手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)在顱頜面外科中的應(yīng)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(xué)口腔醫(yī)學(xué)院•口腔醫(yī)院口腔頜面外科，北京100081
[摘要] 近年來機(jī)器人輔助外科手術(shù)以其微創(chuàng)、精準(zhǔn)、安全的特點(diǎn)受到了越來越多的關(guān)注。顱頜面外科傳統(tǒng)手術(shù)嚴(yán)重影響美觀。機(jī)器人輔助手術(shù)延伸了醫(yī)生的視覺范圍和可操作空間，提高了手術(shù)效果及患者術(shù)后生活質(zhì)量。本文對(duì)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展以及近年來在顱頜面外科的應(yīng)用進(jìn)行綜述。
[關(guān)鍵詞] 機(jī)器人；顱頜面外科；微創(chuàng)手術(shù)
近年來伴隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、先進(jìn)制造業(yè)的進(jìn)步以及導(dǎo)航和三維成像技術(shù)的普及，機(jī)器人輔助外科手術(shù)以其微創(chuàng)、精準(zhǔn)、安全的特點(diǎn)受到了越來越多的關(guān)注。不同于工業(yè)及航空用機(jī)器人，醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人將醫(yī)學(xué)及工程學(xué)充分結(jié)合并發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作的最大化，與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)相比，在手術(shù)術(shù)前設(shè)計(jì)、路徑規(guī)劃、微創(chuàng)、可視化、虛擬及遠(yuǎn)程手術(shù)方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用[1]。顱頜面外科手術(shù)涉及人體面部特征，個(gè)性化要求高，顱頜面區(qū)域解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，手術(shù)操作視野狹窄，傳統(tǒng)手術(shù)切口較大，嚴(yán)重影響美觀[2]。機(jī)器人輔助手術(shù)延伸了醫(yī)生的視覺范圍和可操作空間，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治療，減少創(chuàng)傷，開拓了顱頜面外科微創(chuàng)手術(shù)新的發(fā)展方向[1,3]。本文對(duì)國內(nèi)外手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展以及近年來在顱頜面外科的應(yīng)用進(jìn)行綜述，并對(duì)現(xiàn)狀及前景進(jìn)行探討和展望。
1 手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展歷史及應(yīng)用背景
醫(yī)療機(jī)器人種類繁多，主要包括：手術(shù)機(jī)器人、服務(wù)護(hù)理機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人、醫(yī)療培訓(xùn)用模擬機(jī)器人、診療機(jī)器人、術(shù)中導(dǎo)航機(jī)器人、輔助機(jī)器人[4]。Davies[5]將手術(shù)機(jī)器人定義為“一種具有人工傳感的機(jī)械手，在計(jì)算機(jī)控制下能夠重新設(shè)定程序進(jìn)行移動(dòng)和定位工具，從而實(shí)現(xiàn)一系列的手術(shù)操作”。1985年，Kwoh等[6]使用UNIMATION PUMA 200機(jī)器人對(duì)可疑的腦部病變進(jìn)行活檢手術(shù)，開創(chuàng)了外科手術(shù)機(jī)器人的先河。PUMA 200 是一款可編程、計(jì)算機(jī)控制的通用型工業(yè)機(jī)器人，具有6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，相對(duì)精度可達(dá)0.05 mm, 通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算，實(shí)現(xiàn)靶點(diǎn)的精確定位。Davies[5]使用Probot機(jī)器人在之前的可行性研究基礎(chǔ)之上成功實(shí)施了前列腺切除術(shù)，這是歷史上第一次使用機(jī)器人自動(dòng)從人體移除組織。Probot機(jī)器人前身為Puma 560工業(yè)機(jī)器人，Davies等[7]對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究，認(rèn)為相比較具有大運(yùn)動(dòng)空間的工業(yè)機(jī)器人，擁有特定運(yùn)動(dòng)和力量的?？茩C(jī)器人更為安全，并促進(jìn)了二代產(chǎn)品Probot機(jī)器人的誕生[5]。無獨(dú)有偶，同年，Taylor等[8]使用Robodoc機(jī)器人完成了第一臺(tái)矯形手術(shù)。Robodoc系統(tǒng)是第一個(gè)可預(yù)規(guī)劃切割軌跡的機(jī)器人系統(tǒng)，包括交互式的術(shù)前設(shè)計(jì)系統(tǒng)及術(shù)中操作機(jī)器人系統(tǒng)，通過對(duì)股骨的精確切割，實(shí)現(xiàn)人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，并成功實(shí)現(xiàn)商品化[4,9]。
不同于之前的全自動(dòng)機(jī)器人，Davies等[10]于1997年提出了具有“自主約束力的機(jī)器人”理念，即Acobot機(jī)器人。Acobot系統(tǒng)允許外科醫(yī)生通過手持力量操縱桿在預(yù)先編程的范圍內(nèi)進(jìn)行精確膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)，將醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和機(jī)器人約束力相結(jié)合，成為全自動(dòng)手術(shù)機(jī)器人向主從手術(shù)機(jī)器人發(fā)展的過渡[5,10]。伴隨內(nèi)鏡技術(shù)的發(fā)展，手術(shù)機(jī)器人迎來新的發(fā)展機(jī)遇。1994年，AESOP機(jī)器人成為第一臺(tái)獲得美國食品與藥物管理局（Foodand Drug Administration，F(xiàn)DA）認(rèn)證可應(yīng)用于臨床的機(jī)器人，開創(chuàng)了手術(shù)機(jī)器人新紀(jì)元[11-12]。AESOP系統(tǒng)采取聲音控制內(nèi)窺鏡定位，只用于成像，不執(zhí)行侵入性操作[11-12]。在此基礎(chǔ)之上研發(fā)的ZEUS機(jī)器人以及Da Vinci機(jī)器人是主從機(jī)器人的典型代表，通過內(nèi)窺鏡系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集、主控制臺(tái)操縱各種手術(shù)器械完成手術(shù)，是目前臨床應(yīng)用最為成熟的機(jī)器人[5,12]。2001年由Marescaux等[13]在位于美國紐約的主控制臺(tái)前通過高速光纖電纜遠(yuǎn)程遙控位于法國斯特拉斯堡的ZEUS機(jī)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(shù)，開啟了遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)的篇章。
機(jī)器人手術(shù)目前已經(jīng)成功應(yīng)用于神經(jīng)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(dǎo)的Robodoc機(jī)器人系統(tǒng)在顳骨上第一次進(jìn)行了口腔頜面外科領(lǐng)域的臨床前試驗(yàn)。第一臺(tái)用于顱頜面外科的交互式手術(shù)機(jī)器人——OTTO系統(tǒng)誕生于1998年[15]，Lueth和Hein等將其安裝在手術(shù)天花板上用于鉆孔或切割。2012年，國內(nèi)第一套顱頜面外科輔助手術(shù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了術(shù)前手術(shù)設(shè)計(jì)與規(guī)劃、術(shù)中實(shí)時(shí)導(dǎo)航、機(jī)器人輔助定位把持功能，并進(jìn)行了醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)[1]。
2 手術(shù)機(jī)器人在顱頜面外科的應(yīng)用
顱頜面手術(shù)區(qū)域位于頜面頸部，解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，血管神經(jīng)集中，手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)高，實(shí)施困難大。為了保證視野，手術(shù)切口通常較大，影響美觀，甚至造成嚴(yán)重的心里負(fù)擔(dān)。機(jī)器人輔助手術(shù)經(jīng)微創(chuàng)切口進(jìn)入體內(nèi)，提供了新的手術(shù)途徑，現(xiàn)將其在顱頜面外科的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)。
2.1 整復(fù)手術(shù)
2.1.1 皮瓣修復(fù)術(shù) Genden等[16]使用Da Vinci機(jī)器人利用局部轉(zhuǎn)移瓣完成了9例腫瘤術(shù)后修復(fù)重建病例，包括黏膜推進(jìn)瓣、梨形黏膜瓣及咽后壁瓣。Genden認(rèn)為相對(duì)于開放式手術(shù)，機(jī)器人手術(shù)可使患者避免氣管切開，同時(shí)恢復(fù)期短，可以更早地接受輔助治療；相對(duì)于激光手術(shù)，機(jī)器人手術(shù)可行組織切除及修復(fù)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(duì)Da Vinci手術(shù)機(jī)器人在口咽缺損修復(fù)重建的應(yīng)用進(jìn)行了系列研究，包括1例游離前臂皮瓣、2例游離股前外側(cè)皮瓣及1例面動(dòng)脈肌黏膜瓣。除面動(dòng)脈肌黏膜瓣術(shù)后因意外摘除外，其余均恢復(fù)良好。Selber認(rèn)為Da Vinci機(jī)器人手術(shù)除了避免下頜骨劈開或下唇切開外，其在限定空間內(nèi)的良好的視野和精度以及對(duì)于手部震顫的濾除使其更適用于微血管吻合，但是內(nèi)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(shù)手術(shù)機(jī)器人在正頜手術(shù)中的應(yīng)用報(bào)道極少。Theodossy等[18]和Omar等[19]使用機(jī)器人臂（FARO臂）在模型外科上模擬了正頜手術(shù)。該研究表明機(jī)器人輔助模型外科手術(shù)在前后及垂直平面上更精準(zhǔn)。陳黎明等[20]將日本安川MOTOMAN SV3X型機(jī)器人與光學(xué)導(dǎo)航相結(jié)合，在人體顱骨上模擬顱面骨畸形整復(fù)手術(shù)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)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(dǎo)航及機(jī)器人的配準(zhǔn)誤差是其主要存在的問題。
2.1.3 腭裂手術(shù)機(jī)器人輔助腭裂修復(fù)術(shù)近年來也受到了部分學(xué)者的關(guān)注，取得了一定的進(jìn)展。最近，Khan等[21]利用Da Vinci機(jī)器人在兒童氣道模型上進(jìn)行了腭裂手術(shù)臨床前試驗(yàn)，證實(shí)了經(jīng)口腔的機(jī)器人腭裂修復(fù)術(shù)技術(shù)上的可行性。
Nadjmi[22]在尸體上模擬Da Vinci機(jī)器人輔助腭裂修復(fù)手術(shù)，實(shí)現(xiàn)了腭部肌肉的解剖分離及應(yīng)用評(píng)估。隨后該團(tuán)隊(duì)在10例唇腭裂患者上進(jìn)行了臨床應(yīng)用，包括5例單純腭裂、2例單側(cè)完全腭裂伴唇裂、2例雙側(cè)完全腭裂伴唇裂、1例腭隱裂，平均年齡9.5個(gè)月（9~12個(gè)月），術(shù)中、術(shù)后均未見并發(fā)癥，較常規(guī)手術(shù)平均住院日縮短1.4d，但手術(shù)時(shí)間平均增加35 min。Nadjmi認(rèn)為機(jī)器人手術(shù)可以減少肌肉的血管、神經(jīng)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(shù)也可彌補(bǔ)觸覺反饋缺失的不利因素，并且相比較傳統(tǒng)手術(shù)術(shù)者的不自然姿式，機(jī)器人手術(shù)更符合人體工程學(xué)。
2.2 腫瘤手術(shù)
2.2.1 經(jīng)口入路手術(shù)經(jīng)歷早期的探索，經(jīng)口Da Vinci機(jī)器人手術(shù)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(zhǔn)可選擇性的用于頭頸部良、惡性腫瘤手術(shù)[23]。2011年，Walvekar等[24]第一次報(bào)道了Da Vinci機(jī)器人手術(shù)在前口底用于雙側(cè)舌下腺囊腫摘除的病例，術(shù)后頜下腺導(dǎo)管及舌神經(jīng)未見損傷。他們認(rèn)為機(jī)器人手術(shù)能夠提供高清的三維放大圖像，操作靈活、精準(zhǔn)，手術(shù)效果更加可期，并便于教學(xué)，但是術(shù)后的長期復(fù)發(fā)率有待進(jìn)一步研究。同年，Kayhan等[25]第一次報(bào)道了舌根部腺樣囊性癌的經(jīng)口機(jī)器人手術(shù)。術(shù)后生活質(zhì)量高，半年未見復(fù)發(fā)或轉(zhuǎn)移，證實(shí)了舌根部腫瘤行經(jīng)口機(jī)器人手術(shù)的安全和有效性。
經(jīng)口Da Vinci機(jī)器人手術(shù)在咽旁間隙腫瘤的患者當(dāng)中應(yīng)用也引起了更多學(xué)者的關(guān)注，多見于多形性腺瘤[26-27]、脂肪瘤[26,28]、神經(jīng)鞘瘤[29-30]。Chan等[31]通過對(duì)44例行經(jīng)口Da Vinci機(jī)器人手術(shù)的咽旁腫物患者回顧發(fā)現(xiàn)，無意中多形性腺瘤包膜破裂的患者高達(dá)24%，遠(yuǎn)高于開放式手術(shù)入路。Chan認(rèn)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(dǎo)致如此高的發(fā)生率，必要的時(shí)候仍需要結(jié)合手指的鈍性分離。經(jīng)口機(jī)器人手術(shù)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(dòng)力裝置，對(duì)于顱底腫瘤的患者機(jī)器人手術(shù)存在一定的限制，尤其是需要擴(kuò)大切除的侵襲性或惡性腫瘤[33]。雖然經(jīng)口機(jī)器人手術(shù)較傳統(tǒng)手術(shù)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是也存在明顯的手術(shù)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(xiàng)僵直）及腫瘤位置、分期等；2）累及頸內(nèi)動(dòng)脈。
2.2.2 經(jīng)耳后入路手術(shù)頸部腫物的機(jī)器人手術(shù)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(jīng)作為標(biāo)記進(jìn)行翻瓣，制備操作空間[34]。2013年，Park等[34]報(bào)道了9例頸部良性腫物經(jīng)耳后入路的Da Vinci機(jī)器人手術(shù)，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(jié)病變1例。平均翻瓣時(shí)間30.1 min，手術(shù)時(shí)間62.4 min，平均出血量6.6 mL，未見面神經(jīng)下頜緣支、舌下神經(jīng)及副神經(jīng)損傷，術(shù)后美學(xué)效果滿意。Park認(rèn)為耳后入路的缺點(diǎn)主要在于切口距離病變位置較遠(yuǎn)，需要花費(fèi)更多的時(shí)間進(jìn)行制備皮瓣，同時(shí)長而薄的皮瓣可能發(fā)生缺血壞死。
機(jī)器人手術(shù)在頸淋巴清掃中的應(yīng)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(jī)器人輔助的肩胛舌骨上頸淋巴清掃術(shù)，未見明顯術(shù)中并發(fā)癥。在該研究中，同傳統(tǒng)手術(shù)相比，機(jī)器人手術(shù)的平均時(shí)間是其2倍，但是在引流置管時(shí)間、平均住院日、分檢淋巴結(jié)數(shù)目方面無明顯差別，術(shù)后美學(xué)效果的滿意度明顯高于前者。后來該團(tuán)隊(duì)[36]又對(duì)經(jīng)耳后入路的機(jī)器人輔助的治療性頸淋巴清掃術(shù)進(jìn)行了對(duì)照研究（機(jī)器人手術(shù)20例，傳統(tǒng)手術(shù)33例），結(jié)果顯示較傳統(tǒng)的頸部橫切口，耳后切口明顯減少術(shù)后的淋巴性水腫。在隨訪時(shí)間內(nèi)（機(jī)器人手術(shù)組平均為8個(gè)月，傳統(tǒng)手術(shù)組平均為9.3個(gè)月），機(jī)器人手術(shù)組未見復(fù)發(fā)，傳統(tǒng)手術(shù)組2例復(fù)發(fā)。Kim認(rèn)為機(jī)器人手術(shù)術(shù)中操作細(xì)致，不會(huì)過緊的夾持標(biāo)本，從而可減少腫瘤種植的發(fā)生。
2.2.3 穿刺手術(shù)穿刺手術(shù)機(jī)器人多見于神經(jīng)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(duì)顱頜面外科的穿刺手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)未見報(bào)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(shù)機(jī)器人的研發(fā)，現(xiàn)已處于醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)階段。Bale等[37]將無框架的立體定位裝置安裝于6個(gè)自由度的機(jī)械臂上，在導(dǎo)航的引導(dǎo)下用于三叉神經(jīng)痛的射頻熱凝手術(shù)。在模型、尸體及臨床試驗(yàn)中，平均定位精度可達(dá)（1.31±0.67）mm，并且在所有的尸體及患者穿刺試驗(yàn)中，均一次成功。
2.3 種植手術(shù)
作為輔助機(jī)器人的一種[4]，機(jī)器人輔助牙科種植手術(shù)也具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。2001年，Boesecke等[38]模擬了48例機(jī)器人輔助種植體植入術(shù)，可對(duì)術(shù)前設(shè)計(jì)的種植體位置、方向、深度精確定位，協(xié)助醫(yī)生進(jìn)行種植窩的制備。Sun等[39]提出了在醫(yī)生監(jiān)督下，通過機(jī)器人輔助種植手術(shù)系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行術(shù)前設(shè)計(jì)的構(gòu)想，避免了中間種植導(dǎo)板及醫(yī)生操作所帶來的誤差。他們認(rèn)為注冊(cè)是影響圖像引導(dǎo)機(jī)器人輔助種植手術(shù)的最重要因素之一，可以決定整個(gè)系統(tǒng)的最終精度。Sun等[39]使用6個(gè)自由度的Mitsubishi機(jī)器人進(jìn)行模型試驗(yàn)，結(jié)果顯示注冊(cè)精度可達(dá)（1.42±0.7）mm，表明了機(jī)器人輔助種植手術(shù)的可行性。
3 現(xiàn)狀和展望
顱頜面外科所涉及的區(qū)域空間狹窄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、美觀要求高。與傳統(tǒng)手術(shù)相比，機(jī)器人輔助顱頜面外科手術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[4,16-17,22,34,36]。1）手術(shù)微創(chuàng)化：①經(jīng)口或耳后隱蔽切口手術(shù)，避免了下唇切開或下頜骨劈開及頸部橫切口，避免嚴(yán)重術(shù)后瘢痕，明顯提高美學(xué)效果；②機(jī)器人手術(shù)減少氣管切開的可能，術(shù)后愈合快，更早地接受輔助治療；③手術(shù)機(jī)器人可提供放大的高清圖像，避免傳統(tǒng)開放式手術(shù)對(duì)于精細(xì)結(jié)構(gòu)如神經(jīng)、血管、淋巴管等組織的損傷，減少術(shù)后并發(fā)癥；④術(shù)中出血量少，術(shù)后恢復(fù)快，縮短平均住院日；⑤術(shù)后功能恢復(fù)好，生活質(zhì)量高。2）提高手術(shù)質(zhì)量：在狹窄的空間內(nèi)手術(shù)機(jī)器人具有高分辨率的三維視野，操作更靈活，定位精確，同時(shí)可以濾除手部的震顫，保證手術(shù)的安全性和高效性。3）符合人體工程學(xué)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。
目前應(yīng)用到臨床的手術(shù)機(jī)器人，體積龐大、花費(fèi)高昂，并且大多沒有考慮力覺反饋的問題，成為了約束機(jī)器人手術(shù)發(fā)展的一個(gè)瓶頸。手術(shù)機(jī)器人在顱頜面外科中的應(yīng)用尚存在如下的問題[22-23,31,33-35]。1）顱頜面手術(shù)常同時(shí)涉及軟組織和骨組織，目前并沒有專門的手術(shù)機(jī)器人和器械可適用于顱頜面外科所有手術(shù)，尤其是涉及到顱底區(qū)的惡性腫瘤；2）機(jī)器人手術(shù)微創(chuàng)化的需要，切口距離病變位置較遠(yuǎn)，制備較長的皮瓣可導(dǎo)致手術(shù)時(shí)間的延長及皮瓣的缺血壞死；3）機(jī)器人手術(shù)在顱頜面外科尤其是腫瘤外科、整復(fù)外科中，由于相關(guān)手術(shù)器械的缺乏、微創(chuàng)切口導(dǎo)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(huì)造成腫瘤破裂種植、頸內(nèi)動(dòng)脈損傷、組織撕裂及灼傷的風(fēng)險(xiǎn)，尤其在缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的情況下。機(jī)器人手術(shù)的臨床應(yīng)用目前仍屬于起步階段，還有很長的路要走，伴隨科技的進(jìn)步及研究的深入，適用于顱頜面外科的?？茩C(jī)器人及相關(guān)的器械、基于力覺反饋的模擬和遠(yuǎn)程手術(shù)將是未來的研究和發(fā)展方向，顱頜面外科手術(shù)也將更加微創(chuàng)、精準(zhǔn)。
來源：《華西口腔醫(yī)學(xué)雜志》2016年10月第34卷第5期
