第一篇　机器人外科学总论

第一章　机器人外科的发展历史

一、外科手术的微创时代

20世纪80年代，腹腔镜开启了外科手术的“微创化”时代，它因切口小、创伤轻、痛苦少、恢复快等优点而深受广大医患人员所推崇，迅速在外科各专业领域得以推广应用。以腹腔镜技术为代表的微创外科的创立与发展是20世纪医学科学的重要进展之一。

腔镜技术是对开放性手术的一次重大变革，它在外科领域获得了革命性成功，成为全球外科发展的主旋律。经过20多年的发展，腔镜外科技术在临床被广泛应用，已成为微创外科技术和许多疾病治疗的“金标准”。但随着医学的发展，现有的腔镜手术在临床应用中也暴露出许多不足之处。主要表现在：①手术器械的活动自由度少，限制了需要到达的手术区域；②只能提供给外科医生二维的手术视野，使医生操作的手眼协调性差；③内镜头由助手医生控制，降低了操作的稳定性；④手的不自主震颤被放大，使操作动作不准确，很难完成吻合等精细操作；⑤医生操作的手容易疲劳。上述缺陷在一定程度上影响了这项技术向更复杂外科手术的拓展，成为了当前腔镜技术发展中的“瓶颈”。

二、机器人外科发展简史

为了解决腔镜外科手术中存在的不足，人们开始探讨如何在外科手术中引入机器人技术，改善手术效果。1980年，单臂的机器人系统“美洲狮”（PUMA560）首次应用于经尿道前列腺切除术中。1999年，德国Otto Maquet公司研制了Caspar机器人系统，用于全髋或全膝关节置换术中的骨骼磨削，以及前交叉韧带重建术的隧道入点定位，磨削精度达到了0.10 mm。但这些系统大多传承自工业机器人技术，安全性不高、不符合医生操作习惯等问题难以避免。1991年，美国ISS公司（Integrated Surgical Systems）推出了全球第一个骨科手术机器人产品，即著名的RoboDoc，并在当年7月完成了第一例全髋置换临床手术试验。尽管由于没有获得FDA许可而无法在美国进行临床推广，但该系统在欧洲、日本等地获得了广泛应用。1989年，美国Computer Motion公司成立，并制造了“伊索”（automated endoscopic system for optimal positioning，AESOP）和“宙斯”（ZEUS）医疗机器人系统。上述两种系统分别于1994年和2001年被批准于临床应用。同期，机器人辅助下心脏手术概念被提出。Zeus系统实现了医生远距离控制和稳定的器械抓持等动作。利用Zeus系统，2001年9月首次成功实现了跨大西洋（美国纽约-法国斯特拉斯堡）的机器人腹腔镜胆囊切除术。但该系统目前已不再生产。

1995年，福瑞德里克和美国国家航空航天局及斯坦福研究院合作建立了Intuitive Surgical公司，并制造了da Vinci机器人手术系统。2000年7月11日，该系统通过了美国食品和药物管理局（Food and Drug Administration，FDA）市场认证后，da Vinci成为世界上首套可以正式在医院手术室中使用的机器人手术系统。该系统采用了主从式操作模式，完善了人机交互接口，更符合医生操作习惯。早期主要用于腹腔手术中，后来被逐步应用于心脏外科手术中。截至2013年12月31日，全球已售出da Vinci机器人手术系统2966台，其中美国2083台、欧洲476台、亚洲288台，其余地区119台。亚洲分布情况为：韩国43台、日本159台、印度24台、中国内地18台，中国香港8台、中国台湾18台、新加坡8台、马来西亚3台、泰国6台、菲律宾1台、印度尼西亚1台。中国内地自2006年中国人民解放军总医院首先引入da Vinci机器人手术系统，至2014年12月底共拥有34台，分别为：中国人民解放军总医院6台，北京地坛医院、北京中国人民解放军第二炮兵总医院、复旦大学附属中山医院、上海交通大学医学院附属瑞金医院、上海交通大学附属胸科医院、复旦大学附属华东医院、复旦大学附属中山医院、南京军区南京总医院、第三军医大学附属西南医院、沈阳军区总医院、上海长海医院、北京协和医院、济南军区总医院、第四军医大学附属西京医院各1台。2012年一年内，全球共应用da Vinci机器人手术系统完成手术约45万台次，比2011年增长超过25%，预计2013年再次增长15%～18%。国内自2006年至2013年12月，共完成da Vinci机器人手术6535台次，其中2013年全年，完成手术2984台次。由此可见，da Vinci机器人的发展及应用速度之快，令人瞩目。

值得期待的是，使用da Vinci机器人手术系统，将逐步开创远程手术的概念。目前，美国正在研究远程微创外科手术机器人系统项目，采用da Vinci机器人手术系统在美国华尔特里德陆军医学中心和约翰霍普金斯医院之间（相距64km）开展远程手术研究。远程遥控手术在经验丰富的外科医生和患者之间建立起全新的联系，使患者在原地、原医院即可接受远地专家的会诊及其治疗；该系统也有望应用于远程急救医学，实现战争、地震等极端环境下的遥控手术。

三、我国机器人手术应用和发展

（一）我国机器人外科技术起源

微创外科是21世纪外科学发展的方向，如何最大可能提高外科微创化水平成为外科医生及相关工程技术人员努力追求的目标。笔者一直在关注并寻求一种能够不开胸就能完成心脏外科手术的技术。2000年，在加拿大参加第80届美国胸外科年会（American Association For Thoracic Surgery，AATS）时（图1-1-1），笔者第一次在展会上看到了da Vinci机器人手术系统并了解到了一些相关的信息，此时该系统正在美国通过FDA认证，仅在美国少数几家医院的实验室里试用，尚无成熟的临床经验和令人信服的临床结果可供参考。此时，笔者意识到，这项技术将会给外科带来颠覆性的技术革命（disruptive technology），尤其对于心血管外科来说，不开胸就能完成微创心脏外科手术的梦想将会变成现实。

之后，每年赴美国参加学术会议时笔者都会跟踪考察da Vinci机器人手术系统的进展状况。2005年底，结合我国心血管微创外科的发展现状，笔者正式提出在国内引进da Vinci机器人手术系统并进行技术创新的立项计划，这一想法极为超前，因为当时亚洲仅日本、中国香港等国家和地区拥有少数几台，而且刚刚在泌尿外科等领域试用，尚无开展心脏手术的报道，国内尚属空白。在项目实施前，笔者于2006年3月对美国Intuitive Surgical Inc.总部实验室进行了考察，对机器人手术系统工作原理进行了深入学习，并对在我国开展机器人心脏手术的可行性进行了论证（图1-1-2）。

（二）我国机器人外科技术的探索与前行

经过充分的调研和论证，解放军总医院于2006年11月率先在国内引进了当时世界上最先进的四手臂da Vinci-S机器人手术系统，并组建了由外科医生、麻醉师、体外循环灌注师、手术室护士6人组成的中国第一支机器人心脏外科手术团队，赴美国培训学习（图1-1-3）。一个多月的时间里，团队克服各种困难，在美国da Vinci机器人总部完成了该公司认定的基础实验室培训并取得了培训证书，随后又辗转到开展机器人心脏手术多家医院的心脏外科中心参观，尽可能通过实地观摩获得最佳的应用方案。由于开展机器人心脏手术所需要的耗材极为庞杂，而且绝大多数耗材国内并不具备，国内公司也并不愿意代理数量较少的机器人手术耗材，使得准备和收集相关耗材的工作变得极为困难。因此，在美交流过程中，团队还逐一明确了各种相关耗材的型号及来源。

2006年12月底，笔者及其团队成员携带大量的学习资料和培训笔记从美国返回中国。此时，打开中国机器人心脏手术历史大门的钥匙已经掌握在了中国人自己手中。机器人手术团队回国后，立即着手进行技术论证并开展了各项前期试验研究，包括：离体猪心试验、模拟胸腔实验及活体动物实验。通过上述基础研究明确了机器人手术系统的布局、适合国人体格的手术技术方案和麻醉方案等，为临床工作开展奠定了坚实的研究基础（图1-1-4）。

经过精心准备及反复的术前演练，2007年1月15日中国首例全机器人房间隔缺损修补手术，同时也是中国的首例机器人外科手术，在解放军总医院顺利完成。该消息立刻得到了国内主流媒体报道，并引发广泛关注（图1-1-5）。在成功面前，笔者认为应保持清醒头脑，反复告诫团队成员要保持冷静，耐得住寂寞。首例手术的成功并不能代表中国机器人心脏外科已经达到了国际先进水平，真正的成功是要放到历史的长河中去检验。事实证明了笔者的预见，由于机器人手术系统对整个团队都是全新的学习内容，在随后的工作中他们遇到了来自很多方面的困难。人与机器的磨合、团队成员之间的磨合、病例的选择、术中意外情况的处理等，尤其是作为团队领袖和主刀医生更是面临着诸多的挑战。作为一名资深心脏外科医生，手术理念和模式的转变首先要适应的过程就是在慢慢转变。过去是站在患者身边做手术，外科医生可以直接观察患者心脏跳动的节律和力度，那种一切尽在掌控的感觉已经形成多年。而现在使用机器人手术系统后，外科医生远离患者进行操控，虽然术野放大了十几倍，但那种远离患者后对局势的掌控感却是需要时间去慢慢适应。而且与过去通过术者的双手直接操作手术器械进行手术不同，现在术者通过机械手臂进行操作，失去了触觉的反馈，对每一步操作的准确性要通过视频系统的图像靠视觉来辨别，让手术者有一种不太真实和不踏实的感觉，这也需要时间和经验的积累去慢慢适应。笔者体会，手术还要做到“眼观六路，耳听八方”，不断协调处理各个环节汇集到术者的有关患者和机器的信息。尽管笔者一直认为自己精力较好，但那段时间还是感到前所未有的身心疲惫。就是在如此之多的困难和挑战面前，笔者及其团队仍不断克服困难，密切合作，总结经验，探索新术式。笔者认为，每一例手术，都要当成第一例手术那样认真准备，要及时研究手术当中发现的问题。手术团队经常会因为手术中出现的问题集体讨论到次日凌晨，直到问题解决，然后继续进行日常的手术和工作。凭借这种毅力和斗志，在完成前50例手术后，笔者及其团队基本走出了新技术的学习曲线，而在这学习曲线中得到的是零死亡的高质量手术结果。这段时间的艰难探索和执着追求为今后中国机器人心脏外科的发展奠定了坚实的基础。

（三）我国机器人手术应用现状

此后经过短短8年时间的发展，解放军总医院机器人心脏手术团队已完成各种全机器人不开胸心脏手术25种近800例，全部获得成功，涵盖了目前世界上da Vinci机器人手术系统所能完成的全部心脏手术，是全球单中心完成机器人心脏手术种类最多的心脏外科中心，包括不停跳下冠状动脉旁路移植、二尖瓣成形和替换、三尖瓣成形、房间隔缺损修补、室间隔缺损修补、肺静脉异位引流矫治、左心室起搏电极植入、心脏和纵隔肿瘤切除等，其中不开胸、心脏跳动下冠脉搭桥是目前机器人心脏手术的微创极限。其中，笔者及其团队完成了全机器人心脏不停跳下冠状动脉旁路移植术加支架植入、心脏不停跳下房间隔缺损修补、心脏不停跳下房间隔缺损修补同期行三尖瓣成形、心脏不停跳下右心房肿瘤切除、部分肺静脉畸形引流矫正、室间隔缺损修补、原发孔房间隔缺损修补和三房心矫正。完成肺动脉瓣狭窄矫正术，室间隔缺损修补等8种世界首例手术（表1-1-1）。为了进一步规范机器人手术技术的开展和应用，2012年笔者受国家卫生部委托牵头组建专家组，编制了国内首部机器人手术技术规范和培训管理规范（见附录），并于2012年2月9日正式颁布实施（图1-1-6）。“规范”的实施，有力地规范了机器人心脏手术技术的应用和培训管理，使我国机器人外科走入了行业规范、合理发展的快速车道。

在解放军总医院心血管外科的影响和带动下，da Vinci机器人手术技术在解放军总医院的泌尿外科、普外科、胸外科、肝胆外科、肿瘤外科以及妇产科等众多学科得到了越来越多地应用，截至目前，共完成机器人手术技术4000余例。受解放军总医院的带动和影响，国内已有30多家单位购置和使用了机器人手术系统，获得了良好的初步应用结果。泌尿外科属于国内机器人手术开展较早、数量较多的学科，机器人辅助的根治性前列腺切除术术后并发症发生率大大低于开放手术，肿瘤根治性相当或优于传统手术，尤其是能较好保护性功能，已成为根治性前列腺切除术的“金标准”。其他泌尿外科的机器人术式包括膀胱切除、肾盂成形、肾上腺切除、肾脏手术、根治性肾切除、活体供肾切除等。妇科是继泌尿科之后外科机器人应用最广泛的学科。自da Vinci机器人手术系统开展妇科良恶性肿瘤的子宫切除手术后，该术式得到迅速发展，开展的术式还包括子宫肌瘤切除，其术式包括输卵管重建、盆底重建治疗子宫或阴道脱垂。da Vinci机器人手术系统在腹部外科的应用有：胆囊切除术、胃底折叠术、食管贲门括约肌切开术、胃旁路术、胃癌根治术、结直肠手术、胰十二指肠切除术、直肠癌根治、肝门部胆管癌切除术、左半肝切除或肝段切除等。机器人手术系统解决了传统腹腔镜在视野、操作器械灵活性等方面局限，突破了腹腔镜外科发展受限的瓶颈，使得微创外科向实用性、疑难性的大型腹部手术延伸。机器人手术系统在胸外科、耳鼻喉、小儿外科、血管外科均有良好的应用尝试，术式包括：肺叶切除、食管膈肌疝修补术、食管切除、胸腺切除、纵隔肿瘤切除、肺大疱切除、食管反流手术、甲状腺切除术、会厌切除术、扁桃体切除术、声门上部分喉切除术、腹主动脉瘤修复术、下腔静脉瘤切除术、髂股血管搭桥术、股腘动脉搭桥移植术、脾动脉血管瘤切除术、腹主双股动脉分流术、动静脉瘘管修复术等。

（四）成就与国际影响

解放军总医院机器人心脏外科手术团队，积极总结经验，从患者选择、手术操作、围术期管理、麻醉管理、体外循环管理、经食管超声的应用、机器准备、人机配合等多个方面总结制定了适合国人特点的机器人心脏手术的系统性操作规范和培训管理规范。2008年，成立了中国第一个“微创机器人心脏外科中心”，2010年成立了“国际机器人心脏外科合作与研究中心”（图1-1-7）；2012年，国家卫生部、总后卫生部，于解放军总医院成立了“国家机器人心脏外科手术培训基地”、“解放军机器人手术培训基地”和“国际da Vinci机器人外科培训基地”（图1-1-8），并为日本金泽大学、日本帝京大学、新加坡国立心脏病中心、新加坡中央医院、巴西圣保罗州立研究所等19支外籍团队80余人进行了培训和技术指导工作；同时为我国香港中文大学、中国台湾大学医院、中国台湾马偕医院、中国台湾奇美医院、复旦大学附属中山医院、济南军区总医院和南京军区总医院等40余家机器人心脏手术团队等进行了培训和技术扶持。

2010年，“全机器人远程遥控微创心血管手术的应用研究”获北京市科学技术一等奖。2012年，以机器人技术为核心的微创外科技术获得国家科学技术进步一等奖（图1-1-9）。自2008年起，解放军总医院与国际微创心胸外科学会（ISMICS）已共同成功举办了四届“北京国际机器人心脏手术演示及专题研讨会”，并将会议扩展为多学科、影响力巨大的机器人微创国际品牌会议。笔者数十次受邀出席国际微创外科学术会议，对机器人微创心脏手术作专题报告；并在国际机器人微创外科学领域担任多项重要学术职务，包括亚洲机器人外科学会主席、国际微创机器人学会常委、国际微创胸心外科学会常委、国际da Vinci机器人手术导师和日本机器人外科学会国际顾问等，并担任英国Journal of Cardiothoracic Surgery、美国Journal of Robotic Surgery、Heart Surgery Forum和Innovations等杂志共同总编或编委，标志着我国在该技术领域的国际领先地位。

解放军总医院从密切关注da Vinci机器人外科技术的起步和发展，并对这项国际前沿技术进行引进、消化，吸收和再创新，成为国际领跑者之一，不仅开创了中国机器人外科领域的先河，也为世界机器人外科的发展做出巨大贡献。

（高长青）

参考文献

1.高长青.机器人微创心脏手术的发展及现状.中华胸心血管外科杂志，2011，27（7）：385-386.

2.高长青，杨明，王刚，等.全机器人胸廓内动脉游离非体外循环冠状动脉旁路移植术.中华外科杂志，2007，45（20）：1414-1416.

3.Gao C.Totally Robotic internal mammary artery harvest and beating heart coronary artery bypass.The Heart Surgery Forum，2008，3（Suppl）：S1167- S1279.

4.高长青，杨明，王刚，等.机器人非体外循环冠状动脉旁路移植术.中华外科杂志，2009，47（8）：570-573.

5.Gao C，Yang M，Wu Y，et al.Early and midterm results of totally endoscopic coronary artery bypass grafting on the beating heart.J Thorac Cardiovasc Surg，2011，142（4）：843-849.

6.高长青，吴扬，杨明，等.机器人非体外循环冠状动脉旁路移植术.中华外科杂志，2011，49（10）：923-926.

7.高长青，杨明，王刚，等.机器人非体外循环冠状动脉旁路移植与支架置入杂交手术的临床分析.中华胸心血管外科杂志，2008，24（5）：313-316.

8.Gao C，Yang M，Wu Y，et al.Early and midterm results of totally endoscopic coronary artery bypass grafting on the beating heart.J Thorac Cardiovasc Surg，2011，142（4）：843-849.

9.高长青，杨明，肖苍松，等.机器人二尖瓣成形术的临床应用.中华外科杂志，2011，49（7）：641-644.

10.高长青，杨明，王刚，等.机器人微创二尖瓣置换术.中华胸心血管外科杂志，2011，27（7）：390-392.

11.杨明，高长青，王刚，等.机器人微创二尖瓣手术60例临床观察.南方医科大学学报，2011，31（10）：1721-1723.

12.高长青，杨明，王刚，等.全机器人不开胸房间隔缺损修补术.中华胸心血管外科杂志，2007，23（5）：298-300.

13.Gao C，Yang M，Wang G，et al.Totally robotic resection of myxoma and atrial septal defect repair.Interactive Cardiovascular and Thoracic Surgery，2008，24（3）：313-316.

14.杨明，高长青，肖苍松，等.单中心、机器人辅助下房间隔缺损修补术.南方医科大学学报，2012，32（7）：915-918.

15.Gao C，Yang M，Wang G，et al.Totally endoscopic robotic atrial septal defect repair on the beating heart.Heart Surg Forum，2010，13（3）：155-158.

16.杨明，高长青，肖苍松，等.全机器人心脏不停跳下房间隔缺损修补术.中华胸心血管外科杂志，2011，27（7）：395-397.