术锐单孔腔镜手术机器人共含68个高精度伺服电机,用于术前全自动摆位、术中操作和主从控制,创造性地设计了面向全状态安全监控的双环路独立控制硬件拓扑,全链路主从操作延时小于50毫秒,每秒钟可实现1000次的亚毫米级手术精准控制。

 

  手术区域外的控制台前,王林辉教授远程操作机器人,挥舞着连续体蛇形手术操作臂,通过患者腹部一个不到3厘米的小切口,干净利落地完成了一台前列腺癌根治手术。

 

 

  3月9日,这台高难度泌尿外科手术在浙江省嘉兴市第一医院完成。作为海军军医大学长海医院泌尿外科主任,王林辉教授以技术专家身份,全程指导并主刀了这台手术。

 

  记者了解到,这是中国首例具有完全自主知识产权、真正意义上的纯单孔(即皮肤开口不大于3厘米)腔镜手术机器人完成的外科手术,标志着国产手术机器人打破了美国达芬奇SP单孔腔镜手术机器人的垄断地位。

 

  单孔腔镜手术机器人优势多

  在泌尿外科的手术中,前列腺癌根治手术属于比较复杂的手术之一,手术过程步骤多,操作精细程度要求高,既要彻底切除肿瘤,又要保留好患者的排尿功能和性功能。

 

  “在完整切除前列腺及肿瘤后,需要将膀胱和尿道残端进行吻合,在狭小的男性盆腔里进行如此精细的操作和缝合,对外科技术是很大的挑战。”王林辉说,术后尿失禁也正是由于对排尿肌肉和神经的损伤才出现的并发症,而采用单孔腔镜手术机器人,可以完美地解决这一难题。

 

  王林辉介绍,当前临床应用最广泛的机器人都依赖进口,且以多孔进行操作,性价比也面临较大的挑战。而且多孔术后,还需要扩大至少一个切口,以便拿出病理样本,因此多孔实际上是“一个大孔+多个小孔”,创伤远大于单孔术。

 

  单孔腔镜手术则由单一创口向腹腔置入多个器械开展手术,相比传统的多孔腔镜手术具有更加微创、恢复快,以及手术美容等优点。

 

  “但长期以来,如果不采用手术机器人,纯单孔腔镜手术临床开展得较少,主要原因在于手动手术器械运动能力受限。在纯单孔限制下,手术工具近似平行,会面临‘筷子效应’(在单孔腔镜手术中,器械支点为单支点,支点间最小距离仅为2厘米,导致器械相互干扰),术者操作水平再高有时候也会有力使不上。”王林辉说。

 

  为提高单孔腔镜手术的直观感和精准度,2007年,世界第一套单孔手术机器人研发项目在美国哥伦比亚大学立项。与多孔腔镜手术机器人相比,单孔腔镜手术机器人具有无外部机械臂干涉、能适应狭窄腔道等一系列优点。

 

  此次使用的单孔腔镜手术机器人名为“术锐”,是上海交通大学牵头国内多家优势院校和高科技企业,在科技部“国家重点研发计划”资助下,由该校机械与动力工程学院徐凯教授领衔的团队自主研发完成的。2020年12月,术锐单孔腔镜手术机器人进入“创新医疗器械特别审查程序”。

 

  形成完备自主知识产权体系

  此次手术利用术锐单孔腔镜手术机器人,仅在患者腹腔壁上开了一个不到3厘米的皮肤切口,由这个单一入路进出所有器械,在狭小的空间中灵活地完成各种复杂的手术操作。此前,只有美国达芬奇SP单孔腔镜手术机器人系统地完成过这种纯单孔的手术操作。

 

  “实际上,用于多孔术的达芬奇手术机器人,虽也可以强行把多支硬性直臂交汇到一个显著增大的皮肤切口来完成手术,但切口尺寸大于3厘米,不能称为纯单孔手术。达芬奇SP单孔腔镜手术机器人的操作指南要求在肚脐旁侧另开一个皮肤切口,用于置入辅助器械,所以也不能称之为纯单孔手术。而我们的这次手术可谓名副其实的纯单孔手术。”王林辉说。

 

  徐凯认为:“单孔腔镜手术机器人都有统一的构型,必须满足体外机械臂的运动以病人腹腔进入点为约束,无论在体内怎么移动,都不能对病人的腹腔壁产生额外牵拉,在设计和控制机器人时,都要保证一个点不能动。”

 

  术锐单孔腔镜手术机器人的体外定位臂可在术中保持静止,靠体内蛇形手术工具完成手术动作,避免了类似达芬奇多孔手术机器人固有的体外定位臂在手术中“打架”的风险。

 

  同时,它采用的高刚性连续体蛇形手术操作臂,依托拥有中美专利授权的“可形变对偶连续体机构”技术,可以在患者体内独立实现6+1自由度的全维运动。不同于达芬奇SP单孔腔镜手术机器人依靠单根钢丝进行驱动的柔性臂体,其操作臂采用冗余布置的十余根超弹性镍钛合金细杆作为结构骨从头至尾贯穿,每根结构骨均可承受较大的推力和拉力,大大提高了手术工具的负载能力。

 

  此外,术锐单孔腔镜手术机器人的创新之处还包括高清立体成像系统集成双构节八方向内窥镜翻展臂,可实现大范围高灵活度视野调节;多关节定位臂协同控制,实现了系统绕入腹点多自由度调节功能,确保了术中摆位调整的安全性和灵活性等。

 

  更重要的是,这套机器人可在单、多孔术中通用,而达芬奇机器人进行单、多孔术时则不能通用一套系统。

 

  上海交通大学官方透露的消息显示,该机器人系统共含68个高精度伺服电机,用于术前全自动摆位、术中操作和主从控制,创造性地设计了面向全状态安全监控的双环路独立控制硬件拓扑,全链路主从操作延时小于50毫秒,每秒钟可实现1000次的亚毫米级手术精准控制。项目已完成280余项专利申请,形成了完备的自主知识产权体系。

 

  流畅性、精细度可媲美“达芬奇”

  从开放手术,到多孔腔镜微创手术,再到单孔腔镜微创手术,医疗技术的进步使病人的创伤不断减少,但手术操作的难度却逐渐增加。作为世界外科学最前沿的微创技术之一,手术机器人将医生从繁重的操作模式中解放出来,且可提高手术操作的直观感和精准度。

 

  提及术锐单孔腔镜手术机器人,王林辉兴奋地说:“这型手术机器人能为医生提供3D放大手术视野,让医生能对肿瘤边界进行精准判断,避开手术区域的血管和神经,最大限度地保留病变周围的正常组织结构。就使用感受来讲,其系统设计科学、操作便捷、更具人性化,能胜任前列腺癌根治术这种复杂的精细手术。无论是立体、高清视觉效果,还是操作流畅性和机械臂的灵巧、精细程度等完全可以媲美达芬奇SP单孔腔镜手术机器人。”

 

  据了解,未来这种单孔腔镜手术机器人还可应用于普外科、妇科以及胸外科等科室大部分外科手术。

 

  目前,单孔手术机器人是研制难度最高的手术机器人。此前,仅有美国直觉外科手术公司生产的达芬奇SP单孔腔镜手术机器人可用于人体手术,但该公司对最先进的产品实施了出口管制,尚未允许向中国市场销售。此次中国自主研制的产品,做到了“尚未进口,即已替代”。

 

  “这次手术的成功开展,意味着该手术机器人系统在技术层面已具备全面实施临床手术的能力,且初步验证了其安全有效性。”王林辉说,“过去的9年里,我已经使用达芬奇机器人完成泌尿外科手术近2000例。作为一名中国泌尿外科医生,能用上我国自己研制的单孔腔镜手术机器人,我感到非常高兴和自豪。”

 

  (来源:科技日报    张 强)