第二节 手术机器人在胸外科临床中的应用
一、手术机器人的发展历史
手术机器人是集数据系统、信号传输系统、传感系统、导航系统等多层面于一身的人工智能系统。国外手术机器人的研究起步相对较早，技术也相对成熟，其中以达芬奇手术机器人系统、脊柱手术机器人、Magellan机器人辅助手术系统、Flex Robotic系统、Verb Surgical、超微型机器人Vi Rob和Tip CAT为典型代表。
尽管目前手术机器人与微创外科、内镜外科联系紧密，但是机器人辅助外科手术最初的萌芽却与微创外科和内镜外科完全无关。普遍认为，机器人辅助外科手术技术最初起源于遥控操作的需求或保障操作人员在相对安全的环境下执行任务。在20世纪80年代末，斯坦福国际研究院的研究人员在美国国防部高级研究计划局和美国国立卫生研究院的资助下，开发出了一种原型手术机器人系统，将远程遥控操作与基本力触觉反馈、多模态感官反馈、立体成像和人体工程学相结合，该系统旨在协助远程驻扎的外科医师，使他们能够在战场附近的前方区域对受伤的士兵进行手术治疗，从而减少在野战外科中抢救时间的延迟。麻省理工学院、IBM沃森实验室和美国宇航局喷气推进实验室也在同期开展了其他相关研究。
第一个协助手术的机器人辅助外科手术系统是加拿大开发和使用的Arthrobot，该系统能够根据语音命令进行操作和定位，并于1984年3月12日在温哥华首次用于外科手术。在其后的12个月内，共开展了60多次关节镜外科手术。同时开发的其他相关机器人装置还包括手术器械护士机器人，以及医学实验室机器人手臂，其中手术器械护士机器人可通过语音命令递送手术器械。
1985年，机器人辅助外科手术系统Unimation Puma 200被应用于神经外科，实现了在CT引导下进行脑组织活检。但是实际上，Unimation Puma 200并不是一台专用的手术机器人，它其实是一台关节式的臂式工业机器人，其在医疗外科手术中的应用具有划时代的意义，但是当时生产该机器人的公司为了安全考虑，曾禁止将该机器人用于手术。在20世纪80年代后期，伦敦帝国理工学院开发了PROBOT用于前列腺手术，这种机器人的优点是外形尺寸小、操作精度高，并且可以连续工作。1992年，ROBODOC被应用于全髋置换术、髋骨置换术和修复术及膝关节置换术等手术，并成为美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准的第一个手术机器人系统。
1993年7月7日，美国宇航局喷气推进实验室与意大利米兰的遥控机器人实验室合作，首次实现由一名在美国加利福尼亚州的外科医师为在米兰的实验猪进行远程肝脏囊肿手术。虽然按照今天的标准判断，该仪器和系统功能非常粗糙，但它确实实现了远程手术的设想。
1994年，机器人辅助外科手术系统迎来了新的突破，第一个获得FDA批准的自动内窥镜优化定位系统（automated endoscopic system for optimal positioning，AESOP）正式推出。生产AESOP的电脑动作公司最初由美国国家航空航天局提供资金资助，旨在开发一种可用于太空的机器人手臂，但最终成为用于腹腔镜手术的摄像机系统。1996年，AESOP 2000增加了语音控制系统；1998年，AESOP 3000实现了模仿人手的7个自由度活动。
1995年，由弗雷德·莫尔（Fred Moll）、罗布·杨（Rob Younge）和约翰·弗罗因德（John Freund）创立的直觉外科手术（Intuitive Surgical）公司正式组建，其目标为发明一种遥控医疗机器人，通过良好的医师-机器人交互界面，使外科医师可以在机器人的辅助下，流畅、便捷地开展手术。
直到20世纪90年代末，达芬奇机器人辅助手术系统与ZEUS机器人系统的出现，标志着泛用手术机器人的发展驶入快车道。在吸收了ZEUS系统的技术后，达芬奇机器人辅助手术系统于2000年获得了FDA批准，开始在普外科、心外科等学科进行广泛临床应用。
达芬奇手术机器人系统是外科手术机器人最为典型的代表，其设计的理念是通过微创方法实施复杂的外科手术。达芬奇手术机器人由三个部分组成：外科医师控制台、床旁机械臂系统、成像系统，它完全颠覆了主刀医师必须亲自通过手术器械直接在患者身上操作的传统，使主刀医师可以“远离”患者，坐在控制台前，舒适地操纵机器人机械臂为患者进行手术。
外科医师控制台：主刀医师坐在控制台中，位于手术室无菌区之外，使用双手（通过操作两个主控制器）及脚（通过脚踏板）来控制器械和一个3D高清内镜。在3D立体视野中，手术器械尖端与外科医师的双手同步运动，完成手术操作。
床旁机械臂系统：是外科手术机器人的操作部件，其主要功能是为器械臂和摄像臂提供支撑。助手医师在无菌区内的床旁机械臂系统旁工作，负责更换器械和内镜，协助主刀医师完成手术。为了确保患者的安全，助手医师比主刀医师对于床旁机械臂系统的运动具有更高的优先控制权。
成像系统：装有外科手术机器人的核心处理器及图像处理设备，在手术过程中位于无菌区外，可由巡回护士操作，并可放置各类辅助手术设备。外科手术机器人的内镜为高分辨率3D镜头，对手术视野具有10倍以上的放大倍数，能为主刀医师带来患者体腔内3D立体高清影像，使主刀医师较传统腔镜手术能够更好地把握操作距离、辨认解剖结构，从而提升手术的精确度。
二、机器人辅助胸外科手术的发展历史
自Melfi F. M.等在2002年报道了第一例机器人辅助肺叶切除手术后，手术机器人在胸外科领域得到了逐步推广应用。达芬奇手术机器人系统于2006年12月进入国内，先后在越来越多的大型医院投入使用。目前，国内达芬奇机器人辅助手术系统在普胸外科可以完成的手术术式包括：肺段切除术、肺叶切除术、食管癌根治术、肺大疱切除术、前后纵隔肿瘤切除术、前纵隔脂肪清除术、全胸腺切除术、膈肌裂孔修补术及贲门肌切开术、胸腔内淋巴结清扫术等。
1.机器人辅助肺部手术
肺癌肺叶切除术、淋巴结清扫术是胸外科机器人辅助手术中难度相对较大的手术，通常需要具备熟练的常规开胸及腔镜肺叶切除经验的主刀医师才能完成。胸外科医师通常会首先选择肺部小结节的患者来实施机器人辅助手术，不断积累经验。如果病灶大，与血管及周围组织粘连紧密难以分离，则需及时转为开放手术以确保患者的安全。2002年，Melfi F M等采用达芬奇手术机器人实施了12例肺部手术，其中5例为肺叶切除术、3例为亚肺叶切除术、4例为肺大疱切除术。随着达芬奇手术机器人技术的更新及外科医师经验的积累，尤其是2006年第二代达芬奇手术机器人的问世及应用，达芬奇手术机器人肺部肿瘤手术已经被患者和医师广泛认可。3D视野与滤抖技术的应用，让胸外科手术更加精准，也使得袖式肺叶切除术及解剖性肺段切除术的实施成为可能。我国胸外科应用达芬奇手术机器人进行肺部手术相对较晚，2011年易俊等凭借对22例机器人辅助肺部手术的成功经验，完成了国内首例机器人中央型肺癌根治术加淋巴结清扫术。多项回顾性统计研究均显示，机器人辅助肺叶切除对ⅠA期或Ⅰ期的早期肺癌患者安全可行，并且证实其在肿瘤学上的疗效彻底，但是学习时间较长。多篇关于机器人辅助肺部手术的报道及对比研究结果显示，机器人辅助肺叶切除术与电视胸腔镜外科手术（video-assisted thoracic surgery，VATS）在围手术期的结果相当。因此，国内外多数专家、学者都认为机器人辅助肺部手术是安全可行的，且手术效果与胸腔镜一致，甚至具有比胸腔镜手术更加精细化的操作。然而，由于缺乏针对患者远期疗效的多中心大样本前瞻性临床研究，因此还不能确定机器人辅助肺部手术相对于传统开胸手术及胸腔镜手术具有更佳的远期疗效。
2.机器人辅助食管癌手术
机器人辅助食管癌手术起步较晚，因为其手术过程复杂、手术范围更大，所以是机器人辅助手术中的难点。一般认为影响食管癌患者长期生存的主要因素是肿瘤局部或淋巴结复发，因此淋巴结清扫及肿瘤切除完整是食管癌手术的重点。胸内淋巴结的清扫范围包括从胸顶部至膈肌上方的所有区域，达芬奇手术机器人系统的优势在于其在胸腔镜下的精细操作为淋巴结清扫提供了更多便利。Horgan等在2003年报道了第一例机器人辅助经食管裂孔的食管癌手术，并在之后的2年里累计实施了15例手术且均取得成功。2004年，Kernstine报道了第一例经胸腔机器人辅助食管癌切除术。其他的相关报道也集中于各个医疗中心使用机器人辅助进行食管癌根治术的初步经验，实践说明机器人辅助手术在食管癌切除术中的可行性。易俊等于2011年首先报道了国内的机器人辅助食管癌手术。近年来，国外学者尝试将术中传统的左侧卧位改为半俯卧位，这一改变使术中组织器官显露更充分、操作更方便。日本学者Ishikawa等在2013年报道了机器人辅助下半俯卧位食管癌切除术的安全性和可行性；Dunn报道的一项包含40例患者持续3年的单中心临床研究也证实了同样的结果。Mori等对传统经胸食管癌切除术与机器人辅助的经纵隔食管癌切除术进行比较，发现在纵隔淋巴结清扫及肺部感染并发症的减少方面，机器人辅助手术均更具优势。Park等的一项研究也表明机器人辅助下胸腔镜食管癌切除术加扩大纵隔淋巴结清扫术具有良好的安全性和围手术期结果。但目前仍缺乏前瞻性的随机对照试验来比较传统食管癌术式和机器人辅助手术对患者生存获益的影响。得益于新一代机器人及更灵活的内镜操作器械的出现，以及外科医师机器人辅助手术经验的进一步积累，机器人辅助食管癌根治术的应用将会越来越广泛。
3.机器人辅助纵隔肿瘤切除手术
胸腺瘤及其他前纵隔肿瘤的切除通常采用经胸骨正中切口，虽然能够完全显露视野，但同时也容易导致严重并发症的出现。许多有条件的中心逐渐采用胸腔镜手术代替经胸骨正中切口手术，但由于胸腔镜的固有缺点，使得在处理上纵隔及胸腔顶部病变时力不从心，容易造成误操作。手术机器人的10倍以上的放大3D视野及独有的机械臂部分克服了胸腔镜的不足，因此欧美多数医院选择达芬奇手术机器人施行胸腺瘤切除术。目前，机器人辅助外科手术系统在纵隔肿瘤中的应用已经开展了10余年，尤其广泛应用于胸腺组织切除术治疗重症肌无力。Yoshino等在2001年首先报道了达芬奇手术机器人辅助下胸腺瘤切除术。罗清泉等于2009年5月完成了中国内地首例达芬奇机器人辅助下胸腺瘤切除术。丁仁泉等对203例纵隔疾病术后患者进行了回顾性研究，结果表明达芬奇手术机器人辅助手术在手术时间上与VATS相当，而达芬奇手术机器人辅助手术的手术安全性及术后恢复速度均优于胸腔镜组，但手术费用比胸腔镜组有明显增加。Kajiwara的报道称达芬奇手术机器人辅助手术与传统术式效果相当，比传统胸腔镜更易于操作，并且更加安全。其与多家医疗中心的经验都强调了正确选择体位与套管针（trocar）的重要性，需要根据肿瘤部位的不同进行个体化调整。机器人手臂关节灵活，为术中操作带来了方便，可彻底清除膈神经旁的脂肪组织，上腔静脉和左、右无名静脉的暴露也更加安全和清晰，在处理两胸腺上角时更方便、准确，尤其对于位置较高的纵隔肿瘤优势更加明显，完全能够达到经胸骨正中切口行胸腺肿瘤切除术的水平。胸腺静脉是切除胸腺需要处理的主要血管，在机器人辅助手术时，夹闭或结扎、缝合均可安全实现，从任何一侧均可良好地显示整个前纵隔的结构。目前，达芬奇手术机器人辅助纵隔肿瘤切除术已成为许多中心的常规手术。
4.其他机器人辅助胸外科手术
关于胸外科应用达芬奇手术机器人辅助的其他类型手术也有报道：裂孔疝修补术、食管膈肌修补术、Heller肌切开术、食管支气管瘘修补术等。Tolboom的一篇报道显示，手术机器人在原发性食管裂孔疝及胃食管反流手术方面无明显优势，但在二次手术或巨大的原发性食管裂孔疝手术方面具有优势。
达芬奇手术机器人系统在国内的起步较晚。目前，虽然我国达芬奇手术机器人系统的绝对装机量仍然不多，但单机使用频率已经处于领先水平，且积累了丰富的诊疗经验。为了打破达芬奇手术机器人系统在业界的垄断地位，国产手术机器人系统也在不断地发展完善。无框架立体定向机器人（computer and robot assisted surgery，CRAS）、妙手S等机器人辅助手术系统的不断进步，有望在未来给机器人辅助手术带来更多选择。
（张春芳 田 辉 李曦哲）