【摘要】
目的：初步評估新型柔性、雙臂、主從操作的消化內鏡微創手術機器人——DREAMS（dual?arm robotic endoscopic assistant for minimally invasive surgery）系統輔助內鏡黏膜下剝離術（endoscopic submucosal dissection，ESD）的可行性。
方法：選用新鮮剝離的健康豬胃作為模型，設計不同大小的類圓形病變10個（胃竇和胃體各5個），由2名內鏡醫生（甲和乙）獨自完成內鏡下剝離操作，觀察DREAMS系統輔助下的剝離效果（黏膜下剝離速度）、安全性（肌層損傷、穿孔發生率）和操作性能（抓取效率：用每個病變需要夾鉗夾取的次數來評估）。
結果：10例機器人輔助下的ESD均順利完成，10個病變均實現整塊切除，病變直徑（22.34±2.39）mm，剝離時間（15.00±8.90）min，剝離速度（141.79±79.12）mm2/min，平均每個病變需要夾取4.2次，共有4例（40.0%）ESD出現肌層損傷，無一例穿孔發生。
結論：初步動物實驗結果顯示，DREAMS系統輔助ESD安全、可行。
與內鏡黏膜切除術（EMR）相比，內鏡黏膜下剝離術（ESD）能夠切除直徑>2 cm的病灶，且具有更高的完整切除率和較低的原位復發率，已成為早期胃腸道腫瘤的標準治療方式。然而，應用傳統單通道內鏡進行ESD手術難以形成“操作三角”，不能為ESD提供充足的手術視野；同時，現有手術器械自由度較少，使得ESD技術要求高、手術時間長，存在較高的出血和穿孔風險。以上因素限制了ESD在世界范圍內的大規模推廣和應用。
充分的視野暴露與精巧、靈活的手術器械是高效、安全ESD手術的關鍵。良好的對抗牽引力是視野暴露的有效手段。近年來，體位牽引、金屬夾聯合絲線牽引、金屬夾聯合彈力圈牽引等多種方式被應用于臨床，這些輔助牽引方法在一定程度上改善了黏膜下剝離視野，但是其在牽引力大小和方向的控制、黏膜下層張力的調節和牽引位置的改變等方面仍存在局限性。隨著人工智能和高端醫療器械的發展，將機器人技術與微創手術技術相結合是解決上述問題的潛在方法。通過模擬外科手術實現“雙臂”操作，消化內鏡機器人一方面可以提供高效的對抗牽引，另一方面多自由度、精準控制的手術器械提高了手術操作的靈活性，保證了手術質量，有望降低ESD的技術要求。
近年來，多種消化內鏡機器人被研發出來，但是仍存在一些問題，如尺寸較大、技術壟斷等。針對這種情況，本中心自主研發了一種新型柔性、雙臂、主從操作的消化內鏡微創手術機器人——DREAMS（dual?arm robotic endoscopic assistant for minimally invasive surgery）系統，對其進行了充分的應用前測試，并初步評估了其在離體豬胃ESD術中的剝離效果、安全性和操作性能。
材料與方法
一、DREAMS系統總體描述
DREAMS系統是一種柔性、雙臂、主從操作的內鏡機器人系統，由柔性雙通道內鏡、柔性手術執行器（從手）、操作主手、六自由度定位臂和控制系統組成（圖1）。整個系統均為自主研發，針對消化道狹長、多曲的特點，結合消化內鏡手術操作要求和醫生的操作習慣進行設計，進入人體部分尺寸小、長度大，與軟組織交互部分剛柔相濟，兼具安全性和有效性。
注：①為柔性雙通道內鏡；②為柔性手術執行器；③為操作主手；④為六自由度定位臂
圖1 DREAMS（dual?arm robotic endoscopic assistant for minimally invasive surgery）系統整機展示
二、機械結構
1.柔性雙通道內鏡：柔性雙通道內鏡具有成像、吸引、副送水、充氣、沖洗鏡頭的功能，通過操作手輪，可實現蛇管上、下、左、右四個方向的擺動，擺動角度可達上210°、下90°、左100°、右100°。前端部外徑11.8 mm，集成有雙工作通道、超細雙照明光纖、微型CCD成像鏡頭、水氣噴嘴和副送水口，其中工作通道分別為3.8 mm 和2.8 mm，兼具尺寸小、工作通道大的特點。插入部有效工作長度>1 030 mm，可以覆蓋食管、胃、結腸。圖2為柔性雙通道內鏡實物圖。
注：A指示的是上下擺動；B指示的是左右擺動；①為內徑2.8 mm工作通道；②為超細雙照明光纖；③為副送水口；④為水氣噴嘴；⑤微型CCD成像鏡頭；⑥為內徑3.8 mm工作通道
圖2 柔性雙通道內鏡組成及功能展示
2.柔性手術執行器：柔性手術執行器即從手（圖3），分為左手和右手。左手為夾鉗，集成于柔性操作臂末端。右手為電刀，集成于柔性并聯腕關節末端。
注：1~6為左從手各部件，其中1為軸向平移，2為旋轉，3為外展，4為內收，5為俯仰，6為夾鉗開合；7~9為右從手各部件，其中7為前進，8為偏轉，9為俯仰
圖3 柔性手術執行器組成及功能展示
柔性操作臂（含末端夾鉗）共由五個連桿串聯構成，形成6個自由度：軸向平移、旋轉、外展、內收、俯仰（提拉）、夾鉗開合。柔性操作臂的軸向平移和旋轉自由度是通過長距離彈簧管從內鏡工作通道入口處傳遞至柔性操作臂基座實現的，平移范圍-55~55 mm，可以覆蓋病變組織的直徑為20~30 mm。柔性操作臂的外展和內收自由度采用繩索驅動的方式實現，運動范圍均為0~60°。通過外展和內收自由度可形成操作三角，避免柔性操作臂連桿遮擋黏膜下視野。柔性操作臂的俯仰自由度旋轉軸與外展/內收自由度旋轉軸垂直，其運動范圍為-60~60°，用來實現對黏膜的提拉，最大提拉高度約為17 mm。末端夾鉗采用單邊開合的方式，從而減小夾鉗開合與外展/內收自由度的耦合。柔性操作臂的外徑為3.5 mm，可以順利通過內徑3.8 mm的內鏡工作通道。
柔性并聯腕關節采用并聯式結構，利用四根記憶合金鎳鈦絲連接基座和末端連桿形成2個自由度：偏轉和俯仰，最大彎曲角度均可達90°。電刀集成于柔性并聯腕關節末端連桿上，其到柔性并聯腕關節旋轉軸的直線距離約為14 mm，在偏轉自由度作用下，電刀最大可覆蓋橫向28 mm的病變組織。為了增大電刀的縱向覆蓋范圍，柔性并聯腕關節還具有軸向平移自由度，其運動范圍為-39~39 mm。柔性并聯腕關節的外徑為2.5 mm，可以順利通過內徑2.8 mm的內鏡工作通道。
3.操作主手：操作主手為串聯式結構，分為左手和右手，分別控制左右從手的運動。操作主手具有3個位置自由度和3個姿態自由度（圖4），3個位置自由度用于控制從手的空間位置，3個姿態自由度用于控制從手的姿態，此外，左主手還具有第7個自由度，用于控制左從手末端夾鉗的開合。
注：1~3為位置自由度；4~6為姿態自由度；7用于控制左從手末端夾鉗開合
圖4 操作主手組成及功能展示
4.六自由度定位臂：六自由度定位臂用于承載雙通道內鏡及柔性手術執行器，其運動可以利用控制面板實現，也可以通過自由拖拽實現。與操作主手類似，六自由度定位臂為串聯式結構，具有3個位置自由度和3個姿態自由度（圖5）。
注：1~3為位置自由度；4~6為姿態自由度
圖5 六自由度定位臂組成及功能展示
三、控制系統
消化內鏡微創手術機器人采用主從操作的控制方式，其控制系統主要包括三個部分：控制臺（主端）、軟件系統和從端硬件系統。主端控制臺包括左右主手、顯示設備和若干功能開關。首先，內鏡通過圖像采集卡和圖像處理器將目標圖像反饋至控制臺的顯示設備。然后，醫生根據內鏡反饋的圖像控制定位臂自由拖動的功能開關，調整定位臂末端執行器（內鏡）的位置和姿態，使其定位到目標組織。之后，醫生通過操縱主手控制從手運動。此時，主手的控制指令發送至軟件系統，在完成主從映射之后，從手各關節的控制指令發送至從手控制器（Galil，DMC4183），從而實現對從手的控制。此外，在ESD手術過程中，當出現煙霧、出血等情況時，醫生可以通過控制臺的功能開關打開內鏡的送水、送氣、吸引功能，快速實現對鏡頭的清洗，提高內鏡視野的清晰度。機器人系統的工作模式如圖6所示。
注：ESD指內鏡黏膜下剝離術
圖6 機器人系統工作示意圖
四、DREAMS系統應用前測試
1.生物相容性測試：DREAMS系統與人體接觸部分均采用生物相容性良好的材料制備。為了保證DREAMS系統的生物安全性，在應用前對其接觸人體部分進行了生物相容性測試。DREAMS系統接觸人體的部分主要包含柔性雙通道內鏡的插入部和柔性手術執行器的插入部。參考標準ISO 10993—1：2018，根據其接觸人體的性質和時間，選擇細胞毒性、皮內反應和皮膚致敏。按照GB/T 16886.10—2017中規定的試驗方法進行取樣、測試。
2.電氣安全測試：為了保證DREAMS系統的電氣安全性，在應用前對整機進行了電氣安全測試。依據GB 9706.1—2007，開展接地電阻、漏電流和電介質強度測試。
五、動物實驗
1.離體豬胃模型：選用新鮮剝離的健康豬的胃作為模型。為了保證胃壁的柔軟和導電性，研究者將豬胃保存于室溫環境中，并用生理鹽水沖洗。為了充分驗證機器人的可操作性，研究者設計不同大小、不同部位的類圓形病變10個：5個病變位于胃竇，直徑為15~20 mm，按實驗先后順序編號1～5；5個病變位于胃體，直徑為20~25 mm，按實驗先后順序編號1~5。將離體豬胃放于提前準備好的托盤中，保證人工病變位于重力低位。由1名內鏡醫生預先完成黏膜下注射和環切。
2.手術機器人輔助ESD手術過程：機器人輔助黏膜下剝離由2名操作者（編號：甲和乙）完成。實驗開始前，2名操作者接受為期1 d的機器人輔助ESD培訓，包括1 h的ESD步驟講解、1例傳統ESD操作觀摩和4 h的機器人操作練習。實驗應用的高頻發射器為華博A350（中國）。主要步驟如下：（1）安裝和調試機器人；（2）操縱機器人左手夾持黏膜邊緣，暴露黏膜下視野，操縱機器人右手進行黏膜下剝離；（3）剝離完成后，利用左從手夾鉗將切下的病變組織取出；（4）向胃內充氣，觀察有無漏氣，以判斷有無穿孔；（5）觀察剖面。
3.結局指標和相關定義：主要結局指標為黏膜下剝離速度，次要結局指標包括肌層損傷率、穿孔率以及機器人的抓取效率。黏膜下剝離速度由切除黏膜面積（mm2）/黏膜下剝離時間（min）計算得來，切除黏膜面積按照圓形或橢圓形的面積公式計算，黏膜下剝離時間為開始黏膜下剝離至整個病變切除的間隔時間。機器人的抓取效率用每個病變需要夾鉗夾取的次數來評估。
結 果
一、DREAMS系統應用前測試結果
生物相容性測試顯示其不會導致皮膚過敏和皮內反應，無潛在的細胞毒性，具有良好的生物相容性。電氣安全測試結果顯示接地阻抗、漏電流及電介質強度均滿足國家標準。
二、DREAMS系統在離體豬胃ESD中的有效性和安全性
本研究成功完成了10例機器人輔助ESD手術（圖7），10個病變均實現整塊切除，病變直徑（22.34±2.39）mm，剝離時間（15.00±8.90）min，剝離速度（141.79±79.12）mm2/min，平均每個病變需要夾取4.2次，共有4例ESD出現肌層損傷，無穿孔發生，具體情況見表1。
圖7 DREAMS系統輔助下離體豬胃的內鏡黏膜下剝離術，圖中左從手夾持黏膜邊緣并提拉黏膜，暴露手術視野，右從手進行黏膜下剝離
表1 兩名操作者DREAMS系統輔助離體豬胃內鏡黏膜下剝離術的完成情況
|
操作者 |
實驗先后順序編號 |
病變部位 |
病變直徑 |
剝離時間 |
病變面積 |
剝離速度 |
是否發生 |
是否發生穿孔 |
|
（mm） |
（min） |
（mm2） |
（mm2/min） |
肌層損傷 |
|
甲 |
1 |
胃竇 |
24.83 |
15.98 |
1 935.90 |
121.15 |
是 |
否 |
|
2 |
胃竇 |
23.24 |
13.57 |
1 695.91 |
124.97 |
否 |
否 |
|
3 |
胃竇 |
22.03 |
12.33 |
1 523.91 |
123.59 |
否 |
否 |
|
4 |
胃竇 |
23.36 |
10.83 |
1 713.47 |
158.21 |
否 |
否 |
|
5 |
胃竇 |
25.7 |
8.98 |
2 073.94 |
230.95 |
否 |
否 |
|
乙 |
1 |
胃體 |
16.38 |
39.73 |
842.48 |
21.21 |
是 |
否 |
|
2 |
胃體 |
21.36 |
17.72 |
1 432.62 |
80.85 |
是 |
否 |
|
3 |
胃體 |
21.25 |
12.03 |
1 417.91 |
117.86 |
是 |
否 |
|
4 |
胃體 |
22.39 |
13.85 |
1 574.12 |
113.65 |
否 |
否 |
|
5 |
胃體 |
22.81 |
5.02 |
1 633.73 |
325.44 |
否 |
否 |
討 論
近年來，我國消化道腫瘤的發病率和死亡率明顯升高，人們逐漸開始重視消化道腫瘤的早診、早治。及時將消化道早癌安全有效地切除是改善患者生活質量的保障。與EMR相比，ESD可以切除直徑>2 cm的病變，且擁有更高的完整切除率和更低的原位復發率；與外科手術相比，ESD具有更小的創傷、更少的手術費用和更短的住院時間等優點，已經成為消化道早癌的標準治療方式。然而，利用傳統的單通道內鏡和手術器械進行ESD操作時，內鏡醫生每次只能應用一個手術器械，且手術器械自由度低、缺乏力感知，醫生通過操縱內鏡完成病變切除時手術精度低，存在較高的出血、穿孔風險，大大限制了其在偏遠地區及某些西方國家的推廣和應用。
在外科手術中，醫生能夠進行雙手操作，通過雙手配合形成操作三角，手術視野清晰、手術操作靈活。通過消化內鏡機器人模擬外科的手術模式是降低ESD技術要求、減少并發癥、縮短學習曲線的有效手段。目前，能夠完成離體ESD操作的消化內鏡機器人以新加坡的EndoMASTER系統、法國的STRAS系統和美國的FLEX系統為代表。EndoMASTER系統由主從手系統和相對獨立的三通道內鏡系統組成，其兩條機械臂通過內鏡的兩個工作通道到達操作部位，其末端執行器包括電刀和抓鉗，抓鉗負責提拉病變黏膜，輔助暴露手術視野。STRAS系統是基于Anubiscope平臺發展而來的，由一條專用的內窺鏡和兩條操作臂組成，其兩條操作臂通過內鏡頭端兩側專用的通道伸出，伸出后向內彎曲可形成操作三角，避免對鏡頭的遮擋。FLEX系統主要應用于頭頸部手術，于2017年獲得FDA批準用于消化系統ESD手術，該系統的內鏡外側面設計有兩個外掛的工作通道，用于兩條機械臂的通過。上述機器人均已通過離體實驗驗證，可以不同程度降低ESD操作難度，縮短手術時間和學習曲線，增加手術安全性。EndoMASTER系統更是通過人體試驗進一步證實了其安全性和有效性。盡管如此，目前的消化內鏡手術機器人仍存在許多不足，如尺寸較大或工作通道外置，增加了進鏡時黏膜損傷的風險，又如整體長度不足，僅能到達直腸和乙狀結腸，無法進行近端結腸和上消化道的手術。
本中心研發的消化內鏡微創手術機器人有效地解決了上述問題，與現有的消化內鏡手術機器人相比，具有以下優點：（1）直徑小，外觀光滑。本機器人內鏡系統與傳統內鏡相似，無外置工作通道。前端部外徑為11.8 mm，與現有檢查內鏡相似，不會額外增加黏膜損傷的風險。（2）整體長度超過1.3 m，可以覆蓋食管、胃、結腸。（3）根據左右從手不同功能，設計不同結構。左從手為夾鉗，集成于剛度可變的柔性臂。一方面可以根據手術需要改變剛度，低剛度時順應柔軟、狹長的消化道，高剛度時可承載組織的牽拉力。另一方面，多自由度柔性臂可通過外展和內收形成操作三角，便于手術視野的暴露。右從手為電刀，集成于尺寸小、運動范圍大的腕關節，控制簡單，覆蓋病變范圍廣。本研究首先通過生物相容性測試和電氣安全測試驗證了DREAMS系統的生物安全和電氣安全，并進一步通過離體豬胃實驗證明了DREAMS系統可以輔助操作者安全地完成ESD手術操作，且具有縮短學習曲線趨勢。
主從遙控操作引起的末端手術器械與軟組織之間交互作用力的感知缺乏是目前手術機器人系統普遍存在的問題。由于缺乏力感知，操作力難以控制，過大的操作力容易對組織造成額外的損傷。利用視覺反饋可以在一定程度上彌補這一缺點，操作者可以通過觀察組織形變來估計施加力的大小，但是仍存在力覺信息估計不準確、對操作者和成像系統要求高等問題。將觸覺傳感器和觸覺反饋算法集成到手術機器人系統是實現精準力感知和力反饋的可靠方法。然而，受到操作空間狹小、末端執行器尺寸嚴格受限的影響，技術難度極高。目前，本系統已經完成微型力傳感器的研發和力反饋算法的構建，第二代機器人將實現力感知和力反饋功能的集成。
本研究及機器人系統仍存在一些不足。首先，該研究僅完成10例ESD手術，且機器人僅在黏膜下剝離階段應用。考慮到黏膜下剝離是ESD手術過程中難度較大、并發癥較多的步驟，驗證機器人在該步驟的有效性和安全性尤為重要。今后還需要樣本量更大的隨機對照研究驗證機器人在ESD全過程中的應用效果。其次，內鏡系統未實現主從控制，手術過程中需要一名助手配合進行內鏡微調。設計與傳統雙通道內鏡相似的內鏡系統，不改變醫生原有的內鏡操作習慣，可以在很大程度上促進機器人系統的推廣和應用。第二代機器人將根據內鏡的結構特點和醫生的操作習慣，設計內鏡自動控制系統，醫生通過操作主手實現對內鏡的控制，節省人力，提高手術效率。最后，內鏡系統僅設計兩個工作通道，ESD手術過程中如使用其他器械需要進行器械替換，延長手術時間。為了在保證機器人使用效果的前提下最大程度上減少內鏡系統尺寸，本機器人在設計時僅設計兩個工作通道。第二代機器人將綜合考慮機器人的尺寸和使用效率，對工作通道的數量和排布進行進一步設計和優化。
總之，本研究介紹了一種新型消化內鏡微創手術機器人——DREAMS系統，并對其進行了多方位的應用前測試和初步應用評估，初步結果顯示，DREAMS系統操作精準、安全有效，在ESD手術中可有效改善黏膜下剝離視野，降低黏膜下剝離難度，具有較高的手術安全性。但未來還需要更多隨機對照試驗對其進行進一步評估和驗證，在應用反饋中推陳出新，實現DREAMS系統的不斷優化和迭代。
