手術機器人系統在顱頜面外科中的應用及發(fā)展

作者：朱建華 郭傳瑸（通信作者）

作者單位：北京大學口腔醫(yī)學院•口腔醫(yī)院口腔頜面外科，北京100081

[摘要] 近年來機器人輔助外科手術以其微創(chuàng)、精準、安全的特點受到了越來越多的關注。顱頜面外科傳統手術嚴重影響美觀。機器人輔助手術延伸了醫(yī)生的視覺范圍和可操作空間，提高了手術效果及患者術后生活質量。本文對手術機器人系統的發(fā)展以及近年來在顱頜面外科的應用進行綜述。

[關鍵詞] 機器人；顱頜面外科；微創(chuàng)手術

近年來伴隨科學技術的發(fā)展、先進制造業(yè)的進步以及導航和三維成像技術的普及，機器人輔助外科手術以其微創(chuàng)、精準、安全的特點受到了越來越多的關注。不同于工業(yè)及航空用機器人，醫(yī)療手術機器人將醫(yī)學及工程學充分結合并發(fā)揮各自優(yōu)勢，實現人機協作的最大化，與傳統醫(yī)學相比，在手術術前設計、路徑規(guī)劃、微創(chuàng)、可視化、虛擬及遠程手術方面有著得天獨厚的優(yōu)勢及應用[1]。顱頜面外科手術涉及人體面部特征，個性化要求高，顱頜面區(qū)域解剖結構復雜，手術操作視野狹窄，傳統手術切口較大，嚴重影響美觀[2]。機器人輔助手術延伸了醫(yī)生的視覺范圍和可操作空間，實現精準治療，減少創(chuàng)傷，開拓了顱頜面外科微創(chuàng)手術新的發(fā)展方向[1,3]。本文對國內外手術機器人系統的發(fā)展以及近年來在顱頜面外科的應用進行綜述，并對現狀及前景進行探討和展望。

1 手術機器人的發(fā)展歷史及應用背景

醫(yī)療機器人種類繁多，主要包括：手術機器人、服務護理機器人、康復機器人、醫(yī)療培訓用模擬機器人、診療機器人、術中導航機器人、輔助機器人[4]。Davies[5]將手術機器人定義為“一種具有人工傳感的機械手，在計算機控制下能夠重新設定程序進行移動和定位工具，從而實現一系列的手術操作”。1985年，Kwoh等[6]使用UNIMATION PUMA 200機器人對可疑的腦部病變進行活檢手術，開創(chuàng)了外科手術機器人的先河。PUMA 200 是一款可編程、計算機控制的通用型工業(yè)機器人，具有6個轉動關節(jié)，相對精度可達0.05 mm, 通過逆運動學解算，實現靶點的精確定位。Davies[5]使用Probot機器人在之前的可行性研究基礎之上成功實施了前列腺切除術，這是歷史上第一次使用機器人自動從人體移除組織。Probot機器人前身為Puma 560工業(yè)機器人，Davies等[7]對此進行了實驗室研究，認為相比較具有大運動空間的工業(yè)機器人，擁有特定運動和力量的專科機器人更為安全，并促進了二代產品Probot機器人的誕生[5]。無獨有偶，同年，Taylor等[8]使用Robodoc機器人完成了第一臺矯形手術。Robodoc系統是第一個可預規(guī)劃切割軌跡的機器人系統，包括交互式的術前設計系統及術中操作機器人系統，通過對股骨的精確切割，實現人工全髖關節(jié)置換術，并成功實現商品化[4,9]。

不同于之前的全自動機器人，Davies等[10]于1997年提出了具有“自主約束力的機器人”理念，即Acobot機器人。Acobot系統允許外科醫(yī)生通過手持力量操縱桿在預先編程的范圍內進行精確膝關節(jié)置換手術，將醫(yī)生的經驗和機器人約束力相結合，成為全自動手術機器人向主從手術機器人發(fā)展的過渡[5,10]。伴隨內鏡技術的發(fā)展，手術機器人迎來新的發(fā)展機遇。1994年，AESOP機器人成為第一臺獲得美國食品與藥物管理局（Foodand Drug Administration，FDA）認證可應用于臨床的機器人，開創(chuàng)了手術機器人新紀元[11-12]。AESOP系統采取聲音控制內窺鏡定位，只用于成像，不執(zhí)行侵入性操作[11-12]。在此基礎之上研發(fā)的ZEUS機器人以及Da Vinci機器人是主從機器人的典型代表，通過內窺鏡系統完成數據采集、主控制臺操縱各種手術器械完成手術，是目前臨床應用最為成熟的機器人[5,12]。2001年由Marescaux等[13]在位于美國紐約的主控制臺前通過高速光纖電纜遠程遙控位于法國斯特拉斯堡的ZEUS機器人，成功為一位68歲的女性患者施行了腹腔鏡膽囊切除術，開啟了遠程機器人手術的篇章。

機器人手術目前已經成功應用于神經外科、整形外科、泌尿外科、介入科、心胸外科、腹腔外科等[4]。1994年Kavanagh[14]利用圖像引導的Robodoc機器人系統在顳骨上第一次進行了口腔頜面外科領域的臨床前試驗。第一臺用于顱頜面外科的交互式手術機器人——OTTO系統誕生于1998年[15]，Lueth和Hein等將其安裝在手術天花板上用于鉆孔或切割。2012年，國內第一套顱頜面外科輔助手術機器人實現了術前手術設計與規(guī)劃、術中實時導航、機器人輔助定位把持功能，并進行了醫(yī)學實驗[1]。

2 手術機器人在顱頜面外科的應用

顱頜面手術區(qū)域位于頜面頸部，解剖結構復雜，血管神經集中，手術風險高，實施困難大。為了保證視野，手術切口通常較大，影響美觀，甚至造成嚴重的心里負擔。機器人輔助手術經微創(chuàng)切口進入體內，提供了新的手術途徑，現將其在顱頜面外科的應用進行總結。

2.1 整復手術

2.1.1 皮瓣修復術 Genden等[16]使用Da Vinci機器人利用局部轉移瓣完成了9例腫瘤術后修復重建病例，包括黏膜推進瓣、梨形黏膜瓣及咽后壁瓣。Genden認為相對于開放式手術，機器人手術可使患者避免氣管切開，同時恢復期短，可以更早地接受輔助治療；相對于激光手術，機器人手術可行組織切除及修復重建，減少肉芽組織的形成，避免了腭咽部的狹窄。

Selber[17]在2010年對Da Vinci手術機器人在口咽缺損修復重建的應用進行了系列研究，包括1例游離前臂皮瓣、2例游離股前外側皮瓣及1例面動脈肌黏膜瓣。除面動脈肌黏膜瓣術后因意外摘除外，其余均恢復良好。Selber認為Da Vinci機器人手術除了避免下頜骨劈開或下唇切開外，其在限定空間內的良好的視野和精度以及對于手部震顫的濾除使其更適用于微血管吻合，但是內鏡光線不足、器械粗糙以及觸覺反饋的缺失是其不利因素。

2.1.2 正頜手術手術機器人在正頜手術中的應用報道極少。Theodossy等[18]和Omar等[19]使用機器人臂（FARO臂）在模型外科上模擬了正頜手術。該研究表明機器人輔助模型外科手術在前后及垂直平面上更精準。陳黎明等[20]將日本安川MOTOMAN SV3X型機器人與光學導航相結合，在人體顱骨上模擬顱面骨畸形整復手術，可實現機器人末端執(zhí)行器定位誤差小于2 mm，方位角度誤差小于5°，導航及機器人的配準誤差是其主要存在的問題。

2.1.3 腭裂手術機器人輔助腭裂修復術近年來也受到了部分學者的關注，取得了一定的進展。最近，Khan等[21]利用Da Vinci機器人在兒童氣道模型上進行了腭裂手術臨床前試驗，證實了經口腔的機器人腭裂修復術技術上的可行性。

Nadjmi[22]在尸體上模擬Da Vinci機器人輔助腭裂修復手術，實現了腭部肌肉的解剖分離及應用評估。隨后該團隊在10例唇腭裂患者上進行了臨床應用，包括5例單純腭裂、2例單側完全腭裂伴唇裂、2例雙側完全腭裂伴唇裂、1例腭隱裂，平均年齡9.5個月（9~12個月），術中、術后均未見并發(fā)癥，較常規(guī)手術平均住院日縮短1.4d，但手術時間平均增加35 min。Nadjmi認為機器人手術可以減少肌肉的血管、神經以及黏膜表面的損傷，提高腭及咽鼓管的功能，高分辨率的3D成像技術也可彌補觸覺反饋缺失的不利因素，并且相比較傳統手術術者的不自然姿式，機器人手術更符合人體工程學。

2.2 腫瘤手術

2.2.1 經口入路手術經歷早期的探索，經口Da Vinci機器人手術近年來取得了長足的發(fā)展，并且于2009年通過了美國FDA的批準可選擇性的用于頭頸部良、惡性腫瘤手術[23]。2011年，Walvekar等[24]第一次報道了Da Vinci機器人手術在前口底用于雙側舌下腺囊腫摘除的病例，術后頜下腺導管及舌神經未見損傷。他們認為機器人手術能夠提供高清的三維放大圖像，操作靈活、精準，手術效果更加可期，并便于教學，但是術后的長期復發(fā)率有待進一步研究。同年，Kayhan等[25]第一次報道了舌根部腺樣囊性癌的經口機器人手術。術后生活質量高，半年未見復發(fā)或轉移，證實了舌根部腫瘤行經口機器人手術的安全和有效性。

經口Da Vinci機器人手術在咽旁間隙腫瘤的患者當中應用也引起了更多學者的關注，多見于多形性腺瘤[26-27]、脂肪瘤[26,28]、神經鞘瘤[29-30]。Chan等[31]通過對44例行經口Da Vinci機器人手術的咽旁腫物患者回顧發(fā)現，無意中多形性腺瘤包膜破裂的患者高達24%，遠高于開放式手術入路。Chan認為尖銳的器械、缺少觸覺反饋、操作空間狹窄、缺乏雙手操作、不能安全夾持包膜等均可導致如此高的發(fā)生率，必要的時候仍需要結合手指的鈍性分離。經口機器人手術也被選擇性用于咽旁腫瘤的治療[30,32]。由于缺乏咬骨鉗和動力裝置，對于顱底腫瘤的患者機器人手術存在一定的限制，尤其是需要擴大切除的侵襲性或惡性腫瘤[33]。雖然經口機器人手術較傳統手術有著獨特的優(yōu)勢，但是也存在明顯的手術禁忌[3,23,26]：1）腫瘤顯露不充分，其主要取決于解剖因素（下頜后縮、張口受限、頸項僵直）及腫瘤位置、分期等；2）累及頸內動脈。

2.2.2 經耳后入路手術頸部腫物的機器人手術可采用隱蔽的耳后入路：在發(fā)際線下0.5 cm，切口起自耳后溝向上彎曲延伸至外耳道平面，以胸鎖乳突肌和耳大神經作為標記進行翻瓣，制備操作空間[34]。2013年，Park等[34]報道了9例頸部良性腫物經耳后入路的Da Vinci機器人手術，其中頜下腺切除6例（多形性腺瘤3例、慢性頜下腺炎3例）、第二鰓裂囊腫2例、淋巴結病變1例。平均翻瓣時間30.1 min，手術時間62.4 min，平均出血量6.6 mL，未見面神經下頜緣支、舌下神經及副神經損傷，術后美學效果滿意。Park認為耳后入路的缺點主要在于切口距離病變位置較遠，需要花費更多的時間進行制備皮瓣，同時長而薄的皮瓣可能發(fā)生缺血壞死。

機器人手術在頸淋巴清掃中的應用也是方興未艾。2012年Lee與Kim等[35]在10例早期cN0的口腔鱗癌患者中行Da Vinci機器人輔助的肩胛舌骨上頸淋巴清掃術，未見明顯術中并發(fā)癥。在該研究中，同傳統手術相比，機器人手術的平均時間是其2倍，但是在引流置管時間、平均住院日、分檢淋巴結數目方面無明顯差別，術后美學效果的滿意度明顯高于前者。后來該團隊[36]又對經耳后入路的機器人輔助的治療性頸淋巴清掃術進行了對照研究（機器人手術20例，傳統手術33例），結果顯示較傳統的頸部橫切口，耳后切口明顯減少術后的淋巴性水腫。在隨訪時間內（機器人手術組平均為8個月，傳統手術組平均為9.3個月），機器人手術組未見復發(fā)，傳統手術組2例復發(fā)。Kim認為機器人手術術中操作細致，不會過緊的夾持標本，從而可減少腫瘤種植的發(fā)生。

2.2.3 穿刺手術穿刺手術機器人多見于神經外科、泌尿外科、心胸外科、腹腔外科等用于活檢、射頻消融、近距離放療等。目前針對顱頜面外科的穿刺手術機器人系統未見報道。筆者所在的單位目前正致力于顱底以及面?zhèn)壬顓^(qū)疾病穿刺手術機器人的研發(fā)，現已處于醫(yī)學實驗階段。Bale等[37]將無框架的立體定位裝置安裝于6個自由度的機械臂上，在導航的引導下用于三叉神經痛的射頻熱凝手術。在模型、尸體及臨床試驗中，平均定位精度可達（1.31±0.67）mm，并且在所有的尸體及患者穿刺試驗中，均一次成功。

2.3 種植手術

作為輔助機器人的一種[4]，機器人輔助牙科種植手術也具有獨特優(yōu)勢。2001年，Boesecke等[38]模擬了48例機器人輔助種植體植入術，可對術前設計的種植體位置、方向、深度精確定位，協助醫(yī)生進行種植窩的制備。Sun等[39]提出了在醫(yī)生監(jiān)督下，通過機器人輔助種植手術系統自動執(zhí)行術前設計的構想，避免了中間種植導板及醫(yī)生操作所帶來的誤差。他們認為注冊是影響圖像引導機器人輔助種植手術的最重要因素之一，可以決定整個系統的最終精度。Sun等[39]使用6個自由度的Mitsubishi機器人進行模型試驗，結果顯示注冊精度可達（1.42±0.7）mm，表明了機器人輔助種植手術的可行性。

3 現狀和展望

顱頜面外科所涉及的區(qū)域空間狹窄、結構復雜、美觀要求高。與傳統手術相比，機器人輔助顱頜面外科手術具有獨特的優(yōu)勢[4,16-17,22,34,36]。1）手術微創(chuàng)化：①經口或耳后隱蔽切口手術，避免了下唇切開或下頜骨劈開及頸部橫切口，避免嚴重術后瘢痕，明顯提高美學效果；②機器人手術減少氣管切開的可能，術后愈合快，更早地接受輔助治療；③手術機器人可提供放大的高清圖像，避免傳統開放式手術對于精細結構如神經、血管、淋巴管等組織的損傷，減少術后并發(fā)癥；④術中出血量少，術后恢復快，縮短平均住院日；⑤術后功能恢復好，生活質量高。2）提高手術質量：在狹窄的空間內手術機器人具有高分辨率的三維視野，操作更靈活，定位精確，同時可以濾除手部的震顫，保證手術的安全性和高效性。3）符合人體工程學，降低勞動強度。

目前應用到臨床的手術機器人，體積龐大、花費高昂，并且大多沒有考慮力覺反饋的問題，成為了約束機器人手術發(fā)展的一個瓶頸。手術機器人在顱頜面外科中的應用尚存在如下的問題[22-23,31,33-35]。1）顱頜面手術常同時涉及軟組織和骨組織，目前并沒有專門的手術機器人和器械可適用于顱頜面外科所有手術，尤其是涉及到顱底區(qū)的惡性腫瘤；2）機器人手術微創(chuàng)化的需要，切口距離病變位置較遠，制備較長的皮瓣可導致手術時間的延長及皮瓣的缺血壞死；3）機器人手術在顱頜面外科尤其是腫瘤外科、整復外科中，由于相關手術器械的缺乏、微創(chuàng)切口導致操作空間的狹窄及其最重要缺陷　　觸覺反饋的缺失可能會造成腫瘤破裂種植、頸內動脈損傷、組織撕裂及灼傷的風險，尤其在缺乏相關經驗的情況下。機器人手術的臨床應用目前仍屬于起步階段，還有很長的路要走，伴隨科技的進步及研究的深入，適用于顱頜面外科的?？茩C器人及相關的器械、基于力覺反饋的模擬和遠程手術將是未來的研究和發(fā)展方向，顱頜面外科手術也將更加微創(chuàng)、精準。

來源：《華西口腔醫(yī)學雜志》2016年10月第34卷第5期