没有触觉感的机器人输尿管软镜会有前途吗？

输尿管软镜是具有挑战性的技术。最近开发的机器人设备，可以显着弥补 FURS 的人体工程学缺陷。2008 年，Mihir Desai 报告了 Sensei-Magellan 系统的机器人输尿管软镜检查（Avicenna Roboflex™ ），其由控制台和输尿管软镜操纵器组成。控制台提供一个带扶手的可调节座椅和两个操纵内窥镜的操纵杆；右轮可实现类似于任何标准输尿管肾镜手柄的偏转。左操纵杆允许旋转以及推进和缩回瞄准镜。首批临床研究可以证明该设备的安全有效应用，并显着改善了医生的人体工程学。

     自上世纪末以来，随着视频内窥镜技术的不断改进、物理原理的实现，甚至机器人辅助手术的引入，微创手术取代了开放手术，实现了多种适应症。在上世纪末，体外冲击波碎石术 (ESWL) 通过取消开放手术和减少使用泌尿外科技术，如输尿管镜 (URS) 和经皮肾镜取石术 (PCNL) 来主导的治疗策略。随后的发展，尤其是逆行肾内手术 (RIRS) 技术的发展，通过不断改进泌尿外科设备和仪器的小型化所实现。然而，输尿管软镜（FURS）/逆行肾内手术在取石、激光分解或提取碎片过程中受到人体工程学缺陷的限制，主要在治疗多枚结石或较大的肾结石时可能会变得麻烦，甚至可能导致泌尿科医生出现骨科问题。基于在腹腔镜手术，以及最近在心脏病学和介入放射学方面的积极经验，几个小组专注于 RIRS/FURS 机器人设备的实用性和进一步开发，以克服大多数此类方法障碍（表1）。在本章中，我们将重点关注机器人辅助输尿管软镜的实际发展，包括视频内窥镜、内窥镜设备和术中导航的技术演变。

表 17.1 外科手术中最重要的机器人设备概述

一、机器人手术器械发展历史更新

机器人手术器械的新发展需要对用于腹腔镜手术的机器人设备进行简短的历史回顾，因为它彻底改变了视频内窥镜手术，尤其是泌尿外科（表1）。早在 1996 年，Buess 和 Schurr 等人开发了 ARTEMIS 系统，并展示了第一个实验结果，当时在实验模型中成功进行了远程手术腹腔镜胆囊切除术（图1a）。然而，尽管在腹部和心脏手术中进行了各种有希望的实验性试验，但该设备从未超出实验状态。

图 1 用于腹腔镜手术的机器人设备的历史。( a ) ARTEMIS：第一个用于实验的主从系统。开放式控制台，带偏光眼镜的 3D 视频技术。( b ) ZEUS：第一个临床使用的用于腹腔镜冠状动脉血运重建的机器人系统。开放式控制台，仪器只有 5° 的自由度 (DOF)。带头盔或 2D 视频的 3D 视频技术。( c ) dA Vinci XI：用于跨学科使用的上一代机器人系统的控制台。采用 3D 高清视频技术的在线视图，适用于所有仪器的 7 DOF。( d )达芬奇十一世：四臂系统，望远镜可以通过每个端口插入。手术台 (Trumpf Medical) 可以在不脱离机器人的情况下移动。将机器人集成到新的 OR-1 系统 (Karl Storz) 中。

    基于声控摄像臂 的AESOP，ZEUS 系统（Computermotion Inc.，Goleta，CA，USA）已被开发并用于心脏手术和妇科手术。ZEUS 系统（图17.1b）基于一个控制单元和三个遥控机械手的组合。手臂用手安装在手术台的导轨上。外科医生坐在一个带扶手的高背椅的开放式控制台上，操作着仪器控制器。ZEUS 最令人印象深刻的演示是由 Marescaux 开创的跨大西洋腹腔镜胆囊切除术（Lindbergh 程序）。与 ZEUS 平行，达芬奇手术系统（Intuitive Surgical，美国桑尼维尔）最初也是为机器人辅助冠状动脉手术而设计的。2000 年，Binder 在法兰克福率先开展了第一个机器人辅助根治性前列腺切除术。2001 年，梅农等人在泌尿外科机器人辅助技术取得突破性进展，建立临床应用方案。随后，FDA 批准将该系统用于前列腺手术。da Vinci 2000 通过引入 Endo-wrist™ 技术，充分解决了传统腹腔镜检查的大多数人体工程学问题，例如深度知觉有限、手眼协调和运动范围。da Vinci 提供了一个封闭式控制台，提供了一个具有在线视图的 3D-CCD 视频系统。由于离合器机构，具有多达七个自由度和环状手柄的电缆驱动仪器实现了符合人体工程学的工作位置和具有 7°自由度的仪器。在过去的十年中，该公司推出了更精细的系统，例如 da Vinci SI、X 和 XI（图17.1c、d），这些系统现在代表了非常高的标准。

二、输尿管软镜的人体工程学缺陷

外科医生通常站立，并且必须通过脚踏板控制透视和激光设备，同时用一只手固定内窥镜的位置，并用另一只手偏转/旋转它（表2）。此外，助手需要插入激光光纤或任何辅助仪器（取石篮、N-gage）。在此过程中，外科医生和助手的工作空间非常有限。因此，机器人设备的目标还应主要充当主从系统，试图通过提供符合人体工程学的工作位置和减轻内窥镜的操作来帮助外科医生，同时不会增加损坏泌尿生殖系统的风险。

表 2  经典输尿管输尿管软镜 (FURS) 在肾内结石治疗期间的人体工程学要求

三、机器人输尿管软镜系统的历史发展

机器人系统的发展不仅限于腹腔镜术（表1）。此外，对于神经外科、NOTES、介入放射学、心脏病学和泌尿外科，已经开发了多种机器人设备。

（一）Sensei-Magellan 系统

2008 年，德赛等人首先报道了使用 Sensei-Magellan 系统（Hansen Medical，Mountain View，USA）的机器人输尿管软镜检查，该系统原专为心脏病学和血管造影而设计。该设备具有不同的组件：一个开放式控制台，提供带扶手的椅子和一个控制插入导管移动的操纵杆。控制台为透视和内窥镜图像提供两个屏幕。机械臂由电机驱动以操纵软镜。电子机架包含计算机硬件、电源和视频分配单元（图2a）。

图 2 Sensei-Magellan 系统（Hansen Medical，Mountain View，美国）。( a ) 专为血管造影和经血管心脏介入而设计的主从系统。（b）在机器人输尿管软镜检查期间，使用操纵杆模拟内窥镜和透视图像打开控制台。( c ) 控制台上的操纵杆控制软镜的偏转和旋转。( d ) 机械臂上覆盖着无菌布帘，安装在手术台上（此处在血管造影期间）。

机器人输尿管软镜系统由外鞘 (14/12F) 和内镜 (12/10F) 组成。对于机器人 FURS，将 7.5F 光纤输尿管软镜插入，并固定在内导管导管中。因此，导管系统的远程操作可操纵输尿管镜尖端（图2b）。外鞘的尖端位于输尿管肾盂交界处，以稳定集合系统内内导板的导航（图2c）。在这个系统中，输尿管镜只是被动操作，因为原机械臂主要是为介入放射学设计的（表3；图2d）。连续第18 次治疗后，该项目已停止。

表 3 Sensei™ 和 Roboflex™ 的人体工程学特性比较

（二）Roboflex 阿维森纳原型

自 2010 年以来，ELMED（土耳其安卡拉）正在开发一款专为 FURS 设计的机器人。Roboflex Avicenna被开发用于执行输尿管软镜检查，为 FURS 提供所有必要的功能。原型包括一个带有集成平面屏幕的小型控制台和两个用于移动内窥镜的操纵杆，内窥镜由机械臂（机械手）的手持件固定。这个基本的设计没有改变；然而，在进一步的开发过程中，已经完成了几项重大改进，包括功能屏幕的尺寸和设计，控制内窥镜旋转和偏转的操纵杆设计，内窥镜偏转的微调和机械手的旋转范围（表3）。实际上，Roboflex Avicenna 代表了唯一一款专为输尿管软镜而开发的机器人。该设备自 2013 年起获得 CE 标志，FDA 正在审批中。

（三）Monarch平台

2018年3月，Monarch平台首次应用于机器人支气管镜临床案例。该系统利用常见的内窥镜检查程序将软镜，插入人体内部难以触及的位置（表1）。接受过该系统培训的医生在 3D 模型的帮助下，使用视频游戏式控制器在内部导航。与 Sensei-Magellan 系统一样，该技术基于使用两个机械臂（一个用于外部，一个用于内窥镜）来推进和缩回内窥镜的外鞘控制。然而，Monarch 平台还允许软镜体的额外运动到达支气管系统的小远端分支。集成了灌注系统。该设备的另一个主要特点是集成了 CT 成像来指导活检。当然，在不久的将来，同样的技术可能会用于输尿管软镜检查。

（四）阿维森纳 Roboflex 的临床经验

1.设备设计

该机器人由一个开放式控制台和输尿管软镜操纵器组成。该机械手驱动器利用自身机制（图3a）。为此，必须将内窥镜手柄直接连接到专门设计的机械手主板上（图3b）。微电机移动手柄的转向杆，以在多个运动范围内进行偏转。机械臂可实现输尿管镜的双侧旋转、推进和缩回。此外，机械臂的高度可以根据患者的体型进行调整。实际上，有三个可更换的母板可用于三个数字输尿管软镜（Karl Storz Flex X2；Olympus URF-V2；Wolf Cobra/Viper digital）。

图 3 Avicenna Roboflex 系统（ELMED，安卡拉，土耳其）。（a）带有数字输尿管软镜（Flex XC，Karl Storz，Tuttlingen，Germany）手柄的机械臂固定在主板中，并且在进入输送鞘之前由一或两个稳定器支撑的柔性部分。( b ) 更换主板（即使用一次性装置时）。( c ) 开放式控制台，带有用于旋转和插入/缩回的精密左手操纵杆和用于偏转的微调右手轮。用于激光激活、灌注和微调运动的触摸屏功能。( d ) 显示数字内窥镜图像和内窥镜轴和偏转图形信息的集成屏幕。

机械臂的所有功能都在控制台上控制，提供一个带有两个扶手和两个集成脚踏板的集成可调座椅，用于通过气动踏板控制器激活透视和激光碎石机（图3c）。控制台上的控制面板由触摸屏功能使用。集成高清监视器显示内窥镜图像和有关输尿管镜在集合系统中的位置的所有信息（图3d）。可以在控制面板上微调柔镜导航的所有主要操作，例如范围为 150 毫米的水平移动（= 内窥镜的插入/收回）、双边旋转（每侧 220°）和偏转范围（每侧 262°）。为此，左手控制一个专门开发的水平操纵杆，而右手使用一个轮子进行偏转。内窥镜导航的所有数字参数均显示在控制面板和高清屏幕上。偏转可以根据欧洲和美国的设置进行调整。此外，冲洗液的注入速度可以与激光纤维的电动插入和收回一起调整。

2.手术技巧

在手术过程中，机器人手臂被无菌塑料布盖住，无菌布操作与患者的麻醉平行完成。通常使用带有亲水涂层的 12/14F 输送鞘（35 到 45-55 厘米；屈肌平行，Cook-Medical，Daniels Way，美国）能够放置安全导丝（专家镍钛诺导丝 0.35i × 150 cm, IMP, Karlsruhe, Germany) 平行于鞘。输送鞘的位置应位于 UPJ 下方 1 cm（图17.4a），以允许输尿管镜具有足够的灵活性。通过激活每个外科医生的记忆设置来安排座椅和扶手的位置后，输尿管镜被手动插入输送鞘并由一个或两个稳定器固定（图3a））。机械手的最终放置取决于结石的位置和患者的体型。然后机械手的制动器被锁定。

图 4 机器人辅助输尿管软镜检查期间的结石治疗。（a）手术前的透视（Siemens Lithoskop，Erlangen，德国）。输送鞘必须位于输尿管肾盂交界处下方 1 cm 处，以最大程度地减少在偏转过程中对内窥镜造成伤害的风险。( b ) 激光碎石术期间的透视检查以验证内窥镜的位置。（c）使用除尘模式（钬-YAG 激光；0.5 J，15 Hz）的碎石术期间的数字内窥镜图像（3 倍放大）。（d）使用 N-Gage 篮（Cook-Medical，Daniels Way，美国）提取碎片期间的内窥镜图像。机器人将助手与外科医生分开。内窥镜放置在接近鞘的远端，水平值为 50 mm。短期数字透视用于确定结石和器械的实际定位（图4b）。

一旦内窥镜到达肾盂，就需要根据肾轴旋转内窥镜。然后，对整个收集系统进行系统检查。当结石被可视化时，内窥镜需要缩回并稍微拉直（<70°）以确保激光纤维的安全插入。可选地，Roboflex™ 提供记忆功能，一旦插入激光纤维并在内窥镜下可视化尖端，就可以将内窥镜引导到其先前的位置。但是，随着经验的增加，没有必要使用此功能。基本上，可以使用任何钬-YAG 激光器，但我们强烈建议使用允许在低能量水平上应用更高频率的激光器，例如 Lumenis Pulse 120（Lumenis，Yokneam，以色列）或 Sphinx Jr.（LISA 激光产品，Katlenburg ，德国）具有足够的小口径激光光纤（200–270 μ-光纤；Slimline™、Rigifib™）。激光诱导碎石术的启动优选旨在通过激光纤维尖端在毫米范围内的曲折状运动（图4c）粉碎或“粉末化”结石（0.5 J，15 Hz））。较小的纤维尺寸允许范围充分弯曲，而不会降低结石粉末化或碎裂的功效（1.2 J，10 Hz）。一旦碎裂进展，增加能量可能有助于应用“爆米花效应”来精细分解碎片，类似于体内冲击波碎石术（图4d）。

如有必要，引入无尖端取石篮或其他类似取石钳的装置（即 N-gage™，Cook）来取出碎片。在这里，控制台的外科医生与床边的助手的分离非常有帮助（图4d）。一旦碎片被截留，内窥镜就会被驱回。在此，内窥镜尖端沿水平轴的位置的数字演示非常有助于预测碎片何时到达通路鞘的远端。当碎片被拉入鞘中时，助手将输尿管镜与远端稳定器断开并取出结石。治疗的终点代表基于内窥镜检查的无结石状态，分别剩余小于 2 毫米的结石碎片。然后，在内窥镜检查下取出输送鞘并放置双 J 型支架。通常将支架用绳子粘在 Foley 导管上，以便在第二天早上取出。

3.临床研究

该设备的临床引入是根据手术创新阶段的 IDEAL 系统（构思、开发、评估、评估、长期研究）完成的。。在安卡拉对原型进行的首次研究能够证明该设备的安全性。下一步骤表示的多中心监考研究，其中7名经验的外科医生治疗的81名患者（平均年龄42，范围6-68）与肾结石（平均体积+/- 1296 544，范围432-3100毫米3）在一个观察性研究（IDEAL阶段 2) 由参与设备开发和临床引入的泌尿科医生 (RS) 监督。在这项研究中，可以通过使用经过验证的问卷（表4）来验证 Roboflex™ 对人体工程学的积极影响。

在两个欧洲中心（安卡拉、海尔布隆）收集 266 名患者的数据的多中心 2 期研究中评估了该设备在现实生活场景中的功效。可以再次证明该系统的安全性和有效性，其结果与最初的研究进行比较，机器人的对接时间更长（4：1 分钟），而可视化结石的时间相似（4 ：3.7分钟）。根据较大的结石体积（1620 ：1300 mm 3），控制台时间更长（96 ：53 分钟）。此外，能够证明可以安全将辅助技术成功地应用FURS，例如激光粉末化碎石、使用爆米花效应和提取更大的碎片。在这种情况下，Avicenna Roboflex™ 被证明是稳健的，只有两次技术故障需要转换为经典 FURS。外科医生的辐射暴露可以显着减少。总之，能够轻松地将这些设备集成到我们的日常生活中。最近，Geavlete 等人提出了一项 3 期研究，比较了 132 名患者的机器人辅助与经典 FURS。治疗时间（51 分钟对 50 分钟）和碎裂时间（37 分钟对 39 分钟）相似，但无结石率（92.4 对 89.4%）有利于机器人的方法

四、泌尿外科机器人辅助

在过去的 15 年中，机器人辅助手术在泌尿外科腹腔镜手术中获得了既定且不可逆转的作用。仅在 2016 年，全球达芬奇系统的安装量就增加了21%，达到 2500 多台，机器人手术量猛增 25%，达到 450,000 多台，主要用于泌尿外科、妇科和内脏外科。机器人辅助手术的主要优点包括人体工程学的显着改善，这使得腹腔镜技术的广泛应用具有可接受的学习曲线。机器人系统的使用并不仅限于腹腔镜手术。还有其他来自胃肠病学、心脏病学、介入放射学、神经外科和泌尿外科的例子。在泌尿外科中，第一个临床应用试图修改专为心血管干预设计的 Sensei-Magellan 系统，以执行机器人辅助的输尿管软镜检查。在该系统中，外科医生坐在开放式控制台前，操纵通常用于通过使用操纵杆进行经血管心脏内介入手术的可操纵软管（图2a）。远程操纵系统（Omega X，Force Dimension，Nyon，瑞士）操纵设备的鞘和内镜。要操作输尿管软镜，必须将器械尖端粘在内部导向器上。这意味着输尿管镜只能被动操作，并且没有使用其自身的偏转机制。这样的系统可能对经血管机器人房颤消融或任何基于导管的血管造影术非常有用，但事实证明它不足以用于 FURS。

新的 Monarch™ 系统（Auris，美国）最近得到了大力推广。它是为支气管镜而开发的，但该公司在不久的将来也看到了其他软性内窥镜（即 FURS/RIRS）的应用。有趣的是，该设备似乎基于一些原理工作，例如 Sensei-Magellan™，而不使用支气管镜的机械原理。唯一的区别是外科医生不使用操纵杆，而是通过类似于电脑游戏的手持键盘来控制设备。两个手臂有一个集成的电缆驱动系统，带有类似于达芬奇设备的小轮子。这使得内镜或鞘的尖端能够灵活移动。臂的接近导致内镜的推进。没有集成特定的功能（即激光纤维的移动和激活）。因此，目前尚不清楚 Monarch 是否真的适用于机器人辅助的输尿管软镜检查。

五、机器人 FURS 的重要功能

Avicenna Roboflex 专为 FURS /RIRS 开发。对于机器人辅助的输尿管软镜检查，特定的技术特征很重要，例如数字内窥镜尖端的芯片视频技术、内窥镜的轻松操作以及激光和透视的激活。Roboflex 通过对手持件的运动进行数字控制来使用内窥镜的机械功能。这样的系统需要是通用的。可更换的主板允许使用不同种类的数字输尿管镜，包括一次性设备。也可以使用任何钬-YAG激光碎石机，激光控制装置采用任何激光纤维。这个概念的主要优点代表了包括视频技术在内的所有输尿管软镜的新发展，特别是输尿管镜导航的两个操纵杆在开发阶段得到了显着改进。任何必要的运动（插入、收回、旋转、偏转）都可以根据临床情况进行微调。旋转范围超出了经典 FURS（最大 120°）的人工能力。在机器人辅助偏转期间，轮动 10° ，会导致尖端偏转 3°，而使用同一内窥镜的拇指手动使用时会导致 60°偏转。

六、机器人 FURS 的学习曲线

引入手术机器人主要是为了改善微创手术的人体工程学。这可以缩短手术的学习曲线，并提高手术的质量和结果。三分之一的泌尿科医生报告了经典 FURS 期间的手腕和其他人体工程学问题。这反映在最近发布的比较经典与机器人辅助 FURS 的经过验证的问卷中。Avicenna Roboflex™ 提供了一个合适的平台，显着改善了人体工程学（表4）。

在对训练模型进行简短介绍后，与他们自己发表的一系列经典 FURS 相比，所有 7 位外科医生都能够在合理的时间范围内安全地执行机器人辅助的 FURS。同样在涉及更多外科医生的第二项研究中，学习曲线很短（最多五个案例）。当然，与腹腔镜前列腺癌根治术相比，逆行肾内手术并不复杂，特别是在小结石的情况下，可以使用镍钛合金篮取出结石。另一方面，该装置的引入为外科医生提供了一个安全且不费力的环境。基于此，我们能够将 FURS/RIRS 的适应症扩展到更大的肾内结石，从而减少体外冲击波碎石术和经皮肾镜取石术。这也意味着患者和外科医生的辐射暴露显着减少。

七、窥镜使用寿命的影响

     次优的人体工程学可能是 FURS 性能不完美的原因之一，主要是在复杂的情况下，导致需要第二次治疗和频繁修理内窥镜。凯里等人报告称，在初次修复新的输尿管软镜之前，使用 40 至 48 次的单个三级中心的损坏率为 8.1%。维修的主要原因是错误的激光发射 (36%) 和扭矩过大 (28%)。从理论上讲，Roboflex™ 中包含的功能，例如使用记忆功能仅在瞄准镜的直线位置插入激光纤维、逐步电动推进激光纤维和力控制（最大 1 N/mm 2) 范围的偏转，应该有助于延长输尿管肾镜的使用寿命。然而，该设备在现实生活中的使用证明了内窥镜破损的各种因素，例如器械消毒和清洁过程中处理不当或芯片技术故障。并非所有这些都可以通过使用机器人来避免。此外，卫生安全标准变得更加严格。不再允许使用 Cidex 灭菌。因此，工作通道的最小泄漏可能需要对内窥镜进行彻底的维修更换。另一方面，事实证明，Roboflex™ 在超过 300 个案例后只需要更换一次主板的临床路由中非常强大。

八、设备的局限性：成本讨论

     显然，一直有人批评使用机器人进行 FURS。这涉及不必要的成本、机器人炒作和设备的最终功效问题。很明显，机器人的主要优势是促进结石的分解和提取，在经典 FURS 中，最符合人体工程学的限制存在（表2）。因此，在最近使用简单的内窥镜导航模型进行的体外研究中，可以证明这些技术之间没有显着差异也就不足为奇了。。该设备的一个可能限制可能是缺乏触觉反馈。与我们使用达芬奇机器人的经验类似，在机器人 FURS 的性能主要基于所用数字内窥镜的卓越图像质量的过程中，缺乏触觉反馈并没有被证明是个问题。然而，与经典 FURS 类似，必须遵循某些指导原则：(i) 我们建议将导丝平行于鞘管放置，(ii) 输尿管镜在进入收集系统时不应预装激光纤维，以及 (iii) ) 输送鞘应放置在 UPJ 下方 1 厘米处（图4a）。外科医生始终可以在屏幕或控制台上观察内窥镜偏转的方向和角度。这必须与内窥镜图像一致，以最小化对粘膜和/或器械造成损坏的风险。

    与所有手术机器人一样，也有关于成本的讨论。机器人系统可能的财务收入包括内窥镜的耐用性更长、操作时间更短、二次手术更少。实际上，像达芬奇系统这样的患者并没有对根治性前列腺切除术的需求。应考虑外科医生的人体工程学优势和减少辐射暴露，但与其他机器人系统类似，没有经济利益。另一方面，与达芬奇不同的是，Avicenna Roboflex 代表了一项单一投资，不会产生更多成本（即仪器）。此外，与 PCNL 相关的 FURS / RIRS 的充分报销可能有助于设备的分发。未来的研究必须更多地关注这些问题。

    尽管它的应用越来越多，但 FURS 可能代表一种具有挑战性的技术，尤其是在复杂的情况下。机器人系统已经开发和测试。Avicenna Roboflex™ 为机器人 FURS 提供了一个合适、安全和坚固的平台，显着改善了人体工程学。然而，未来的研究对于评估机器人 FURS（IDEAL 阶段 3）的最终作用是必要的。