消化内镜机器人的研究进展

闫婧爽，闫 斌，彭丽华

消化内镜技术发展至今已有近200 年的历史[1-4]，已经成为消化系统疾病诊疗过程的重要工具。特别是近年来不断涌现的新型内镜技术，如共聚焦内镜、窄带成像（Narrow Band Imaging,NBI）内镜，以及内镜下黏膜切除术（Endoscopic Mucosal Resection,EMR）、内镜黏膜下剥离术（Endoscopic Submucosal Dissection,ESD）、经自然腔道内镜手术（Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery,NOTES）等内镜技术的不断成熟，使胃肠道疾病诊断更及时，治疗更趋微创化。

机器人是一种可重新编程的自动化多功能机器装置，其本质是代替或协助人类执行各种任务，医疗机器人亦如此。主从式医疗机器人是由主端和从端构成，医师可通过工作台实现对机器人的远程操控。随着消化内镜的普及，需要接受消化内镜检查和治疗的患者增加，内镜应用的困境也逐渐显现：①日益增长的内镜诊疗需求与内镜医师人员短缺的矛盾；②内镜广泛普及与操作规范化的矛盾；③复杂内镜操作时间长、病例多与内镜医师体能所限的矛盾；④突发呼吸道传染病流行期间，床旁检查与疫情防控的矛盾等。这些需求和矛盾，推动了消化内镜机器人的研发，以达到解放人力、规范高效操作、实现主从端分离等要求，有望实现远程手术诊疗[5]。从1988年Ikuta[6]研发的第一台微型机器人内镜至今，不同类型和驱动装置的机器人内镜不断出现，现就这些研究进展作一综述。

1 检查型内镜操控机器人系统

2016 年解放军总医院杨云生教授团队与中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室[7]联合研发设计了一套主从式软式内镜操作机器人系统YunSRobot，具有双臂协同操作软式镜体、扭矩高效传递，可实现远程操控等特点。Yun‐SRobot系统从端由双机械臂（输送臂和操作臂）、软式内镜（Olympus胃镜GIF-H260）构成，主端由双控制手柄、人机交互界面组成。该机器人系统的工作原理：仿医生双手控镜，采用输送臂和操作臂的双机械臂构型。输送臂具有5 个被动自由度和2个主动自由度，可实现软式内镜远端的托举与输送。操作臂具有5 个主动自由度，可实现操作部拨轮的旋转，进而控制软式内镜的弯曲指向，以及控制操作部的俯仰、扭转和整体跟随。医师通过操作控制手柄实现对上述机器人功能的控制，而且手柄上集成了水气操作按钮，可在操作过程中完成冲刷、送气和负压吸引操作。该系统已通过模型试验、动物实验和临床试验，对其安全性、可行性和操作效能等进行了验证[7-9]。该团队还进一步完成了基于公用4G 网络的远程模型试验，验证了远程应用的可行性[10]。该机器人的突出优势在于可搭载医院现有的内镜系统，无需更换内镜设备。检查型内镜操控机器人系统是治疗型内镜操控机器人系统的基础，在此基础上开发搭载与之匹配的治疗附件操作系统，有望实现各种机器人内镜治疗操作。

2 治疗型内镜操控机器人系统

受限于传统内镜管径，EMR、ESD、NOTES等复杂内镜治疗耗时长，灵活度低，复杂内镜治疗技术的发展更需要强大灵活、高度操控性的内镜多任务平台。目前，已有多款内镜平台设计面世，日本奥林巴斯公司的双通道内镜DCE[11]、R-Scope[12]、En‐doSamurai 系统[13]，以及Anubiscope 内镜操作平台（Karl-Storz，德国）[14]、直驱内镜系统DDES（Boston Scientific,美国）[15]、无切口操作平台IOP（USGI，美国）[16]等内镜平台的面世解决了腔内复杂操作的诸多困境，但以上内镜平台均为手动操控，在本综述中不做详述，主要就手术机器人系统介绍如下。

根据操作模式的不同，手术机器人可分为主从式内镜机器人系统和床旁治疗型内镜机器人。主从式内镜机器人系统由主端控制子系统与从端机器人子系统构成，主端和从端可基于互联网或专网实现遥控操作[7]。床旁治疗型内镜机器人需要医师直接或间接通过操纵杆实现对内镜机器人或机械臂的控制。床旁治疗型内镜机器人在一定程度上限制了医师的操作空间，而主从式机器人系统有望实现远程操作。

2.1 主从式内镜机器人系统

2.1.1 Viacath 系统Viacath 系统是美国汉森医疗公司[17]于2007 年研发的用于消化道ESD 手术的主从式手术机器人，由带触觉反馈界面的主控制台、从动驱动机构以及柔性鞘管组成。两个关节式手术器械在内镜器械腔道内前进，可在内镜反馈的腔道视野下代替医生双手进行组织提拉、切割等操作。Viacath 系统的从动系统与Laprotek 系统[18]（一种腹腔镜远程手术机器人）相同，由电机驱动。动物研究验证其可在胃和结肠中进行黏膜切除和缝合。二代系统改进了手术器械的设计并增加可操控的柔性鞘管，实现了手术器械与内镜的协调控制。ViaCath 的预期用途包括减肥手术、胃食管反流病修复和大面积黏膜切除术，主从式的控制架构有望实现远程手术操控。

2.1.2 Endo-MASTER系统 Endo-MASTER系统（Master and Slave Transluminal Endoscopic Robot,MASTER）是新加坡南洋理工大学Thant 团队[19]于2006 年研发的主从式腔内内镜机器人。MASTER是一种主从式双臂机器人，2 个操作臂共有9 个自由度，其中7 个自由度由腱鞘驱动，2 个自由度（前/后平移）通过直接推拉操作臂产生。左臂配置电钩，可以实现电凝电切等操作，右臂配置抓钳，可以夹取和提拉病人的黏膜组织。多项动物实验研究已验证了Endo-MASTER 在完成食管ESD[20]、胃ESD[21-23]、NOTES（如肝楔形切除术、全胃切除术）[23-25]等手术方面的可行性和安全性。Endo-MASTER 机器人初步应用于早期胃癌患者的ESD手术治疗[26]，平均操作时间为18.6 min，随访无手术并发症及肿瘤残留或复发。Endo-MASTER 机器人的易操作性还能帮助提高内镜医生的培养效率，辅助经验缺乏的ESD新手顺利完成手术操作[27]。

2.1.3 STRAS系统Donno 等[28]于2013年研发了一款辅助内镜手术的新型远程操控机器人(Single access and Transluminal Robotic Assistant for Sur‐geons,STRAS)。STRAS 是一个基于内镜和柔性器械的手术机器人系统，与医疗环境兼容，允许在手术室轻松设置。它可提供10 个自由度，能够实现内镜相机的3D 定位。STRAS 是基于Anubiscope 内镜平台[14]的修改简化版机器人系统，可满足一名内镜医生完成所有ESD 操作，但存在部分旋转运动无法完成、小幅度运动精确度受限等问题[29]。2018 年该团队对STRAS 系统进行了优化改进[30]，二代STRAS 由1 个内镜模块、2 个设备模块、1 个旋转/平移模块、1 个U 型支架、1 个移动推车构成。动物实验验证STRAS 可完整完成猪的结肠ESD 操作全过程[31]。

2.1.4 RAFE系统 Tsutomu 等[32]于2017年设计了一款用于ESD 的机器人辅助软式内镜（Robotic-Assisted Flexible Endoscope,RAFE），其主要特点是实现了内镜治疗的单手操控，简化了ESD 操作流程。RAFE 系统为主从式内镜系统，适配所有商用内镜。软式内镜通过手柄及转盘实现4 个自由度运动（上/下、左/右、前/后和旋转），将内镜手柄固定在系统支架中，通过内部的电动轮控制内镜手柄上的转盘，通过手柄下配置的按钮操控内镜的气/水阀及抽吸阀。RAFE 已经在离体猪胃上完成ESD操作，结果显示RAFE 与传统内镜在ESD 手术时间方面没有显著差异，但RAFE 系统能帮助新手更快完成ESD。

2.1.5 ETRS 系统 日本Keiichiro 团队[33]于2019 年研发了用于ESD 的主从式内镜治疗机器人系统（Endoscopic Therapeutic Robot System,ETRS），可远程操控三种内镜手术器械（抓钳、刀钳、注射针），该系统的L 型操作台满足一个内镜医生完成全部操作，操作台前方是手术器械控制系统，右手边是内镜控制系统。手术器械控制系统通过操作手柄实现对每个器械（抓钳和刀钳）的控制。目前，ETRS系统已完成动物实验验证。

2.2 床旁治疗型内镜机器人

2.2.1 Flex机器人系统Flex机器人系统最初（2013年）是为头颈部外科手术研发的[34-35]。该系统最初没有密封通道来保持胃肠道操作过程所要求的抽吸。随后该设备增加了抽吸功能，适应证得到扩展，可实现经肛门进入乙状结肠的抽吸，并可配备用于黏膜剥离的手术器械，该系统在2017 年获得美国食品药品监督管理局的应用批准[36]。Flex 系统由2 个子系统组成：携带机器人内镜的推车，带有高清显示器和操纵杆的控制台。软式内镜前端具有102°的自由度，两侧的器械通道可配备多种软式手术器械。内镜到达目标病变后，内镜可变为刚性镜身，为医师提供稳定的操作环境，同时内镜前端具有触觉反馈，辅助医师进行复杂操作。Turiani等[37]应用该系统与传统内镜进行对照试验，动物实验结果显示，与ESD 新手使用传统内镜相比，机器人辅助系统在病变整体切除方面更有效，手术时间更短，穿孔率更低。

2.2.2 REXTER 机器人系统 韩国Kim 团队[38]于2019 年研发了一款辅助ESD 手术的基于转动关节的内镜辅助机器人(Revolute Joint-Based Auxiliary Transluminal Endoscopic Robot,REXTER)。作为内镜辅助机器人，REXTER 可以与现有的内镜连接或分离，通过提供额外的运动范围来实现复杂的运动和操作。它包括1 个机器人手臂、驱动机构和控制模块。REXTER 的操作基于腱鞘机制，可提供4 个自由度。使用REXTER进行操作时，需要助手操纵控制模块辅助完成手术器械的开合。动物实验结果显示,REXTER 能缩短ESD 操作时间，尤其是对无ESD经验的内镜新手。

2.2.3 用于NOTES 的新型可展开臂 传统NOTES借助于内镜的器械通道，操作范围受内镜直径的限制，为解决此问题，2020 年山东大学杜付鑫团队[39]研发了一种用于NOTES 的新型可展开机械臂，增加了操作范围。操纵臂由1个连续臂和1个可展开臂组成，可展开臂分为2 部分，由中间连杆过渡，通过驱动绳和机械结构锁定。其特点是：当驱动线不受锁定力作用时，可展开臂具有良好的柔韧性，可以穿过内镜的工作通道；当驱动线锁定时可展开臂具有良好的刚度和负载能力。该系统在300 g的载荷下展开臂可以将形变保持在3.5 mm 以内，两个末端执行器之间的角度可以保持在[88°～110°]范围内。但该机械臂直径为5.7 mm，仍需要进一步改进才能应用于临床操作。可展开臂的负载能力、操作灵活度等均需后期实验进行验证。

3 问题与展望

消化内镜机器人技术不断发展，必将推动内镜诊疗更趋微创化、智能化、精细化，同时减轻内镜医师工作负担及患者痛苦。但目前消化内镜机器人广泛应用于临床仍面临着诸多问题：①受消化道管腔狭小、操作空间受限、胃肠道蠕动活跃等因素影响，目前机器人的操控性、灵活性、精准度仍低于内镜专家的手工操作；②内镜机器人各组成附件的尺寸有待进一步优化改进以适配不同消化内镜系统，扩大其适应证适用于不同消化道管腔；③部分患者对内镜机器人检查及治疗仍持怀疑态度，接受程度不高。虽然现阶段内镜机器人系统临床应用范围小，但相信随着医疗工程技术的进步，内镜机器人系统会不断优化完善，终会成为内镜医师的好“帮手”。

未来消化内镜机器人可能在以下几个方面有所突破：①真正实现自动操作，可自主识别腔内环境，实现自由插入和退出；②搭载智能化诊断系统，实现自动识别病变；③多功能多模态机器人，满足检查、诊断、治疗等多功能需求。总之，我们相信消化内镜机器人技术在未来消化系统疾病诊疗中的应用将更加深入全面，达到智能化、精准化的临床需求。