结肠直肠微创手术平台的发展历程——冷兵器向热兵器的演变

庄 孟， 张筱倩， 王锡山

（国家癌症中心 国家肿瘤临床医学研究中心 中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院结直肠外科，北京 100021）

冷兵器时代的发展

公元前400年，医学之父希波克拉底首次定义手术刀具。经历了2000多年的漫长演进，符合各类手术的外科器械陆续得到研发。其主要用途集中于牵拉、切开、钳夹等，涉及止血等操作仍需手工结扎。这个时期的手术往往需多次结扎，术程因而相对缓慢。以柳叶刀为代表的冷兵器时代，其因外科医师的需求而不断发展。其中，刀柄与刀片分离的可拆卸不锈钢手术刀由于其易于消毒、消耗少等优势，逐渐占据了手术刀的主导地位。按切割组织的类型及切口大小的不同，可细分成大圆刀、中圆刀、小圆刀、尖刀、镰状刀片等。按照匹配刀片的大小，刀柄分为3、4、7号。以此来满足不同手术操作的基本需求。

柳叶刀、手术镊等这类器械是冷兵器时代的一类代表，其特点是工作点在器械的前端，用力点集中在器械的中间部位。然而，外科手术中，有时需对深部组织进行精细操作，如缝合和钳夹止血。这需在器械的尾部用力，在器械尖端完成精密操作。因此，另外一类冷兵器器械，即带轴节的手术器械，如手术剪、血管钳、持针器等陆续诞生。在引入带轴节的器械之后，为术野暴露充分、钳夹方便等，外科手术又陆续引入带弧度的弯钳、力臂加长的长钳等。为钳夹不同的组织，设计出针对不同组织的特点、既能夹住又损伤小的器械，如阑尾钳、肺叶钳、胃钳、肠钳等。为减少器械反光对术者视野的干扰，还逐渐研发出亚光材质的器械。

由此看来，材料学、力学、工程学等基础学科的发展是冷兵器时代器械不断发展的基础。冷兵器的发展朝着操作更精细、更符合人体生物工程学的方向发展。早期外科医师在术中不断提出的需求是冷兵器时代器械发展的推动力。在漫长的冷兵器时代，手术器械的发展为精细手术提供物质保障。精密的手术器械在经验丰富的外科医师手中变成了“雕刻”人体的“艺术创作”工具，成为攻克病魔的得力帮手。

热兵器时代的发展

1920年，医学史上第一把电刀的诞生标志着外科器械正式进入了热兵器时代。在热兵器发展的近百年中，手术切割更方便、止血更彻底、术野更干净，相继出现的电铲、电钩等加快了手术进程。

电刀是利用高频交流电，通过高阻抗组织时产生热能，从而进行切割和止血。电极周围组织中的细胞液因高温迅速蒸发，从而产生切割作用，对直径<3 mm的小血管也能产生很好的止血封闭效果。由于电刀可同时切割和止血，大大减少结扎等操作，因而被迅速推广，逐步成为开腹手术时代的主要手术利器。但同时，电刀也逐渐暴露出伤口易液化、有电灼伤的风险等缺点。这也为今后电刀的改进提供空间。

新的标志性手术器械陆续研发。超声刀是利用高频机械振动引起组织水分的迅速汽化造成组织的切割。当刀头与组织蛋白质接触后，蛋白质的氢键断裂，从而变性凝固。因此可有效封闭直径3～5 mm的小血管，达到理想的止血效果。超声刀已应用于开腹及腔镜手术操作。后续又出现ligasure系统，是对双极电刀的改进。其能实时反馈感应刀片之间组织的电阻差异，达到组织的最佳凝固状态。其能闭合直径<7 mm的血管，向周围组织的热传导较少，减少组织液化的可能。

电外科时代的各种器械发展，大大减少结扎、止血等操作，手术操作更便利，极大地缩短手术时间。更重要的是，这些器械的诞生与改进拉长了器械的工作点与术者双手的距离，显然为腹腔镜手术的实施奠定了操作基础。确切的凝固和止血，是腔镜手术的强大安全保障。

结肠直肠癌手术借助这些先进的切割、止血工具，可顺利完成肿瘤的根治性切除。尤其是对低位直肠癌手术，利用这些“延长的双手”，可深入狭小的盆腔深处完成系膜的完整切除。这在冷兵器时代是无法想象的。大多数情况下，由于没有操作空间，外科医师不得已实施腹会阴联合切除术，来保证肿瘤的根治效果。所以，电外科器械的发展，使得低位直肠癌保肛手术成为可能。肿瘤低位切除后，如何恢复消化道的连续性，是外科医师想要极力完成的操作。在狭小的空间内，手工完成直肠肛管吻合难以想象。1978年，管状吻合器的发明使得这类吻合顺利实施。

这些依赖电能的器械逐步发展为多功能、一体化和高效化。有了这些器械的保障，手术切除更便利，止血更彻底，吻合更安全。可实施操作的空间得到扩展，狭小空间内的精细手术可在直视下完成。减少腹壁及骨性结构对手术的干扰，为迎接外科学的光明新时代——微创外科时代，奠定了重要的基础。

微创外科时代的发展

微创外科的发展，离不开腹腔镜设备的逐步演进，离不开光学、力学等基础学科的发展。在我国微创外科短短30年的发展历程中，微创手术有了从量变到质变的飞速发展。从病人不信赖微创、不接受微创，到主动要求微创。这种转变的背后，凝结了一代代中国外科医师对手术更安全、更精细的孜孜不懈追求。

解决能看见、看清晰、可切割、易止血、易吻合等问题，腹腔镜设备已逐步成为微创外科的标志。微创手术的发展，离不开显像平台、能量平台、器械平台的发展。

随着路网成倍增长，节点数量急剧增大，求解时收敛所耗费时间更长。通过改进传统算法，提出模仿最大最小蚁群系统方法，改良为伪随机转移概率，以求解决收敛效率低的问题。具体实现方法见公式（2）。

一、显像平台的发展

为实现腔镜下“看得清”，显像平台经历了200多年的发展历程。从最初通过一根套管借助烛光观察腹腔状况到目前利用光学镜头完成腹腔探查，将光源引入体内后，外科医师摆脱了腹壁的限制。借助高清显像平台，外科医师可清楚地观察到放大的清晰术野，视野暴露程度不再受限于腹壁切口的大小。显像平台的发展，为微创外科的发展提供视觉保障，使外科医师真正告别低头弯腰做手术的时代。不再受无影灯下光线不足的困扰。通过显像屏幕可清晰看到直视下难以观察到的术野。完成这一转变，用了近百年时间。

1853年，法国医师德索米奥创新性地借助蜡烛的光亮及一根硬管,开创了手术内镜检查的新时代。爱迪生发明灯泡，特别是微型灯泡的出现，加快了内镜器械的发展。1901年，俄罗斯医师奥特首次借助窥阴器将光源引入腹腔并进行腹腔内探查，开创了内镜检查的新潮。1910年，瑞典医师雅各贝乌斯尝试使用套管针建立气腹，并开始使用“腹腔镜检查”一词。1987年，法国医师菲利普斯·穆雷运用电视腹腔镜行胆囊切除术。该手术的成功被视为微创手术时代的里程碑事件。1991年，国内开始开展腹腔镜胆囊切除术，开启了中国腹腔镜手术的新纪元。1991年及 1992年，美国医师雅各布斯［1-2］及德国医师科克林［3］分别报道了世界首例腹腔镜乙状结肠癌切除术及腹腔镜直肠癌根治术。1993年，我国郑民华报道国内首例腹腔镜乙状结肠切除术。

在腹腔镜应用初期，由于图像不清晰及能量平台及器械的限制，手术费力、术程较长且花费较高，腹腔镜手术一度发展缓慢。普通2D腹腔镜呈现出的2D图像与开腹时3D图像存在差异，且镜头距离组织较远，景深关系差，使术者较难分辨组织间的解剖关系及空间定位。

随着3D技术的发展，3D腹腔镜应运而生。3D腹腔镜较普通2D腹腔镜而言，可提供更清晰、立体的手术视野，使术者更易分辨组织结构，增加淋巴结清扫数量，减少术中对血管的损伤，缩短手术时间［4-7］。但由于3D腹腔镜术中所佩戴的偏振式眼镜具有光衰减作用，可导致图像发生失真；并且,长时间佩戴3D眼镜使术者产生视觉疲劳［2］。道奇森于2008年首次将“裸眼”3D技术应用于外科手术。在应用过程中，裸眼3D技术较眼镜式3D的图像，对比度及亮度均有提升，使术者操作的准确性得到进一步的提升，且舒适性增加。但现在主流的裸眼3D腹腔镜为双视角腹腔镜。因此除术者无需佩戴3D眼镜外，其余参与手术的医师及护士仍需佩戴3D眼镜。这从某种程度上限制了裸眼3D腹腔镜的应用［8］。

除3D腹腔镜外，4K腹腔镜系统也逐步应用到微创手术。4K腹腔镜提供更清晰的手术视野，可使术者更清晰地辨认血管、神经及膜结构，为进一步增加手术的精确性提供了可能。在术者的主观感受中，4K腹腔镜在视角的操控协调度、视敏度、分辨率和颜色分辨率、刷新率均较普通2D腹腔镜及3D腹腔镜有显著优势［2］。

机器人手术系统始于20世纪80年代。现在使用最广泛的是Intuitive Surgical公司推出的达·芬奇手术系统。达·芬奇手术系统主要包括视频系统、机械臂及医师操作台。达·芬奇视频系统在成像方面具有明显的技术优势，可为术者提供更清晰、真实的手术术野；且机械臂的定位功能也减弱了3D画面的抖动感［9-10］。其在直肠癌术中应用的安全性及有效性已得到肯定［11］，并在侧方淋巴结清扫中存在一定优势［12］。

二、能量平台的发展

为实现腔镜下“可切割、易止血”，能量平台经历近100年，从柳叶刀演进到超声刀。为完成腔镜下的吻合等操作，以吻合器为代表的器械平台历经50余年的发展，实现了全腔镜下的电动吻合。

超声刀的工作原理是将电能经由换能器转换成超声机械能产生高频振动，对组织起到切割、止血的作用。在结肠直肠外科中，尤其在精准外科时代，超声刀的正确使用可以避免电刀在完整结肠系膜切除术及全直肠系膜切除术可能造成的膜破裂及进入错误的解剖层面［13］。在手术过程中，无需频繁更换器械，大大缩短术程。若选择合理的功率、切割容量、组织张力、握持力度以及准确的用力方向、精确的组织平面和恰当的工作时间，并能正确处理刀头余热，则会起到事半功倍的效果［14］。

Ligasure又称为双极电热血管闭合装置，结合实时智能反馈技术和智能主机技术，可自动识别不断即时反馈的钳间组织阻抗，并瞬时调整输出的电流、电压，结合电凝钳间加大的压力，使血管壁内胶原蛋白和纤维蛋白溶解变性。血管壁熔合形成透明带，产生永久性的管腔闭合。形成的闭合带可抵御3倍的正常人体动脉收缩压，还可用于韧带和组织束等处理［15］。Ligasure在治疗直肠癌手术中的疗效已得到证实，具有疼痛轻、恢复快、切口感染率低等特点［16］。

三、器械平台的发展

随着工业及科技的发展，手术器械不断更新迭代。腹腔镜器械的发展，为实现腹腔镜腹腔内外操作的连接和互动发挥了至关重要的作用。

在胃肠外科中，最为革新性的发明非吻合缝合器莫属。1964年，自日本发明侧侧吻合器后，吻合器的发展便进入快车道。美国分别在1968年及1978年推出直线切割闭合器和管型端端吻合器。同时，器械的广泛使用反过来也推动技术的发展。1979年，一次性吻合缝合器的问世大大降低病人术中感染的风险。1988年，可旋转头形吻合器的出现，使狭窄部位手术的机械吻合成为可能。缝钉及钉舱结构的不断迭代在预防出血及维持血供之间达到平衡，减少术后肠管漏发生的可能。近年来，电动吻合缝合器的发明及广泛使用成为趋势。吻合器的机械性操作不但使复杂的吻合快捷方便，缩短术程［17-18］，还提高吻合的确切性，增加手术的安全性，大大缩短年轻医师的学习曲线。

结 语

纵观冷兵器、热兵器、微创外科时代的发展，不难看出，从古至今外科学的发展离不开器械和平台的进步。腹腔镜为代表的微创时代是建立在热兵器的电器械能完成切割和止血的基础上。电器械的发展依赖能量学、力学的发展。将这些基础学科的发展真正转化应用到外科器械，是每个时代外科医师智慧的结晶。

回望过去，应意识到“手巧不如家什妙”的道理。这些器械的研发和应用，造就了每个时代伟大的外科手术。每个时代的标志性手术得以完美实施，很大程度上依赖外科界“能工巧匠”所处时代的各手术平台的发展。

着眼于现在，应具备“工欲善其事，必先利其器”的想法和能力。优秀的外科医师，一定是善于使用先进的器械去更好地完成手术操作。这就要求不仅将掌握的手术做好，还需在实践中发现器械的不足，具备主动研发、改进手术器械的能力。在熟练中创新，带着创新投入到实践，让真实的手术效果检验创新成果，让创新成果充实在每日重复的手术操作中。手术便利，病人受益。无数个即使是微小的改进也会一步步推动外科器械和平台的发展。

展望未来，应有“大丈夫当带三尺剑立不世之功”的胸怀。未来微创外科平台的发展，仍依赖光学、力学、电学等基础学科的进步。通过外科医师对手术方式的革新，发现现有器械的不足，提出改进方案，合理、合规地大胆尝试新的工具和平台，使手术操作更便利，术程更安全，术者更具自豪感。

应当客观认识事物的发展规律，善于总结和分析微创外科平台的发展方向。冷静分析外科领域不断涌现的革新中，工具的改进，平台的进步，设备的提高，切勿将此作为术式的革新。应不断创新、改良微创平台，成为外科工具的发明家和改革家。未来微创手术平台一定会向着多功能化、一体化、智能化方向发展，为未来术式的创新提供保障。