目前人工智能在機器人系統主要分為腔鏡手術機器人系統及腔內機器人導航系統兩類。腔鏡手術機器人系統能有效縮短血管旁路術中的血管吻合及血管阻斷時間，而腔內機器人導航系統具有良好的定位及實時觀測功能，且在通過復雜病變及特殊解剖位置時具有顯著優勢。高昂費用及復雜冗長的設備調試過程是限制機器人系統廣泛應用的主要因素。以機器人系統為代表的人工智能在血管外科領域具有明顯優勢及廣闊前景，但仍需要更多研究改善其不足和進一步明確其標準術式及遠期療效。
引用本文： 曾國軍, 王家嶸, 趙紀春. 人工智能機器人在血管外科技術發展中的作用. 華西醫學, 2018, 33(6): 762-765. doi: 10.7507/1002-0179.201805113 復制
近年來隨著微創治療技術在多個外科領域的應用與發展，手術患者圍手術期死亡率與嚴重并發癥發生率均有所下降，使更多無法承受傳統手術創傷的患者獲得更大的收益。21 世紀，以機器人系統為代表的人工智能輔助手術系統應運而生并逐漸應用于臨床，并在普通外科、泌尿外科等多個領域斬露崢嶸。目前輔助機器人系統主要分為腔鏡手術機器人系統和腔內機器人導航系統。在血管外科領域，腔鏡手術機器人系統主要應用于腔鏡下的血管吻合方面并表現出顯著優勢，而腔內機器人導航系統也逐漸開始應用于血管腔內治療。本文就輔助機器人系統在血管外科領域的應用及前景進行綜述。
1 血管外科領域現有機器人系統
1.1 腔鏡手術機器人系統
近年血管外科領域比較成熟的兩種腔鏡手術機器人系統分別為達芬奇（da Vinci，美國 Intuitive Surgical 公司生產）和宙斯（Zeus，美國 Computer Motion 公司生產）[1]。由于 Computer Motion 公司被 Intuitive Surgical 公司收購，宙斯手術機器人系統現已停產，只剩下達芬奇手術機器人系統廣泛應用于腹部外科[2]。達芬奇系統主要由 3 個部分組成：① 三維成像視頻系統；② 術者的操作主控臺；③ 機械臂組成的床旁手術平臺。成像系統擁有雙光源及雙攝像裝備，因而能產生穩定的高清三維立體圖像，并可放大 6～10 倍[3]。術者術前檢查系統設置后，在主控臺前通過三維視覺系統和動作定標系統進行操控，術者手臂、手腕和手指的動作通過傳感器記錄在智能終端，同步翻譯給機械臂并完成相關操作。此外，術者還可通過腳踏板進行鏡頭位置控制、焦距調節、電凝和手柄復位等操作。床旁手術平臺包含 3～4 個交互式機械臂，其中 1 個機械臂與腹腔內鏡連接，另外 2～3 個機械臂為操作臂，每個操作臂均配備擁有 7 個活動度（上、下、前、后、左、右及旋轉）的機械手，其通過不同控件模擬人手活動，進行鉗抓、分離、縫合等手術操作。
1.2 腔內機器人導航系統
目前已開發出 3 種工作原理不同的腔內介入手術機器人系統：基于機電原理的 Sensi 機器人導航系統（Sensei robotic navigation system，美國 Hansen Medical 公司）、磁力機器人導航系統（Niobe magnetic navigation system，美國 Stereotaxis 公司）[4]和超聲定位機器人導航系統（ultrasound-based localization system，ULS）[5-6]。Sensi 機器人的遠程導管控制系統是為方便遠程腔內介入導航而研發，由醫生工作站、遙控導管控制器和可操縱的指引導管（Artisan，美國 Hansen Medical 公司）組成。移動性醫生工作站設在遠離患者及輻射源的地方，包含操作主控臺、顯示器和直覺運動控制裝置，其本質是是一個三維手動操縱桿。醫生的操作可通過內傳感器進行數據轉換后傳輸至主控智能終端，經過數據處理后再傳輸至遙控導管控制器，最終將醫生的操作投射在遠程導管上。現有的 Sensi 腔內機器人導航系統通常裝備的遙控導管有 2 種：配備 14F 鞘的 8.5F Artisan 導管（美國 Hansen Medical 公司）[7-8]以及配備 9.6F 鞘的 6F NorthStar 指引導管[9]。NorthStar 指引導管擁有獨立的轉矩控制器并能通過機器人導絲操控器調節傳統親水性導絲[9]。Artisan 導管同樣是一種特制的指引導管，鞘和導管之間內置控制線，機器人通過操縱控制線來調整導管末端角度，導管比鞘長 10 cm 并擁有 270° 的彎曲幅度。
磁力機器人導航系統工作原理是基于 2 臺計算機控制的 0.08 T 永久磁鐵產生的磁場對導絲導管的控制。改變磁鐵組的方向和強度，相應磁場的方向發生改變，使得尖端裝有磁鐵的導管得以接受操控。目前有 2 款不同的磁力機器人導航系統：StealthStation TREON Plus （美國 Medtronic 公司）以及 Aurora （加拿大 Northern Digital 公司）。他們可裝備擁有 120° 彎曲幅度的 7-8F 選擇導管或消融導管，使用特定的 0.014 英寸的冠狀動脈導絲（美國 Stereotaxis 公司）。該導絲尖端同樣置入磁鐵組分，為非親水性，不具有記憶效果，質地比大多數常用導絲更軟。近期另一款新型的磁力腔內介入導航系統 Maxwell（美國 Engineered Magnetics 公司）已被研發，該系統擁有 8 塊電磁鐵，因此在臨床應用中更順暢，不會因旋轉和調整磁鐵方向而浪費時間，并且擁有更加穩定的磁場。
ULS 系統主要由 3 個部分組成：① 導管頭端配有 3.5 MHz 壓電超聲傳導器的腔內介入器械；② 患者體表安置的超聲波傳感器；③ 與術前血管三維重建 CT 圖像相融合的導航軟件及計算機處理終端。但目前該 ULS 系統尚未投入臨床使用，由于目前僅開發出一款 9F ULS 導管剛在試驗中完成驗證。當 ULS 系統與傳統腔內治療完成交互，將會碰撞出更多的火花，因為配有超聲發生器的導管能實時觀測入徑血管情況并作出及時調整，大大減少了血管損傷的幾率并能一定程度上縮短手術時間[6]。
2 腔鏡手術機器人在血管外科的應用
2.1 臨床效果
世界上第 1 例機器人輔助的腔鏡主動脈手術于 2002 年由 Wisselink 等[10]報道，他們應用宙斯機器人系統重建了主動脈-雙側股動脈旁路術的近端主動脈吻合口。在系統檢索了現有文獻后，筆者發現目前腎下主動脈病變中機器人輔助的腔鏡血管手術均為病例報告或病例分析，其中大部分聚焦于主動脈相關血管吻合[10-19]。在現有 183 例患者中，宙斯機器人和達芬奇機器人分別輔助完成了 15 例和 168 例，其中包含 149 例主-髂動脈閉塞病變、27 例腹主動脈瘤、3 例髂總動脈瘤和 4 例其他病變。總體中轉開腹率在 3%～20%，大多由于機器人系統本身問題或腰動脈出血難以控制。此外，圍手術期報道了 1 例因心肌梗死導致的死亡，使得機器人輔助下腔鏡血管手術總體死亡率為 0.5%。目前研究中唯一一篇比較傳統腔鏡和機器人輔助下腔鏡主動脈手術的研究結果顯示，機器人輔助組完成血管吻合比傳統組更快，但由于系統操作的復雜性，整體手術時間卻更長[17]。除主動脈病變外，機器人輔助腔鏡手術還在其他復雜血管重建問題中得以應用，例如腎動脈瘤全切及腎動脈重建[20]、脾動脈瘤重建[21]、腹主動脈瘤腔內修復術后持續Ⅱ型內漏[22]及胸腹主動脈瘤雜交手術中內臟動脈的重建等[23]。
2.2 優點與不足
最初機器人輔助腔鏡技術應用于腎下腹主動脈瘤人工血管置換術的動物模型時[1]，其在血管吻合方面的療效就已經得到體現。如今，雖然機器人輔助腔鏡手術尚未廣泛應用于血管外科，但其在血管吻合方面的良好效果在人體中已得到證實。與傳統腔鏡手術相比，機器人輔助手術擁有更短的血管吻合及主動脈阻斷時間和更小的出血量[17]，提高了手術成功率，降低了術后并發癥發生率。此外，機器人系統能提供高清三維立體圖像，與傳統腹腔鏡二維圖像相比，克服了人眼的視覺極限，具有良好的景深；手眼協作功能、動作定比縮放技術以及顫動過濾技術更有利于術者進行精細操作；并且術者在主控臺進行操作能減少體能消耗和疲勞感，有利于長時間集中精力完成復雜手術操作。然而，機器人輔助腔鏡技術仍存在諸多問題限制其在血管外科領域的廣泛應用。高昂的系統費用及年維修保養費用是阻礙其廣泛推廣的主要因素，同時較長的學習曲線及標準操作者的培養及訓練體系的不成熟也導致相應技術僅限于部分中心。此外，觸覺反饋缺失同樣為術中解剖分離和止血帶來了挑戰[24-25]。同時，術中可能出現的機械故障是中轉開放手術的主要原因。盡管血管阻斷及血管吻合時間明顯縮短，但前期機器人系統安裝及調試過程復雜，全程手術時間反而相對增加。
3 腔內介入機器人
3.1 臨床效果
在現有腔內導航機器人系統中，文獻報道主要關注 4 種不同系統，包括應用磁力導航的 StealthStation 與 Aurora，超聲引導定位系統及 Sensi 機器人導航系統。目前應用 Aurora 系統的研究比 StealthStation 系統更廣泛，不僅局限于單純的導航精確性，還擴展到導絲導管交換體系及覆膜支架的釋放。可惜的是，Aurora 相關臨床研究并未顯示磁力導航系統在手術時間及輻射劑量上有所降低[8]。與磁力導航系統相比，最近研發的超聲定位導航系統基本能適應所有器械并能提供高精確度的導航軌道，但目前尚未有臨床證據支持這一新技術。與這 3 種導航系統相比，Sensi 機器人導航系統雖工作原理相差較遠，但都共用相似的評分指標：穿通時間、IC3ST（Imperial College Complex Cannulation Scoring Tool）分數和操作嘗試次數。多篇文獻報道顯示和傳統介入技術相比，不論穿通難度各異，Sensi 機器人系統的應用能大大減少穿通時間[26-28]。其中相差最大的是在髂動脈嚴重扭曲的患者中穿通時間從 17.7 min 減少為 2.8 min[26]。IC3ST 分數是一種評價導絲導管操作技術、引發斑塊脫落或夾層風險、血管成功穿通、總體時間、流程順暢程度的綜合評分體系。IC3ST 涉及多個版塊，每個版塊滿分 5 分，總分 35 分。目前僅有 Sensi 和 StealthStation 系統相關研究運用了 IC3ST 評分進行評價，結果顯示僅有 Sensi 機器人系統能顯著提升 IC3ST 分數[27-28]。此外，對于需要超選進入主動脈分支時，Sensi 機器人導航系統能大大降低操作嘗試次數，從而能減少手術時間及輻射劑量[9]。
3.2 優勢與不足
由上可見，Sensi 機器人導航系統尤其適用于復雜的腹主動脈瘤腔內修復術，如開窗或分支支架腹主動脈瘤腔內覆膜修復術，因其需要大量超選及穿通技術。機器人導航系統在提高整體操作評分及縮短困難操作時間的同時，也存在機器人系統及一次性專配導絲導管購置費用昂貴、缺少觸覺反饋以及相關軟件調試時間過長等不足之處。因此對于常規腹主動脈瘤腔內修復術而言，腔內機器人導航系統的優勢便顯得有些雞肋。若腔內介入機器人想成功投入臨床使用，須解決以下問題：① 大量不同規格型號的導絲導管、覆膜支架及傳感器需要市場適配；② 最好能在同一個窗口中同時獨立追蹤導絲、導管及覆膜支架并進行導航；③ 機器人軟件需容易使用并縮短設置及調試時間；④ 在手術過程中能快速交換導絲導管；⑤ 機器人系統及專配一次性導絲導管的價格需進一步下調。只有當以上問題能得到妥善解決時，機器人導航系統才可能廣泛應用于血管外科手術中。
4 展望
目前以機器人系統為代表的人工智能已在動物模型以及部分血管外科手術中小試牛刀，受到越來越多學者的關注。腔鏡手術機器人系統能提供更精細的顯微血管吻合效果，而腔內機器人導航系統能縮短復雜主動脈病變中超選進入分支血管的時間。但在展現優勢的同時，機器人系統也因高昂的費用及復雜的軟件調試過程在臨床應用中受到限制。在未來需要更多研究去改善目前機器人系統存在的不足之處，而其標準化術式以及遠期療效仍需要大量臨床試驗的探索。
近年來隨著微創治療技術在多個外科領域的應用與發展，手術患者圍手術期死亡率與嚴重并發癥發生率均有所下降，使更多無法承受傳統手術創傷的患者獲得更大的收益。21 世紀，以機器人系統為代表的人工智能輔助手術系統應運而生并逐漸應用于臨床，并在普通外科、泌尿外科等多個領域斬露崢嶸。目前輔助機器人系統主要分為腔鏡手術機器人系統和腔內機器人導航系統。在血管外科領域，腔鏡手術機器人系統主要應用于腔鏡下的血管吻合方面并表現出顯著優勢，而腔內機器人導航系統也逐漸開始應用于血管腔內治療。本文就輔助機器人系統在血管外科領域的應用及前景進行綜述。
1 血管外科領域現有機器人系統
1.1 腔鏡手術機器人系統
近年血管外科領域比較成熟的兩種腔鏡手術機器人系統分別為達芬奇（da Vinci，美國 Intuitive Surgical 公司生產）和宙斯（Zeus，美國 Computer Motion 公司生產）[1]。由于 Computer Motion 公司被 Intuitive Surgical 公司收購，宙斯手術機器人系統現已停產，只剩下達芬奇手術機器人系統廣泛應用于腹部外科[2]。達芬奇系統主要由 3 個部分組成：① 三維成像視頻系統；② 術者的操作主控臺；③ 機械臂組成的床旁手術平臺。成像系統擁有雙光源及雙攝像裝備，因而能產生穩定的高清三維立體圖像，并可放大 6～10 倍[3]。術者術前檢查系統設置后，在主控臺前通過三維視覺系統和動作定標系統進行操控，術者手臂、手腕和手指的動作通過傳感器記錄在智能終端，同步翻譯給機械臂并完成相關操作。此外，術者還可通過腳踏板進行鏡頭位置控制、焦距調節、電凝和手柄復位等操作。床旁手術平臺包含 3～4 個交互式機械臂，其中 1 個機械臂與腹腔內鏡連接，另外 2～3 個機械臂為操作臂，每個操作臂均配備擁有 7 個活動度（上、下、前、后、左、右及旋轉）的機械手，其通過不同控件模擬人手活動，進行鉗抓、分離、縫合等手術操作。
1.2 腔內機器人導航系統
目前已開發出 3 種工作原理不同的腔內介入手術機器人系統：基于機電原理的 Sensi 機器人導航系統（Sensei robotic navigation system，美國 Hansen Medical 公司）、磁力機器人導航系統（Niobe magnetic navigation system，美國 Stereotaxis 公司）[4]和超聲定位機器人導航系統（ultrasound-based localization system，ULS）[5-6]。Sensi 機器人的遠程導管控制系統是為方便遠程腔內介入導航而研發，由醫生工作站、遙控導管控制器和可操縱的指引導管（Artisan，美國 Hansen Medical 公司）組成。移動性醫生工作站設在遠離患者及輻射源的地方，包含操作主控臺、顯示器和直覺運動控制裝置，其本質是是一個三維手動操縱桿。醫生的操作可通過內傳感器進行數據轉換后傳輸至主控智能終端，經過數據處理后再傳輸至遙控導管控制器，最終將醫生的操作投射在遠程導管上。現有的 Sensi 腔內機器人導航系統通常裝備的遙控導管有 2 種：配備 14F 鞘的 8.5F Artisan 導管（美國 Hansen Medical 公司）[7-8]以及配備 9.6F 鞘的 6F NorthStar 指引導管[9]。NorthStar 指引導管擁有獨立的轉矩控制器并能通過機器人導絲操控器調節傳統親水性導絲[9]。Artisan 導管同樣是一種特制的指引導管，鞘和導管之間內置控制線，機器人通過操縱控制線來調整導管末端角度，導管比鞘長 10 cm 并擁有 270° 的彎曲幅度。
磁力機器人導航系統工作原理是基于 2 臺計算機控制的 0.08 T 永久磁鐵產生的磁場對導絲導管的控制。改變磁鐵組的方向和強度，相應磁場的方向發生改變，使得尖端裝有磁鐵的導管得以接受操控。目前有 2 款不同的磁力機器人導航系統：StealthStation TREON Plus （美國 Medtronic 公司）以及 Aurora （加拿大 Northern Digital 公司）。他們可裝備擁有 120° 彎曲幅度的 7-8F 選擇導管或消融導管，使用特定的 0.014 英寸的冠狀動脈導絲（美國 Stereotaxis 公司）。該導絲尖端同樣置入磁鐵組分，為非親水性，不具有記憶效果，質地比大多數常用導絲更軟。近期另一款新型的磁力腔內介入導航系統 Maxwell（美國 Engineered Magnetics 公司）已被研發，該系統擁有 8 塊電磁鐵，因此在臨床應用中更順暢，不會因旋轉和調整磁鐵方向而浪費時間，并且擁有更加穩定的磁場。
ULS 系統主要由 3 個部分組成：① 導管頭端配有 3.5 MHz 壓電超聲傳導器的腔內介入器械；② 患者體表安置的超聲波傳感器；③ 與術前血管三維重建 CT 圖像相融合的導航軟件及計算機處理終端。但目前該 ULS 系統尚未投入臨床使用，由于目前僅開發出一款 9F ULS 導管剛在試驗中完成驗證。當 ULS 系統與傳統腔內治療完成交互，將會碰撞出更多的火花，因為配有超聲發生器的導管能實時觀測入徑血管情況并作出及時調整，大大減少了血管損傷的幾率并能一定程度上縮短手術時間[6]。
2 腔鏡手術機器人在血管外科的應用
2.1 臨床效果
世界上第 1 例機器人輔助的腔鏡主動脈手術于 2002 年由 Wisselink 等[10]報道，他們應用宙斯機器人系統重建了主動脈-雙側股動脈旁路術的近端主動脈吻合口。在系統檢索了現有文獻后，筆者發現目前腎下主動脈病變中機器人輔助的腔鏡血管手術均為病例報告或病例分析，其中大部分聚焦于主動脈相關血管吻合[10-19]。在現有 183 例患者中，宙斯機器人和達芬奇機器人分別輔助完成了 15 例和 168 例，其中包含 149 例主-髂動脈閉塞病變、27 例腹主動脈瘤、3 例髂總動脈瘤和 4 例其他病變。總體中轉開腹率在 3%～20%，大多由于機器人系統本身問題或腰動脈出血難以控制。此外，圍手術期報道了 1 例因心肌梗死導致的死亡，使得機器人輔助下腔鏡血管手術總體死亡率為 0.5%。目前研究中唯一一篇比較傳統腔鏡和機器人輔助下腔鏡主動脈手術的研究結果顯示，機器人輔助組完成血管吻合比傳統組更快，但由于系統操作的復雜性，整體手術時間卻更長[17]。除主動脈病變外，機器人輔助腔鏡手術還在其他復雜血管重建問題中得以應用，例如腎動脈瘤全切及腎動脈重建[20]、脾動脈瘤重建[21]、腹主動脈瘤腔內修復術后持續Ⅱ型內漏[22]及胸腹主動脈瘤雜交手術中內臟動脈的重建等[23]。
2.2 優點與不足
最初機器人輔助腔鏡技術應用于腎下腹主動脈瘤人工血管置換術的動物模型時[1]，其在血管吻合方面的療效就已經得到體現。如今，雖然機器人輔助腔鏡手術尚未廣泛應用于血管外科，但其在血管吻合方面的良好效果在人體中已得到證實。與傳統腔鏡手術相比，機器人輔助手術擁有更短的血管吻合及主動脈阻斷時間和更小的出血量[17]，提高了手術成功率，降低了術后并發癥發生率。此外，機器人系統能提供高清三維立體圖像，與傳統腹腔鏡二維圖像相比，克服了人眼的視覺極限，具有良好的景深；手眼協作功能、動作定比縮放技術以及顫動過濾技術更有利于術者進行精細操作；并且術者在主控臺進行操作能減少體能消耗和疲勞感，有利于長時間集中精力完成復雜手術操作。然而，機器人輔助腔鏡技術仍存在諸多問題限制其在血管外科領域的廣泛應用。高昂的系統費用及年維修保養費用是阻礙其廣泛推廣的主要因素，同時較長的學習曲線及標準操作者的培養及訓練體系的不成熟也導致相應技術僅限于部分中心。此外，觸覺反饋缺失同樣為術中解剖分離和止血帶來了挑戰[24-25]。同時，術中可能出現的機械故障是中轉開放手術的主要原因。盡管血管阻斷及血管吻合時間明顯縮短，但前期機器人系統安裝及調試過程復雜，全程手術時間反而相對增加。
3 腔內介入機器人
3.1 臨床效果
在現有腔內導航機器人系統中，文獻報道主要關注 4 種不同系統，包括應用磁力導航的 StealthStation 與 Aurora，超聲引導定位系統及 Sensi 機器人導航系統。目前應用 Aurora 系統的研究比 StealthStation 系統更廣泛，不僅局限于單純的導航精確性，還擴展到導絲導管交換體系及覆膜支架的釋放。可惜的是，Aurora 相關臨床研究并未顯示磁力導航系統在手術時間及輻射劑量上有所降低[8]。與磁力導航系統相比，最近研發的超聲定位導航系統基本能適應所有器械并能提供高精確度的導航軌道，但目前尚未有臨床證據支持這一新技術。與這 3 種導航系統相比，Sensi 機器人導航系統雖工作原理相差較遠，但都共用相似的評分指標：穿通時間、IC3ST（Imperial College Complex Cannulation Scoring Tool）分數和操作嘗試次數。多篇文獻報道顯示和傳統介入技術相比，不論穿通難度各異，Sensi 機器人系統的應用能大大減少穿通時間[26-28]。其中相差最大的是在髂動脈嚴重扭曲的患者中穿通時間從 17.7 min 減少為 2.8 min[26]。IC3ST 分數是一種評價導絲導管操作技術、引發斑塊脫落或夾層風險、血管成功穿通、總體時間、流程順暢程度的綜合評分體系。IC3ST 涉及多個版塊，每個版塊滿分 5 分，總分 35 分。目前僅有 Sensi 和 StealthStation 系統相關研究運用了 IC3ST 評分進行評價，結果顯示僅有 Sensi 機器人系統能顯著提升 IC3ST 分數[27-28]。此外，對于需要超選進入主動脈分支時，Sensi 機器人導航系統能大大降低操作嘗試次數，從而能減少手術時間及輻射劑量[9]。
3.2 優勢與不足
由上可見，Sensi 機器人導航系統尤其適用于復雜的腹主動脈瘤腔內修復術，如開窗或分支支架腹主動脈瘤腔內覆膜修復術，因其需要大量超選及穿通技術。機器人導航系統在提高整體操作評分及縮短困難操作時間的同時，也存在機器人系統及一次性專配導絲導管購置費用昂貴、缺少觸覺反饋以及相關軟件調試時間過長等不足之處。因此對于常規腹主動脈瘤腔內修復術而言，腔內機器人導航系統的優勢便顯得有些雞肋。若腔內介入機器人想成功投入臨床使用，須解決以下問題：① 大量不同規格型號的導絲導管、覆膜支架及傳感器需要市場適配；② 最好能在同一個窗口中同時獨立追蹤導絲、導管及覆膜支架并進行導航；③ 機器人軟件需容易使用并縮短設置及調試時間；④ 在手術過程中能快速交換導絲導管；⑤ 機器人系統及專配一次性導絲導管的價格需進一步下調。只有當以上問題能得到妥善解決時，機器人導航系統才可能廣泛應用于血管外科手術中。
4 展望
目前以機器人系統為代表的人工智能已在動物模型以及部分血管外科手術中小試牛刀，受到越來越多學者的關注。腔鏡手術機器人系統能提供更精細的顯微血管吻合效果，而腔內機器人導航系統能縮短復雜主動脈病變中超選進入分支血管的時間。但在展現優勢的同時，機器人系統也因高昂的費用及復雜的軟件調試過程在臨床應用中受到限制。在未來需要更多研究去改善目前機器人系統存在的不足之處，而其標準化術式以及遠期療效仍需要大量臨床試驗的探索。