從人形機(jī)器人到手術(shù)機(jī)器人

       手術(shù)機(jī)器人的歷史最早要追溯到距今500多年前，意大利文藝復(fù)興畫(huà)家、科學(xué)家、發(fā)明家達(dá)·芬奇利用自己的解剖學(xué)知識(shí)和機(jī)械知識(shí)，設(shè)計(jì)了人類(lèi)歷史上的第 一個(gè)人形機(jī)器人。500年后，Intuitive Surgical將自己設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)以達(dá)芬奇命名，以紀(jì)念他對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的貢獻(xiàn)。

       達(dá)芬奇的機(jī)械設(shè)計(jì)

       時(shí)間來(lái)到1985年，美國(guó)洛杉磯醫(yī)院的醫(yī)生使用工業(yè)機(jī)器人Puma 560完成了機(jī)器人輔助定位的神經(jīng)外科腦部活檢手術(shù)，是外科手術(shù)史上第 一例機(jī)器人手術(shù)，但遺憾的是，當(dāng)時(shí)生產(chǎn)該機(jī)器人的公司為了安全考慮，禁止了該機(jī)器人被用于手術(shù)。

       1980年，隨著內(nèi)窺鏡和人工氣腹技術(shù)的成熟，腹腔鏡技術(shù)逐漸在美國(guó)興起。為避免扶鏡手生理疲勞造成的鏡頭不穩(wěn)定，1989年，手術(shù)機(jī)器人之父王友侖開(kāi)始研究“伊索”（AESOP，自動(dòng)最優(yōu)定位內(nèi)窺鏡系統(tǒng)）——扶鏡機(jī)械手，使得醫(yī)生可以通過(guò)聲控或踏板來(lái)控制鏡頭的運(yùn)動(dòng)。伊索系統(tǒng)最終于1997年研制成功，并完成了它的第 一例腹腔鏡手術(shù)，正式帶領(lǐng)手術(shù)機(jī)器人走向了商業(yè)化道路。

       1998年，美國(guó)Computer Motion在伊索的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列的改造，將其升級(jí)為一套完整的手術(shù)器械機(jī)器人系統(tǒng)——宙斯系統(tǒng)。

       宙斯共打造了兩套系統(tǒng)——Surgeon-side和Patient-side。Surgeon-side系統(tǒng)由一對(duì)主手和顯示器構(gòu)成，醫(yī)生可以操控主手手柄，通過(guò)顯示器觀察患者體內(nèi)情況。Patient-side系統(tǒng)由兩個(gè)機(jī)器人手臂和一個(gè)內(nèi)窺鏡手臂組成。醫(yī)生的手柄可以控制機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)，而內(nèi)窺鏡手臂由聲控控制。

       達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人的原型機(jī)是前斯坦福研究中心（SRI）于20世紀(jì)80年代為美國(guó)陸軍研制的項(xiàng)目，最早曾嘗試用于海灣戰(zhàn)爭(zhēng)與太空站的遠(yuǎn)程醫(yī)療，但受限于當(dāng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)條件，逐漸放棄了遠(yuǎn)程而轉(zhuǎn)向手術(shù)機(jī)器人。達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人由Intuitive Surgical于1999年研制成功，目前已有四代產(chǎn)品，代表著當(dāng)今手術(shù)機(jī)器人的最高水平。

       達(dá)芬奇系統(tǒng)由三部分構(gòu)成：醫(yī)生控制系統(tǒng)，三維成像視頻影像平臺(tái)，以及擁有機(jī)械臂、攝像臂和手術(shù)器械組成的移動(dòng)平臺(tái)。其中3個(gè)手臂可用來(lái)操控工具，如手術(shù)刀、剪刀、電凝止血設(shè)備等。第4個(gè)手臂為內(nèi)窺攝像機(jī)，其中包含兩個(gè)鏡頭，可呈現(xiàn)立體視覺(jué)。

       外科醫(yī)生通過(guò)攝像機(jī)觀察手術(shù)區(qū)域，使用腳踏板來(lái)和手桿來(lái)操作機(jī)械臂。其中，機(jī)械臂可在患者體內(nèi)完成540°的旋轉(zhuǎn)，極大地提高了操作的靈活性。同時(shí)，機(jī)械臂上的穩(wěn)定器可過(guò)濾人手的抖動(dòng)，從而完成精細(xì)的解剖。

       達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人使用廣泛，適用于普外科、泌尿外科、婦科、心血管外科、胸外科等。目前，達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人在前列腺切除手術(shù)、子宮切除術(shù)、疝修補(bǔ)術(shù)等手術(shù)中應(yīng)用最多，未來(lái)也會(huì)越來(lái)越多地應(yīng)用于心臟瓣膜修復(fù)、心臟搭橋等手術(shù)中。2019年，美國(guó)達(dá)芬奇機(jī)器人手術(shù)量達(dá)到了88萬(wàn)例，其中普外科42萬(wàn)例(占比48%)，婦科28萬(wàn)例(占比32%)，泌尿外科14萬(wàn)例(占比16%)，三科室合計(jì)手術(shù)量占比約95%。

       不斷拓展的應(yīng)用范圍

       手術(shù)機(jī)器人按技術(shù)類(lèi)型可分為操作機(jī)器人和定位導(dǎo)航機(jī)器人，按手術(shù)類(lèi)型可分為軟組織機(jī)器人和硬組織機(jī)器人。如果按從軟到硬的發(fā)展，可以分為腹腔鏡機(jī)器人、自然腔道機(jī)器人、血管介入機(jī)器人、穿刺介入機(jī)器人、骨科機(jī)器人（包括關(guān)節(jié)機(jī)器人、脊柱機(jī)器人和創(chuàng)傷機(jī)器人）、神經(jīng)外科機(jī)器人等。操作機(jī)器人主要用于軟組織，核心技術(shù)包括：視覺(jué)成像、控制算法、機(jī)械電氣和影像導(dǎo)航等，是技術(shù)密集型、專(zhuān)利密集型、資本密集型的領(lǐng)域。定位導(dǎo)航機(jī)器人主要用于硬組織，核心技術(shù)包括：醫(yī)學(xué)影像、圖像重建、手術(shù)規(guī)劃、空間配準(zhǔn)與映射、機(jī)械臂控制等。

       由于手術(shù)機(jī)器人讓外科醫(yī)生獲得了更高倍數(shù)的放大視覺(jué)以及更精細(xì)的操作能力，使得部分腔鏡下難以完成的手術(shù)可以在手術(shù)機(jī)器人下完成，甚至要比開(kāi)放手術(shù)操作更為簡(jiǎn)單。例如，完全腹腔鏡胰十二指腸切除術(shù)的應(yīng)用目前仍存在一定爭(zhēng)議，尤其是腹腔鏡下的胰腸吻合難度較大，可能會(huì)增加術(shù)后胰瘺的風(fēng)險(xiǎn)。而體外完成胰腸吻合或開(kāi)腹的胰十二指腸切除術(shù)的切口較長(zhǎng)，不利于患者的恢復(fù)。手術(shù)機(jī)器人的放大作用及精細(xì)操作可以使胰腸吻合的針距和邊距的把控要遠(yuǎn)好于開(kāi)腹或腹腔鏡手術(shù)，同時(shí)避免了切口延長(zhǎng)，從而有利于患者的恢復(fù)。目前，達(dá)芬奇在腹腔鏡機(jī)器人、自然腔道機(jī)器人等軟組織機(jī)器人領(lǐng)域一騎絕塵，微創(chuàng)醫(yī)療機(jī)器人的圖邁?腔鏡手術(shù)機(jī)器人、支氣管機(jī)器人的也在奮起直追。

       血管介入手術(shù)是治療心血管疾病的重要手段，傳統(tǒng)血管介入手術(shù)操作復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)，需要醫(yī)生長(zhǎng)期暴露在X射線下，而血管介入機(jī)器人可以解決上述問(wèn)題，以微創(chuàng)(Robocath JV)和唯邁醫(yī)療為代表的國(guó)內(nèi)企業(yè)有望打破國(guó)外壟斷。

       隨著社會(huì)老齡化的加劇，骨科市場(chǎng)需求增速不斷提高，骨科手術(shù)機(jī)器人有著巨大需求，特別是關(guān)節(jié)置換手術(shù)機(jī)器人，在提高假體植入精度、降低醫(yī)生學(xué)習(xí)曲線、推動(dòng)關(guān)節(jié)置換手術(shù)向基層醫(yī)院滲透發(fā)揮了重要作用。微創(chuàng)鴻鵠關(guān)節(jié)置換機(jī)器人是國(guó)內(nèi)第 一個(gè)完成臨床入組的膝關(guān)節(jié)機(jī)器人，鍵嘉機(jī)器人是國(guó)內(nèi)第 一個(gè)完成臨床入組的髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)機(jī)器人。

       與骨科機(jī)器人同屬于定位導(dǎo)航機(jī)器人的神經(jīng)外科機(jī)器人主要通過(guò)對(duì)腦部病灶位置精確的空間定位，輔助醫(yī)生完成活檢、深腦刺激、經(jīng)顱磁刺激、立體定向腦電圖等神經(jīng)外科手術(shù)。神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人近年來(lái)發(fā)展飛速，比如華科精準(zhǔn)成功研發(fā)了中國(guó)首 款適用于成人和兒童的神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人，也是國(guó)內(nèi)目前唯一獲得國(guó)家創(chuàng)新醫(yī)療器械特別審批的神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人。

       未來(lái)十年改變醫(yī)生的工具

       手術(shù)機(jī)器人開(kāi)啟了微創(chuàng)技術(shù)的新篇章，具有劃時(shí)代意義。機(jī)器人操作臂能過(guò)濾術(shù)中人手顫動(dòng)，且活動(dòng)范圍遠(yuǎn)大于人手，許多傳統(tǒng)腹腔鏡手術(shù)無(wú)法到達(dá)的角度、難以縫合的深處都能更輕松地完成。

       手術(shù)機(jī)器人有如下優(yōu)勢(shì)：

       （1）放大倍數(shù)高，解剖更精細(xì)：手術(shù)機(jī)器人可以提供10-15倍的放大效果，使手術(shù)更加精細(xì)，相比之下，腹腔鏡僅能提供3-5倍的放大效果，不利于某些解剖結(jié)構(gòu)的觀察分離。

       例如，相較于腹腔鏡胃癌根治術(shù)，機(jī)器人胃癌根治術(shù)淋巴結(jié)清掃更為徹底，肥胖患者的淋巴結(jié)清除獲益更多，同時(shí)避免對(duì)鄰近組織造成副損傷，有利于促進(jìn)患者胃腸道功能的恢復(fù)。

       （2）過(guò)濾手部震顫，操作更加靈活：機(jī)械臂的使用一方面可以防止鏡頭的震顫，為術(shù)者提供更好的術(shù)野；另一方面，540°的旋轉(zhuǎn)可以使各類(lèi)消化道吻合在手工條件下進(jìn)行，從而減少了吻合器的使用，節(jié)約成本。

       （3）延長(zhǎng)外科醫(yī)生工作壽命，提高醫(yī)生效率：一方面，機(jī)器人可以過(guò)濾震顫，使得年齡較大的外科醫(yī)生仍然可以進(jìn)行手術(shù)操作。另一方面，腹腔鏡手術(shù)需要主刀、一助、扶鏡手三人共同完成，而機(jī)器人僅需要主刀和助手即可，同時(shí)主刀又可以坐著進(jìn)行手術(shù)，從而節(jié)省醫(yī)生體力。

       （4）可以進(jìn)行遠(yuǎn)程手術(shù)：隨著通信技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)，醫(yī)生有望通過(guò)手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制臺(tái)進(jìn)行手術(shù)操作，造福更多的患者。

       缺點(diǎn)：

       （1）手術(shù)時(shí)間延長(zhǎng)：機(jī)器人手術(shù)的大部分操作由術(shù)者一人完成，助手主要在患者床旁協(xié)助。但隨著機(jī)器人手術(shù)的不斷推廣以及技術(shù)的不斷更新，未來(lái)的機(jī)器人手術(shù)時(shí)間可能會(huì)顯著縮短。

       （2）器械無(wú)反饋：相較于腹腔鏡手術(shù)，機(jī)械臂的觸感無(wú)法傳導(dǎo)到術(shù)者的手指中，因此機(jī)器人手術(shù)存在一定的組織撕裂的風(fēng)險(xiǎn)。

       （3）成本較高：機(jī)器人的開(kāi)機(jī)、維護(hù)的花費(fèi)較高，同時(shí)目前大多數(shù)機(jī)器人手術(shù)尚未進(jìn)入醫(yī)保。

       （4）術(shù)前準(zhǔn)備較為復(fù)雜：目前達(dá)芬奇機(jī)器人手術(shù)需要半小時(shí)到1小時(shí)的術(shù)前準(zhǔn)備，時(shí)間成本較高。

       現(xiàn)有手術(shù)機(jī)器人概覽

       總體而言，手術(shù)機(jī)器人作為外科領(lǐng)域的革新式設(shè)備，雖然目前實(shí)際應(yīng)用方面存在部分技術(shù)上的難題，但并不能掩蓋其在提高手術(shù)操作靈敏度和精準(zhǔn)度、擴(kuò)大可切除病灶范圍、以及極大可能減小手術(shù)損傷等方面的巨大優(yōu)勢(shì)。對(duì)患者來(lái)說(shuō)，意味著縮短的手術(shù)時(shí)間、更小的創(chuàng)傷和更高的療效。隨著手術(shù)機(jī)器人軟硬件性能的不斷提升，以及AI、AR、VR、5G等技術(shù)對(duì)機(jī)器人的不斷賦能，手術(shù)機(jī)器人一定會(huì)變得更加人性化和智能化。

       注：原文有刪減