摘要：Noël, J., Reddy, S., Giedelman, C., Swarovski-Adams, R.C.D., Patel, E., Satava, R.M. (2022). History of Robotic Surgery. In: Wiklu

Noël, J., Reddy, S., Giedelman, C., Swarovski-Adams, R.C.D., Patel, E., Satava, R.M. (2022). History of Robotic Surgery. In: Wiklund, P., Mottrie, A., Gundeti, M.S., Patel, V. (eds) Robotic Urologic Surgery. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-00363-9_1

本文全面回顾了机器人手术从起源到现代的发展历程，涵盖了早期的机器人概念、手术机器人的原型开发，以及商业化系统的演进，阐述了当前新平台的发展现状与未来趋势，展现了机器人手术在医疗领域的变革性影响和广阔前景。

一、引言

自 20 世纪中叶 “信息时代” 以来，信息技术呈指数级增长。信息对物理实体的替代为微创手术领域的发展奠定了基础。信息数字化使外科医生从开放手术逐步发展到腹腔镜手术，最终实现机器人手术。微创手术具有失血少、住院时间短、切口小、疼痛轻和可视化效果好等优点，但也存在成本高、学习曲线陡峭和手术时间长等局限性。机器人技术有助于解决腹腔镜手术的一些局限，如手术疲劳（人体工程学）和学习曲线问题。短短二十年，机器人手术已成为局部前列腺癌的金标准治疗方法。“robot” 一词源于捷克语 “robota”，意为强迫劳动，其斯拉夫语词根 “rab” 意为 “奴隶”，1942 年艾萨克・阿西莫夫在短篇小说《环舞》中使其进一步普及，并创造了 “robotics” 一词。1951 年，雷蒙德・戈尔茨为原子能委员会设计了首个远程操作主从操纵器，用于处理危险废物材料。1988 年以来，机器人从能执行简单操作发展到可执行高度复杂的任务。

机器人手术的发展时间表

二、现代机器人技术的起源

现代机器人手术的历史始于 1978 年开发的可编程通用装配机器（PUMA）560® 。1985 年，郭益三博士用 PUMA 560 为脑活检固定立体定向框架。1988 年，伦敦帝国理工学院的约翰・威克姆爵士和布莱恩・戴维斯用该系统进行经尿道前列腺切除术（TURP）。美国萨克拉门托的 Integrated Surgical Supplies Ltd 公司构建了两款类似功能的模型：专门为经尿道前列腺切除术设计的 Probot® ，以及用于髋关节置换手术中提高精度的 Robodoc® ，后者成为首个获得 FDA 批准的机器人。

2.1 Probot® 系统用于 TURP

Probot 与 ROBODOC 相似，其取芯动作的精度基于扫描（此处为超声）预先规划。该系统有 7 个自由度（DOF），并与一个机动部件相连以实现 TURP 自动化。软件允许外科医生随时完全覆盖和调整它，机器人有助于减轻外科医生在无视频辅助下通过目镜观察带来的颈部劳损。其目标是使手术更安全、更短，以限制液体冲洗剂的吸收，这在 20 世纪 80 - 90 年代是 TURP 发病率和死亡率的主要原因。在可行性研究中，手术需 5 分钟，凝血可由外科医生手动完成，这是首次使用主动机器人从患者体内切除组织。安全框架使切除器械保持在精阜和膀胱颈的预定范围内。结果显示，就尿流率而言，Probot 系统与传统 TURP 方法一样好。然而，Probot 对术前经直肠超声（TRUS）的依赖、TRUS 估计的不准确性以及手动电灼止血的需求阻碍了该机器的广泛应用。

2.2 ROBODOC

ROBODOC（美国加利福尼亚州萨克拉门托的 Integrated Surgical Systems 公司）于 20 世纪 80 年代开发，是一种辅助髋关节和膝关节置换手术的骨科手术系统。由加利福尼亚大学的已故兽医外科医生霍华德・“哈普”・A・保罗和骨科医生威廉・巴尔加共同创造。CT 扫描数据与计算机辅助设计 / 计算机辅助制造（CAD/CAM）技术相结合，可生产定制的骨科植入物。ROBODOC 的五轴机械臂末端通过力扭矩传感器连接着铣削装置，可将骨腔铣削成相应尺寸，起到锉刀的作用。1992 年的人体试验显示了其可行性和优越性，如在全髋关节置换术后植入物的影像学适配性更好，并消除了术中股骨骨折。1994 年，ROBODOC 在欧洲商业化，2008 年获得美国 FDA 的 510 (k) 批准。2014 年，THINK Surgical Inc. 收购 ROBODOC，并将其作为下一代 TSolution One® 手术系统的核心技术，该系统于 2019 年获得 FDA 批准。但由于研究表明与传统全膝关节置换术（TKA）相比无显著差异，它从未得到广泛应用。

2.2.1 斯坦福研究院和美国国家航空航天局

1986 年，理查德・萨塔瓦上校博士加入斯坦福研究院（SRI），当时菲利普・格林正在开发用于手部手术的远程操纵系统。该团队结合多种技术创造了早期的 “虚拟现实”，其中之一是 VPL Inc. 的数据手套，这是一种手势接口工具，可用于测量手部位置和方向，并提供触觉反馈。另一种是由美国国家航空航天局艾姆斯研究中心的迈克尔・麦格里维和斯蒂芬・埃利斯开发的头戴式显示器（HMD），他们利用 HMD 为美国国家航空航天局的行星探索任务实现数据的 3D 可视化。斯科特・费舍尔在 HMD 中加入 3D 音频，进一步让用户沉浸其中，并创造了 “远程临场感” 这一概念。这一概念使外科医生的手能够通过计算机与另一个房间的患者进行交互。尽管腹腔镜手术越来越受欢迎，但由于支点效应导致的三维可视化丧失和灵活性受限，对患者有利，但对许多外科医生来说具有挑战性。为此创建了一个工作站，配备仪器手柄而非手套、扶手和位于水平线下 5 - 15 度的监视器，该系统通过末端执行器上的力传感元件提供触觉反馈，并在遇到阻力时禁止运动。

由Scott Fisher博士演示的带有DataGlove接口的头戴式显示器（HMD）

手术工作站的早期原型（人体工程学设计、稳定手臂的扶手、器械手柄）

2.2.2 美国国防部高级研究计划局

20 世纪 90 年代，陆军军医总监阿尔西德・拉努招募萨塔瓦博士加入美国国防部高级研究计划局（DARPA），开发用于军事的远程临场感系统，目标是将战场伤亡士兵的死亡率降低至少 50%，前提是通过远程临场感手术将创伤护理的 “黄金一小时” 转变为 “黄金一分钟”。对越南战争数据分析显示，危及生命的伤口是死亡率的主要因素，且自内战以来未曾改变。DARPA 的远程临场感外科医生项目设想，将手术控制台工作站安置在移动先进外科医院（MASH），远程机器人手术单元（机械臂）安装在前线战场的装甲车辆（移动手术室）中，执行关键的救命手术任务（损伤控制手术），直到患者被送往 MASH 接受确定性治疗。该车辆被称为医疗前沿先进外科治疗（MEDFAST）车辆。当士兵重伤时，将其置于便携式重症监护单元进行生命支持和运输（LSTAT 或 “创伤舱”），并立即放入 MEDFAST，以便外科医生在军医的床边协助下进行手术。MEDFAST 还将远程临场感集成到麻醉、远程监测、放射学和生命支持等非手术技术中，确保在战场部署完整的手术室功能。1994 年 10 月，首个原型完成并在华盛顿特区的美国陆军协会年会上向国防部长威廉・佩里展示。随后，橡树岭国家实验室创造并展示了机器人手术刷手和巡回护士，与手术机器人系统集成，可自动更换工具和分发各种手术用品，完善了远程移动手术室的全部功能。由于政治原因，DARPA 项目终止，SRI 远程临场感系统的知识产权最终被推销给风险投资家，并被直觉外科公司收购用于商业化。

三、首个远程机器人商业系统3.1 AESOP（自动内窥镜光学定位系统）

在 SRI 研发 “远程临场感” 系统的同时，1989 年王育伦博士创立了美国加利福尼亚州戈利塔的计算机运动公司。王育伦最终开发出自动内窥镜最佳定位系统（AESOP®），这是一种用于固定腹腔镜摄像机的机械臂。取得商业成功后，计算机运动公司又独立开发了 Hermes，然后是宙斯机器人手术系统。HERMES 系统是一种软件接口，可通过语音命令控制设备，提出了 “智能手术室” 的概念。计算机运动公司专注于 AESOP 机械臂的研究，该机械臂可通过语音命令在体内操纵内窥镜。外科医生在控制另外两只传统腹腔镜手臂或与 ZEUS 系统耦合时定位摄像机。该机械臂的开发是根据美国国家航空航天局的小企业创新研究（SBIR）合同进行的，美国国家航空航天局资助这些技术企业的衍生产品，旨在最终帮助宇航员远程维修轨道航天飞机。AESOP 始于 1994 年的 1000 型，这是世界上首个获得 FDA 批准的通用手术机器人。1996 年，计算机运动公司不断改进，直至推出 AESOP 3000 型。该公司采用 FDA 的 510K 流程而非 III 类批准，使其能更快推向市场，为未来竞争树立了先例。1998 年，《胸心血管外科杂志》发表文章，证明 AESOP 在微创二尖瓣修复中的可行性。AESOP 被 1000 多家医院采用，标志着机器人手术在全球影响力的开端。

AESOP （用于光学定位的自动内窥镜系统）

3.2 ZEUS 系统

1993 年，计算机运动公司开始研发宙斯手术机器人，1995 年首个原型问世，1996 年在动物模型上进行测试。该系统由 3 个 AESOP “手臂”（两个器械夹持器和一个摄像机夹持器）和一个控制手臂的手术控制台组成。1998 年，ZEUS 机器人手术系统首次对人类进行微创显微外科手术，包括内窥镜冠状动脉搭桥术（E - CABG）、输卵管再吻合术和心脏瓣膜手术等复杂手术。2000 年，ZEUS 可夹持 28 种不同的手术器械，2001 年获得 FDA 批准。2001 年 9 月，雅克・马雷斯科使用该机器人从纽约进行了首例跨大西洋远程腹腔镜胆囊切除术，患者在法国斯特拉斯堡，这是外科手术的一个重要里程碑。ZEUS 系统的主要缺点是机械臂体积大，限制了手术室空间，且套管针之间频繁碰撞。2003 年，计算机运动公司被竞争对手直觉外科公司收购后，ZEUS 系统停产，随后直觉外科公司开发了达芬奇手术系统。

Marescaux 博士在纽约为法国斯特拉斯堡的一名患者进行首例跨大西洋远程腹腔镜胆囊切除术

Zeus system in OR.（a） 外科医生控制台和 （b） 机械臂（来自 Lealghezzi 等人，2016 年

3.3 计算机运动公司与直觉外科公司之争

2000 年，计算机运动公司起诉竞争对手直觉外科公司，指控其侵犯了与机器人手术相关的专利。2000 年 6 月，直觉外科公司上市，2003 年 3 月 7 日，两家公司合并，部分原因是为了解决诉讼问题，同时也提高了技术的有效性和可用性。合并后不久，ZEUS 被淘汰，直觉外科公司的达芬奇系统取而代之。

四、直觉外科公司：从 Mona 到达芬奇（2000 年获得 FDA 批准）

1995 年，弗雷德里克・H・莫尔、约翰・德伦德和罗伯特・扬格创立了直觉外科公司，旨在开发完整的手术机器人项目，他们与 SRI 谈判获取其知识产权。1996 年，公司以名为 “Lenny”（以列奥纳多・达・芬奇命名）的原型机开始，并用于动物试验，但由于可视化和机械可靠性方面的限制，无法用于人体。随着原型机不断改进，以达芬奇主题命名，如 “Leonardo” 和 “Mona”，最终版本的原型机昵称为 “da Vinci”，成为最终的市场标签。“Mona” 原型机是具有控制控制台和独立可更换手臂的先驱机器人。1997 年 3 月 3 日，比利时圣布莱修斯综合医院的减肥外科医生雅克・欣彭博士和圭多・勒曼博士使用 Mona 进行了首例手术，即两台胆囊切除术。次日，马克・博西尔斯博士使用 Mona 创建了两个动静脉瘘。从 1997 年开始，开展了各种普通外科、妇科和泌尿外科手术，1999 年，直觉外科公司在等待美国 FDA 批准的同时，开始在欧洲销售该系统。2000 年，达芬奇手术系统获得 FDA 批准，可在美国进行腹腔镜腹部手术。1998 年 9 月 16 日，盖伊 - 贝尔纳・卡迪埃博士使用 Mona 进行了带束胃成形术，并在《肥胖手术》上发表报告，强调了机器人手术的安全性、可行性和人体工程学优势，尤其是在有限空间内。此时，该系统已改进为双目 3D 视觉，并使用第三只手臂操纵光学系统，但仪器更换耦合和设置困难仍是限制因素。1998 年，达芬奇在墨西哥、德国和法国进入人体试验，其改进包括可视化、运动范围的改善，最显著的是采用独立机器人，取代了将器械操纵器安装在手术台上的需求。使用该系统进行了胆囊切除术、nissen 胃底折叠术、二尖瓣修复术，最终还进行了冠状动脉旁路移植术。1998 年底，德国莱比锡心脏中心首次购买达芬奇，主要用于心脏手术。到 2001 年，在布鲁塞尔、墨西哥城和巴黎进行了 140 多种不同类型的机器人手术，包括心脏、减肥、妇科和泌尿外科手术。2000 年 7 月 17 日，达芬奇通过与计算机运动公司相同的 510K 加速流程获得 FDA 全面批准。2000 年，密歇根州底特律的瓦蒂库蒂研究所首次记录了机器人辅助前列腺切除术，与传统的开放性耻骨后入路相比，该手术失血减少、疼痛评分降低、住院时间缩短。达芬奇手术系统在泌尿外科和妇科手术中得到广泛应用，而非最初预期的心血管手术。尽管机器人手术在几乎所有外科领域都有发展，但在泌尿外科领域影响最大，在各种干预措施中得到广泛应用并取得优异成果，如单纯前列腺切除术、根治性前列腺切除术、部分肾切除术、活体供肾切除术和肾盂成形术等。德国的宾德完成了首例机器人根治性前列腺切除术，法国的阿布及其同事首次在文献中发表相关内容。吉约诺及其同事报告了首例肾切除术和机器人淋巴结清扫术用于前列腺癌治疗。自 2001 年首次发表一系列机器人辅助根治性前列腺切除术的患者报告以来，该领域机器人手术在泌尿外科手术中的应用急剧增加。2006 年和 2007 年，美国所有根治性前列腺切除术中分别有 42% 和 63% 采用机器人辅助，预计 2009 年这一比例将增至 85%。这些微创手术的微创性质可实现更高的精度、减少失血、缩短住院时间、降低发病率和缩短康复时间，同时保留功能和肿瘤学结果。此外，机器人手术的应用已从根治性前列腺切除术扩展到根治性膀胱切除术、肾切除术、部分肾切除术、肾上腺切除术和其他上尿路手术（肾盂成形术、输尿管再植术等），在小儿泌尿外科和普通外科应用中也有显著增长。

年

作者

手术

来自Leal Ghezzi， T.和Campos Corleta， O. （2016）。30 年的机器人手术。世界外科杂志，40（10），2550-2557。https://doi.org/10.1007/s00268-016-3543-9

五、新平台的现状与未来

触觉反馈和声音将增加现实维度，但挑战在于为手部 20 多个神经末梢提供感觉信息。例如，计算机判断 1 毫米的两点辨别和本体感觉，并将其展示给用户，是未来令人兴奋的研究方向。5G 无线网络将使信息传输更快，带宽和速度提高 100 倍，延迟显著降低至 1 毫秒，使远程手术更安全、距离更远。然而，由于当前系统中大多数操纵器的控制位于控制台，床边推车需要升级额外软件以适应远程手术。尽管当前 5G 系统使用区块链确保安全和达到 “7 个 9” 的可靠性，但通信网络的安全性和可靠性仍是必要考虑因素。机器人系统的单端口技术在美国已广泛应用，患者对相同手术留下更少疤痕的反应积极，不过此类微创癌症手术的长期结果仍在评估中。最后，人工智能处于前沿，将以独特方式集成到机器人手术系统中。

六、结论

机器人技术是一种前沿技术，为外科医生处理信息提供支持。它在泌尿外科手术中的应用广泛，学习曲线短，人体工程学优势明显，且效果优于其他方法。下一步是继续探索如何实现更好、更准确的解剖，以更紧密地满足患者的期望。

来源：医学镜界