本文刊于:中华内科杂志, 2023,62(1) : 4-6
作者:杨云生 闫斌
引用本文: 杨云生, 闫斌. 软式内镜机器人及其远程操作 [J] . 中华内科杂志, 2023, 62(1) : 4-6. DOI: 10.3760/cma.j.cn112138-20221202-00902.
目前应用于胃肠、呼吸道等人体自然腔道的标准内镜是可弯曲的软式内镜,其标准操作是人工操作。随着不断研发,软式内镜机器人取代传统人工操作已在临床试验中取得一定成功。应用软式内镜机器人,研究其远程操作具有重大的潜在意义和前景。2021年通过软式内镜机器人YunSRobot,基于5G网络,实现了软式内镜在人体的上消化道内镜检查,表明机器人远程操作消化内镜可行。本文对软镜机器人及其远程操作的研究进展进行简要论述。
软式内镜指应用于人体消化、呼吸、泌尿系统等自然腔道的柔性可弯曲内镜,目前的标准软式内镜可清洗消毒、反复使用,能够进行活检或其他治疗操作,是通过医生手工操作内镜本身来实现诊疗工作。软式内镜机器人指取代手工操作,通过机器人操作软式内镜,实现内镜诊疗活动。外科领域机器人以达芬奇机器人为代表,最早实现突破,于2000年批准上市[1];外科机器人与软镜机器人的根本区别是通过机器人操作硬镜实现外科手术。
支气管软镜机器人与三维导航技术结合,引导提高支气管镜的操作是目前研究热点之一。多项研究显示,搭载导航系统的支气管镜机器人能够更精准定位,到达目标支气管的末端,特别是在进镜难度较大的区域具有显著操作优势,并可显著降低肺部外周病灶的取样难度,提高活检成功率及准确性[2, 3]。
在泌尿系统内镜机器人研究方面,与自动化技术联合进一步优化了进镜过程,搭载自动化系统的easyUretero机器人可记录和重现输尿管镜的检查运动轨迹,在因肾多发结石需反复进镜操作时展现出显著优势;此外,该系统还能及时识别巨大结石,避免盲目操作损伤输尿管[4]。
在消化内镜机器人研究方面,主要集中在结肠镜机器人的研究。获批临床试验的有5种结肠镜机器人,只有Endotics结肠镜机器人已在日本和欧洲实现商业化[1]。Endotics系统,是一种自主式推进、一次性结肠镜,该结肠镜推送内镜到达回盲部的概率达81.6%,完成结肠镜检查平均时间(45.1±18.5)min,约是标准结肠镜平均时间的2倍,发现结肠息肉敏感性低于标准结肠镜[5, 6]。该系统主要问题是一次性、成本高,性能低于目前的标准结肠镜,临床尚未推广。另一种消化内镜机器人Endo-MASTER,是一种内镜附件机器人,辅助内镜下黏膜剥离术(endoscopic submucosal dissection, ESD)治疗,内镜仍是人工常规操作。一项应用Endo-MASTER对5例胃早癌患者实施前瞻性机器人辅助ESD治疗,结果显示良好的完整切除效果[7],该机器人没有远程设计,尚需大量研究证明其对于人工操作的优势。Flex软镜机器人系统可在到达目标病变后,通过调整镜身内部结构转变为刚性镜身,为术者提供稳定的操作环境,在结直肠手术中可完整切除病变,且与达芬奇硬镜机器人相比更加适合柔软的消化道管腔[8]。
以上消化软镜机器人主要设计新的镜体结构附加驱动功能,用户成本高,性能低于目前大量装备的标准内镜、而且不能使用现有标准内镜,没有看到远程操作性能的报道,原则上说还不是一种真正意义上的软式内镜机器人,通用性和广泛推广都存在较大困难。
国内软式内镜机器人研究处于初步阶段。我们课题组于2016年完成了软式内镜机器人YunSRobot系统的研发,该系统采用主从式设计,可与目前临床广泛应用的标准内镜如Olympus内镜相连接[9];于2018年发表了人体上消化道内镜检查的临床研究,证明该机器人系统上消化道内镜检查质量与手工操作有类似效果[10]。
远程操控是机器人手术所具有的天然优势,使得医患所受环境的限制降到最低,能够在更安全、更方便、更舒适、更经济的时空条件下进行医疗服务,如远离危险、有害的环境,远程救治,医疗资源的合理调配等。外科机器人远程手术已有20多年的历史,1998年Kavoussi团队首次尝试跨洲远程腹腔镜机器人手术,远程指导8 047 km、14 484 km及17 703 km外的医生完成了3例不同类型的泌尿外科手术[11]。2001年Marescaux团队完成了世界首例跨大西洋远程手术,在美国纽约为法国患者行胆囊切除术,揭开了外科机器人远程手术研究的序幕[12]。外科手术机器人目前仍处于初步研究阶段,大部分外科机器人远程手术研究仍停留在模型及动物实验,应用于临床的研究报道不超过10篇。Zeus系统完成病例数最多,包括机器人腹腔镜胆囊切除术、胃底折叠术、右半结肠切除等共计40余例。研究显示,远程机器人可完成复杂的手术操作,术中无不良事件发生,手术安全有效[13],并方便年轻医生学习提高手术技能[14]。外科远程机器人手术近年发展较为缓慢,安全问题是主要限制因素,其中最重要的是网络传输速度和安全,信号延迟会严重影响手术完成质量,降低手术精度,增加术中操作风险[15]。对于延迟时间的安全范围目前尚无共识,一项研究认为,低于200 ms的延迟是较为理想的,超过该范围将导致操作失误增多和手术时间延长[16]。触觉反馈、增强现实等技术不断完善也对提高手术安全性有很大帮助,但目前尚无保证外科机器人远程手术安全的相关研究。
软式内镜机器人远程操作国外未见报道。我们课题组应用自己研发的YunSRobot机器人系统,2018年完成了在4G网络条件下应用人体胃肠镜模型、从北京到沈阳远程操作机器人进行上消化道内镜检查的研究,尽管4G条件下平均延时达到500多ms,但术者无明显操作延迟的不适感[17]。2021年7月我们应用YunSRobot机器人系统和中国移动5G网络,完成了3例患者的远程操作机器人上消化道内镜检查;术者位于海南省三亚,患者在北京解放军总医院第一医学中心,相距2 900 km。使用中国移动5G网络,通过室分及5G CPE设备转换成5G无线信号,平均延时100~150 ms,3例远程操作机器人实施上消化道内镜检查均顺利完成,术者操作流畅、无延迟感,该机器人友好度高,易学习掌握,这也是软式内镜机器人第1次远程临床诊疗的研究。
软镜机器人的内镜操作是人体自然腔道,胃肠道操作空间较大,诊断检查占70%以上,检查诊断风险小于治疗风险,而操作环境的条件要求小于外科手术环境,而且市场需求量远远大于外科手术。根据我们远程操作上消化道内镜检查经验,5G网络能保障远程内镜检查的信号传输速度,制定远程操作技术方案对保障规范操作和安全非常重要。在远程操作技术方案指导下,消化内镜远程机器人操作是安全可行的,较外科机器人有其一定优势和前景。今后,在软镜机器人的不断改进下,远程操作将会有更多研究,推广到更多的应用中。
随着科技水平的不断发展,人工智能将越来越多地完成各种医疗工作,机器人作为人工智能的载体和硬件,软镜机器人融合消化内镜的人工智能,将全面实现软镜机器人和人工智能的巨大优势。随着网络技术的不断提高、覆盖更加全面,做内镜预约时间长、找不到经验丰富的医生做的现象将不断被解决,医患双方在更舒适、更便捷、更安全、更经济的条件下接受内镜检查和治疗将成为可能。
参考文献(略)