌尿外科等领域，尚无开展心脏手术的经验，国内在该领域一片空白。克服资金、设备及耗材采购等困难，解放军总医院在2006年11月率先在国内引进了当时世界上最先进的四手臂“达芬奇S”机器人手术系统。2006年11月底，由外科医生、麻醉师、体外循环灌注师、手术室护士等一行6人组成的中国第一支机器人心脏外科手术团队奔赴美国，一个多月的时间里，他们首先在美国“达芬奇”机器人总部完成了该公司认定的基础实验室培训并取得了培训合格证书，随后又辗转多家已开展机器人心脏手术的著名心脏外科中心，尽可能更多地通过实地观摩获得最佳的应用方案经验。由于开展机器人心脏手术所需要的耗材十分庞杂，且绝大多数耗材国内并无销售，其时又处于国内拟开展机器人心脏手术之初，国内公司并不愿意代理可能销售数量较少的机器人手术耗材，准备和收集相关耗材的工作都成为难点，各种耗材的型号及来源也需团队一一明确。

机器人手术团队回国后立即着手进行技术论证并开展了各项前期试验研究，明确了机器人手术系统的布局、适合国人体格的手术技术方案和麻醉方案等。2007年1月15日，中国首例全机器人房间隔缺损修补手术在解放军总医院顺利完成。

1.2 中国机器人微创心脏手术应用与创新

此后经过短短几年时间的发展，解放军总医院机器人心脏手术团队即完成了各种全机器人不开胸心脏手术25种800余例，全部获得成功。涵盖了目前世界上“达芬奇”机器人手术系统所能完成的全部心脏手术，是全球单中心完成机器人心脏手术种类最多的心脏外科中心。包括不停跳下冠状动脉旁路移植、二尖瓣成形和替换、三尖瓣成形、房间隔缺损修补、室间隔缺损修补、肺静脉异位引流矫治、三房心矫正、原发孔房间隔缺损修补、肺动脉瓣狭窄矫正、左心室起搏电极植入、心脏和纵隔肿瘤切除等，其中不开胸、心脏跳动下冠状动脉搭桥是目前机器人心脏手术的微创极限。全机器人心脏不停跳下冠状动脉旁路移植术加支架植入、心脏不停跳下房间隔缺损修补、心脏不停跳下房间隔缺损修补同期行三尖瓣成形、心脏不停跳下右心房肿瘤切除、部分肺静脉畸形引流矫正、室间隔缺损修补、原发孔房间隔缺损修补和三房心矫正8种手术为国际首创。

在心血管外科的带动下，“达芬奇”机器人手术技术在解放军总医院的泌尿外科、普外科、胸外科、肝胆外科、肿瘤外科以及妇产科等众多学科得到了越来越多地应用。受其带动与影响，国内已有20余家单位购置和使用了机器人手术系统，获得了良好的初步应用结果。

1.3 国内机器人微创心血管外科成就与国际影响力

解放军总医院机器人心脏外科手术团队积极总结多年的经验，从患者选择、手术操作、围术期管理、麻醉管理、体外循环管理、经食管超声的应用、机器准备、人机配合等多个方面总结制定了适合国人特点的机器人心脏手术的系统性操作规范和培训管理规范，由国家卫生部在全国推广应用。

2008年解放军总医院心血管外科成立了中国第一个“微创机器人心脏外科中心”；2010年成立了“国际机器人心脏外科合作与研究中心”；2012年，中华人民共和国卫生部、中国人民解放军总后勤部卫生部、美国“达芬奇”机器人总部在解放军总医院成立了“国家机器人心脏外科手术培训基地”、“解放军机器人手术培训基地”和“国际‘达芬奇’机器人外科培训基地”，并成功地为日本金泽大学、日本帝京大学、新加坡国立心脏病中心、新加坡中央医院、巴西圣保罗州立研究所等19支外籍团队进行了培训和技术指导工作；同时为我国香港中文大学、台湾大学医院、台湾马偕医院、台湾奇美医院、上海中山医院、中国人民解放军济南军区总医院和中国人民解放军南京军区南京总医院等30余家机器人心脏手术团队等进行了培训和技术扶持。

2010年“全机器人远程遥控微创心血管手术的应用研究”获北京市科学技术一等奖；2012年，以机器人技术为核心的“微创外科技术治疗心脏及大血管疾病”获得国家科学技术进步一等奖。

2008年、2010年、2012年和2014年，解放军总医院成功举办了四届“北京国际机器人心脏手术演示及专题研讨会”，并将会议扩展为多学科、影响力巨大的机器人微创国际品牌会议。作者数十次受邀出席国际机器人微创外科学术会议并对机器人微创心脏手术作专题报告，并在国际机器人微创外科学领域担任多项重要学术职务，并担任美国《Journal of Robotic Surgery》、《Heart Surgery Forum》和《Innovations》等杂志共同总编或编委，反映出国际对我国在该技术领域的国际领先地位的认可。

解放军总医院从密切关注“达芬奇”机器人外科技术的起步和发展，并对这项国际前沿技术进行引进、吸收和再创新，到位居国际领先水平，不仅开创了中国机器人微创外科领域的先河，更谱写了世界微创外科的新篇章。

2.机器人微创心脏手术

2.1 冠状动脉旁路移植术

冠状动脉旁路移植术包括机器人内乳动脉游离+小切口下冠状动脉旁路移植术（Minimally Invasive Direct Coronary Artery Bypass，MIDCAB）[2,3]、全机器人冠状动脉旁路移植术（Totally Endoscopic Coronary Bypass，TECAB）和“杂交”术式，上述术式可在体外循环或非体外循环下完成。

TECAB的首要步骤是机器人胸廓内动脉游离。术中于左侧胸壁开直径为0.8cm的小孔3个，利用机器人手术系统可方便的全程游离单侧或双侧胸廓内动脉[4]。游离完毕后，根据靶血管情况，行非体外循环下行TECAB或侧胸壁MIDCAB。行MIDCAB时，左侧胸壁第四肋间开长度为6cm的小切口，直视下行胸廓内动脉到靶血管的单支或多支血管桥吻合；行TECAB时无需胸壁小切口，全机器下完成胸廓内动脉到靶血管的吻合[5]。

目前，手术技术已从单纯前降支搭桥发展到多支血管吻合，联合机器人搭桥和支架置入两种治疗过程的“杂交”术式也已成功开展[6-8]。自2007年，解放军总医院共完成260例机器人非体外循环下冠状动脉旁路移植术，无手术死亡及围术期心肌梗死发生；TECAB术后2周内行64排CT或桥血管造影检查，桥血管通畅率为100%，桥血管术后1年的通畅率为98.1%，2年时为97.1%，术后3～5年出现桥血管狭窄或闭塞的患者尚未随访到[9]。45例合并有回旋支、右冠状动脉或对角支狭窄的患者接受了“杂交”术式——于机器人术后2周内行分站式支架置入，手术效果良好。

同时通过对比TECAB与正中开胸冠状动脉旁路移植术（Off-Pump Coronary Artery Bypass Graft，OPCAB）两种非体外循环冠状动脉搭桥术式的吻合口通畅率等临床近中期结果与术后的恢复指标，综合对TECAB的安全性、有效性以及术后生活质量进行了评判。研究结果显示，TECAB组与OPCAB在并发症、死亡率及乳内动脉桥血管通畅率方面无统计学差异，TECAB组采用骨骼化游离乳内动脉，可获得更好的术中血流量；TECAB安全可靠，手术创伤小，术中及术后出血量少，术后疼痛程度轻、并发症少、恢复工作时间早，对伤口恢复满意度高，术后生活质量评分高，中远期效果良好，是可供选择的良好心脏微创手术方式[10-12]。

2.2 机器人二尖瓣成形或置换

1998年，法国的Carpentier使用“达芬奇”原型机器完成了首例机器人辅助下二尖瓣成形术[13]。经过美国FDA临床Ⅰ、Ⅱ期试验，“达芬奇”机器人手术系统开始应用于二尖瓣成形手术[14,15]。国内，2007年3月解放军总医院开展了国内首例“达芬奇”机器人下二尖瓣成形术[16]。到目前为止，共完成二尖瓣手术共170例，包括二尖瓣成形120例，二尖瓣置换50例[17]。具体手术种类包括：后叶部分切除+成型环置入、单纯成形环植入、假腱索、单纯部分后叶切除、前叶裂修复、生物瓣和机械瓣置换[18]。无手术死亡，无术中术式转化，未见瓣周漏等并发症。术后4～6h拔除气管插管，术后疼痛明显小于常规开胸手术，患者心理负担较轻，恢复加快。

目前，国际上尚未有机器人与常规开胸或腔镜下二尖瓣成形对比的临床随机试验公开发表[19]。解放军总医院的单中心、非随机临床经验表明，同常规手术相比，机器人手术的输血量及住院时间明显缩短，术后生活质量较好[20]。

机器人二尖瓣手术过程中，除4个直径为0.8cm的小孔外，需要在侧胸壁上开直径为2cm的切口作为工作孔，用来传递瓣膜、成形环等手术耗材。机器人微创器械灵活度高，特别是在新型器械“左房牵开器”的辅助下，完全可以在避免正中或侧开胸的情况下完成各种类型的二尖瓣成形。临床研究证实了机器人二尖瓣成形术安全有效，近、中期结果良好。随着临床经验的积累，部分医生已经开始将机器人技术应用较复杂的二尖瓣成形，例如前叶或双叶修复中[21]。但10～20年的远期临床结果有待于进一步证实。可以预料的是，随机器人技术的进步及新型器械的发明，机器人下二尖瓣成形将更为简单，并具有良好的可复制性。对于术后中远期随访结果，有必要继续明确。

2.3 先天性心脏病矫正

治疗先天性心脏病（简称，先心病）的微创方案有：小切口、电视胸腔镜辅助、机器人辅助和介入手术。各种小切口下简单先心病矫治已较为成熟，此项技术通常使用常规手术器械和体外循环技术，同传统正中开胸相比，体外循环建立、手术视野暴露及操作难度增加，适用病种有限。心脏介入技术可使患简单先心病患者得到避免外科创伤的治疗方案，但介入手术的并发症和远期安全性需要进一步评估；机器人外科系统的出现为全内镜下微创心脏外科手术的发展提供了可能，通过右侧胸壁4个直径为0.8～1.5cm的小孔即可完成部分先心病的矫正，且具有手术视野清楚、器械灵活度高、操作精细和术者工作强度低等优点[22,23]。

继发孔房间隔缺损是目前开展最多的机器人先心病矫治手术。临床报道证实，机器人辅助下房缺修补术安全、可行。解放军总医院共完成240例机器人房缺修补术，是目前病例数最多的报道。该组病例中61%的患者不适合封堵治疗或合并三尖瓣关闭不全；为简化手术过程和提高手术安全性，逐步开展了心脏不停跳下、机器人房间隔缺损修补术[24,25]。机器人辅助和常规正中开胸相比，手术时间、体外循环时间、主动脉阻断时间均有延长，但随着手术例数的增加，手术时间呈逐步下降趋势[26-28]。术后随访未见残余分流及并发症发生[27]。随着临床经验的积累，机器人辅助下先心病矫正术的手术适应证也在不断的扩展中。解放军总医院对机器人辅助下原发孔房缺和膜周部室缺修补进行了初步的探索，于此之前国际上未见报道[29,30]。机器人系统下，可充分的暴露膜周部室缺后直接或补片修补，并可同期修补三尖瓣。

机器人辅助下心脏手术避免了常规手术必须开胸及各种微创小切口，在不开胸的情况下可精确和高效的完成部分简单先心病的矫正。同常规开胸相比，机器人先天性心脏矫正可治疗病种有限，手术过程也较为复杂及耗时，包括术中食道超声监测、双腔气管插管、单肺通气及股动静脉插管等步骤；不能耐受单肺通气、右侧胸部手术史或重度胸膜粘连、不适合股动静脉插管和过于肥胖（体质指数＞35kg/m2）也是机器人手术的相对禁忌症[31]。

2.4 机器人心脏肿瘤切除

心脏内肿瘤发生率较低，而且一般为良性，但为防止栓塞并发症发生，建议尽早切除。2010年，解放军总医院报道了国际上最大一组的机器人辅助下黏液瘤切除，并创新性的提出了左房黏液瘤的左房入路途径，右房黏液瘤切除均采用心脏不停跳下术式；所有患者均成功接受机器人左房黏液瘤切除术，无手术死亡、栓塞等并发症的发生，随访期间未见肿瘤复发[32,33]。机器人组在术中出血量、术后引流量、血液制品使用量、呼吸机辅助时间、ICU时间及术后住院时间均明显少于常规开胸组。同时，机器人组患者的术后完全恢复活动时间明显短于常规开胸组，术后生活质量评分高，对伤口的满意程度更高[34,35]。

2.5 机器人房颤外科治疗

冷冻迷宫术是有效的房颤外科治疗方案，但由于操作过程相对繁琐、增加手术时间及出血风险，该项技术并没有得到广泛的开展。目前的研究证实，开胸下二尖瓣手术同期行房颤消融手术安全有效[36,37]。2004年起，陆续出现了相应的机器人房颤外科临床报道，但远期结果有待于进一步随访[38,39]。

2.6 机器人左室起搏电极植入

大量的前瞻性研究证实，在适当药物治疗条件下，无论是否置入自动除颤仪，再同步化治疗可以提高心力衰竭伴有室内阻滞患者的心脏功能、运动耐量及生活质量，同时可以减少病死率及因心力衰竭导致的住院。由于冠状静脉及冠状静脉开口解剖变异较大，左心室导线经心脏静脉植入存在10%～12%的脱位率。一旦脱位，开胸下左心室心外膜下植入起搏电极成为唯一的补救方案。与开胸术式相比，机器人手术具有创伤小、恢复快等优点，对于心脏功能衰竭的患者意义更大。国际上的两组临床应用报道，无手术失败，无术中并发症发生[40,41]。对于对经冠状静脉和机器人辅助下左心室电极植入的对比性研究正在进行中。国内首例机器人左心室起搏电极植入由解放军总医院完成[42]。

3.机器人微创技术的展望

机器人手术系统最大的缺点是术者无法感受到压力、张力、热和振动等感觉，相信在未来的机器人手术系统中能够通过特定的软件和设备配合，使术者在操控台操作时能够具有综合的、实时的、持续的触觉反馈，从而使机器人手术操作变得更加简便、更加安全；应具有更高的精确运动缩放功能，以便于进行更高精度的细微操作。同时，借助于更加真实的超清晰三维立体影像系统及人机交互平台，使得术野结构更加真实，手术更加安全，其发展方向为。

3.1 机器人手术系统进一步微型化

未来的机器人手术系统能够进一步缩小至微型化、机器人镜头及操作器械直径能够进一步缩小，从而提高其灵活性和方便性，同时手术器械将能够提供定向治疗功能，如激光、射频、冷冻、高能量汇聚的超声和热消融等先进功能，将实现手术进一步微创化。

3.2 实现远程控制功能

目前机器人手术系统所有操作数据均通过数据线直接传输到床旁机械臂，未能实现机器人手术系统的最大优势——远程遥控操作。相信不远的将来，在未来的机器人手术系统中，借助于不断发展、进步的远程信息控制系统，真正能够实现机器人手术系统的远程遥控操作功能，使得上级医院的经验丰富的医生能够实现足不出户便可完成千里之外的手术操作，提供医疗资源利用率，也便于上级医师对不同地区下级医师的指导和教学、培训工作。同时，机器人手术系统的远程功能，在军事上也具有非常重要的意义。

3.3 建立虚拟机器人手术系统

借助计算机虚拟技术，建立一整套机器人手术系统模型，包括虚拟人体模型、仿真病变情况、虚拟手术台及虚拟外科手术器械，使得手术医师在术前通过此系统，在手术前进行模拟操作，以进一步提高手术的安全性，尤其对于一些复杂手术的术前规划、术中意外情况的处理、手术结果的预测均有着重要的意义。

3.4 实现机器人手术系统国产化

目前机器人手术系统为美国生产，机器及手术器械费用均很高，这一方面增加了患者的经济负担，同时也不利于机器人手术技术的开展及普及。期望在不远的将来，由我国自主研发的国产机器人手术系统广泛应用于临床，让我国更多符合机器人手术适应症的患者得到机器人手术治疗，以实现良好的社会效益和经济效益。

总体来说，机器人微创心血管手术是一种颠覆性的技术创新，手术技术及相关设备在仍不断发展中，需要跨学科、国际化联合研究平台支持。机器人不是一台机器，而是一个信息系统，可以作为一个平台与其他信息融合。试设想，未来的外科手术，在导航及机器人辅助下，外科医生可见实时三维扫描图像重叠于手朮屏幕上，或者说人体组织将成透明化，可避免损伤内部结构，数字外科时代，手术过程可以预先程序化。可以预见，在不久的将来，机器人微创手术将逐步取代大部分传统手术成为未来的主要外科技术手段之一。

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History, Current Situation and Prospect of Minimally Invasive Robotic Cardiovascular Surgery in China

GAO Chang-qing Cardiovascular department of Chinese PLA General Hospital (Beijing 100853)

The minimally invasive robotic surgery has been introduced into China for ten years. This paper reviews the evolution of robotic surgical technology, introduces the development process of robotic techonology, detailed describes the robotic minimally invasive technology in cardiovascular surgery, and prospects the future of minimally invasive robotic surgery.

robotics, surgical procedures, minimally invasive surgery, cardiovascular surgery

1006-6586(2017)07-0002-07

R654

A

2017-01-03

高长青，主任医师、教授、博士生导师，中国工程院医药卫生学部院士，法国医学科学院外籍院士，法国外科学院院士。应用全机器人手术系统完成中国首例不开胸心脏手术。在心脏外科诊疗，尤其是微创手术领域成绩突出。