内窥镜手术控制系统及其临床应用情况介绍

内窥镜手术控制系统及其临床应用 20世纪80年代电视腹腔镜系统手术在胆囊切除术的成功开展， 正式开创了微创外科时代。微创外科与传统手术相比，具有伤口小 且美观，术中出血较少，恢复较快，患者术后疼痛降低，住院天数 减少等优点，深受患者的推崇，同时也成为各个医院吸引患者的重 要外科项目。微创手术也逐渐成为评价医院医疗水平的评价标准， 因此传统的电视腹腔镜系统作为一项基础的手术设备被各级医院所 接纳和购买。 随着电视腔镜手术的广泛开展，其局限性也逐渐暴露出来，电 视腹腔镜手术对复杂精细的手术显得力不从心。例如胰十二指肠手 术，要在电视腔镜下完成众多的体内缝合吻合相当困难，需要施术 者具有丰富的开腹手术经验和娴熟的电视腔镜手术技术。因此，迄 今为止，全世界完成的电视腔镜胰十二指肠手术并不多，国内仅见 少数个案报道。与此类似的还有泌尿外科微创前列腺癌根治术和心 脏外科微创心脏搭桥等。 由于人类一些器官的生理、解剖结构的特殊性和传统电视腔镜 技术的局限性，外科手术要达到广泛微创化、精细化的目的,必须有 一种新的外科平台的出现才能解决。就像工业生产已依靠机器人作 业达到了人类无法达成的成就一样，外科手术机器人系统的应运而 生，突破了人类在外科手术领域的局限，开创了外科手术又一个新 纪元。 美国Intuitive Surgical生产的达芬奇手术机器人系统，于 1999年取得欧洲CE认证，2000年取得美国FDA认证，也是全球唯一可 以用于人体手术的人工智能辅助的腔镜手术系统。该系统充分结合 了美国航空航天局、五角大楼和众多大学开发的大量先进技术，它 使主刀医生可直接看到三维立体影像，并操控搭配在机器手臂上的 Endo Wrist 仿真手腕手术器械，使用非常易于掌握的、如同开放 手术一样的、人类自然的操作方式，不仅能够解决传统的腔镜复杂 手术如胰十二指肠切除术、前列腺癌根除术的困难，也提供给病人 最好、最精细的治疗结果。就心脏外科而言，能够不将胸骨锯开， 只利用开在胸腔上34个1220mm 的孔，即可进行心脏手术，使得 微创手术可应用于更加广泛的医疗领域，为医生提供更好的微创手 术操作平台，使医院能吸引到更多的病人资源。 达芬奇手术系统使用安全，已在全球外科界广泛分布。到2009 年9 月30 日前, 根据Intuitive Surgery 的最新数据全球装机总数 1308台，其中美国即有968多台达芬奇手术系统正在使用，欧洲229 台，在亚洲及其它地区111台。其中中国大陆及香港地区装机总数13 台，其中中国大陆7台、香港6台。中国大陆地区的用户包括：解放 军总医院，解放军第二炮兵总医院，上海复旦大学附属中山医院， 上海复旦大学附属华东医院，上海交通大学附属胸科医院和上海交 通大学附属瑞金医院。解放军总医院已经成功地利用人工智能辅助 手术系统开展了约180例微创心脏外科手术，解放军二炮总医院也已 经开展了近100例微创肝胆手术。从这些事实中能看到这一手术方法 将会继传统电视腔镜后，开始成为高难度微创手术器械。机器人辅 助外科手术已被医生和患者广泛接受，如机器人前列腺癌根治术和 肾盂成形术在美国已具备“金标准”的地位，占相关手术总量的平 均比例超过1/3，在一些地区甚至达到90%，而且达芬奇外科机器人 系统也参与到很多最先进的外科技术中，如“一站式”心脏杂交技 术、不开胸不跳冠脉搭桥，“Day Surgery”等等。 da Vinci S 手术机器人系统组成da Vinci S 外科系统是 最新一代手术机器人平台，能够通过微创的方法完成复杂的外科手 术。实施手术时外科医生不与病人直接接触，通过观察监视器操作 控制系统，医生的动作通过计算机传递给手术台边的机械手，机械 手的前端安装各种微创手术器械模拟外科医生的技术动作。医生控 制台装有三维视觉系统和动作定标系统，医生手臂、手腕和手指的 运动通过传感器在电脑中记录下来，并同步翻译给机器手臂。达芬 奇手术机器人系统主要分为3 部分：(1) 外科控制台；(2) 机械臂、 摄像臂和手术器械组成的移动平台；(3) 三维成像视频影像平台。 外科医生控制台外科医生控制台是da Vinci S 系统的控制中 心，由计算机系统、监视器、控制手柄、脚踏控制板及输出设备组 成(见图1)。外科医生控制台的操作者坐在消毒区域以外，通过使用 控制手柄来控制手术器械和立体腔镜。术者通过双手动作传动手术 台车上仿真机械臂完成各种操作，从而达到术者的手在患者体内做 手术的效果。同时可通过声控、手控或踏板控制腹腔镜。术者双脚 置于脚踏控制板上配合完成电切、电凝等相关操作。da Vinci S 系统让术者在微创的环境里可以达到开放手术的灵活性。 手术台车是da Vinci S 系统的运转部分，上面安装有工作臂 和持镜臂。第一代达芬奇机器人只有2只工作臂，2003 年起，新一 代达芬奇机器人安装3只工作臂，增强应用能力和灵活性。手术车的 基本功能是支撑手术器械臂和镜头臂。工作臂装上各种手术器械 （电子仿真手），用于完成各种复杂的手术操作，持镜臂用于术中 握持腹腔镜物镜，可提供更加稳定的图像，避免了传统腹腔镜术中 助手疲劳导致手部抖动出现视野不稳定的现象。 da Vinci S 系统机械手可以模拟人手各种操作，动作的自由 度高达7度，包括臂关节上下、前后、自由运动与仿真手腕的左右、 旋转、开合、末端关节弯曲共7 种动作，可作沿垂直轴360和水平 轴270旋转，且每个关节活动度大于90。尤其在行深部操作时， 机械手动作灵活，体积小巧，与开放手术的人手操作相比具有显著 优势。仿真机械手配置了各种类型的手术器械，可满足抓持、钳夹、 缝合等各项操作要求；同时机械臂具有计算机辅助位置记忆功能， 更换器械后机械臂可迅速回复至更换前位置，具有“即插即用，无 缝连接”的特点。 传统腹腔镜技术的一个主要弊端在于二维平面成像，术者在监 视器中无法辨别组织前后相对关系，只有充分练习后才可以掌握。 达芬奇机器人的三维高清影像系统则完全解决这一问题( 见图4)， 为术者提供了一个真实的手术视野，使打结、缝合等操作变得简单 易学。另外，借助数码放大技术，无须移动腹腔镜即可将手术部位 放大1015倍，有利于更加精细的手术操作。 手术机器人系统与传统电视腹腔镜手术系统相比，手术机器人 系统具有如下明显优点：（1）提供主刀医生高清晰、立体的手术视 野，符合人类工程学，让医生拥有和人眼一样的立体式感觉，可以 清晰准确地进行组织定位和器械操作；（2）仿真手腕手术器械可以 模拟人的手指的灵活度，同时消除不必要的颤动，所以手术器械完 全达到人手的灵活度和准确度，可以进行人手不能触及的狭小空间 的精细手术操作；（3）医生使用含手脚操作装置的医生控制台，操 控精密机器手臂及3-D 摄影内视镜，操作方式完全尊重医生开放手 术操作方式，不需要长时间的培训和学习；（4）一个主刀医生就可 以完成一个电视腔镜手术团队的全部工作，减少了主刀医生和其他 手术团队成员的配合，更容易实现主刀医生的意图；（5）主刀医生 采取坐姿进行系统操作，舒适的坐势有利于长时间复杂的手术，而 且延长了主刀医生的手术生命。病人从这种新手术方式受益良多， 切口变小、康复时间缩短、住院天数减少。在对大多手术而言，复 原时间大幅缩短，病人可快速地恢复日常作息。其它优点包括：减 少麻醉需求量、感染风险、失血量或输血必要、创伤和疤痕。综合 起来，使用手术机器人系统让复杂的微创手术变得如例行手术一般 的简单，大大扩大微创手术应用范围。满足了外科追求卓越的目标， 能够达到更接近理想的手术效果、更小的创伤和更大的患者适用范 围。 手术机器人于1997 年3 月在比利时布鲁塞尔St Pierre医院完 成了第一例腹腔镜手术胆囊切除术。随后几年里,手术机器人不 仅完成了普外科, 还有心脏外科、妇科和泌尿外科的手术等。 1心脏外科中的应用 心脏外科是最能体现手术机器人价值的 领域, 手术机器人克服了常规腔镜手术技术局限, 实现了心脏外科 的微创化。使用手术机器人系统可完成房间隔缺损修补、冠状动脉 搭桥、心包肿物切除等手术。目前美国、加拿大以及西欧等国已成 功应用手术机器人实行微创二尖瓣置换成形术和冠脉搭桥术。国内 解放军总医院率先采用这一技术进行成功完成微创心脏手术20 种 180 余例。 2在泌尿外科中的应用 2003年Monon报道了机器人腹腔镜下前 列腺癌根治术、肾盂成形术等。随着机器人腹腔镜前列腺癌根治术 技术的成熟, 膀胱癌根治术也开始应用机器人进行。Beecken等报道 1 例58 岁男性进行根治性膀胱切除及体内新膀胱术。da Vinci 机 器人最初主要是为微创心脏外科手术而研制的, 泌尿外科并不是 dainci器人的最初的目的, 但是泌尿外科迅速进入了机器人手术领 域, 并因为前列腺癌根治术发展了机器人手术技术。目前, 全世界 大约400 台机器人在临床上应用, 大多数主要用于泌尿外科。 3 在普通外科中的应用 胆囊切除术是目前运用手术机器人进 行普外科手术中数量最多、技术最熟练的手术, 它同时也被认为是 普外科医生接触手术机器人的一种非常合适的入门“练习”手术。 利用机器人进行胆囊切除术已多有报道。Melvin 等于2003 年首先 报道了使用达芬奇手术机器人为一位46 岁的女性患者切除胰尾部的 神经内分泌肿瘤的手术。 4 在妇科中应用 手术机器人第一次运用于妇科是在1998 年。 Mettler等使用AESOP 机器人进行手术, 他们对15 例患者行腹腔镜 辅助下阴式子宫全切术, 普通手术时间为85 min, 而有AESOP 辅助 下手术时间为70 min。并证实了使用AESOP 较人工控制腹腔镜头更 有效。Cleveland 临床小组在1998 年成功地实施了输卵管吻合再通 术。证实了机器人系统在妇科手术中的可行性及精确性。 5 在其他外科手术中的应用 手术机器人在临床中的应用远不 止上述所列的几种，理论上讲，手术机器人可以应用于所有的外科 手术。由于手术机器人应用于临床的时间还不长，出于医学安全和 谨慎的目的，许多手术目前并未采用手术机器人系统，这需要一个 过程。临床上已经使用手术机器人系统的还包括神经外科、骨科、 整形外科等。 手术机器人系统的发明是医学和工程学结合的又一典型代表， 它的出现使外科手术平台又一次发生了质的飞跃，目前被公认为开 创了外科手术平台的新纪元。微创外科是外科学未来发展的趋势， 手术机器人系统作为微创外科手术平台，从技术角度讲无疑是目前 最先进的系统。手术机器人的出现，使以前很多难以开展的手术得 以实现，前列腺癌机器人辅助手术已成为前列腺癌根治术的“金标 准”，所有这些都极大的造福了