机器人手术设备的前沿应用：泌尿外科的创新与挑战

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Moschovas, M.C., Manzano, J.P., Patel, V. (2023). Robotic Devices in Urology. In: Manzano, J.P., Ferreira, L.M. (eds) Robotic Surgery Devices in Surgical Specialties. Springer, Cham. https:///10.1007/978-3-031-35102-0_5

1 引言

将机器人平台应用于辅助手术操作的理念最初源于军事医学，旨在改善战场上受伤士兵的外科治疗状况。运用这一技术的目标是将手术室条件 “搬” 到战场，将治疗的 “黄金一小时” 提升至 “黄金一分钟”，避免在将受伤士兵转运至当地医院的过程中浪费宝贵时间。在这种情况下，既能在冲突区域内更快地为士兵提供治疗，又能最大限度降低外科医生和医护人员在战争中伤亡的风险。外科医生无需置身险境，也不必在交通上耗费时间，就能为身处不同地理位置的多名受伤士兵进行手术。尽管机器人辅助手术的理念早在 20 世纪 60 年代就已提出，但直到 20 世纪 90 年代，美国国防部才联合多家初创公司切实开展了首个相关项目。经过数年的技术发展，尤其是在三维领域的进步，1997 年在比利时完成了首例机器人辅助手术，所使用的机器人平台名为 “Mona”（达芬奇 ® 系统的前身）。同年，达芬奇 ® 机器人（美国加州桑尼维尔直觉外科公司）获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准，但当时仅用于组织的可视化观察和牵拉。三年后的 2000 年，该机器人获批用于尼森胃底折叠术和胆囊切除术等普通外科手术。

首例机器人手术开展后的二十年间，这项技术通过一代又一代控制台的迭代不断发展，并且已被证实相较于传统开放手术和腹腔镜手术具有优势。机器人手术在泌尿外科领域发挥了重要作用，尤其在前列腺癌的外科治疗中应用广泛。因此，本章将介绍目前在泌尿外科领域使用的各类机器人设备。

2 达芬奇 ® 平台的演变

达芬奇 ® 机器人最初是为冠状动脉手术设计的，2000 年，Binder 及其同事在法兰克福完成了首例机器人辅助根治性前列腺切除术（RARP）后，该机器人在泌尿外科手术中开始受到广泛关注。此后，达芬奇 ® 系列机器人推出了多个型号，每一代都在技术上持续改进，包括人体工程学设计、手术器械、高清镜头、Endo-wrist™技术以及单孔手术技术等方面。目前，达芬奇 ® 是全球机器人手术中最常用的技术平台。

2.1 达芬奇 ® 标准型

这是 FDA 在美国批准机器人手术应用后使用的首款设备。由于技术相对陈旧，达芬奇 ® 标准型存在一些局限性。它没有双极器械，也没有三臂配置，这限制了止血效果以及在不同象限操作的活动范围。

2.2 达芬奇 ®S 型

2006 年，该型号机器人推向市场，相较于达芬奇 ® 标准型有了一些改进。此型号的机械臂更长，提升了活动范围，且配备四臂，使手术中能额外使用一种器械。此外，双极能量的应用增强了手术过程中的止血性能。最后，高清镜头的研发与采用将机器人手术的成像质量提升到了更高水平。

2.3 达芬奇 ®Si 型

三年后的 2009 年，直觉外科公司（美国加州桑尼维尔）推出了新一代达芬奇 ® 机器人 —— 达芬奇 ®Si 型。该型号在多个方面进行了修改和升级，包括指尖离合功能、配备吲哚菁绿荧光的 Firefly™技术以及镜头的改进等。此外，这一代机器人还具备双控制台功能，为培训和教学方法提供了便利。

2.4 达芬奇 ®Xi 型

Xi 系统（图 1）于 2014 年推出，在机械臂设计和套管针放置方面进行了改进。该平台的机械臂更纤细，关节也经过了改良，减少了外部碰撞，并且针对同一手术可采用不同的对接方式（侧方对接或双腿间对接）。此外，所有端口的直径均为 8 毫米，摄像头可安装在四个臂中的任意一个上，这使得在进行涉及不同象限的手术（如肾输尿管切除术或肾部分切除术）时，能够实现动态可视化。对接过程借助激光引导，可指示正确的位置，以优化手术过程中的内部和外部空间利用。最后，该平台可与一体化手术台（德国 Trumpf Medical 公司）配合进行对接，手术过程中无需重新对接就能移动手术台，也无需重新摆放患者体位。

图 1 机器人系统照片。该系统有几个机械臂和一个底座。房间内还配备有监控屏幕及其他一些设备。

达芬奇 ®Xi 型系统 —— 直觉外科公司

2.5 达芬奇 ®X 型

2017 年，该平台获得 FDA 批准，它是 Si 型和 Xi 型技术的混合体，融合了 Si 型的臂配置和台车模型以及 Xi 型的 8 毫米动态镜头。因此，在减少外部碰撞和多象限手术操作的灵活性方面，该设备不如 Xi 型。但 X 型平台具备 Xi 型器械和镜头的优势，且成本更低，这使得那些在资金方面对这项技术投入有限的医疗中心也能开展机器人手术。

2.6 达芬奇 ®SP 型

达芬奇 ®SP 型机器人（图 2、图 3、图 4）最初是基于腹腔镜单孔手术（LESS）设计的，该技术结合了微创手术理念，只需一个切口来放置套管针。然而，腹腔镜下的单孔手术以及早期的机器人单孔手术方法并未得到广泛推广，原因在于其学习曲线陡峭、缺乏标准化技术，且描述其良好效果的设计完善的研究数量较少。在这种情况下，机器人单孔手术方法的改进始于 SP 1098 平台 —— 这是一个纯单孔系统，由一个柔性镜头和两个由 Xi 系统控制的柔性器械组成。已有部分研究团队报告了使用 SP 1098 平台开展手术的可行性和安全性，涉及肾部分切除术、根治性前列腺切除术以及经会阴根治性前列腺切除术等。但直到达芬奇 ®SP 型机器人最终版本推出后，机器人单孔手术才开始在多个转诊中心推广开来。

图 2 一张包含两台机器人系统的照片。两台带有多个机械臂和宽大底座的机器人设备并排放置。左侧设备为 Xi 系统，右侧为 SP 系统。
达芬奇 ® 平台 —— 直觉外科公司 ——Xi 型与 SP 型机器人对比，并排摆放。左：

达芬奇 ®Xi 型系统。右：达芬奇 ®SP 型系统

图 3 机器人系统照片。该系统有一个带锥形末端的水平结构。从结构左侧到右侧，标有器械、柔性镜头、SP 机械臂和 SP 套管针等部件。

达芬奇 ®SP 型系统 —— 直觉外科公司 —— 连接到套管针的单臂

图 4 术中操作照片。照片中有一个机器人系统，其机械臂上的细长针状医疗设备正置于手术部位。

达芬奇 ®SP 型系统 —— 直觉外科公司 —— 对接后的单臂机器人

达芬奇 ®SP 型于 2018 年获得 FDA 批准，它包含一个单套管针，内置三个双关节器械和一个柔性镜头。自该机器人的首份临床报告发布以来，已有多位研究者描述了其在不同泌尿外科手术中的应用效果。近期，SP 型在踏板数量和镜头清晰度方面进行了更新。

3 机器人项目的构建

无论使用何种型号的机器人平台，构建一个机器人项目都至关重要，该项目需整合所有手术团队和护理人员，以改善治疗效果并优化机器人的使用。此外，还必须根据各医疗中心的需求和开展的手术类型，研究每种机器人的局限性。就目前而言，达芬奇 ®SP 型仍存在一些局限性：它仅在美国和韩国可用，且 FDA 仅批准少数几个专科将其用于人体手术，而之前的几代产品在全球范围内均可使用，且适用于所有外科专科。

4 目前用于泌尿外科手术的系统

机器人手术已广泛应用于成人和儿科患者的泌尿系统良恶性疾病治疗。多端口达芬奇 ® 系统仍是泌尿外科手术中使用最多的机器人系统。各医疗中心所使用的平台型号因机构的财务状况和手术量而异。尽管前文提到了多端口各代系统之间的差异，但最新平台（达芬奇 ®Xi 型）与之前的型号（达芬奇 ®Si 型）在手术性能和治疗效果方面相近。

已有多个研究团队对比了 SP 型和 Xi 型机器人在根治性前列腺切除术患者中的应用效果。部分研究者认为 SP 型在减少出血量、减轻术后疼痛、减少阿片类药物使用以及促进患者早期出院方面具有优势。根据我们的经验，在对比两组术前特征相似的患者后，我们并未发现 SP 型具有这些优势，反而 SP 型组的手术时间更长。但需要重点强调的是，目前所有相关文章均基于回顾性分析，存在潜在的偏倚风险。此外，由于大多数医疗中心使用 SP 型的时间较短，尚无文章报道该机器人在患者长期功能和肿瘤学结局方面的影响。因此，仍需通过前瞻性随机对照试验来评估 SP 型平台相较于其多端口前代产品的实际优势。

其他平台如 Revo-I®、Versius®、Senhance®、Hugo® 和 Toumai® 近年来也已推向市场，且已有相关文章在同行评审期刊上发表，描述了它们的应用效果。但在将这些新平台与达芬奇 ® 技术进行对比之前，Revo-I®、Versius®、Senhance®、Hugo® 和 Toumai® 必须先经过技术和科学验证。此外，还有其他非腹腔镜系统可用于泌尿系统疾病的治疗，例如用于前列腺癌局部治疗的 Focal One®HIFU 设备，以及用于肾结石内镜治疗的 Avicenna Roboflex® 系统。

4.1 Versius 机器人

Versius 手术系统（图 5）由英国剑桥医疗机器人有限公司研发，其首个项目始于 2014 年，并于 2019 年 3 月获得欧盟 CE 认证。该系统包含类人机械臂，其肩部、肘部和腕部均独立安装在便携式台车上。外科医生可通过手柄获得触觉反馈。它采用直径为 5 毫米的全关节器械，具有七个自由度。外科医生的控制台采用开放式设计，便于与医护人员沟通，且需要佩戴偏振眼镜以获得高清 3D 视觉效果。

图 5 手术室操作示意图。图中有一张手术台，台上有患者，还有一个监控设备，患者两侧有几个机器人系统。右侧有一个带轮子的设备，上面有屏幕，屏幕前有一把椅子。
Versius 手术系统 —— 英国剑桥医疗机器人有限公司

该系统已用于临床前试验，外科医生在猪模型和尸体上成功完成了肾脏、前列腺手术及淋巴结切除术。近期已有多篇关于该系统在胃肠道、妇科和泌尿外科手术中应用的临床研究发表。

Versius 系统已在欧洲、印度、澳大利亚和中东的医疗中心确立了其手术工具的地位。2021 年底，它获得了巴西国家卫生监督局的监管批准，为其在快速增长的巴西市场销售开辟了道路。巴西将成为第 11 个使用 Versius 系统进行成人手术的国家。

4.2 Hugo 机器人

美敦力公司的 Hugo® 手术机器人（图 6、图 7）已获得欧盟批准（CE 认证），可用于泌尿外科和妇科手术，这为该系统在欧洲多个国家的首次应用铺平了道路。

图 6 机器人系统照片。该系统有一个屏幕，与其他一些器械相连，屏幕前有一把椅子。系统前方有一个大屏幕。
Hugo® 机器人辅助手术系统 —— 美敦力公司 —— 外科医生控制台

图 7 手术室照片。手术台上有一名仰卧的患者，腹部可见，患者两侧的机器人系统机械臂正在进行手术操作。
Hugo® 机器人辅助手术系统 —— 美敦力公司 —— 安装在带轮台车上的模块化手术臂

2021 年 6 月，Hugo® 在智利圣地亚哥完成了首例人体手术 —— 微创前列腺切除术。此后，其应用范围扩展到拉丁美洲，在巴拿马城开展了妇科手术。美敦力公司还宣布，通过在印度金奈进行的一例前列腺切除术，Hugo®RAS 系统在亚太地区完成了首次手术。

该机器人平台由安装在带轮台车上的模块化手术臂组成。公司的所有系统都与一个全球患者登记处相连，该登记处可追踪手术结果，并将数据反馈到平台中。

4.3 Revo-I 机器人

Revo-I 是由韩国龙仁市的 Meere 公司开发的手术平台。Meere 公司成立于 1984 年，是一家高科技设备制造商，于 2007 年开始研发机器人手术平台。2015 年，Revo-I 的 5.0 版本在临床前测试和试验中获得批准。2017 年 8 月，该系统获得韩国食品药品安全部批准用于人体手术。

这是一个主从式系统，与达芬奇 Si 型系统非常相似。它包括一个带有四个关节臂的患者台车、一个带有双目 3D 高清封闭视觉系统的外科医生控制台以及一个控制台车。3D 高清内窥镜的直径为 10 毫米。直径为 7.4 毫米的器械完全可手持，具有七个自由度，且最多可重复使用 20 次。

2018 年，首篇关于使用 Revo-I 进行人体研究的文章发表，报道了机器人辅助保留 Retzius 间隙的根治性前列腺切除术。

4.4 Senhance 机器人

Senhance® 手术系统最初由意大利 Sofar 公司（米兰，意大利）研发，名为 TELELAP ALF-X 高级机器人系统，并于 2016 年获得 CE 认证，可用于腹部手术。随后，该系统于 2017 年 10 月被 TransEnterix 外科公司（美国北卡罗来纳州莫里斯维尔）收购。Senhance® 成为自 2000 年达芬奇系统获得授权以来首个获得 FDA 批准的机器人系统。

Senhance® 手术系统是一种多端口机器人系统，它运用了多项创新技术，例如通过红外眼动追踪系统由外科医生的眼球运动控制摄像头操作，以及器械的触觉反馈功能，这有助于腹腔镜外科医生更顺利地过渡到机器人手术操作。

该多端口系统最多包含四个独立的机械臂，分别安装在不同的台车上。外科医生以符合人体工程学的姿势坐在开放式控制台上，通过 3D 高清显示器进行操作，操作时需佩戴偏振眼镜。

近期已有关于在欧洲使用 Senhance® 进行根治性前列腺切除术及其他泌尿外科手术的相关描述。

4.5 Toumai 机器人

微创 ® 医疗集团（中国上海）传统上生产药物洗脱支架，产品销往 36 个国家，该公司于 2014 年开始研发医疗机器人。此后，它一直致力于内窥镜手术机器人的研发。

2019 年 11 月，Toumai™内窥镜手术机器人在上海东方医院成功完成了首例手术 —— 机器人辅助腹腔镜根治性前列腺切除术（RALRP）。

2021 年 2 月，有关使用 Toumai® 机器人内窥镜手术系统开展临床试验的消息得以公布。2021 年 1 月，微创公司报告称，在上海交通大学附属仁济医院成功完成了一例复杂的肾部分切除术，以治疗完全内生型肾肿瘤。该手术由泌尿科主任薛蔚医生带领的团队完成。此后，Toumai® 内窥镜机器人已被用于多项泌尿外科手术，如根治性前列腺切除术和肾部分切除术，这表明其具有临床可行性。但目前尚无科学出版物对这些结果进行验证。

4.6 前列腺癌的局部治疗

Focal One®HIFU 设备是首款专为前列腺癌局部治疗设计的医疗设备。它结合了高强度聚焦超声技术的最新进展、机械臂以及图像融合软件，以满足前列腺癌局部治疗的所有特定需求（图 8）。

图 8 手术室照片。照片中有 Focal One 系统，该系统配有两个监控屏幕和其他一些相连的器械。几名医疗专业人员站在设备左侧。
Focal One®——EDAP TMS 公司

4.7 逆行肾内手术的机器人设备

机器人系统并不局限于腹腔镜手术。2008 年，首次有报道称使用为介入心脏病学设计的 Sensei-Magellan 系统开展机器人辅助输尿管软镜手术（FURS）。但由于该设备只能被动操控输尿管镜，在完成 18 例临床病例后，该项目终止。Avicenna Roboflex™（土耳其安卡拉 Elmed 公司）是专门为输尿管软镜手术研发的设备。

外科医生坐在开放式控制台上，操控配备高清视频技术的标准柔性输尿管镜。镜体的手持部分与一个机器人操纵器相连，该操纵器可实现旋转、插入和镜头偏转功能。触摸屏功能和脚踏板可用于控制冲洗、激光纤维的启动以及荧光透视。Avicenna Roboflex 于 2014 年获得 CE 认证，目前正在准备申请 FDA 批准。关于该设备的多中心应用经验报告显示其前景良好。

5 机器人手术引发的技术改进

除了各代平台的升级之外，机器人手术还推动了多项新技术的发展，这些技术有助于术前手术规划，同时优化术中操作。

5.1 三维（3D）成像重建

三维成像重建能够更准确地呈现和了解肿瘤、周围血管及其他器官之间的解剖平面。在术前常规检查中，可利用计算机断层扫描（CT）或磁共振成像（MRI）图像创建三维解剖结构重建模型，该模型可在智能手机、平板电脑或机器人控制台上（Tilepro-Isis 模式）查看。

5.2 机器人镜头成像与设计

机器人镜头已取得多项改进，包括高清 3D 成像和近红外技术（Firefly）。静脉注射吲哚菁绿染料后，镜头可检测到组织的灌注情况（显示为绿色），外科医生借此可确定正确的手术操作平面。这项技术在肾部分切除术中应用效果极佳，有助于在肾动脉夹闭后识别肿瘤的灌注情况。它还被用于根治性膀胱切除术中，以识别用于尿流改道的肠段的灌注情况。

另一项改进是新款达芬奇 ®SP 型配备的柔性镜头，当 “眼镜蛇” 模式激活时，该镜头可实现不同角度的弯曲，从而能够观察不同的象限。

5.3 术中超声

术中超声（US）技术也已整合到机器人手术中，以改进机器人辅助肾部分切除术。借助这项技术，外科医生可在切除肿瘤前确定并勾勒出肿瘤与肾实质之间的平面。在进行根治性肾切除术时，对于患有晚期肾肿瘤且伴有下腔静脉血栓的患者，超声还可用于勾勒静脉血栓的范围。

5.4 增强现实

在泌尿外科机器人手术中，还出现了利用 3D 图像的增强现实技术。即使在术中超声的辅助下，部分肾肿瘤也难以识别，尤其是实质内的小肿瘤，它们通常不会明显地凸出于肾皮质表面。研究者表示，在这些情况下，这项技术有助于更轻松地识别复杂的实质内肾肿瘤，有望提高肿瘤切除的质量。

5.5 人工智能（AI）

近年来，人工智能已被整合到机器人手术中。这项技术被用于帮助外科医生识别正确的解剖分离平面，并在缝合等不同手术步骤中提高手术精度。Shademan 及其同事描述了在开放手术环境中使用人工智能进行有监督的自主软组织机器人缝合的相关研究。缝合算法是基于专家进行肠吻合术的手术视频创建的。

在将专家（外科医生）吻合术与有监督的自主吻合术在离体模型和猪模型中进行对比时，作者发现人工智能缝合在多项指标上表现更优，如缝合间距、为防止吻合口漏施加的压力、针头重新定位、某些缝合操作（如肠吻合）中的管腔缩小程度以及完成时间等。

6 当前与未来展望

在过去二十年中，机器人手术迅速普及，并随着多代机器人平台的推出不断发展。在美国，数百万患者在这项技术的辅助下接受了手术，如今机器人手术已成为部分泌尿系统疾病（如局限性前列腺癌的根治性前列腺切除术、肾肿瘤的肾部分切除术）的标准治疗方式。

机器人培训方法也得到了改进，尤其是在双控制台（教学控制台）出现后，它将专家和学员整合在一起，在共享机器人操作指令的同时，为双方提供相同的手术视野。此外，模拟器的质量也随着新软件和程序的出现而不断提升，可实现分步手术培训。

在巴西，机器人手术发展初期，只有少数几个医疗中心提供机器人培训，且需遵循繁琐的指导方针才能获得新一代机器人外科医生的认证。当时，认证需求超出了认证公司的服务能力，导致多名外科医生的资格认证出现延误。但在过去几年中，随着这项技术在更多医疗中心的普及，这种情况已有所改变。目前，对于泌尿外科的认证，每家医院都根据巴西泌尿外科协会（SBU）制定的既定方案和指导方针，自行开展培训和认证工作。我们认为，在确保质量的前提下简化认证流程，有助于推动机器人培训的开展和完善。

最后，多项新平台和新技术已被研发出来并整合到机器人手术中。我们相信，随着更多新公司进入市场，平台和器械的成本将会降低，从而进一步改善手术效果。此外，成本的降低将使那些存在资金限制的医疗中心（如设有住院医师培训项目的公立医院）也能够开展机器人手术。

7 结论

近年来，多项机器人技术已被研发出来并应用于手术操作中，为患者带来了更多益处。培训和认证方法也得到了现代化改进，且达芬奇 ® 技术在全球市场上仍处于领先地位。目前，多端口技术仍是所有采用机器人技术的外科专科的标准治疗方式。我们相信，与新平台的竞争将进一步降低手术成本，让更多对微创手术感兴趣的新一代外科医生能够接触到这项技术。

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