第一章　机器人泌尿外科手术的历史、现状和将来

一、前　言

随着科学技术日新月异的发展，外科手术正经历由传统开放手术到微创手术和机器人辅助手术的伟大变革。始于20世纪80年代、以腹腔镜为代表的微创技术可以达到传统手术的效果，具备手术创伤小、术后恢复较快等优点，已在临床广泛应用。在取得良好临床效果的同时，也发现其存在一些局限性，如术野为二维平面成像，对抗直觉的反向器械操作，器械的活动自由度少，完成精细分离、缝合、吻合等操作难度大等，这些限制了腹腔镜技术向更复杂外科手术的拓展。近年来兴起的手术机器人技术在微创的基础上，将手术的精度和可行性提升到了一个全新的高度，引起学术界的广泛关注。有人预言一个以手术机器人为代表、以信息化处理为标志的新的外科手术时代即将来临。机器人手术系统融合了诸多新兴学科，使外科手术的微创化、功能化、智能化和数字化程度大大提高，它的出现进一步完善了微创外科手术（minimally invasive surgery，MIS）的概念。机器人手术系统在外科领域的广泛应用和发展是当今世界临床医学发展的里程碑。目前，国外手术机器人已在泌尿外科、心胸外科、妇科和腹部外科等领域逐渐普及，国内也有数十家医疗单位陆续引进代表当今手术机器人最高水平的达芬奇手术机器人，并迅速投入运用。

二、机器人泌尿外科手术的发展历史

机器人手术系统经历了伊索系统（AESOP，1994年）、宙斯系统（Zeus，1999年）、达芬奇系统（Da Vinci，2000年）3代的发展。da Vinci机器人手术系统　（Da Vinci surgical system，DVSS）属于主仆机器人系统，它是美国食品和药物管理局（FDA）批准的第一个也是唯一可应用于外科临床治疗的智能内镜微创手术系统，也是目前世界上最成熟、应用最广泛的机器人手术系统。2012年，da Vinci手术机器人荣列 “近50年十项医学伟大发明”，并以其技术先进性、临床应用广泛性登上 “2011机器人十大新闻”。截止到2015年4月，DVSS全球装机3317台，其中美国2254台，欧洲556台，亚洲365台，其他地区142台。目前，DVSS已广泛应用于泌尿外科、心胸外科、普外科、心血管外科、妇产科、小儿外科、耳鼻喉科等临床领域。机器人手术量增长迅速，2011年一年全球实施机器人手术36万余台，2012年全年实施45万台，2013年全年实施53万台。2006年12月20日中国人民解放军总医院引进大陆第1台DVSS，截止到2015年4月，大陆地区共装机36台，另有4家公立医院获批配置DVSS，机器人手术在全国呈大发展阶段（表1-1）。

da Vinci手术机器人由美国Intuitive Surgical公司生产，它由3个部分组成：①手术医师的操作主控台。②机械臂、摄像臂和手术器械组成的位于手术床边的移动平台。③三维成像视频影像平台（图1-1）。实施手术时外科医生不与患者直接接触，通过三维视觉系统和动作定标系统操作控制，医生手臂、手腕和手指的动作通过传感器在计算机中记录下来，并同步翻译给机器手臂，机械手臂的前端安装各种特殊的手术器械模拟外科医生的技术动作，完成手术操作。

医生操作系统是da Vinci系统的控制核心，由计算机系统、内窥监视系统、操作手柄及输出设备等组成。术者坐于主控台前根据三维成像系统提供的立体手术视野信息用手指进行精细操作，并通过脚踏板来控制摄像头、焦距和电凝等重要功能。床旁器械臂手术系统包含3～4个交互式的机械臂（1个持镜臂、2～3个工作臂）。持镜臂有4个关节，用于术中握持腹腔镜摄像头；工作臂有6个关节，用于完成术中各种操作。每个工作臂装有一个EndoWrist仿真机械手，它通过抓钳、电钩、剪刀、针持器等不同的控件可以像人手一样进行钳抓、分离、缝合等手术操作（图1-2）。视频处理系统由辅助显示器（交互式触摸屏）、CCU（2个）、数字模拟转换器、光源、其他辅助设备等部分组成。通过双摄像头、双通道光源独立采集同步视频信号来提供放大10～15倍的三维立体的手术视野（图1-3）。

da Vinci手术机器人除继承了腹腔镜手术微创的优点外，其特别的优越性表现在：手术器械上的关节腕具有多个活动自由度，更加灵活，拓展了手术人员的操作能力，提高手术精度；在手术中手术器械可滤除人手自然颤动；系统末端的手术器械具有牵引、切割、缝合等多种功能，能在狭小空间操作精细手术；高分辨率的三维图像处理设备，便于外科医生清晰精确地进行组织定位和器械操作；术者可采取坐姿进行手术操作，利于完成长时间、复杂的手术。

三、机器人泌尿外科手术的发展现状

泌尿外科是当前机器人手术的主要应用领域。在美国，da Vinci机器人手术系统装机量为2254台（截至2015年4月），多数泌尿外科中心均购买并使用了该设备，并用其开展各种泌尿外科手术；特别是根治性前列腺切除术，通过机器人系统辅助完成的比例占到了70%。自2006年底大陆地区引进da Vinci手术系统，机器人外科手术量呈指数式迅速增长，其中泌尿外科手术所占比例不断升高，从起步时期的10%～20%发展到50%　（2014年），逐步成为机器人手术应用的龙头学科（图1-4）。截至2015年4月，中国内地共完成机器人手术14494例，其中泌尿外科手术5333例，约占37%，总量最大；仅2015年1～4月就完成各类机器人手术3022例，泌尿外科手术量1352例，占48%；特别是2014年9月～2015年3月大陆地区新装机的17家医院，在半年内即完成各类机器人手术2008例，其中泌尿外科手术更是达到了55%　（1111例）。随着da Vinci机器人手术设备、技术的不断推广应用，机器人泌尿外科手术量还将处于井喷式的增长阶段。

就手术种类而言，在经历了最初的起步、过渡阶段，我国机器人泌尿外科手术的种类已从单一的前列腺癌根治发展到各个泌尿外科病种，肾上腺手术、肾脏手术、肾盂输尿管手术、膀胱前列腺手术等均可通过机器人手术系统完成；既包括肾上腺切除、肾切除等器官切除手术，又包括肾部分切除、尿路整形、前列腺癌根治等重建手术。经过8年的发展，我国机器人泌尿外科手术经过了从简单到复杂的发展，各机器人泌尿外科中心相继完成一系列高难度的手术，包括压迫腔静脉大血管或腔静脉后的巨大肾上腺肿瘤切除、高选择性肾动脉阻断肾部分切除、内生型肾肿瘤的肾部分切除、肾铸型结石切开取石、高危高龄前列腺手术、完全体内的尿流改道手术等，这些既往开放手术都相当困难的术式均已成功利用机器人手术系统辅助完成。在美国泌尿外科年会、欧洲泌尿外科年会、世界机器人外科大会上，都可以看到来自中国机器人泌尿外科学者的精彩演示。

尽管我国机器人外科正处于蓬勃发展的阶段，但同欧美数以千计的设备数目仍无法相比。结合自身情况、构建中国特色的机器人泌尿外科手术平台具有重要的战略意义。长海医院泌尿外科在长期的摸索下，提出了 “Robo-3TIPS”的机器人泌尿外科发展模式，包括技术培训（Training）、团队构建（Team）、工程技术支持（Technique）、 技术创新（Innovation）、　临床应用（Patient）　和定期讨论（Seminar）　多个方面，各环节相辅相成、循序渐进，这为起步较晚、资源紧张的中国机器人泌尿外科的发展提供了一种可借鉴的范式。目前国内一些早期开展机器人泌尿外科手术的医疗中心相继举办了机器人手术培训班或会议，如长海·克利夫兰机器人手术培训班、解放军总医院中欧联合机器人大会、瑞金医院机器人手术学习班、西京医院机器人手术模拟培训班等。在国内机器人外科手术尚未普及的今天，这为更多的泌尿外科医师了解、接触这一国际前沿技术提供了良好的平台。

四、机器人泌尿外科手术的发展趋势

未来机器人手术系统需要改进之处主要有以下几点：①完善触觉反馈，进一步加强人机交互；②加强图形图像处理，建立虚拟手术系统；③进一步提高机械手的灵活性和视野的精确度；④缩小机器人的体积和减少费用；⑤进一步提高机器人的智能化水平等。另外新的机器人技术如单孔机器人腹腔镜、纳米机器人、经皮肾通道（PAKY）系统、软式机器人和自然腔道内镜手术（NOTES）、远程操作外科手术机器人系统等也正蓬勃发展。美国华盛顿大学的科技人员已经研发了一种新型的手术机器人系统—— “乌鸦”机器人手术系统（Raven Robotic surgical system）（图1-5）。与da Vinci手术机器人相比，其体型小、售价低；更重要的而是其正在开发能够模拟手术医师的手感触觉的功能；其软件数据源开放，适合研究人员对其进行编程，因此能够支持不同的手术环境，甚至是和传统的开腹手术联合使用。“乌鸦”代表了行业未来的发展趋势：外科手术机器人会向小型化、智能化和实用性方向发展，具有更强的兼容性和反馈功能，不断开发新的产品，降低临床使用成本。

在过去的近20年中，我们经历了从传统开腹手术到腹腔镜手术，从机器人手臂镜头辅助系统到机器人手术，最终到现在的远程协做手术。虽然目前机器人系统并没有普及到成为手术室的必备装备，如果能够预测未来的话，我们可以说，这只是一个时间问题。未来的机器人将会变得更小、更便宜、具有触觉反馈系统以及能够完成远程协做手术。目前，显而易见，机器人系统对于我们来说还是一项较先进的技术，其临床应用和优点仍有较大的发展空间。机器人辅助技术在泌尿外科手术中的应用，使得临床开展更为精确、复杂的手术成为可能。远程通讯技术广泛的应用，机器人遥控手术的开展，促进了国内外的学术交流与合作，加强了落后与发达地区的联系。我们有理由深信在不久的将来，技术的改进必将进一步提高机械手的灵活性和视野的精确度、缩小机器人的体积和减少费用，必将使机器人在医学领域的应用更加广泛，并最终可以达到使患者获得最佳外科治疗效果的目标。有理由相信，随着时间的推移，越来越多的中国泌尿外科医生将会开展机器人手术，机器人泌尿外科手术也会像国外一样越来越普遍。

（孙颖浩）

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