机器人TECAB：现状与未来

机器人完全内镜下冠状动脉旁路移植术：现状与未来前景

摘要

引言 ：完全内镜冠状动脉旁路移植术只能通过机器人技术以可重复的方式进行。该手术已历经二十多年的发展，经历了三代外科机器人。完全内镜冠状动脉旁路移植术可在跳动的心脏上实施，也可在停跳的心脏上进行。可完成单支和多支桥血管的吻合，并且完全内镜冠状动脉旁路移植术可与经皮冠状动脉介入治疗结合应用于杂交手术中。
涵盖领域 ：本文综述了该手术操作的适应症、手术技术以及术后护理。报告了文献中可以获得的术中和术后结果。其他重点内容包括技术发展、培训方法、学习曲线以及成本。最后，我们对该手术操作的潜在未来进行了展望。
专家意见 ：机器人TECAB代表一种复杂、精密但安全且经过多年发展的手术操作。尽管其结果似乎与传统冠状动脉手术相当，但全球范围内的普及仍然缓慢，可能归因于手术时间、成本和学习曲线。TECAB的主要优势在于最小化手术创伤以及随之而来的术后愈合时间的缩短。随着新型机器人设备的引入，手术开发的新时代正在到来。

关键词 ：冠状动脉旁路移植术，机器人，内镜的，技术，展望

文章亮点

• 机器人完全胸腔镜冠状动脉旁路移植术（TECAB）已开展并发展了20多年。
• 机器人技术是实施完全内镜下冠状动脉旁路移植术的唯一合理方法。关键技术包括多关节内镜效应器，可在胸腔内完成复杂的外科操作，以及用于暴露和稳定冠状动脉靶点的机器人第四臂。
• 该手术操作可采用远程心肺机灌注和心脏停搏进行，也可在跳动的心脏上实施。目前已可完成多达四支血管桥的移植，且与经皮冠状动脉介入治疗联合应用的杂交方法具有很高的可行性。
• 围手术期和长期结果似乎达到了开胸冠状动脉旁路移植术的标准。住院时间更短，患者能更早恢复正常活动。完全内镜下冠状动脉旁路移植术是组织创伤最小、美容效果最佳的冠状动脉旁路移植术式。
• 要成功实施TECAB项目，模拟操作、适当的团队管理和逐步方法是必要的。
• 当前和未来的 技术发展 包括为所有 外科团队成员 提供 三维视觉 、配备 单个机器人臂 的 互联独立立柱 以及 自动防碰撞检测 。应设计手术操作专用的 暴露装置 ，并将 吻合连接器 集成到 机器人末端执行器 中。利用 人工智能 进行 手术过程分析 可以优化 器械移动轨迹 ，在中期内，部分 自动化手术 功能可能得以实现。

1 引言

在首次尝试使用传统胸腔镜器械进行仅通过穿刺孔完成的完全内镜下冠状动脉旁路移植术失败后，机器人技术使得此类手术成为可能。首例完全内镜下的冠状动脉旁路移植术（TECAB）由卢尔梅特及其同事于巴黎使用直觉外科公司生产的daVinci™系统完成 [1]。博伊德及其团队来自安大略省伦敦市[2]也报道了采用计算机运动公司推向市场的Zeus™机器人完成的完全内镜手术。自此以后，专业中心逐步将该手术从单血管左乳内动脉（LIMA）至左前降支动脉（LAD）的搭桥发展到复杂的多支血管重建[3–6]。由于Zeus™系统已停止生产，大部分进展均基于daVinci™机器人实现。随着机器人血管内稳定器的引入，非停跳TECAB成为可能[7]。如今，机器人TECAB常与经皮冠状动脉介入治疗（PCI）结合，采用杂交方法[8]。然而，尽管已有四代外科机器人问世[9]，该技术在普通心脏外科领域的推广仍然缓慢。本综述概述了手术技术，描述了适应症和禁忌症以及术后护理，并总结了主要的临床结果。我们还回顾了过去20年中机器人技术的主要发展以及设备操作的重要原则。最后，展望了未来可能的发展方向。

2 哪些患者适合接受机器人TECAB——适应症和禁忌症

目前，任何有明确手术冠状动脉血运重建适应症的患者均可考虑接受该手术。表1列出了最重要的禁忌症。外科医生应注意任何可能限制胸腔内空间的病理情况，因为它可能影响机器人摄像头和器械的自由移动。术前评估包括常规冠状动脉旁路移植术所需的所有检查，此外还需进行CT血管造影。

胸部腹部骨盆的CT扫描用于评估可用空间以及总体的心血管和肺部病理情况。术前CT血管造影还可提供其他有价值的信息，例如冠状动脉靶点的位置和心肌内走行。我们此前已描述过这些CT扫描中的发现和测量指标，这些指标可为外科医生提供手术安全指征的指导，应被视为术前必需的步骤[10]。肺功能检查是常规术前评估的一部分。正如北原及其同事所报道的，即使病态肥胖似乎也不是该手术操作的绝对禁忌证[11]。

表1

一般禁忌症 ：
- 左侧胸膜腔内空间受限
- 粘连（相对禁忌）
- 心脏增大紧贴胸壁
- 急性心肌缺血
- 严重肺功能障碍
- 病态肥胖（相对禁忌）
- 严重多器官功能障碍

心脏跳动下TECAB的禁忌症 ：
- 靶血管过小
- 弥漫性病变和钙化的靶血管

停跳下TECAB联合远程CPB通路及球囊灌注心肌保护的禁忌症 ：
- 股动脉过小
- 中至重度主动脉-髂动脉粥样硬化
- 升主动脉直径大于35毫米
- 下腔静脉或髂静脉闭塞

3 手术入路

我们已多次描述该手术操作，并参考其他团队此前发表的文献[3–5, 12–13]。简而言之，完全内镜下冠状动脉旁路移植术（TECAB）通过置于患者左侧胸壁的四至五个穿刺套管进行。需要全身麻醉和左肺塌陷。通过二氧化碳气腹可获得操作空间。外科医生坐在控制台后，通过三维双目镜观察视野，并使用称为“主控装置”的操纵杆远程操控机器人器械。电凝由控制台处的脚踏板控制（图1）。患者推车配备四个机械臂（图2）。通常游离一根或两根内乳动脉，大多数外科医生采用骨骼化方式进行。随后以内镜方式去除心包脂肪垫并切开心包囊。明确靶冠状动脉后，进行血管桥至冠状动脉吻合，可在心脏跳动或心脏停跳状态下完成。前者使用章鱼状吸力稳定器（图3）固定冠状动脉，并对靶血管实施局部阻断；后者则通过左腹股沟建立心肺机连接，使用腔内球囊导管阻断升主动脉，并灌注心脏停搏液以实现心脏停跳。迄今为止，最多已成功完成四根血管桥的构建[13]。冠状动脉吻合采用连续聚丙烯缝线（图3）[14]或自动吻合连接器完成[15–16]。内乳动脉、桡动脉和大隐静脉均已用作机器人辅助搭桥移植的血管桥。

4 术后护理

术后护理与传统心脏手术后相似。然而，由于手术创伤较小（图4），患者更容易活动，且无需采取胸骨保护措施。与通过正中胸骨切开术进行的冠状动脉旁路移植术（CABG）相比，恢复正常活动的速度更快。

5 术中及短期结果

根据文献中的数据，总手术时间从177分钟（2小时57分钟）到373分钟（6小时13分钟）不等。正如Goeboeloes所述，在过去的20年中，尽管多支血管重建和手术复杂性显著增加，手术时间仍从平均300分钟（5小时）下降至280分钟（4小时40分钟）[17]。此外，根据本综述，转为更大切口的比例从2000年代初期的超过50%下降至2018年的5%以下[17]。为进一步降低这些比率，仍需持续进行技术发展。

重要的术后终点指标似乎是可接受的。文献报道，停跳心脏TECAB的围手术期死亡率为0.6%，卒中发生率为1.5%；而非停跳TECAB的死亡率为1.1%，卒中发生率为0.4%。停跳心脏TECAB的肾功能衰竭发生率为1.3%，非停跳TECAB为2.0%，心房颤动的发生率分别为14.0%和12.9%。文献中有一些迹象表明，多支血管手术方法的并发症有所增加[18]。

尽管尚未通过前瞻性随机对照试验证实，但与开放手术相比，似乎确实有潜力缩短住院时间。住院时间最短可达3.3天已有报道[17]。佐乌特尔在一项比较完全内镜下冠状动脉旁路移植术与通过正中胸骨切开术进行的传统冠状动脉旁路移植手术的回顾性研究中，发现重症监护病房停留时间减少了24小时，住院时间缩短了4天[19]。

博纳罗斯表明，术后3个月生活质量评分提升更快。我们发现出院后的早期康复阶段优势最为显著，患者恢复到正常活动的时间早于正中胸骨切开术后的患者[20]。

6 长期结果

根据文献中发表的数据，TECAB术后的长期结果似乎与开胸冠状动脉旁路移植术的结果相似。2012年，本综述的第一作者发表的论文分析了226名患者[8]的五年生存率和重大不良心脑血管事件（MACCE）-free率，分别为92.9%和75.2%，这与标志性SYNTAX和ARTS试验中通过正中胸骨切开术进行的开放CABG所报告的结果非常接近[21, 22]。在一项倾向性匹配研究中，Kofler报道了TECAB与传统CABG的五年和十年结果，发现两者之间无显著差异[23]。在一项CT血管造影随访研究中，Stastny发现五年左乳内动脉旁路通畅率达到94.9%，这一结果非常可接受，且与Currie报道的机器人辅助微创远端冠状动脉旁路移植术（MIDCAB）五年通畅率92.7%非常相似[24–25]。

7 可用结局数据的局限性

文献中报道的TECAB数据均来自回顾性观察性单中心或多中心研究。关于机器人冠状动脉旁路移植术（包括完全内镜下冠状动脉旁路移植术和机器人MIDCAB）的一些证据至少来自大型STS数据库以及美国范围内的保险数据[26–27]。一个仍然存在的挑战是事实：目前尚无任何将机器人TECAB与经正中胸骨切开术或小切口开胸术进行冠状动脉旁路移植术相比较的前瞻性随机对照试验。由于开展该手术操作的医疗中心过少，难以达到进行有意义比较所需的数百例患者规模，而且如果患者适合接受完全内镜下冠状动脉旁路移植术，外科医生和患者很可能都不愿意接受随机分组或被随机分组。

8 关键问题

8.1 技术发展

机器人辅助完全内镜下冠状动脉旁路移植术（TECAB）已存在20多年。在此期间，仅有来自美国加利福尼亚州森尼韦尔的直觉外科公司（Intuitive Surgical Inc）提供的一项技术持续取得成功。TECAB手术曾使用过三种机型：第一代达芬奇机器人、达芬奇S系统和达芬奇Si系统。需要指出的是，完全内镜下冠状动脉旁路移植术是历史上首项以机器人方式完成的手术操作[1]。第二代和第三代设备带来的主要技术进步列于表2中。实现机器人冠状动脉吻合的两个关键技术特征是内腕技术以及内镜吸力稳定器的应用。后者作为机器人器械在达芬奇S和Si系统上得以实现。这是一种巧妙的辅助发明，但由于该手术在全球心脏外科领域采用缓慢，该公司目前已停止生产该器械，并未将其提供给第四代设备——达芬奇Xi系统[8]。对于正在积极开展TECAB手术的中心而言，这是一场灾难，因为目前可用的替代方案极为有限。自动吻合装置已经面世，可有助于移植物与吻合口连接[15]。

与内腕稳定器类似，由于缺乏广泛应用，这些装置的生产也已停止，希望未来其他公司能够重新启动这一技术的研发。硬件发展的另一重要进展是第二个机器人控制台的推出，使得受训者或外科同事能够全面参与手术操作。

8.2 设备特定考虑因素

关于机器人设备的操作，需要考虑多个方面。与泌尿外科、妇科和普通外科等同样使用该机器人的学科相比，心脏手术所需的手术室空间明显更多。麻醉过程复杂，且需要随时待命或连接心肺机。机器人设备作为一个额外的空间占用因素，使得原本就拥挤而复杂的环境更具挑战性。在启动机器人冠状动脉旁路移植手术项目之前，进行模拟手术和模拟训练的重要性再怎么强调也不为过。每次手术前，外科医生必须提前明确传达详细的手术策略，并在“术前核对”和“术后核对”环节中再次确认。完全内镜下冠状动脉旁路移植术（TECAB）的手术时间在早期阶段尤其漫长，但已随着整体学习曲线的发展而逐步缩短[17]。然而，目前仍有很大的流程优化空间。将顺序进行的手术步骤（如麻醉诱导和机器人设备铺巾）转变为并行操作应成为目标之一。关于外科医生远离患者是否构成问题，一直存在讨论。对此问题的回答可能是：“是的，这是一个挑战，需要床旁手术团队与控制台外科医生之间具备出色的沟通能力。” 尽管外科医生远程操作，但在贴近手术操作层面时却能更深入地沉浸其中，所观察到的细节远超开胸冠状动脉旁路移植术（CABG）中常用的放大镜放大效果。与微创冠状动脉旁路移植术（MIDCAB）和微创小切口冠状动脉旁路移植术（MICSCABG）中的小切口开胸入路相比，机器人手术在术野的沉浸感上以数倍优势超越了小切口带来的钥匙孔视野。稳定的手术团队始终被认为是TECAB成功的关键因素。这当然是正确的观点，但在许多医疗中心由于值班任务以及教学中心必要的轮转安排，实现团队稳定性较为困难。尽管如此，建立团队稳定性至少应成为一个严肃追求的目标。我们还建议，应将参与并理解机器人手术原理作为整个心脏外科、心脏麻醉和心血管内科部门教育工作的目标之一。一个问题是，机器人手术团队常常处于孤立状态，这可能正是此类手术难以广泛推广的原因之一。心脏外科团队的每位成员都应具备基本的设备操作能力和器械更换能力。

还可以建议，即使是主刀外科医生也应相互协助完成这些手术操作，并共同提升机器人手术技能。这对于在控制台上的操作同样适用，而双控制台在此方面具有巨大优势。表3列出了可能导致灾难性后果的常见挑战和错误，这些必须绝对避免。

表2

第二代和第三代达芬奇™设备的关键技术进步 ：
- 使用高清技术实现更佳的视野
- 器械具有更长的伸展范围（对大隐静脉取材尤为有帮助）
- 重新插入时器械可返回完全相同的位置（安全性！）
- 第四机器人手臂的引入
- 在非停跳TECAB中可使用机器人血管内稳定器以稳定靶血管
- 手术操作教学与共享用的第二控制台
- 外科医生控制台集成的虚拟模拟器

表3

机器人设备的常见操作错误 ：
- 首次手术前未进行或仅进行了极少的模拟训练和模拟操作
- 太多不同的团队成员轮换，导致团队成员将机器视为私有领域，不愿分享技能和知识
- 设备定位未经过充分练习，对接时已浪费宝贵时间
- 器械在未经培训且无屏幕视野的情况下插入
- 移除器械时穿刺套管被拉出（造成重新插入困难并增加胸壁创伤）
- 被拉出的穿刺套管重新插入时未与胸壁垂直
- 转为开放手术过晚，尽管出现重大技术困难仍试图完成机器人手术操作

9 学习曲线和资质认证

多篇描述掌握完全内镜下冠状动脉旁路移植术（TECAB）学习曲线的论文已发表。一个持续观察到的模式是，单个外科医生在任何手术操作要素上的学习曲线陡峭阶段通常在经历约30至50次重复后结束，而学习仍会继续，即使在重复次数达到三位数后仍可看到改进[12]。

迄今为止，针对机器人TECAB的培训标准化和规范化工作仍较为有限。一个由当时经验相对丰富的外科医生组成的多中心团队制定了一项非常基础的指南，并于2016年发表在《胸心血管外科杂志》上[27]。

10 成本

自机器人技术引入以来，成本一直是主要的批评点。有关成本的已发表数据列于表4中。

根据卡瓦拉罗等人对国家住院患者样本（NIS）中未匹配的机器人辅助冠状动脉旁路移植术与传统CABG在结果和费用方面的差异研究，最初机器人辅助CABG比传统CABG便宜15.5%[28]。然而，在进行倾向评分匹配后，单支血管重建患者接受机器人手术的费用高出7.7%，多支血管重建患者则高出6.0%。帕斯里贾等人指出，与机器人辅助微创冠状动脉旁路移植术相比，完全内镜下手术的医院成本高出32.8%[29]。

表4

机器人TECAB成本的已发表数据 ：

来源	传统手术费用	机器人手术费用
卡瓦拉罗 [28]（未匹配）	$124,900	$105,600
卡瓦拉罗 [28]（单血管匹配）	$93,100	$100,800
卡瓦拉罗 [28]（多血管匹配）	$100,900	$107,300
帕斯里贾 [29]（微创CABG）	—	$22,679
帕斯里贾 [29]（完全内镜CABG）	—	$33,769

注：论文[28]报告的是对患者的费用，而论文[29]报告的是医院的成本。

11 五年展望

11.1 未来展望

未来几年将令人振奋，因为第一代外科手术机器人的专利已经过期，新的机器人设备正被推向市场。这将为硬件和手术操作开发带来有趣的机会。已公开展示的原型包含了引人注目的新功能。采用单臂多列结构而非单个患者推车配备多个机械臂，可能提供更高的患者通路灵活性。自动防碰撞检测可以避免机械臂碰撞以及不必要的力施加。为所有团队成员提供三维视觉似乎是一项特别有用的功能，可实现更安全的器械插入，并增强床旁团队的辅助操作。在初期以生产多功能设备为主的行业阶段之后，未来可能需要生产专科专用甚至术式专用的机器人。已有公司正朝这一方向发展[30]。针对机器人完全内镜下冠状动脉旁路移植术（TECAB）所需开发的器械示例包括集成于机器人器械中的自动化吻合连接器。目前这些连接器仍需通过额外的胸腔通道手动使用[15]。此外，还需要开发能够快速且安全地暴露心脏后壁的持器器械。针对TECAB的培训模块必须成为将机器人推广到临床应用的重要组成部分。虽然已有用于前列腺切除术等手术的虚拟模拟器，但目前完全缺乏适用于冠状动脉旁路移植术（CABG）的虚拟模拟器。

缺乏触觉反馈常被认为是机器人手术的一个主要缺点。然而，根据相关外科团队的经验，触觉信息完全可以由视觉线索替代。我们认为前几段中提到的这些特点更为重要。

尽管远程手术的发展具有一定的趣味性，但其进展有限，这可能是因为即使在同一手术室内进行，机器人辅助冠状动脉旁路移植术也是一种高度复杂的手术，需要与台旁团队、麻醉和灌注师持续直接互动的手术操作。然而，远程指导已经得到实践，并将成为指导和培训活动的重要组成部分[31]。

对机器人设备运动和外科医生表现的分析已经进入人工智能领域[32]。机器人设备搭载计算机芯片这一事实从该角度提供了令人振奋的机遇。在支气管镜检查和胃肠道内镜检查领域，解剖结构和典型病理的自动识别正在开发中。类似的检测算法也可用于识别胸腔内的解剖结构，并有助于冠状动脉靶点的定位。在手术器械可能损伤胸内结构之前自动停止手术机器人运行，可能成为提升患者安全的重要辅助手段。尽管在实验环境中机器人已可执行自动摄像定位等简单操作，但血管获取和吻合缝合的临床应用目前仍遥不可及[33]。

12 专家意见

机器人完全内窥镜下冠状动脉旁路移植术（即所谓的TECAB手术）已发展了20多年。在此期间，该技术已从单支血管桥植入发展到完全内镜下构建多支血管桥，并可在跳动的心脏上或心脏停搏条件下实施。常与经皮冠状动脉介入治疗联合应用，称为杂交冠状动脉血运重建。心脏外科医生已使用了三代机器人设备，每一代都带来了重要的技术发展。其中最重要的包括：由于具备七个自由度而实现冠状动脉吻合完全内镜下缝合的内腕技术；用于在跳动的心脏上实施TECAB手术的机器人内镜吸力稳定器；以及吻合连接器的引入。后者目前尚无机器人器械版本，但未来有望实现，在技术集成方面具有良好的潜力，类似于肺切除用吻合器被改造成机器人器械的方式。

标准临床结果似乎与传统冠状动脉旁路移植手术的结果相当。机器人技术的应用显著减少了手术创伤，并缩短了术后恢复时间，这增加了其价值。遗憾的是，康复阶段的恢复时间并未纳入心脏手术的标准结局测量指标中。然而，回顾性数据显示，接受机器人手术的患者比接受正中胸骨切开术的患者更快恢复全部活动能力。未来的研究应重点关注机器人辅助心脏手术这一优势。最重要的是，完全内镜下冠状动脉旁路移植术是一种最大程度保护患者完整性的手术。

尽管如此，这种手术在全球心脏外科医生中的应用进展缓慢，主要是由于学习曲线长、手术时间较长以及成本问题。通过模拟和标准化培训可以很好地弥补学习曲线的问题。同样，手术时间在过去20多年的发展中已显著缩短，尽管手术复杂性有所增加。成本仍然是一个问题，但随着新公司和新设备进入市场，有望实现合理的成本降低。

需要指出的是，迄今为止，仅通过机器人技术实现的完全内镜方法在实施冠状动脉旁路移植术方面取得了成功。所有其他使用传统胸腔镜器械的尝试或多或少都失败了。我们认为，为了保持竞争力，心脏手术必须像腹部手术一样发展完全内镜的“仅端口”方法。

高效的团队对于机器人手术的成功至关重要。需要实施新的团队培训方法，以使手术过程更加顺畅高效，同时也有助于缩短手术时间。

目前，新型机器人设备正在研发中，这可能会重新激发人们对TECAB手术的兴趣。越来越多的公司已开始展示新的技术特性，例如为整个团队提供3D视觉、可在控制台坐姿或站姿操作、采用多列结构分别承载单臂而非单一患者推车搭载多臂、自动防碰撞检测以及新型操纵杆设计。远程手术是否也会引发新的关注，仍有待确定。完全自动化手术步骤目前尚处于早期实验阶段，将其应用于临床环境将面临挑战。此类手术部分的开发将成为未来几年研究的重点之一。类似于自动驾驶汽车，半自动化甚至自动化TECAB手术在将来某一天可能成为现实。