手术机器人在颅颌面非肿瘤性疾病治疗中的应用

手术机器人在颅颌面非肿瘤性疾病治疗中的应用

口腔颌面部结构组织复杂，空间狭窄，传统外科手术常需较大手术切口以获得足够的手术视野，对术后患者吞咽、语音和美观等功能影响较大。自从1987年法国医生Mouret等完成第一例腹腔镜胆囊切除术开始，外科手术微创化的理念逐渐深入外科治疗中。而21世纪以来，为了提高手术精度和手术工具的灵活性、增加术者舒适性、降低手术风险及术后并发症，微创手术机器人系统应运而生。本文对国内外近年来手术机器人在口腔颌面外科中的应用现状进行综述，并探讨其优缺点和发展前景。
 
1.手术机器人的发展背景及应用现状
 
目前为止，外科手术机器人辅助系统主要经历了3代产品。第一代为持镜机器人伊索AESOP：1994年AESOP 1000手术机器人首次被批准应用于手术，到1999年底，AESOP系统在心脏外科、胸外科、妇产科、泌尿外科等领域广泛应用并取得了良好的手术效果。第二代为遥控机器人Zeus：机器人Zeus手术系统开发于1995年，实现了远程遥控、精细手术操作和稳定的机械抓持等功能。第三代达芬奇机器人手术系统：达芬奇机器人系统于1999年研制成功，该系统包括医生操作平台、视频影像平台和外科手术移动工作台等，具有多自由度的腕形手术工具和腔镜图像系统，具有先进的三维放大视觉系统和自动纠错及震颤过滤等功能；2000年6月，德国法兰克福大学医院泌尿外科医生利用达芬奇手术机器人完成了世界首例内窥镜下前列腺切除根治手术；目前，达芬奇机器人辅助手术种类涵盖了心脏外科手术、腹腔镜手术、胸科手术、泌尿外科手术、妇产科手术和儿科手术等，在骨科手术中的应用尚处于试验阶段。
 
目前应用于口腔颌面外科的手术机器人系统主要是达芬奇手术系统，达芬奇手术系统于2005年首次应用于经口入路的机器人外科手术，并于2009年获得美国食品药物管理局对早期（T1、T2期）口咽癌的治疗批准，之后以其全新的理念和技术优势，在国内外广泛应用于包括根治头颈部肿瘤、治疗阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（obstructive sleep apnea hypopnea syndrome，OSAHS）等在内的各项手术中。颌面头颈部由于解剖结构关系紧密，手术空间狭窄受限，手术机器人的发展相比心胸外科等较为滞后。
 
头颈部机器人辅助手术由Brett等于1995年率先提出并应用于简单外科手术的精准性辅助；2003年Haus等第一次系统地应用手术机器人，其在动物模型上进行了颌下腺切除等头颈部手术；2007年，Weinstein等成功完成了经口入路应用机器人对口咽部肿瘤和声门上区肿瘤患者的外科手术，首次开展了真正意义上手术机器人辅助下的口腔颌面外科临床实践。Kelly等认为，相比传统开放性外科手术，机器人辅助手术可以很大程度地减少术中出血、住院时间和手术相关并发症等。
 
目前手术机器人在头颈部疾病中应用最多的是头颈肿瘤外科，其应用范围包括：头颈部肿瘤切除、颈部淋巴结清扫、肿瘤切除术后修复重建以及原发灶不明的头颈部肿瘤确诊等。手术范围包括：口腔、口咽、鼻咽、喉咽以及声门上区等呼吸消化道上部，手术对象包括：鳞状细胞癌、腺样囊性癌、黏液表皮样癌、多形性腺瘤、神经鞘瘤等多种肿瘤。虽然手术机器人口腔颌面头颈部肿瘤领域应用较为广泛，但是更加值得关注和更有发展潜力的是在颅颌面非肿瘤性疾病的治疗中。
 
2.在OSAHS中的应用
 
OSAHS的发生常与由鼻和鼻咽阻塞，如鼻中隔偏曲、鼻息肉和鼻咽肿瘤等，导致的鼻和鼻咽、口咽和软腭以及舌根部等处的狭窄有关，舌根部组织与周围组织关系密切且具有重要的生理功能，其手术难度较大，术后不良反应较重，因此传统手术很少涉及舌根部。而机器人手术可从多角度经三维放大视野评估组织切割量和损伤程度，最大程度保留正常组织结构，为舌根部的手术修整提供了可能。对于无法忍受气道正压通气治疗以及传统手术效果不佳的患者，经口入路机器人外科手术舌根部切除无疑是新的治疗希望。
 
2010年Vicini等首次利用手术机器人对17例OSAHS患者进行舌根部分切除术，术中术野暴露清晰，出血少，手术时间与开放性手术/内窥镜手术相似，所有患者无需气管切开；术后无明显吞咽困难发生，吞咽功能恢复快，呼吸暂停指数（apnoea-hypopnoea index，AHI）和Epworth嗜睡量表（epworth sleepiness scale，EES）指数较术前明显降低，术后90%患者对手术效果表示满意。
 
此后Vicini等再次利用经口入路机器人对OSAHS患者行舌骨会厌皱襞成形术、舌扁桃体切除术、舌根部切除术及声门上成形术等；Friedman等对27名OSAHS患者行机器人辅助舌根部分切除术和Z字腭成形术；Hoff等对121名中重度OSAHS患者行经口入路机器人舌扁桃体切除术；他们还对285例行经口入路机器人舌根部部分切除术/舌扁桃体切除术的OSAHS患者进行回顾性研究，结果均表示：机器人辅助手术与开放性手术效果相似，而住院时间、术后疼痛、吞咽功能障碍发生率等显著低于开放性手术。
 
其中Friedman等研究表明，术后机器人辅助手术相比射频治疗和黏膜下微创舌部分切除术疗效显著提高，但术后功能恢复时间较黏膜下切除/射频消融治疗显著增长；Hoff等研究表明，经口入路机器人外科手术成功率51.2%，术前体重指数（body massindex，BMI）对手术成功率具有明显的影响，术前BMI<30的患者群体手术成功率显著大于BMI>30的患者，体重越小，手术成功率越高。
 
除显著的OSAHS相关指标改善以外，也有部分研究表明，较多经口入路机器人外科手术的术后患者出现了暂时性味觉障碍、暂时性舌麻痹和舌水肿等并发症。其中，Lee等对20名OSAHS患者利用手术机器人行舌扁桃体切除术合并传统悬雍垂成形术，手术成功率45%，3例患者出现暂时性味觉障碍。Lin等研究中，25%患者出现味觉异常，他们认为味觉异常可能与术中舌神经牵拉、压迫或者味蕾损伤有关。Crawford等研究中发现，18.3%OSAHS患者出现了术后一过性味觉丧失，3.16%患者出现了术中、术后舌水肿。
 
Toh等对40例中重度OSAHS患者行经口入路机器人舌根切除术和声门部分切除术，手术成功率90%，55%患者出现暂时性味觉变化，少数患者出现短暂性舌前麻痹和疼痛及轻度吞咽困难等。Muderris等对6例因舌扁桃体肥大/反应性淋巴增生导致OSAHS的患者应用经口入路机器人舌扁桃体切除术，所有患者术后均出现了舌水肿。经口入路机器人外科手术对OSAHS的治疗主要集中于舌根部的手术，其手术效果已有大量文献报道，虽然平均术后指标均可改善，但大部分研究的手术成功率较低，这可能与OSAHS自身的多危险因素性质相关，但无疑经口入路机器人外科手术为OSAHS患者的治疗带来了新的希望和发展。
 
3.在唇腭裂手术中的应用
 
机器人辅助唇腭裂手术目前仍处于起步阶段，Khan等首次于2015年对体外小儿腭裂模型进行经口入路机器人腭裂修补及咽后壁重建术，证实了手术机器人辅助腭裂手术的可行性。Nadjmi在对1例尸体标本进行机器人辅助腭部肌肉解剖和软腭重建后，报道了10例腭裂患者的经口入路机器人外科手术的治疗效果，患者平均年龄9.5月，其中5例单纯性腭裂，2例单侧完全性唇裂伴腭裂，2例双侧完全性唇裂伴腭裂，1例腭隐裂，结果表明：机器人手术的时间显著长于传统手术组，但使用经口入路机器人外科手术组患者的住院时间显著短于传统手术组，术后即可恢复正常吞咽功能，未见明显并发症，腭咽闭合及咽鼓管功能明显改善。
 
Nadjmi认为由于三维放大影像等的应用，使术中腭部神经血管得到最大程度的保留，且利于腭提肌在不分离鼻侧黏膜及口腔侧黏膜的同时完成重建。不足的是目前尚没有经口手术专用的体积较小的手术机器人器械。此外，唇腭裂相对头颈部肿瘤而言，其治疗目的更侧重于改善容貌和恢复功能，因此唇腭裂尤其是唇裂手术，其手术治疗的效果与手术方案的制定以及术者的经验密切相关。国际普遍认同的唇腭裂治疗方案为综合序列治疗，即在修复唇裂的同时对鼻畸形、牙列紊乱以及腭裂等也先后进行矫正。然而目前针对此类畸形的手术设计尚存在多种争议，对唇峰、鼻翼等外形的恢复也尚未有统一的标准。因此，唇腭裂手术治疗方式的未标准化在一定程度上也阻碍了手术机器人在这一领域的发展。
 
4.在颌面部骨折等创伤中的应用
 
骨折复位和固定是创伤骨科的两大基本任务，故而用于创伤修复领域的机器人基本可以分为定位机器人和复位机器人两类。定位机器人主要用于简单的骨通道定位，其基本原理类似于脊柱、关节领域机器人，但复位机器人的研发明显比脊柱、关节领域机器人更为困难。这是因为一方面骨折快复位前后位置关系发生了变化，难以提供良好的导航精度；另一方面，骨折复位过程中多需要对抗阻力，复位机器人在复位过程中可能会造成额外的损伤，提高机器人的力学性能和安全性是目前面临的难题。目前，复位机器人只能进行简单的长骨骨折复位及骨盆骨折复位等，而颅颌面部组织结构复杂，空间狭窄，颌骨附着肌肉多，因此复位时周围组织张力大，准确复位较为困难，目前针对颌面部骨折的手术机器人尚未见报道。
 
5.在颅颌面畸形中的应用
 
对于正颌手术机器人系统的临床应用尚未见报道，但2010年上海交通大学陈黎明等在已建立的光学定位正颌外科导航手术技术路线基础上，提出应用6自由度MOTOMAN工业机器人作为执行机构，在光学导航条件下使用机器人辅助颅颌面骨畸形整复，目前尚处实验阶段。2014年北京大学研发了用于颅底肿瘤切除手术、颌骨缺损重建手术、正颌外科手术、眶壁骨折缺损重建手术设计模块以及术中导航引导的手术软件，并研发出用于骨瓣定位的机械臂系统，目前尚处于模型和动物实验阶段。此外，针对颅颌面畸形的治疗虽相对成熟，但仍有部分畸形如半侧颜面短小畸形等的手术治疗方式存在一定争议，此类争议主要集中在手术对象（儿童或成人）以及术式的选择（牵张成骨或正颌手术等）上。因此，在手术机器人广泛应用于颅颌面畸形治疗中之前，除完善手术模块之外，制定针对颅颌面畸形的手术标准化也是不可或缺的前提之一。
 
6.其他
 
除以上方面外，机器人辅助手术在颌面头颈外科非肿瘤性疾病中的应用还包括喉裂修补、异位甲状腺摘除、涎石症以及血管病变切除等。
 
6.1 喉裂及喉气囊肿
 
Rahbar等对5例喉裂小儿患者行喉裂修补术，但其中仅有2名患者成功进行机器人辅助手术，均为Ⅰ型及Ⅱ型喉裂，另外3名患者因暴露不足转为开放性手术，术中术后未见明显并发症及不良反应，因空间狭窄，机械臂运动范围受限，手术时间较普通内镜手术长。Ciabatti等应用经口入路机器人对1例混合型喉气囊肿患者进行手术切除，手术时间短，术后饮食吞咽功能恢复快，无复发，美观性佳。
 
6.2 异位甲状腺
 
May等报道了1例经口入路使用机器人外科手术行舌根异位甲状腺切除的患者；Dallan等经口入路对1例舌根异位甲状腺患者行机器人辅助切除术；Park等报道了3例经口入路机器人外科手术治疗的舌根异位甲状腺患者；Prisman等对3例舌根异位甲状腺患者进行了经口入路的机器人外科手术切除术。以上研究均显示，经口入路机器人外科手术的术后口腔饮食恢复快，住院时间短，术中术后无明显并发症，1~2月随访无明显复发。
 
6.3 涎石症
 
2011年Walvekar等对1例颌下腺巨型结石患者经口入路行机器人取石术及导管修复术，手术成功，手术时间120 min，未见明显并发症。Razavi等对22例颌下腺巨型结石患者经口入路行机器人取石术，成功率100%，未见舌神经损伤等并发症，其文献回顾表明135例经口入路机器人取石术的成功率为75%，舌神经损伤率为2%。
 
6.4 血管病变
 
Dziegielewski等对数例舌根部血管病变患者经口入路行机器人外科切除术，术中神经血管及正常肌肉组织等被保留完整，术后吞咽功能影响较小，住院时间短。
 
7.手术机器人的优缺点
 
手术机器人在口腔颌面头颈外科非肿瘤性疾病中的应用近年来日益广泛，相比传统开放性手术或近年来出现的经口内窥镜微创外科手术来说，机器人辅助外科手术都有其独特的优点：1）扩大了人眼视野，可产生三维立体图像，使手术视野放大10~15倍，有利于评估组织切割量和损伤程度，可最大程度保留正常组织结构；2）延长了人手极限，机械手臂增加了活动自由度，大大提高了手术医师的操作能力，且机械手上有稳定器，具有人手无法相比的稳定性及精确度；3）切口小、出血少、愈合快，有助于最小化手术风险，降低术后并发症以及转开放手术的概率，术后吞咽/语音功能恢复快；4）节省医生人力资源，1台高难度的外科手术只需要1名外科医生、1名麻醉师以及1名或2名护士，可有效克服手术室可负荷量的限制；5）操作性和可视性好，可远程操控，凭借互联网和卫星技术使得跨地区实时共享远程外科技术成为可能。
 
同时，也并非所有病例都适合机器人辅助手术，其在头颈外科中的临床应用仍存在一定的缺陷，制约了其发展：1）无触觉及本体感觉，无法分辨组织的韧度、触摸血管搏动，一旦发生活动性出血，止血过程较为困难，较多研究表明，在口咽区/口腔手术过程中，由于拉钩的长时间压迫，术后患者易出现舌部水肿等并发症；2）对大的动作有力反馈作用，但对精细动作却不起作用，如在打结过程中，这种触觉反馈的缺失会由于过度用力而导致缝线的断裂，同时Hans等认为，在熟练操作后，三维放大的可视性可在一定程度上弥补触觉反馈的缺失；3）术中手术操作复杂，手术时间长，但Friedman等表明，随着经验的增加，手术时间可与传统手术时间相近；4）控制台与机械臂之间的无线通讯易受到干扰，机械臂之间容易发生碰撞；5）价格昂贵、体积庞大，同时器械专用度高，达芬奇机器人无法使用颌面外科专业领域的某些特定的器械，比如截骨锯、钻等；6）张口不足及下颌后缩等患者将限制机械臂的进入。
 
8.小结
 
手术辅助机器人在颅颌面外科中的临床应用方兴未艾，尤其是在头颈部非肿瘤性疾病中的治疗。首先，手术机器人在OSAHS中的应用已相对广泛，虽然目前手术成功率不高，但对于无法耐受正压气道通气治疗的OSAHS患者来说，经口入路的手术机器人行舌根部切除术无疑为他们带来了希望的曙光，且其较传统舌根部的微创切除和射频消融治疗均有更为显著的疗效。随着技术的发展和术式的改良，经口入路的机器人舌根部切除术联合传统腭部或咽壁成形术将是OSAHS治疗的研究和发展方向。其次，手术机器人应用于唇腭裂的治疗已经逐步从体外模型和动物模型走向临床，其远期疗效和功能恢复状况尚待更多的临床研究证实。在颅面部骨折和颅颌面骨性畸形的治疗中，由于触觉反馈的丧失和相应器械的缺乏，手术机器人发展相对滞后，仍处于理论和探索阶段，仍需要更多的理论及临床前实践。
 
最后，不论是针对OSAHS、唇腭裂、颅颌面骨折或颅颌面畸形的患者来说，其手术治疗方式相对于头颈部肿瘤来说，都更为多样、复杂，其中，唇腭裂和颅颌面畸形的手术目的则更侧重于改善容貌和恢复功能，如：恢复唇峰、重建鼻翼外形、恢复语言功能和重建骨缺陷的周围软组织等。因而多数学者对于此类畸形的序列治疗均有各自的经验性手术理论基础和设计见解，对于颌面部畸形的手术治疗方式尚处于不断发展和改进的阶段。
 
综上，在颅颌面非肿瘤疾病的外科治疗中，现今通常缺乏统一的手术设计标准、手术器械和手术对象的选择标准，其术后疗效、功能和外形的恢复程度也存在一定的差异。手术机器人在颅颌面外科治疗的广泛化是未来的必然趋势，在此之前，除需要完善手术机器人本身的相关手术模块、触实现觉反馈和实现手术器械的专用化之外，唇腭裂及颅颌面畸形等本身适应术式的选择和界定及其术式的标准化也必然是手术机器人顺利推广使用的重要前提。同时，在虚拟手术设计、术中导航和3D打印导板等的辅助下，手术机器人的应用将进一步促进精准外科的实现，推动功能性外科的发展。