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500年歷史的手術機器人 是改變未來十年的希望嗎?

2021-04-13

手術機器人的歷史最早要追溯到距今500多年前,意大利文藝復興畫家、科學家、發明家達·芬奇利用自己的解剖學知識和機械知識,設計了人類歷史上的第一個人形機器人。500年后,Intuitive Surgical將自己設計的機器人系統以達芬奇命名,以紀念他對此項技術的貢獻。

達芬奇的機械設計

時間來到1985年,美國洛杉磯醫院的醫生使用工業機器人Puma 560完成了機器人輔助定位的神經外科腦部活檢手術,是外科手術史上第一例機器人手術,但遺憾的是,當時生產該機器人的公司為了安全考慮,禁止了該機器人被用于手術。

1980年,隨著內窺鏡和人工氣腹技術的成熟,腹腔鏡技術逐漸在美國興起。為避免扶鏡手生理疲勞造成的鏡頭不穩定,1989年,手術機器人之父王友侖開始研究“伊索”(AESOP,自動最優定位內窺鏡系統)——扶鏡機械手,使得醫生可以通過聲控或踏板來控制鏡頭的運動。伊索系統最終于1997年研制成功,并完成了它的第一例腹腔鏡手術,正式帶領手術機器人走向了商業化道路。

1998年,美國Computer Motion在伊索的基礎上進行了一系列的改造,將其升級為一套完整的手術器械機器人系統——宙斯系統。

宙斯共打造了兩套系統——Surgeon-side和Patient-side。Surgeon-side系統由一對主手和顯示器構成,醫生可以操控主手手柄,通過顯示器觀察患者體內情況。Patient-side系統由兩個機器人手臂和一個內窺鏡手臂組成。醫生的手柄可以控制機器人手臂的運動,而內窺鏡手臂由聲控控制。

達芬奇手術機器人的原型機是前斯坦福研究中心(SRI)于20世紀80年代為美國陸軍研制的項目,最早曾嘗試用于海灣戰爭與太空站的遠程醫療,但受限于當時的網絡條件,逐漸放棄了遠程而轉向手術機器人。達芬奇手術機器人由Intuitive Surgical于1999年研制成功,目前已有四代產品,代表著當今手術機器人的最高水平。

達芬奇系統由三部分構成:醫生控制系統,三維成像視頻影像平臺,以及擁有機械臂、攝像臂和手術器械組成的移動平臺。其中3個手臂可用來操控工具,如手術刀、剪刀、電凝止血設備等。第4個手臂為內窺攝像機,其中包含兩個鏡頭,可呈現立體視覺。

外科醫生通過攝像機觀察手術區域,使用腳踏板來和手桿來操作機械臂。其中,機械臂可在患者體內完成540°的旋轉,極大地提高了操作的靈活性。同時,機械臂上的穩定器可過濾人手的抖動,從而完成精細的解剖。

達芬奇手術機器人使用廣泛,適用于普外科、泌尿外科、婦科、心血管外科、胸外科等。目前,達芬奇手術機器人在前列腺切除手術、子宮切除術、疝修補術等手術中應用最多,未來也會越來越多地應用于心臟瓣膜修復、心臟搭橋等手術中。2019年,美國達芬奇機器人手術量達到了88萬例,其中普外科42萬例(占比48%),婦科28萬例(占比32%),泌尿外科14萬例(占比16%),三科室合計手術量占比約95%。

不斷拓展的應用范圍

手術機器人按技術類型可分為操作機器人和定位導航機器人,按手術類型可分為軟組織機器人和硬組織機器人。如果按從軟到硬的發展,可以分為腹腔鏡機器人、自然腔道機器人、血管介入機器人、穿刺介入機器人、骨科機器人(包括關節機器人、脊柱機器人和創傷機器人)、神經外科機器人等。操作機器人主要用于軟組織,核心技術包括:視覺成像、控制算法、機械電氣和影像導航等,是技術密集型、專利密集型、資本密集型的領域。定位導航機器人主要用于硬組織,核心技術包括:醫學影像、圖像重建、手術規劃、空間配準與映射、機械臂控制等。

由于手術機器人讓外科醫生獲得了更高倍數的放大視覺以及更精細的操作能力,使得部分腔鏡下難以完成的手術可以在手術機器人下完成,甚至要比開放手術操作更為簡單。例如,完全腹腔鏡胰十二指腸切除術的應用目前仍存在一定爭議,尤其是腹腔鏡下的胰腸吻合難度較大,可能會增加術后胰瘺的風險。而體外完成胰腸吻合或開腹的胰十二指腸切除術的切口較長,不利于患者的恢復。手術機器人的放大作用及精細操作可以使胰腸吻合的針距和邊距的把控要遠好于開腹或腹腔鏡手術,同時避免了切口延長,從而有利于患者的恢復。目前,達芬奇在腹腔鏡機器人、自然腔道機器人等軟組織機器人領域一騎絕塵,微創醫療機器人的圖邁?腔鏡手術機器人、支氣管機器人的也在奮起直追。

血管介入手術是治療心血管疾病的重要手段,傳統血管介入手術操作復雜、耗時長,需要醫生長期暴露在X射線下,而血管介入機器人可以解決上述問題,以微創(Robocath JV)和唯邁醫療為代表的國內企業有望打破國外壟斷。

隨著社會老齡化的加劇,骨科市場需求增速不斷提高,骨科手術機器人有著巨大需求,特別是關節置換手術機器人,在提高假體植入精度、降低醫生學習曲線、推動關節置換手術向基層醫院滲透發揮了重要作用。微創鴻鵠關節置換機器人是國內第一個完成臨床入組的膝關節機器人,鍵嘉機器人是國內第一個完成臨床入組的髖關節置換手術機器人。

與骨科機器人同屬于定位導航機器人的神經外科機器人主要通過對腦部病灶位置精確的空間定位,輔助醫生完成活檢、深腦刺激、經顱磁刺激、立體定向腦電圖等神經外科手術。神經外科手術機器人近年來發展飛速,比如華科精準成功研發了中國首款適用于成人和兒童的神經外科手術機器人,也是國內目前唯一獲得國家創新醫療器械特別審批的神經外科手術機器人。

未來十年改變醫生的工具

手術機器人開啟了微創技術的新篇章,具有劃時代意義。機器人操作臂能過濾術中人手顫動,且活動范圍遠大于人手,許多傳統腹腔鏡手術無法到達的角度、難以縫合的深處都能更輕松地完成。

手術機器人有如下優勢:

(1)放大倍數高,解剖更精細:手術機器人可以提供10-15倍的放大效果,使手術更加精細,相比之下,腹腔鏡僅能提供3-5倍的放大效果,不利于某些解剖結構的觀察分離。

例如,相較于腹腔鏡胃癌根治術,機器人胃癌根治術淋巴結清掃更為徹底,肥胖患者的淋巴結清除獲益更多,同時避免對鄰近組織造成副損傷,有利于促進患者胃腸道功能的恢復。

(2)過濾手部震顫,操作更加靈活:機械臂的使用一方面可以防止鏡頭的震顫,為術者提供更好的術野;另一方面,540°的旋轉可以使各類消化道吻合在手工條件下進行,從而減少了吻合器的使用,節約成本。

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

(4)可以進行遠程手術:隨著通信技術的發展,未來,醫生有望通過手術機器人遠程控制臺進行手術操作,造福更多的患者。

缺點:

(1)手術時間延長:機器人手術的大部分操作由術者一人完成,助手主要在患者床旁協助。但隨著機器人手術的不斷推廣以及技術的不斷更新,未來的機器人手術時間可能會顯著縮短。

(2)器械無反饋:相較于腹腔鏡手術,機械臂的觸感無法傳導到術者的手指中,因此機器人手術存在一定的組織撕裂的風險。

(3)成本較高:機器人的開機、維護的花費較高,同時目前大多數機器人手術尚未進入醫保。

(4)術前準備較為復雜:目前達芬奇機器人手術需要半小時到1小時的術前準備,時間成本較高。

現有手術機器人概覽

總體而言,手術機器人作為外科領域的革新式設備,雖然目前實際應用方面存在部分技術上的難題,但并不能掩蓋其在提高手術操作靈敏度和精準度、擴大可切除病灶范圍、以及極大可能減小手術損傷等方面的巨大優勢。對患者來說,意味著縮短的手術時間、更小的創傷和更高的療效。隨著手術機器人軟硬件性能的不斷提升,以及AI、AR、VR、5G等技術對機器人的不斷賦能,手術機器人一定會變得更加人性化和智能化。


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