腹腔手术：从腔镜时代到机器人时代
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作者：翟承耀
本世纪初，直觉外科公司的达芬奇手术机器人率先上市，引领了外科手术从腹腔镜时代升级到机器人时代。手术机器人的高清放大视野和灵巧精密的微创手术器械，从本质上改变传统腔镜外科手术模式。我们团队分析了腹腔手术机器人的设计核心和不同技术路径，并探讨了国产腹腔手术机器人的广阔市场潜力。腹腔手术从腔镜时代升级为机器人时代。
腹腔镜手术机器人，全称为“内窥镜手术器械控制系统”，由其标配“三件套”控制台、手术机械臂和三维成像系统组成。系统配备高清、放大的视野及灵巧精密的微创手术器械，可在微小创伤切口前提下，精准抵达手术部位，可以从本质上改变传统腔镜外科手术模式。在术野狭小、大血管周围或重要脏器部位进行高风险、精细手术操作时，具有传统技术所不可比拟的优越性。全球腹腔手术机器人市场目前规模超过40亿美元，预计将保持14.2%的增速，2025年预计94亿美元。
腹腔手术进化史
从18世纪开始，医学界出现了开放式手术，从此世界医学出现了质的进步。开放式手术能让术者直观地开展手术，但比较考验术者的技术，并且由于伤口较大，需要较长时间的术后恢复，疤痕较大。
上世纪80年代开始出现了腹腔镜手术。腹腔镜微创手术一般需要3到5个皮肤切口用于插入手术器械、腹腔镜等，故被称为“多孔腹腔镜”。相比开放式手术，多孔腹腔镜手术减轻了病人的术后痛苦、缩短了病人的住院时间、降低了术后并发症的发生几率并改善了患部术后外观，因而得到了广泛的应用。虽然多孔微创腹腔镜手术已经大大减小了如疝气等术后并发症的发生几率，但由于来自多个创口的病变和感染，腹腔脓肿和气腹等术后并发症仍时有发生。
为了进一步改善手术效果，相关临床专家提出了“单孔腹腔镜微创手术”的概念，即仅使用一个皮肤切口（通常是肚脐），所有手术器械均从这一个皮肤切口上的鞘管进入病人腹腔，完成所有手术步骤。单孔腹腔镜最大的优点就是创伤更小，病人恢复更快，术后疼痛更轻，而且术后腹壁没有瘢痕。凭借以上优势，单孔腹腔镜下微创手术已在胆囊切除术、胃底折叠术、阑尾切除术、减肥手术等领域占据一席之地，同时，在前列腺切除术、膀胱切除术、供体肾切除术等泌尿外科手术以及子宫切除术等妇科手术中得以应用，从而受到越来越多外科医师的认同与患者的欢迎。
腹腔镜手术
开放与多孔腹腔镜手术对比
然而无论是多孔腹腔镜微创手术还是单孔腹腔镜微创手术过程中，医生均需要操作长杆状的手术器械，手术流程的精确性、器械的末端灵活性、对病人脏器的触感、对手术患部的视觉感知都受到很大影响，医生往往需要经过长期的训练才能适应这种复杂的操作模式。特别是单孔腹腔镜需要全套特殊的器械和成像系统，通过一个小孔进入多个器械，要避免各个器械之间的干扰和“打架”，学习时间较长，因此很多熟练掌握传统腔镜技术的医生通常很难适应。故单孔腹腔镜手术量很少，不足多孔腹腔镜手术的10%。在这种背景下，世界各地研究者们积极的开展了机器人辅助微创腔镜手术系统的研究。
腹腔手术机器人手术
本世纪初，直觉外科公司的达芬奇手术机器人率先上市，从此手术进入到了机器人时代。腔镜手术机器人由其标配“三件套”控制台、手术机械臂和三维成像系统组成。目前市场被达芬奇系统完全垄断。该系统配备3D、高清、放大的视野及灵巧精密的微创手术器械，可在微小创伤切口前提下，精准可达任意手术部位，可以从本质上改变传统腔镜外科手术模式。在对术野狭小、大血管周围或重要脏器部位进行高风险、精细手术操作时，具有传统技术所不可比拟的优越性。
可以说，达芬奇引领了外科手术从腹腔镜时代升级到机器人时代。2019年，达芬奇手术量超过120万台，也就是说全世界每26秒就有一个医生使用达芬奇开展手术。从应用领域来看，泌尿、妇科、普外占据了绝大多数手术领域，且基本均为达芬奇多孔机器人的适应症。随着单孔机器人的进一步推广，能够在最为狭小的空间（如耳鼻喉）开展更多手术类型，且能够在多孔目前较为普及的泌尿等狭小空间开展创伤更小的手术，未来将取得更大的手术份额。
多孔还是单孔？
腹腔手术机器人产品主要有多孔和单孔腔镜机器人。顾名思义，多孔机器人需要开多个孔，一般为4个，而单孔机器人只在腹腔开一个孔，因此术后恢复效果更好。
设计核心：运动控制
手术机器人器械控制采用主从控制方式，核心是运动控制。“末端执行器位姿跟随主操作器手柄位姿”这一运动方式主要由遥操作控制算法中的瞬时运动学模块保证实现。同时，术者可设置主从运动的行程映射比例，实现主从操作的运动缩减，从而提高手术操作的精细程度。
多孔、单孔机器人主要在从手（手术机械臂）的设计上有所区别，主手（控制台）、成像系统设计无重大区别。
多孔机器人
目前，多孔腔镜手术机器人主要采用“体外机械臂+灵巧腕手术工具”的配置。在这种配置下，杆状手术工具经入腹点进入体内，通过体外机械臂运动使得手术工具绕入腹点运动；在杆状手术工具末端为腕状结构，增加其灵巧度。为保证腔镜机器人运动的过程中不会撕扯到皮肤切口，体外机械臂需要以入腹点为“不动点”进行运动。现有的系统一般采用机械约束或通过协同控制的方法实现这种远心运动。
多孔机器人机械臂设计
多孔机器人的核心之一是灵巧腕设计，主要有串联关节、并联关节以及连续体三种类型，如下图所示。大多数多孔腔镜手术机器人采用串联型灵巧腕关节，并通过钢丝绳驱动，如达芬奇系统的EndoWrist手术工具、Tuebingen科技公司的The Radius手术器械等。在实验系统中，并联型腕关节常用于提高关节的刚度，如韩国国家癌症中心、日本东京大学研制的微创手术机器人等，但并联关节运动范围相对有限；连续体型关节则可以实现更加紧凑的设计，如多伦多儿童医院的同心管连续体腕关节手术工具、日本九州大学的弹性片腕关节手术工具等。
多孔机器人灵巧腕设计
单孔机器人
在单孔腔镜手术中，视觉模块和所有手术工具都须经一个皮肤切口进入体内，器械的布置更加拥挤，因此手术工具要满足相应的工作空间、灵巧度和负载的需求，技术难度更高。由于医生操作的相似度很高，因此单孔对医生没有额外的技术要求，培训时间也基本相等。对于单孔腔镜手术机器人系统来说，核心指标是所需的腔镜直径，直径越小则对病人创伤越小，而系统研制难度就越高。一般来说，单孔机器人仍采取3根手术工具+1根内窥镜的设计，从中央打孔处一起伸入体内。主手、成像车的形态基本与多孔机器人没差别。
单孔机器人各技术路径展示
手术工具按照驱动类型又可以分为钢丝驱动型、电机内置型、连杆驱动型和连续体机构型。由于单孔的技术出现较晚，不如多孔手术成熟，目前达芬奇SP在美国的适应症仅限于泌尿外科和耳鼻喉，妇科和胸外适应症正在临床中。达芬奇SP尚未进入国内。
术锐机器人的产品采用了和达芬奇完全不同的设计，采用了对偶连续体结构。该产品选用超弹性镍钛合金细杆作为结构骨从头至尾贯穿，每结构骨均可承受推力和拉力，每构节内通常布置十余根结构骨。与现有达芬奇SP仅依靠钢丝绳牵拉驱动末端关节的直杆状手术工具不同，术锐手术机器人的手术工具臂体的弯转通过数十根超弹性镍钛合金协同推拉实现，臂体本身可弯转，且负载能力显著提高。独特的设计使得术锐机器人可以同时完成单孔、多孔、混合孔手术。而达芬奇多孔、单孔腔镜手术的机器人系统互不兼容，医院需要分别购买。
新热点
经自然腔道的机器人也是学术热点，腹腔手术机器人预计将形成“多孔-单孔-经自然腔道”的发展路径。鉴于该技术目前尚处于开发阶段，故不展开讨论。
腹腔手术机器人的中国机会
自2000年通过FDA认证上市，达芬奇手术系统持续安装，在全球范围内安装量5,582套。2006年，北京的301医院引进使用了第一台达芬奇机器人。2011年，复星医药获得达芬奇机器人的中国独家代理权。2016年复星和直觉外科合资成立直观复星，复星占股40%。
中国目前仅有达芬奇多孔手术机器人获批上市，主要装机为Si和Xi系列。截至2020年6月，中国装机仅170台，远远小于美国，集中在大型三甲医院和少数研究机构。另一方面，目前国内手术机器人仍处于使用紧张的状态。中国2019年的单机手术量达到440例/台，远超美国242例/台。
随着国产品牌的逐渐问世，腹腔手术机器人将迎来国产替代的机会，国产手术机器人市场颇具潜力。
配置证仍有管制，短期内达芬奇装机不会爆发式增长，但随着市场持续教育，可为国产产品问世后的购买环境打下良好的基础。另外，相关国产替代的鼓励政策也会促进国产设备的推广。
无论是设备主体还是工具耗材，达芬奇的售价都非常昂贵，以致于不少医院做机器人手术无经济效益。国产设备的推广能显著改善这一现象。
对病人来说，使用机器人开展手术可以减少并发症，缩短住院时间，更少失血，疤痕更小。对医生来说，一方面开展机器人手术的学习曲线更短，更易掌握，不易疲劳，减少事故的发生，能开展狭小空间术式，能进行复杂术式；另一方面，医生还能够通过机器人追求学术成就，目前在外科领域的学术热点已经由腹腔镜手术逐渐向多孔机器人倾斜，未来的学术热点预计将会进展至单孔机器人。
腹腔机器人产品实际是手术平台，设备+耗材的模式将会带来源源不断的收入，造就了较高的行业吸引力。目前有大量的涉及到多学科的研发人才投身于该行业，将促进该行业的快速发展。
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