Cite this chapterNoël, 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:///10.1007/978-3-031-00363-9_1 1简介二十世纪中叶以来，进入“信息时代”，信息技术呈指数级增长。信息对实物的替代是这一时期的标志，为微创外科领域的发展奠定了基础。信息数字化使外科医生能够从开放式手术转向腹腔镜手术，最终转向机器人手术[ 1 ]。 微创手术的好处包括减少失血、缩短住院时间、更小的切口、更少的疼痛以及改善可视化等。也存在一些限制，例如成本增加、学习曲线陡峭和手术时间长。机器人技术帮助解决了腹腔镜手术的一些局限性，例如手术疲劳（人体工程学）和学习曲线。开放式手术是工业时代，外科医生直接触摸并感觉组织并移动器械的尖端。腹腔镜手术是一个过渡：一半是在工业时代，外科医生仍然移动器械的尖端，一半是在信息时代，视觉反馈是监视器上器官的电子图像（信息）。机器人完成了向信息时代的转变。在不到二十年的时间里，机器人方法甚至成为局部前列腺癌手术治疗的黄金标准。我们是如何走到这一步的？ “机器人”一词源自捷克语“robota”，意思是强迫劳动；它是斯拉夫语词根“rab”，意思是“奴隶”。艾萨克·阿西莫夫 (Isaac Asimov) 在他的短篇小说《Runaround》中进一步普及了这个词，他在 1942 年创造了“机器人”一词。1951 年，雷蒙德·戈尔茨 (Raymond Goertz) 在原子能委员会工作期间设计了第一个用于处理危险废料的遥控主从机械臂。第一个工业机器人被称为 Unimate，是一款 6 轴关节式机器人，用于通用汽车 (GM) 装配线中的压铸搬运和点焊。自1988年以来，机器人不断发展，从能够执行简单操作的机器发展到今天能够执行高度复杂任务的机器，如图1所示。
机器人手术的发展时间表 2现代机器人技术的起源机器人手术的现代历史始于可编程通用装配机 (PUMA) 560 ®，这是一款机器人，由制造 Unimate 的同一家公司于 1978 年开发。1985 年，Yik San Kwoh 博士使用 PUMA 560 固定立体定向框架进行脑活检。1988 年，伦敦帝国学院的 John Wickham 爵士和 Brian Davies 使用该系统进行了经尿道前列腺切除术 (TURP)。Integrated Surgical Supplies Ltd（美国萨克拉门托）建造了两个具有相似功能的模型：Probot ®，一种专门为经尿道前列腺切除术设计的机器人，以及 Robodoc ®，一种用于更精确地进行髋关节置换手术的机器人系统。后一个系统被改装成第一个获得 FDA 批准的机器人。 2.1用于 TURP 的Probot ®系统Probot 与 ROBODOC 相似，取芯动作的精度是根据扫描（在本例中为超声波）预先计划的。该系统具有 7 个自由度 (DOF)，与电动组件耦合以实现 TURP 的自动化。软件允许外科医生随时完全覆盖和调整它，并且机器人有助于减轻外科医生在没有视频辅助的情况下通过目镜观察而造成的颈部压力。目标是使手术更安全、时间更短，以限制液体冲洗剂的吸收，而液体冲洗剂的吸收是 20 世纪 80 年代至 90 年代 TURP 发病率和死亡率的主要原因。在他们的可行性研究中，手术需要五分钟，并且可以通过外科医生手动进行凝血。这是第一次使用主动机器人从患者身上切除组织 [ 2]。安全框架允许切除器械保持在精阜和膀胱颈的预定限制内。他们的结果表明，在尿流率方面，Probot 系统与传统 TURP 方法一样好 [ 3 ]。然而，Probot 对术前 TRUS 的依赖、TRUS 估计的不准确以及需要手动电灼止血阻碍了该机器的采用 [ 2 ]。 2.2机器人医生ROBODOC（Integrated Surgical Systems，萨克拉门托，加利福尼亚州，美国）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。这个机器人是由已故的兽医霍华德·“哈普”·A·保罗和整形外科医生威廉·巴加创造的，他们都来自加利福尼亚大学。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，可以生产定制的骨科植入物。ROBODOC 是一个五轴机械臂，其铣削装置通过力扭矩传感器连接到臂尖，然后可以将骨腔铣削到相应的尺寸，充当锉刀的作用。1992年的人体试验显示了其可行性和优越性[ 4] 作为放射学上优越的植入物配合，并通过消除全髋关节置换术后术中股骨骨折。1994 年，ROBODOC 在欧洲实现商业化，并于 2008 年获得 FDA 510(k) 批准在美国使用。2014 年，THINK Surgical Inc. 收购了 ROBODOC，并将其用作其下一代 TSolution One ®手术系统的核心技术，该系统于 2019 年获得 FDA 批准。该系统从未获得广泛采用，部分原因是研究显示与传统 TKA 相比没有显着差异[ 5 ]。 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 (Richard Satava) 博士上校加入斯坦福研究所 (SRI)，菲利普·格林 (Philip Green) 在那里开发用于手外科手术的远程操纵器系统。该团队结合了多种技术来创建早期的“虚拟现实”，其中之一是 VPL Inc. 的 DataGlove，这是一种手势界面工具，可用于测量手的位置和方向以及提供触觉反馈。另一个是头戴式显示器 (HMD)，由 NASA-艾姆斯研究中心的 Michael McGreevey 和 Stephen Ellis 开发，他们利用 HMD 为 NASA 的行星探索任务实现数据的 3D 可视化。Scott Fisher 将 3D 音频添加到 HMD 中，以进一步让用户沉浸其中，将其称为“远程呈现”，如图2所示。这个概念允许外科医生的手与另一个房间的病人进行计算机交互。
Scott Fisher 博士演示了带有 DataGlove 界面的头戴式显示器 (HMD)（来自 George & Satava 等人，Origins，腹腔镜与机器人外科医生协会杂志） 虽然腹腔镜手术越来越受欢迎，但由于支点效应，三维可视化的丧失和灵活性的障碍使其对患者有利，但对许多外科医生来说却充满挑战[ 6 ]。创建了一个工作站，使用仪器手柄（而不是手套）、扶手和位于水平线以下 5-15 度的监视器（见图3）[ 7 ]。该系统允许通过末端执行器上的力感应元件进行触觉反馈，并在遇到阻力时禁止运动 [ 8 , 9 ]。
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国防高级研究计划局Satava 博士被陆军军医长 Alcide LaNoue 招募加入国防高级研究计划局 (DARPA)，并在 20 世纪 90 年代开发军用远程呈现系统。当务之急是将战场伤亡士兵的死亡率降低至少 50%。其前提是通过远程呈现手术将创伤护理的获取方式“从黄金时刻改为黄金分钟”。越南战争的数据分析显示，危及生命的伤口是导致死亡的主要原因，并且自内战以来一直没有改变[ 10 ]。 DARPA 为受伤士兵提供远程呈现外科医生的项目可以通过在移动高级外科医院 (MASH) 中放置手术控制台工作站来实现。远程机器人手术单元（机械臂）将安装在前方战场的装甲车（移动手术室）中，执行关键的救生手术任务（损伤控制手术），直到患者到达 MASH 接受明确护理。该车辆被称为医疗先进外科治疗（MEDFAST）车辆。该概念设想，当一名士兵受重伤时，该士兵将被安置在便携式重症监护病房中进行生命支持和运输（LSTAT 或“创伤吊舱”），该病房将立即插入 MEDFAST 中，这样外科医生就可以能够在医生的床边协助下进行手术。MEDFAST 还将远程呈现技术集成到麻醉、远程监控、放射线照相和生命支持等非手术技术中，以确保在战场上部署完整的手术室功能。第一个原型机于 1994 年 10 月在华盛顿特区举行的美国陆军协会年会上向国防部长威廉·佩里进行了演示。随后的开发是橡树岭国家实验室创建并演示了机器人手术擦洗和循环护士——与手术机器人系统集成，适合自动执行工具更换和分配各种手术用品，从而完成了远程、移动的总体功能手术室。由于政治原因，DARPA 计划暂停了，11 ]。 3第一个远程机器人商业系统3.1 AESOP（光学定位自动内窥镜系统）大约在同一时间，SRI 正在开发他们的“远程呈现”系统。Computer Motion Inc.（美国加利福尼亚州戈利塔）由 Yulun Wang 博士于 1989 年创立。Wang 最终开发了一种用于最佳定位的自动内窥镜系统 (AESOP ® )，该系统是一种机械臂设计持有腹腔镜相机。继这一商业成功之后，Computer Motion 随后独立开发了 Hermes，然后是 Zeus 机器人手术系统 [ 12 ]。 HERMES 系统是一个软件界面，旨在通过语音命令控制设备，提供“智能手术室”的概念。Computer Motion 的研究重点是 AESOP 手臂，该手臂使用口头命令在体内操纵内窥镜。外科医生通过传统腹腔镜检查或将其连接到 ZEUS 系统来控制另外两个臂，同时定位相机[ 13 ]。该手臂的开发是根据 NASA SBIR（小型企业创新研究）合同进行的。NASA 资助这些技术企业的衍生品，目的是最终帮助宇航员远程修复轨道航天飞机 [ 14 ]。 AESOP 始于 1994 年，推出了 Model 1000，这是世界上第一个获得 FDA 批准的通用手术机器人。1996年，Computer Motion Inc.继续改进，直至达到型号AESOP 3000（图4）。Computer Motion 使用了 FDA 的 510K 流程而不是 III 级批准，使其能够更快地投放市场数年，并为未来的竞争使用树立了先例 [ 15 ]。
AESOP（光学定位自动内窥镜系统） 1998年，《胸心血管外科杂志》发表文章证明了AESOP在微创二尖瓣修复术中的可行性[ 16 ]。 AESOP 的成功体现在 1000 多家医院的采用，这标志着机器人手术开始影响全球。 3.2宙斯系统1993 年，Computer Motion Inc. 开始开发 Zeus 手术机器人，其第一个原型于 1995 年问世，并于 1996 年在动物模型中进行了测试。该系统由 3 个 AESOP“手臂”（两个仪器支架和相机支架）组成加上一个手术控制台来控制手臂。两年后，即 1998 年，ZEUS 机器人手术系统对人类进行了首次微创显微外科手术，包括内窥镜冠状动脉旁路移植术 (E-CABG) [ 17 ]、输卵管再吻合术和其他复杂手术，例如心脏瓣膜手术。2000 年，ZEUS 配备可容纳 28 种不同的手术器械，并于 2001 年获得 FDA 批准 [ 14 , 15 , 16 , 17 , 18]。 2001 年 9 月，Jacques Marescaux 使用这款机器人在纽约进行了首例跨大西洋远程腹腔镜胆囊切除术。患者位于法国斯特拉斯堡（图5）。这是手术的一个重要里程碑。ZEUS系统的主要缺点是机械臂尺寸较大，这限制了手术室空间并导致套管针之间频繁碰撞[ 19 , 20 ]。
Marescaux 医生在纽约为法国斯特拉斯堡的患者进行了首例跨大西洋远程腹腔镜胆囊切除术 如图6所示，ZEUS 系统于 2003 年 Computer Motion 被竞争对手 Intuitive Surgical 收购后停产；后来它开发了达芬奇手术系统[ 21 ]。
手术室中的宙斯系统。( a ) 外科医生控制台和 ( b ) 机械臂（来自 Lealghezzi 等人，2016 年） 3.3计算机运动与直观手术2000年，Computer Motion对其医疗机器人领域的竞争对手Intuitive Surgical提起诉讼，指控其侵犯Computer Motion的机器人手术相关专利。 2000年6月，Intuitive Surgical上市，2003年3月7日，Computer Motion和Intuitive Surgical合并为一家公司。这样做的部分原因是为了解决公司之间的诉讼，但这样做也提高了此类技术的有效性和可用性。合并后不久，ZEUS 被淘汰，取而代之的是 Intuitive Surgical 的达芬奇系统 [ 11 ]。 4直观手术：从蒙娜丽莎到达芬奇（2000 年 FDA 批准）1995 年，Frederic H. Moll、John Dreund 和 Robert Younge 在就 SRI 的知识产权进行谈判后成立了 Intuitive Surgical Inc.（美国加利福尼亚州桑尼维尔）公司，旨在开发完整的手术机器人项目。1996年，该公司推出了名为“Lenny”（以莱昂纳多·达·芬奇命名）的原型机，并用于动物试验；然而，它在可视化和机械可靠性方面的局限性阻碍了在人类中的使用。随着公司的原型变得更加先进，它们以达芬奇主题命名；“莱昂纳多”和另一个“莫娜”。原型的最终版本被昵称为“达芬奇”，这是最终的营销标签[ 14]。“莫娜”原型机是带有控制台和独立可交换手臂的先驱机器人。1997 年 3 月 3 日，比利时 St. Blasius 总医院的减肥外科医生 Jaques Himpen 博士和 Guido Leman 博士进行了第一例手术，即两次胆囊切除术 [ 14 ]。第二天，马克·博西尔斯 (Marc Bosiers) 医生使用莫娜 (Mona) 制作了两个动静脉瘘。 从 1997 年开始，进行了普通外科、妇科和泌尿科的各种手术，并于 1999 年，Intuitive Surgical 开始在欧洲销售该系统，同时在美国等待 FDA 批准 [ 21 ]。达芬奇手术系统于2000年获得FDA批准在美国进行腹腔镜腹部手术[ 22 , 23 ]。 1998 年 9 月 16 日，Guy-Bernard Cadière 医生使用 Mona 进行了带状胃成形术，并在《肥胖外科》杂志上发表了报告，强调了机器人手术的安全性、可行性和人体工程学优势，特别是在密闭空间中 [ 21 ]。此时，该系统已得到改进，具有双目 3D 视觉并使用第三臂来操纵光学系统；然而，困难的仪器交换耦合和设置仍然是限制因素[ 24 ]。 达芬奇于 1998 年在墨西哥、德国和法国进行人体试验。它的改进包括改进的可视化、运动范围，以及最引人注目的独立机器人，取代了将仪器操纵器安装到桌子上的需要。使用该系统进行胆囊切除术、尼森胃底折叠术、二尖瓣修复术以及最终的 CABP [ 5 ]。 德国莱比锡心脏中心于 1998 年末购买了第一台达芬奇设备，该中心主要从事心脏手术。到 2001 年，布鲁塞尔、墨西哥城和巴黎已经实施了 140 多种不同类型的机器人手术，包括心脏、减肥、妇科和泌尿科手术。2000 年 7 月 17 日，达芬奇通过 Computer Motion 使用的相同 510K 快速流程获得了 FDA 的全面批准。密歇根州底特律的 Vattikuti 研究所于 2000 年首次记录了机器人辅助前列腺切除术，与传统的开放式耻骨后入路相比，该手术减少了失血量，降低了疼痛评分，并缩短了住院时间[ 25,26,27 ]]。达芬奇并没有在心血管手术中得到预期的应用，而是在泌尿外科和妇科手术中得到了广泛采用。 尽管机器人手术在几乎所有手术领域都有所增长，但它在泌尿外科领域产生了主要影响，在不同类型的干预措施中取得了巨大的扩展和优异的效果：简单的前列腺切除术、根治性前列腺切除术、部分肾切除术、活体供体肾切除术和肾盂成形术等。第一个机器人根治性前列腺切除术是由德国的Binder 实现的，而法国的 Abbou 和他的同事是第一个在文献中发表该手术的人[ 25,26,27 ]。Guilonneau 及其同事的研究小组首次报道了肾切除术 [ 28 ] 和机器人淋巴结切除术作为前列腺癌的治疗方法 [ 29 ]。 技术进步继续影响现代泌尿外科实践，近年来机器人手术的发展尤其如此。自 2001 年首次发表一系列接受机器人辅助根治性前列腺切除术的患者以来，该领域在泌尿外科手术中使用机器人手术的情况急剧增加。在美国，2006 年和 2007 年分别有 42% 和 63% 的前列腺癌根治术是在机器人辅助下进行的。2009 年这一数字可能会增加到 85%。 这些手术的微创性质可以实现更高的精确度、减少失血、缩短住院时间、降低发病率和缩短恢复期，同时保留功能和肿瘤结果。此外，机器人手术的应用范围已超出根治性前列腺切除术，包括根治性膀胱切除术、肾切除术、肾部分切除术、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）。机器人手术在儿科泌尿外科和普通外科手术中的应用甚至出现了显着增长（表1）。
5新平台现状及未来触觉反馈和声音将增加现实的维度，但挑战在于向 20 多个神经末梢提供手部感觉信息。例如，计算机判断 1 毫米的两点辨别和本体感觉，需要向用户展示令人兴奋的未来努力。 5G 无线网络将实现更快的信息传输，带宽和速度提高 100 倍，延迟显着降低至 1 毫秒，使远程远程手术更安全、距离更远。然而，床边推车需要使用额外的软件进行升级，以适应远程手术，因为操纵器的大部分控制位于当前系统的控制台中。尽管当前的 5G 系统使用区块链来实现安全性和 7-9 可靠性，但必要的考虑因素是通信网络的安全性和可靠性。 机器人系统的单端口技术在美国已得到广泛应用，这将在单独的章节中讨论。对于同样的手术，患者应该会对更少的疤痕做出积极的反应。这种癌症微创手术的长期结果仍在评估中[ 30 ]。 最后，人工智能处于最前沿，并将以独特的方式集成到机器人手术系统中。 六，结论机器人技术是一项尖端技术，可以操纵信息为外科医生服务。与其他方法相比，它能够轻松开发几乎所有泌尿外科手术、更短的学习曲线、更好的人体工程学设计以及经证明更好的结果，从而产生了巨大的影响。 |
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