扶镜机器人在腔镜手术中的应用进展及发展分析

万广英,邹振亚,董康迪,周晓阳,段红香,张曼曼,茅金宝

(1.山东第一医科大学附属省立医院麻醉手术科一部,山东 济南,250021;2.山东第一医科大学附属省立医院胃肠外科)

微创一直以来是外科手术发展的主要方向及外科医生追求的目标,目前腔镜手术仍是我国主要的手术方式。标准的腔镜手术团队由主刀外科医生、扶镜手、洗手护士、巡回护士组成[1]。扶镜手一般由低年资医生或医学生担任,有时洗手护士也会担任此角色[2]。为了给主刀医生提供最佳手术视角,扶镜手通常处于不利的位置,因此会违背扶镜手的人体工程学,从而导致助手出现颈肩、腰背部疼痛等劳损[3]。此外,由于腔镜手术时间较长,对于扶镜手的体力与耐力也是一种考验,从而导致镜头在手术过程中出现碰撞、不自觉移位等现象[4]。为解决这一问题,扶镜机器人应运而生。虽然达芬奇机器人手术具备更高的稳定性,但因缺乏力学反馈及昂贵的价格,目前尚未实现全面的临床应用[5]。扶镜机器人因较短的学习曲线、节省的费用、优异的效果等优势得到国外学者的广泛应用。本文现对扶镜机器人在腔镜手术中的应用进行总结与分析,并为其发展提供借鉴与指导。

1 扶镜机器人的起源与发展

随着现代信息技术工程的发展,腔镜手术中镜头震颤、视野不稳定等问题逐渐得到解决。相机支架最初分为被动与主动相机支架。被动相机支架是由数个金属杆、关节连接组成,尖端有一个固定内镜的夹子。使用时术者将其安装在手术床导轨上,通过手动移动支架将其固定在合适位置。主动相机支架的关节则是由电机进行驱动,目前存在多种控制方式,如语音、红外线、图像引导等。研究证实,与被动相机支架相比,主动相机支架可改善术中操作任务,并且不会增加手术时间,因此主动相机支架更具备临床优势[6-7]。AESOPTM是美国Computer Motion公司的产品,也是第一个被美国食品药品管理局批准用于辅助手术的扶镜机器人[8],成为众多手术机器人的前身。起初AESOPTM系统是通过手或脚遥控使用[9],1996年第二代AESOPTM系统置入了声卡,升级为语音控制。1998年完成第一例腔镜胆囊切除术。截至2002年,全世界使用AESOPTM已完成175 000例手术。2003年美国Computer Motion公司与生产达芬奇机器人的Intuitive Surgical公司合并,随后达芬奇机器人几乎垄断了全球的市场,扶镜机器人也因此未完全融入到市场与临床中[10]。机器人手术因缺乏力学反馈及高昂的价格限制了其发展、应用,于是近年扶镜机器人又重新引起了关注,并逐渐应用于各类腔镜手术中,如胆囊切除、腹股沟疝修补、前列腺切除等手术,均取得较好的效果。

2 扶镜机器人的控制模式及特点

扶镜机器人产品包括多种,如FreeHandTM、EndoAssistTM、SoloassistTM、VikyTM、AESOPTM、AutoLapTM等[1,11-17]。不同的产品具备不同的控制模式：(1)红外线控制模式。EndoAssistTM与FreeHandTM使用红外线控制方式,EndoAssistTM术中需将机器人推至术者对侧床旁。术者头上佩戴一个红外线发射装置,在屏幕上放置红外线传感器,以接收医生的动作,术者按下脚踏开关则可做出平移、倾斜、变焦等动作。此外,EndoAssistTM有一个力传感器作为安全保护功能,如果术中遇到过大的阻力会立刻暂停设备。FreeHandTM比EndoAssistTM使用更方便,FreeHandTM体积相对较小,可固定在手术床两侧的导轨上,术者佩戴红外线传输耳机进行信号传输。(2)语音控制模式。AESOPTM与VikyTM系统使用此控制模式,Wagner等[15]的研究对比了AESOPTM与EndoAssistTM两种控制模式的机器人,结果发现两种控制模式在腔镜手术中的效果差异并无统计学意义,但AESOPTM在执行速度方面逊色于EndoAssistTM,原因是AESOPTM在运行过程中容易出现语音识别错误。VikyTM不仅解决了语音识别错误的问题,而且体积更小、使用更便捷。(3)操纵杆控制模式。操纵杆控制模式则是术者通过点击小型无菌控制器上的按键,以控制镜头的上下左右与进退,如SoloassistTM。此控制模式的机器人为液压驱动,体型小,可固定在手术床导轨上。(4)图像引导控制模式。此控制模式的扶镜机器人于2018年投入临床使用,图像引导即术者通过点击小型无菌控制器上的按键,设备自动定位所使用器械的尖端,对器械进行跟踪然后定位至术野。此类控制模式扶镜机器人的典型代表是AutoLapTM,但因AutoLapTM的支架构造是平行四边形,从而限制了相机的活动范围。

目前,扶镜机器人有多种,随着技术的更新迭代,其性能与智能化水平也在不断提升。扶镜机器人产品应根据手术类型、个人爱好选择,如结肠手术应避免选择平行四边形支架设计(如AutoLapTM),而是选择手臂活动范围较大的扶镜机器人,以减少术中重新定位的次数[18]。目前扶镜机器人正在逐渐淘汰传统的大型台式机,市场上更多的是可固定在手术台导轨的机器,具备方便安装且节约手术空间的优势。红外线、语音控制、操纵杆及图像引导模式的扶镜机器人在使用性能方面并无太大差异,术者可根据自己喜好及实际情况选择。

3 扶镜机器人在腔镜手术中的应用优势

3.1 良好的安全性 扶镜机器人在临床上使用的前提是必须具备足够的安全性,对此研究者们相继验证了扶镜机器人的安全性。Kim等[19]在一项回顾性研究中分析了扶镜机器人在腔镜结肠癌根治术中的安全性与短期转归(住院时间、出血量、中转开腹率、排气时间、进食时间、并发症发生率),结果显示,与传统人工扶镜相比,两种方式差异并无统计学意义。其他研究者也同样证实了扶镜机器人在腔镜手术中的安全性[1,20]。此外,扶镜机器人在腔镜甲状腺手术等空间狭小、操作精细的手术中也是安全、可行的,术后均无严重并发症发生[21]。

3.2 提高镜头稳定性 传统的腔镜手术中,扶镜手需要快速地遵循术者指示,并且提前预判术者的需求,从而进行操作[22]。扶镜手的人员构成也比较复杂,如医学生、住院医生。因此,在传统腔镜手术中助手的经验差异也会影响镜头的稳定程度[23]。此外,由于部分手术时间过长,对扶镜手的体力、耐力也是一种考验,会影响镜头的稳定性。扶镜机器人将镜头的控制权交给术者,减少了以上因素对腔镜手术画面稳定性的影响,提升了手术效率。研究证实,扶镜机器人可减少术中镜头的错误移动次数、清洗次数,也避免了主刀医师手术意图与扶镜手之间响应的误差,达到了“人机合一”,从而提高了响应速度。Stolzenburg等[13]的随机对照试验中,研究者将50例前列腺癌症患者随机分配至人类助手与扶镜机器人组中,比较两组清洗镜头与镜头移动错误的次数,结果显示,实验组清洗次数[(3.8±2.3)vs.(5±1.3),P=0.005]、移动错误次数[(3.7±1.5)vs.(7.5±4.3),P<0.001]均少于对照组。其他多项研究结果也与其保持一致[24-25],此外,Holländer等[26]在一项1 033例手术的大型研究中报道,术者因为扶镜机器人具备更稳定的图像、更佳的自控能力,更偏爱机器人而非人类助手扶镜。

3.3 改善助手人体工程学 腔镜手术中,扶镜是一项不符合人体工程学的任务,尤其扶镜手位于中心工作轴之外时,会引起背部的扭转及腿、肩部受力不对称的现象[27-28]。扶镜机器人的出现帮助手术助手改善了人体工程学,Wijsman等[3]将30例腹腔镜手术患者纳入研究,随机分为试验组(使用AutoLapTM扶镜机器人)与对照组(使用传统扶镜手),在术中的预定步骤对外科医生与助手的姿势进行拍照,使用快速上肢评估量表评估人体工程学评分,采用主观问卷对不适程度进行评分。结果显示,实验组助手与医生的快速上肢评估量表评分均低于对照组,且助手的快速上肢评估量表评分差异有统计学意义[(2.55±0.54)vs.(3.69±0.57),P=0.001)];此外,试验组助手的精神与身体不适评分均低于对照组。一项研究[26]调查了使用FreeHandTM的30家医院的43名外科医生对此系统的评价,其中人机的工程学一项被评为“良好”。由此可见,使用扶镜机器人可在很大程度上改善助手的人体工程学。

3.4 改善术者体验 Wijsman等[1]采用李克特量表(1～7分,得分越低满意度越高)对使用扶镜机器人的医生进行满意度测试。结果显示,得分为2.62分,术者一致认为此系统使用方便(2.70分)、易于学习(2.30分)、使用简单(2.50分)、舒适(2.10分),可提升手术的整体效率。Gillen等[12]同样采取李克特量表进行评估,在满意度、操作与手术质量方面术者均给出了较高的评价。褚亮等[21]研究了扶镜机器人在腔镜甲状腺手术中的应用,并调查了术者使用的主观感受(包括视野疲劳度、视野精准度、视野稳定性、术中操作感),结果显示扶镜机器人在视野稳定性与精准度方面优于对照组[(4.7±0.5) vs. (4.0±0.5),P<0.05;(4.6±0.5) vs. (3.8±0.6),P<0.05]。在Holländer的调查中[26],主刀医生一致认为扶镜手的角色开始变得“多余”,助手不再受拿相机的限制,可转为协助手术,从而使复杂手术变得高效,减轻了术者的主观手术压力。

3.5 降低成本 达芬奇机器人手术虽然具备较高的精确度并已在全球得到广泛开展,但其价格昂贵,给医疗机构及患者带来一定的经济负担。扶镜机器人在手术中取代扶镜手的位置,可缩减手术团队的规模,在一定程度上节省人力成本[1]。Kraft等[14]发现,每天使用一次扶镜机器人则每年可为扶镜手节省400 h。此外,Stott等[20]的研究证实,使用FreeHand扶镜机器人进行腹腔镜肝脏切除术时,相较使用实习生、护理人员扶镜可节省经济成本。最后,在新冠肺炎的流行时期,扶镜机器人的使用可减少手术团队人数及院内聚集性感染[29]。

4 扶镜机器人在腔镜手术应用中的不足

4.1 手术时间 扶镜机器人是否比传统腔镜手术花费更多的时间仍存在争议[14,30]。通过对已有文献的研究,手术时间长这一现象可归因于术者对机器人不熟练的使用与安装。术者需足够了解且熟悉扶镜机器人的使用技术;有研究显示,扶镜机器人学习曲线较短,术者仅需进行三次操作就可具备使用机器人的能力[31]。扶镜机器人虽不像全机器人一样需要长时间的安装与准备时间,但仍需要在合适位置正确安装在手术台导轨上,尤其为保持手术无菌程度进行无菌套袋覆盖时,需要巡回护士与医生的熟练铺置与配合。研究表明,经验丰富的手术团队,其安装与使用时间会大大缩短[26]。因此,在使用扶镜机器人前应对术者进行统一培训,以确保术者对机器人程序的熟悉及使用的安全性。

4.2 机器人故障 扶镜机器人并未报道存在重大的不良事件,但仍存在一些小故障,如镜头的意外移动、语音识别的失误,这些失误均会导致手术暂停、手术时间延长。虽然在扶镜机器人的配合下,术者可单独完成较为简单的手术(如疝修补术、胆囊切除术)[10],但出现机器失误需重新定位系统时,则需要巡回护士或台下助手予以帮助[1]。因此,应选择最适合手术类型的扶镜机器人,且使用前应将其牢固地固定在手术床两侧或导轨上,避免术中磕碰引起位移。

5 小结与展望

随着腔镜手术的发展,扶镜手及镜头稳定性问题逐渐引起关注。扶镜机器人作为时代的产物,引发了科研人员的兴趣。该设备具备良好的安全性,运行中能保证镜头的稳定,改善扶镜手的人体工程学及术者的体验,并降低成本。但目前扶镜机器人仍处在不断更新阶段,需要进一步的研究证实最佳控制模式,研制出更轻便、活动范围更大的产品。此外,扶镜机器人可进一步结合人工智能技术,进行深度学习,从而精准识别术中组织,最大程度减少术中失误。