国产机器人妙手S系统远程手术实验研究

李爱民 李进华 李建民 张涛 杨瑞林 邢元 刘全达 王树新

国产机器人妙手S系统远程手术实验研究

李爱民 李进华 李建民 张涛 杨瑞林 邢元 刘全达 王树新

目的 验证国产手术机器人妙手S系统远程手术的安全性和稳定性。方法 将国产手术机器人妙手S系统的主从手分开，主手放置在天津大学机械工程学院机器人实验室，从手放置在北京第二炮兵总医院(现火箭军总医院)机器人外科实验室。在天津操作手术机器人主手，通过因特网远程控制北京的机器人臂(从手)进行远程猪胆囊切除、胃穿孔修补、肝脏楔形切除术。检测机器人远程进行切除、缝合、打结、止血等操作的安全性和稳定性。天津至北京距离118 km。结果 本次动物(猪)实验完成远程胆囊切除、胃穿孔修补、肝脏楔形切除术，为国内首次动物腹部外科远程手术成功案例。胆囊切除手术时间为50 min，出血5 ml；胃穿孔修补手术时间为20 min，出血0 ml；肝脏楔形切除手术为30 min，出血15 ml。顺行法切除胆囊，先解剖胆囊三角，显露出胆囊管、胆囊动脉和胆总管，离断胆囊管后，顺行剥离胆囊浆膜，注意避免损伤肝脏及右肝管、右肝动脉。胃穿孔修补采用2-0慕丝线行全层间断缝合术，共缝合3针。肝脏楔形切除肝叶边缘大小约2 cm×1 cm肝组织。术中无周围脏器损伤等并发症。手术过程有延时效应，延时平均小于250 ms，机器人手术系统无明显抖动等不良状况，实验顺利完成。结论 国产手术机器人妙手S系统具有良好的安全性和稳定性，可顺利完成腹部外科远程手术。

机器人； 远程手术； 远程医学； 胆囊切除术； 微创外科； 猪

机器人手术系统是目前国外机器人研究领域中最活跃的方向之一，其发展前景非常看好。20世纪90年代起，国际先进机器人计划(international advanced robotics programme,IARP)已多次召开医疗外科机器人研讨会。美国国防高等研究计划署(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)己经立项，开展基于遥控操作的外科研究，用于战伤手术急救。

机器人手术系统的潜在优势是远程手术。2000年，Micali等[1]首先报道了从美国巴尔的摩到意大利罗马机器人远程手术指导实验(telementoring)，5例中4例获得成功。同年，Cheah等[2]完成了自新加坡到美国巴尔的摩远程腹腔镜胆囊切除术。2001年，Marescaux等[3]完成了世界首例从美国纽约(New York)到法国斯特拉斯堡(Strasbourg)横跨大西洋的机器人远程胆囊切除术，即著名的林白手术(Lindbergh Operation)，这是远程手术(telesurgery)的一个里程碑，标志着外科手术跨时代的飞跃。

紧跟国际研究前沿，第二炮兵总医院(现火箭军总医院)与天津大学开展医工合作研究，在妙手A系统的基础上，开发了新一代国产机器人手术系统妙手S系统(MicroHand S system)，并开展了动物实验和初期临床应用研究，取得了成功[4-5]。为进一步验证妙手S系统远程手术的安全性和有效性，经第二炮兵总医院伦理委员会审查同意后开展了本实验。传统概念的远程医学(telemedicine)包括远程医疗会诊、远程医学教育、远程医疗保健咨询系统等。机器人远程手术是将微创手术机器人技术应用于远程手术[6]，是远程医学中最为复杂的部分，使外科医生可为病人实施手术而不受地域的限制，该技术无论在民用还是军用方面都具有重要的实际应用价值。

设备与方法

一、设备介绍

1.MicroHand S手术机器人系统简介 妙手S系统是一款具有自主知识产权的从式手术机器人系统(图1)，由医生控制台、机器人台车和成像系统组成，具有小型化和模块化的特点，可用于复杂的胸腹腔微创外科手术，目前已完成动物实验和初期临床研究[4-5]。

图1 A.妙手S系统;B.妙手S系统套环实验

2.远程通讯系统测试 远程动物实验前通过模拟实验(套环、缝合、打结等)进行了网络通讯状况测试。测试结果显示，数据包平均传输延时在9.1 ms和24.6 ms之间变化[7]。

3.实验时间 2015年7月18日。

4.实验目的 验证国产手术机器人妙手S系统远程手术的安全性、稳定性和有效性。

5.实验设计 利用新一代国产机器人手术系统妙手S系统，于天津大学机械工程学院机器人实验室操作手术机器人，通过商用因特网络(天地通网络公司)，远程控制北京第二炮兵总医院机器人外科实验室的机器人臂进行手术，拟行手术：机器人远程胆囊切除术、胃穿孔修补术、肝脏楔形切除术。天津至北京距离118 km。

6.实验用品 麻醉机、氧气罐(3罐)、CO2罐(2罐)、手术器械台、麻醉机连接管子、实验猪(中国农业科学院提供，体重21 kg，雌性)。动物麻醉诱导剂速眠新(1盒)、动物全身麻醉常规用药等。

二、实验方法

在上述远程通讯系统测试结果基础上，远程动物实验采用天津大学与第二炮兵总医院合作研发的妙手S手术机器人系统(MicroHand S system)，机器人主手放置于天津大学机械工程学院实验室(图2A)，机器人从手放置于北京解放军第二炮兵总医院机器人外科实验室(图2B)，两地相距118 km，主从手之间采用10M带宽的商用网络(VPN)作为连接链路。采用实验猪作为实验对象，分别进行了胆囊切除、胃穿孔修补和肝脏楔形切除术。实验猪采取仰卧姿，固定于自制的手术床上，4个直径为12 mm的Trocar置于实验猪的腹腔上部，医生依据临床手术经验确定Trocar摆放位置，其中左侧和右侧对称放置的Trocar分别作为机器人的两个工具通道，中间的Trocar放置内窥镜，右下侧的Trocar作为助手辅助的工具通道，整体Trocar以肝门部为中心呈扇形分布。实验中首先完成胆囊切除手术，具体如下：①国产机器人妙手S系统开机调试准备；网络通讯调试；②气管插管全麻成功后，常规消毒，铺巾，脐下穿刺建立气腹，气腹压力设置在12 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)；以肝门部为手术区域中心，按扇形分布布置机器人Trocar，连接从手端机器人器械臂；③远程主手端操作；④测试网络时间延时，测试结果显示平均延时小于250 ms；⑤进行机器人远程胆囊切除，游离胆囊管及胆囊动脉，夹毕后切断，顺行法切除胆囊，仔细剥离胆囊床浆膜，避免损伤肝脏，避免切破胆囊壁；⑥顺利切除胆囊后，本地操作取出胆囊。

图2 A.天津大学机器人实验室远程控制台,主刀手术操作;B.北京第二炮兵总医院机器人外科实验室,本地助手手术操作

胃穿孔修补术先用Veress气腹针穿刺胃窦部前壁制造胃穿孔模型，采用2-0慕丝线行全层间断缝合术，共缝合3针。主要检测机器人远程缝合、打结等操作。肝脏楔形切除肝叶边缘约2 cm×1 cm大小肝组织，主要检测机器人远程电凝止血效果及网络延时对手术的影响。

结 果

本次动物(猪)实验顺利完成远程机器人胆囊切除(图3)、胃穿孔修补、肝脏楔形切除术。胆囊切除手术时间为50 min，术中出血5 ml。在胃穿孔缝合手术中，手术工具更换为两把针持，主要评估远程手术缝合操作，手术时间为20 min，术中出血0 ml。在肝脏楔形切除手术中，再次将工具更换为组织抓钳和高频电刀，主要评估远程手术的电切、电凝功能，实验获取的肝叶活检样本由助手经Trocar孔取出，手术时间为30 min，术中出血15 ml。术中无周围脏器的损伤，手术过程中有一定的延时效应，但基本不影响实验顺利完成。机器人远程手术操作过程中未出现明显抖动或其他机器人系统不稳定情况。

A.应用钛夹夹闭胆囊管;B.应用电刀离断胆囊管;C.胆囊床剥离过程;D.手术完成后取出的完整胆囊标本图3 机器人远程(猪)胆囊切除术

讨 论

手术机器人是微创外科与机器人技术相融合的产物。国外研究机构相继开展了手术机器人的研究，并开发出各自的机器人手术系统[8-10]。远程操作是机器人手术系统的一项独特功能，这一创新开启了远程手术时代的大幕，打破了传统外科手术临场模式。

1996年诞生了世界上首个远程手术工作站，可允许医生在异地通过微波通讯来完成可移动部队医院(mobile army surgical hospital，MASH)的手术[11]。2001年，美国Computer Motion 公司在Zeus系统基础上，将主从系统分离并引入网络通信以及安全机制，成功开发了Zeus远程手术机器人系统[12]。该系统成功应用于全球第一次跨大西洋远程机器人胆囊切除手术——林白手术[3]。当时，法国电信公司鼎力配合，采用平均155 ms延时的高速光纤网络与异步传输器和Zeus系统连接使得手术顺利完成。2003年，日本东京大学开发了面向远程腹腔微创手术的机器人系统[13]，并借助这套系统完成了日本与韩国[14]以及日本与泰国[15]之间的实验猪胆囊切除手术。

国内的科研机构也开展了远程机器人系统研究。2003年，海军总医院利用黎元手术机器人系统完成了中国首次脑外科异地手术[16]。2006年，北京积水潭医院利用自主研发的主从式机器人辅助胫骨髓内钉内固定手术系统进行远程手术操作[17]，结果证实自主研发的远程骨科机器人手术系统安全有效。脑科手术和骨科手术相对于腹腔外科手术来说，重要的是影像导航和定位，不需要全程非间断的实时手术视频传输远程操作，对网络延时的要求不大，对数据传输的要求也不高。国内关于远程腹腔微创手术机器人系统的研究则仅停留在技术研究及仿真阶段[18]，未实施样机开发工作和动物实验等。

远程手术由于机器人主手和从手分离，数据指令、图像等通过网络进行传输。确保远程手术高效完成关键在于数据传输速度。网络延时严重影响手术操作；短暂的数据传输延时导致手术时间较实际用时明显增加[19-20]。由于延时随时间变化，容易发生数据包的乱序，从而导致机器人操作手运动发生抖动现象，甚至造成机器人运动的不稳定。针对远程机器人手术所涉及的主要问题，包括时变网络所导致的数据包乱序、丢包、高清三维(three dimension，3D)图像合成及传输等进行探讨和研究，进而提出了一套完整的3D高清立体视觉的远程微创手术机器人系统实现方法。第二炮兵总医院机器人外科实验室和天津大学机械工程学院开展医工结合研究，搭建相应的软硬件平台，并对其进行大量模拟实验研究[7]，最终在国内首次成功地实现了机器人腹部外科远程手术动物实验。实验成功后中国医药报[21]和中国军网等相关媒体进行了报道，相关网站进行了转载。

实验结果表明妙手S系统经商用网络的远程手术操作安全可行，不需要像林白手术那样建设专用网络专线，大大减少了费用，同时可通过目前发达的商用网络系统大规模建立机器人手术网络系统。系统不仅保持了原始本地系统的完整性，而且开发周期短、消耗经费少。天津至北京的远程手术动物实验结果显示，所开发远程控制平台主从控制性能良好，可进一步根据手术精度和灵活度的需求开展更先进的远程手术系统开发。后续研究工作包括完善系统功能，增强系统安全性保障，防止黑客攻击等，开发远程高速3D视频压缩解压缩传输，减少网络延时，同时进行更复杂的远程手术测试。此外，目前的国产机器人器械有待进一步完善，目前条件尚不能完成肝叶、肝段切除等复杂操作。

开发远程手术机器人系统具有深远的现实意义。首先，由于地域和经济发展的影响，不同地区的外科手术质量是不一样的，远程手术既可以节省就医时间与费用，也可以使落后地区人民享受到发达地区甚至发达国家的医疗技术服务。其次，医生借助远程手术机器人可为战场上的伤员[22]和灾区的病人提供手术救治。尤其在我国，地域辽阔且存在东西部地区医疗资源严重分布不均，对该技术存在更为特殊的需求，充分应用该技术将有助于缓解我国医疗资源分布不均的现状，有效解决病人就医难的实际问题。

Lindbergh手术为全世界远程手术的发展开创了先河[3]。这也使得太空手术梦想成为可能，实现这一梦想的关键问题是如何保证宇宙空间数据有效传输、失重环境下手术操作以及手术设备的小型化便携化[23]。2007年，第一例失重状态下远程手术在美国国家航空航天局C-9宇宙飞船上采用斯坦福国际研发中心研制的M7轻巧便携机器人手术装置进行了验证[24]。同年，华盛顿大学研发的Raven机器人手术系统成功重复了上述试验[25]。开展国产手术机器人系统太空手术研究是进一步的目标。

致 谢：感谢天津大学机械工程学院高元倩博士、苏赫博士、梁科博士、刘玉亮工程师等为国产机器人妙手S系统远程手术实验提供工程技术支持。感谢第二炮兵总医院肝胆外科来龙祥、成娣、雷磊、贾薇薇、沙小琪等医师，麻醉科隋波、李冠华、吴海龙等医师，手术室巩燕、郭传真、倪子潇、刘娜等护士参与配合本实验的工作。周宁新教授设计指导了本实验，谨以此文深切缅怀。

1 Micali S,Virgili G,Vannozzi E,et al.Feasibility of telementoring between Baltimore(USA) and Rome(Italy): the first five cases.Endo Urol,2000,14:493-496.DOI:10.1089/end.2000.14.493.

2 Cheah WK,Lee B,Lenzi JE,et al.Telesurgical laparoscopic cholecystectomy between two countries.Surg Endosc,2000,14:1085.DOI:10.1007/s004640000099.

3 Marescaux J,Leroy J,Gagner M,et al.Transatlantic robot-assisted telesurgery.Nature,2001,413:379-380.DOI: 10.1038/35096636.

4 Wang W,Li J,Wang S,et al.System design and animal experiment study of a novel minimally invasive surgical robot.Int J Med Robot,2016,12:73-84.DOI:10.1002/rcs.1658.

5 Yi B,Wang G,Li J,et al.The first clinical use of domestically produced Chinese minimally invasive surgical robot system “Micro Hand S”.Surg Endosc,2016,30:2649-2655.DOI:10.1007/s00464-015-4506-1.

6 Stark M,Pomati S,D’Ambrosio A,et al.A new telesurgical platform--preliminary clinical results.Minim Invasive Ther Allied Technol,2015,24:31-36.DOI:10.3109/13645706.2014.1003945.

7 王树新,刘玉亮,李进华,等.腹腔微创手术机器人远程控制平台开发及实验.天津大学学报(自然科学与工程技术版),2015,48:1041-1049.

8 Marescaux J,Rubino F.The ZEUS robotic system: experimental and clinical applications.Surg Clin North Am,2003,83:1305-1315.DOI:10.1016/S0039-6109(03)00169-5.

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21莫鹏.首例机器人辅助远程微创手术动物实验完成.中国医药报,2015-08-05.

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Experiments of telesurgery using domestic surgical Robotic MicroHand S system

LiAimin*,LiJinhua,LiJianmin,ZhangTao,YangRuilin,XingYuan,LiuQuanda,WangShuxin.

*DepartmentofHepatobiliarySurgery,RocketForcesGeneralHospital,Beijing100088,China

Correspondingauthor:LiuQuanda,Email:liuquanda@sina.com；WangShuxin，Email：shuxinw@tju.edu.cn

Objective To verify the safety,stability and validity of the self-developed MicroHand S robotic surgical system in telesurgery.Methods The master-slave MicroHand S system has been deconstructed into a master console and several assisted robotic arms and further set in different venues.The master console has been settled in the robot laboratory of School of Mechanical Engineering of Tianjin University,and the assisted manipulation arms have been placed in the visual surgery lab of General Hospital of PLA Second Artillery (now renamed Rocket Forces General Hospital) in Beijing.Through the internet,several telesurgeries have been successfully performed like cholecystectomy,suture of gastric perforation and hepatic wedge resection by remote control in Tianjin and assistant manipulation in Beijing.The distance between Tianjin and Beijing is 118 km.Results The implementation of animal (porcine) experiments in the remote cholecystectomy,suture of gastric perforation and hepatic wedge resection has been considered as the first success of abdominal telesurgery in China.Operation time for cholecystectomy,suture for gastric perforation and liver wedge resection was 50 min,20 min and 30 min respectively,with estimated blood loss of 5,0 and 15 mL respectively.After dissecting the Calot triangle,the cholecystic duct,cholecystic artery and common bile duct were confirmed.The cholecystic duct was cut and the cholecyst was removed from the liver carefully,avoiding injury of liver,right hepatic bile duct and right hepatic artery.The 2-0 mersilk was used for suture of gastric perforation,with three whole layer interrupted sutures.Liver wedge resection was performed from the edge of liver,2 cm 1 cm hepatic tissue acquired.No injury of peripheral organs occurred during the operation.There were time delays in the operation process and the delays were less than 250 ms averagely.All the telesurgeries have been conducted smoothly with no obvious robotic jitters and other systemic errors.Conclusions The self-developed MicroHand S robotic surgical system is safe,stable and feasible in the abdominal use of remote operations.

Robotics; Telesurgery; Telemedicine; Cholecystectomy; Minimally invasive surgery； Poricine

·论 著·(实验研究)

国家国际科技合作专项项目(2014DFA70710)；国家自然科学基金资助项目(51405339)

100088 北京，火箭军总医院肝胆外科(李爱民、张涛、刘全达)；天津大学机械工程学院(李进华、李建民、杨瑞林、邢元、王树新)

刘全达，Email：liuquanda@sina.com；王树新，Email：shuxinw@tju.edu.cn

R615

A

10.3969/j.issn.1003-5591.2016.06.019

2016-09-20)