机器人手术中的能量

简介

机器人手术已成为全世界手术室的主流手术方式。自2000年美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration，FDA)首次批准用于泌尿外科手术以来，机器人手术在不同领域的应用呈指数级增长，并已成为前列腺切除术^[1-5]的标准术式。目前有多种机器人平台应用于临床，其中达芬奇平台(直观外科公司，桑尼维尔，加利福尼亚州)是最常用的平台^[6,7]。机器人手术技术的发展有赖于专门的能量器械和电外科发电机的创新与应用，可用于术中切割组织和止血。机器人手术中使用的设备与微创手术、开放手术中的设备相似，但有几个重要的区别。本文对目前常见的能量器械及其在机器人外科手术中的应用做一综述，还将讨论机器人平台中使用能量器械造成的八种常见并发症。值得注意的是，由于机器人手术目前使用达芬奇Si和Xi平台，本文主要讨论相关器械在上述两种平台中的应用。

---

电外科发电机

用于组织解剖和止血的射频能量由电外科发电机输送。常用于达芬奇S/Si系统的发电机见表1和图1。目前适用于特定仪器和附件的电缆和适配器种类有限，因此电外科设备（electrosurgical units, ESUs）的发展较局限。随着不同亚专科对特定能量器械的偏好，基于机器人平台的ESUs也将得到飞速发展。

表1 达芬奇S，Si，Xi系统中常用的电外科设备
Full table

图1 常用的电外科设备（发电机）。目前达芬奇Xi平台常用的发电机：（A）ERBE VIO dV(埃尔比勒美国公司，玛丽埃塔公司，佐治亚州);（B） Covidien ForceTriad(Covidien Medtronic公司，博尔德，科罗拉多州)。目前达芬奇S/Si平台常用的发电机：（C） ERBE VIO 300D；（D）Covidien Force FX（曾经的Valleylab）。

鉴于Xi系统的整体发电装置中使用了ERBE-ERBE VIO dV设备(埃尔比勒美国公司，玛丽埃塔公司，佐治亚州；直观外科公司，桑尼维尔，加利福尼亚州)，因此适用于Xi系统的发电机种类很少。然而，为了适配常见的发电机，Xi系统还可兼容Covidien ForceTriad(Covidien Medtronic公司，博尔德，科罗拉多州)。这两种发电机均提供单极、双极和高级双极等能量。近期，Intuitive公司生产的一款新型专利发电机“E-100”在2019年11月下旬获得了FDA的批准，并用于达芬奇高级密封设备(Vessel Sealer Extend®和未发布的SynchroSeal®)。该ESU已得到销售许可，将不提供单极功能，并搭配集成的ERBE VIO dV或Covidien ForceTriad发电机在Xi平台联合使用。

VIO dV和ForceTriad是截然不同的ESUs，由于专业偏好、医院合同和总体安全性的竞争，目前从业者很难在两者间抉择。由于同类型产品VIO 300d在美国主要用于胃肠外科手术，因此许多外科医生对集成的VIO dV并不熟悉。相比之下，ForceTriad在手术室的市场份额较高，其前身Force FX在美国仍较常用。上述两种发电机的能量设置和模式相似，包括两个主要波形：一种设计用于切割或横切组织(“切割”模式)，另一种更多用于止血(同时仍然能够横切组织)，即“凝血（coag）”模式。

此后，随着VIO dV推出诸如“swift coag”“forced coag”等波形，该发电机可提供混合波形，可根据组织电阻(阻抗)提供不同能量模式。除了能量模式的选择，VIO dV还提供“组织效应”和“功率极限”两种选择。图2提供的快速参考指南列举了各种可能的组织效应。相比之下，ForceTriad采用了一个更简单的平台，提供功率(W)和4种模式的选择:“pure”“fulg”“blend”切割模式和“spray”凝血模式。简而言之，混合切割模式在纯切割的基础上增加了止血功能；与“fulg”模式相比，“spray”模式更适用于需要表面止血的大面积区域(如肝脏)。表2列出了不同模式的等效功率。

图2 ERBE VIO dV的单极模式。ERBE VIO dV(埃尔比勒美国公司，玛丽埃塔公司，佐治亚州)发电机中不同单极模式对组织效应的描述。通过调整组织效应，实现了能量传递的进一步细化以及功率限制的调整。原始版本见于Intuitive PN 1047446 Rev. A 05/18（出版得到了直觉外科公司的批准）。

表2 达芬奇Xi系统发电机的能量输出换算
Full table

尽管有不同的能量波形，但功率设置不一定能转换为预期的组织效应。ForceTriad发电机中，最常见的单极能量设置是30 W的“flug”凝血模式和30 W的“pure”切割模式。根据我们的经验，最常见的ERBE设置是“swift”凝血模式（组织效应：4；功率极限：90 W）和“dry”切割模式（组织效应：4；功率极限：90 W）。每个发电机均可根据所需的组织效应做出微调(例如，如果需要更多止血效应，可将瓦数增加到40或组织效应增加到5)。此外，每个外科医生的偏好也可以保存在VIO dV中。

就安全性而言，两者都获得了美国FDA的批准，具有相似的安全性，但仍容易受到杂散能量的影响(所有ESUs均会出现)^[8]。例如，最近内镜检查的实验表明，ERBE VIO 300的恒定电压调节机制可导致较少的杂散能量转移^[9,10]；而我们团队在Si平台上进行的隔空激活实验(即在不接触组织的情况下激活设备)中也得到了类似的结论(表3)。我们将在后文详细讨论减少杂散能量转移的方法。

表3 隔空与组织接触时的杂散能量传递
Full table

---

能量器械：单极

设备

通过钩子施加单极能量的电钩是腹腔镜和机器人手术中最常用的器械之一。外科医生可使用电钩解剖粘连、小血管和淋巴管，并精确地施加能量。该装置的根部还可用于在移动过程中施加能量，从而更有效地对大面积的组织进行分割和止血。在微创胆囊切除术中，该器械对于手术的安全性和完全止血至关重要^[11]。

机器人手术中的电钩运用了EndoWrist®(Intuitive公司)技术(图3A)。大多数机器人设备中使用了上述电钩，并可进行570°旋转，超过了人的手腕，便于在有限的空间和精确的平面内进行精细解剖。这一单极电钩主要用于机器人胆囊切除术和腹股沟疝修补(图3B)。腹腔镜和机器人手术中第二常用的单极器械是热剪(图4A, 图4B)。该器械同样使用了EndoWrist®技术，允许在有限的空间内进行精确解剖。

图3 用于达芬奇系统的单极电钩。（A）机器人手术中的L形钩，目前所有机器人单极器械都已采用EndoWrist®技术；(B)机器人单极电钩擅长分割脆弱的组织及其周围的解剖，如图中所示的腹腔镜下胆囊切除术的关键操作。

图4 用于达芬奇系统的剪刀。（A）机器人手术中可旋转的剪刀；（B）机器人手术中的剪刀是一种十分精确仪器，可用于切割粘连，并用单极能量控制止血。

达芬奇3D-HD内镜摄像头提供的放大和三维可视化功能使这两种能量器械更加高效。此外，该摄像头可提升器械的活动度和精度，使单极剪刀对解剖和止血极其有效，常用于粘连松解术和更复杂的剥离术，例如，在中下腹-骨盆的手术及腹股沟疝修补术中应用(图5) ^[12]。

图5 用于达芬奇机器人系统的电铲。机器人系统中电铲的工作原理是导致表面组织大面积气化。

机器人平台中最后一种常用单极器械是电铲(图5)。该器械也使用了EndoWrist®技术，可对浅表组织进行大面积的气化，例如，在肝脏切割后实现浅表血管的止血^[13]。

并发症

在手术室中使用能量器械可导致以下8种电外科相关的损伤：火灾、天线耦合、绝缘故障、余热、直接损伤、与电子设备的相互作用、直接耦合和电容耦合^[14]。由于目前尚缺乏对机器人平台中上述损伤的研究，我们只能通过腹腔镜手术做出推断。术中火灾的发生率应该与传统的腹腔镜手术没有差异；直接耦合和直接损伤在开放手术中更常见；而目前没有关于机器人手术中电子设备干扰的报道，因此上述损伤在此不做讨论。下文将主要探讨天线耦合、电容耦合、绝缘故障和余热等损伤。

鉴于靠近能量器械的大直径金属物体可加重天线耦合和电容耦合，上述两种模式导致的杂散能量传递需引起格外的重视^[9,15-19]。而这种效应是无法避免的，理论上增加了机器人手术中杂散能量的损伤。来自我们实验室的体外数据表明，杂散能量的传递在使用ForceTriad进行隔空激活实验与传统的腹腔镜手术中的相当。在“coag”模式下，通过将功率设置从30 W降低到15 W，或者利用低电压模式，如纯切割或混合切割，可显著降低功耗（表4）。此外，ERBE ESUs在基线时产生的杂散能量转移也显著减少，其机制可能与调节恒定电压有关，而这与ForceTriad的调节恒定功率相反。目前尚需更多的研究来证实上述发现并探究机制。

表4 机器人手术中减少杂散能量传递的比较
Full table

降低功率设置和（或）利用低电压模式是减少杂散能量传递的有效方法，但必须特别强调避免隔空激活设备(如在电钩或剪刀接触组织之前踩下踏板)。我们的研究发现，当单极器械在接触组织被激活时，没有显著的能量传递(表3)：一旦能量器械被激活，射频能量可被传递至金属L形电钩、热剪或电铲，并形成回路(返回到分散电极)；然而，如果无法形成回路，能量就会积聚，直到可以跨越绝缘(电容耦合)或转移到附近的金属物体(天线耦合)。

另一个重要的并发症是绝缘故障。术中杂散能量传递可导致血管和肠道的损伤，而绝缘故障可导致上述损伤更加严重^[20,21]。使用EndoWrist®技术的热剪使用了橡胶尖端盖，可有助于提升其角度和功能。Espada等人的一项研究发现，近80%的机器人设备在使用10次后出现绝缘故障^[22]。理论上，提升尖端盖附件的角度和灵活性会导致其发生微小撕裂，进而造成绝缘故障。在使用第一代尖端盖时，高达39%的病例检测到这种情况^[23]；而首次应用第二代尖端盖后，尚没有公开研究报道。作为外科医生，直视下检查仍是评估尖端盖附件最有效的方法，且应在每次使用前均进行该检查。

总之，在机器人手术中，如何避免单极能量相关并发症的数据仍很少。根据腹腔镜操作的经验，我们提出以下建议:(I)利用最低功率设置(W)实现所需的组织效应；(II)尽可能采用低压模式(ERBE中的“swift coag”模式和“forced coag”模式；ForceTriad中的“blend”模式和“coag”模式)；(III)避免隔空激活设备；(IV)使用前检查绝缘附件。

---

能量器械：双极

机器人平台配备了多种双极器械，既可用于解剖和抓取组织，也可实现止血和横切组织。最常用的是标准双极抓钳，包括马里兰双极抓钳和圆头开窗双极抓钳(图6A, 图6B)。上述器械也采用了EndoWrist®技术，具有多重功能，不仅能抓取和放回组织，还可通过表面绝缘涂层实现小血管的止血。

图6 标准的双极器械。机器人系统中的器械具有EndoWrist®技术的灵活性，兼具标准的双极凝血能力：（A）圆头开窗双极抓钳；（B）马里兰双极抓钳；（C）双极电凝钳具有双极电灼及牵开器的双重作用。图示中电凝钳被用来松解粘连的血管。

双极电凝钳(图6C)推荐与剪刀联合使用，用于剪刀解剖过程中未完全控制的小血管止血。由于双极本身不能切割组织，通常需要一个集成的刀片如Vessel Sealer®，因此ForceTriad中的设置通常类似于单极(30 W，“coag”模式)；而集成的VIO dV双极模式是可调节的，类似于具有组织效应^[1-8]和可调功率限制的单极模式。虽然双极电凝钳提供了“cut”模式，但很少使用。该双极钳内置了一个安全机制，即“自动停止”，确保双极能量只能在抓住足够数量的组织时被激活(通过组织阻抗测量)，但该机制也会限制对微小血管的有效止血。

Vessel Sealer®及其升级版Vessel Sealer Extend®是一种先进的双极器械，可用于直径7 mm的血管止血。与Ligasure® (Covidien-Medtronic公司，博尔德，科罗拉多州)类似，Vessel Sealer®将双极血管密封技术与EndoWrist®的灵活性相结合(图7)，特别适用于狭小空间的操作，如骨盆或纵隔，且无需更换器械，从而减少手术时间^[24]。然而，值得注意的是，Kong等人在使用Vessel Sealer®进行解剖和止血时遇到了尖端失灵的故障，进而更换为标准双极器械^[25]。

图7 使用Vessel Sealer®。机器人系统中Vessel Sealer®是另一种的多功能器械，可用于双极能量进行止血。它特别适用于解剖狭小的空间，如解剖和暴露食管裂孔疝。

与Vessel Sealer®相比，Vessel Sealer Extend®的灵活性显著增加，具有60°的全腕关节，并能够以90°角对7 mm的血管止血。这一版本比Vessel Sealer®轻薄了30%，并包含了3 mm的额外密封空间。虽然作者本人还没有试验过这种器械，但与最初的版本相比有了很大的改进。

---

能量器械：超声

通过与Ethicon (ACE Harmonic)公司的合作，机器人平台可采用超声设备，可用于7 mm的血管止血和组织横切^[26,27]。但由于需要将射频能量在器械的尖端转换成超声振动，因此缺乏EndoWrist®的灵活性。尽管超声器械减少了热扩散、凝结物和炭化，但并没有广泛应用于机器人平台。

---

其他机器人平台

本文中我们的重点一直放在使用最广泛的机器人平台(达芬奇S/Si和Xi系统)上，但目前还有多家公司的平台正处于开发的最后阶段。美国FDA批准的唯一一款在美国限量发行的机器人平台是由Transenterix公司生产的Senhance®外科系统。它给机器人外科手术领域带来了新的功能，如视觉跟踪功能和触觉反馈。鉴于目前该系统仅限量生产，因此对其相关的能量器械尚不清楚。

---

结论

机器人手术已成为外科学的重要组成部分，其应用正在迅速扩大。外科医生必须清楚地了解可用的器械和附件，以便更高效地进行手术，并了解使用射频能量来实现组织解剖、横切和止血。我们希望这篇简短的综述能够为理解单极、双极和超声能量的选择、风险、益处及替代方案提供基础。虽然目前尚需开展更多的研究，但遵循上述基本指南将提高手术效率并减少患者的损伤。

Acknowledgments

The authors would like to thank Drs. Alyssa Peace and Paul Montero for helping with preparation of photographs.

Funding: None.

Footnote

Conflicts of Interest: All authors have completed the ICMJE uniform disclosure form (available at http://dx.doi.org/10.21037/ales.2020.03.06). Dr. KJW reports non-financial support from Intuitive Surgical, outside the submitted work. The other authors have no conflicts of interest to declare.

Ethical Statement: The authors are accountable for all aspects of the work and in ensuring that questions related to the accuracy or integrity of any part of the work presented have been appropriately investigated and resolved.

Open Access Statement: This is an Open Access article distributed in accordance with the Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 4.0 International License (CC BY-NC-ND 4.0), which permits the non-commercial replication and distribution of the article with the strict proviso that no changes or edits are made and the original work is properly cited (including links to both the formal publication through the relevant DOI and the license). See: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/.

References

1. Kelly S. Intuitive Surgical profit up on strong da Vinci robot sales: MeditechDive; 2018. Available online: https://www.medtechdive.com/news/intuitive-surgical-profit-up-on-strong-da-vinci-robot-sales/528257/
2. Tan A, Ashrafian H, Scott AJ, et al. Robotic surgery: disruptive innovation or unfulfilled promise? A systematic review and meta-analysis of the first 30 years. Surg Endosc 2016;30:4330-52. [Crossref] [PubMed]
3. Leal Ghezzi T, Campos Corleta O. 30 Years of Robotic Surgery. World J Surg 2016;40:2550-7. [Crossref] [PubMed]
4. Estey EP. Robotic prostatectomy: The new standard of care or a marketing success? Can Urol Assoc J 2009;3:488-90. [Crossref] [PubMed]
5. Laviana AA, Williams SB, King ED, et al. Robot assisted radical prostatectomy: the new standard? Minerva Urol Nefrol 2015;67:47-53. [PubMed]
6. Peters BS, Armijo PR, Krause C, et al. Review of emerging surgical robotic technology. Surg Endosc 2018;32:1636-55. [Crossref] [PubMed]
7. Gosrisirikul C, Don Chang K, Raheem AA, et al. New era of robotic surgical systems. Asian J Endosc Surg 2018;11:291-9. [Crossref] [PubMed]
8. Karacan T, Usta T, Ozkaynak A, et al. Comparison of the Thermal Spread of Three Different Electrosurgical Generators on Rat Uterus: A Preliminary Experimental Study. Gynecol Obstet Invest 2018;83:388-96. [Crossref] [PubMed]
9. Jones EL, Madani A, Overbey DM, et al. Stray energy transfer during endoscopy. Surg Endosc 2017;31:3946-51. [Crossref] [PubMed]
10. Mendez-Probst CE, Vilos G, Fuller A, et al. Stray electrical currents in laparoscopic instruments used in da Vinci(R) robot-assisted surgery: an in vitro study. J Endourol 2011;25:1513-7. [Crossref] [PubMed]
11. Pontarelli EM, Grinberg GG, Isaacs RS, et al. Regional cost analysis for laparoscopic cholecystectomy. Surg Endosc 2019;33:2339-44. [Crossref] [PubMed]
12. Cui R, Yu MH, Chen JJ, et al. Monopolar Electrosurgical Scissors Versus Harmonic Scalpel in Robotic Anterior Resection of Rectal Cancer: A Retrospective Cohort Study. J Laparoendosc Adv Surg Tech A 2019;29:880-5. [Crossref] [PubMed]
13. Holloway RW, Brudie LA, Rakowski JA, et al. Robotic-assisted resection of liver and diaphragm recurrent ovarian carcinoma: description of technique. Gynecol Oncol 2011;120:419-22. [Crossref] [PubMed]
14. Jones EL, Dean J. Surgical Energy. In: Fischer JE, Ellison EC, Upchurch GR, et al. editor. Fischer's Mastery of Surgery. 1. 7 ed. Philadelphia: Wolters Kluwer; 2018.
15. Jones EL, Robinson TN, McHenry JR, et al. Radiofrequency energy antenna coupling to common laparoscopic instruments: practical implications. Surg Endosc 2012;26:3053-7. [Crossref] [PubMed]
16. Robinson TN, Jones EL, Dunn CL, et al. Separating the Laparoscopic Camera Cord From the Monopolar "Bovie" Cord Reduces Unintended Thermal Injury From Antenna Coupling: A Randomized Controlled Trial. Ann Surg 2015;261:1056-60. [Crossref] [PubMed]
17. Overbey DM, Townsend NT, Chapman BC, et al. Surgical Energy-Based Device Injuries and Fatalities Reported to the Food and Drug Administration. J Am Coll Surg 2015;221:197-205.e1. [Crossref] [PubMed]
18. Overbey DM, Hilton SA, Chapman BC, et al. Hand-to-hand coupling and strategies to minimize unintentional energy transfer during laparoscopic surgery. J Surg Res 2017;219:103-7. [Crossref] [PubMed]
19. Townsend NT, Jones EL, Paniccia A, et al. Antenna coupling explains unintended thermal injury caused by common operating room monitoring devices. Surg Laparosc Endosc Percutan Tech 2015;25:111-3. [Crossref] [PubMed]
20. Cormier B, Nezhat F, Sternchos J, et al. Electrocautery-associated vascular injury during robotic-assisted surgery. Obstet Gynecol 2012;120:491-3. [Crossref] [PubMed]
21. Martin KE, Moore CM, Tucker R, et al. Quantifying inadvertent thermal bowel injury from the monopolar instrument. Surg Endosc 2016;30:4776-84. [Crossref] [PubMed]
22. Espada M, Munoz R, Noble BN, et al. Insulation failure in robotic and laparoscopic instrumentation: a prospective evaluation. Am J Obstet Gynecol 2011;205:121.e1-5. [Crossref] [PubMed]
23. Engebretsen SR, Huang GO, Wallner CL, et al. A prospective analysis of robotic tip cover accessory failure. J Endourol 2013;27:914-7. [Crossref] [PubMed]
24. Ortenzi M, Ghiselli R, Baldarelli M, et al. Is the bipolar vessel sealer device an effective tool in robotic surgery? A retrospective analysis of our experience and a meta-analysis of the literature about different robotic procedures by investigating operative data and post-operative course. Minim Invasive Ther Allied Technol 2018;27:113-8. [Crossref] [PubMed]
25. Kong SH, Kim TH, Huh YJ, et al. A Feasibility Study and Technical Tips for the Use of an Articulating Bipolar Vessel Sealer in da Vinci Robot-Assisted Gastrectomy. J Laparoendosc Adv Surg Tech A 2017;27:1172-9. [Crossref] [PubMed]
26. Amaral JF. The experimental development of an ultrasonically activated scalpel for laparoscopic use. Surg Laparosc Endosc 1994;4:92-9. [PubMed]
27. Aykan Yuksel B, Karadag B, Mulayim B. Comparison of the efficacy and safety of two advanced vessel sealing technologies in total laparoscopic hysterectomy. J Obstet Gynaecol Res 2019;45:2220-7. [Crossref] [PubMed]

译者介绍
王子杰
南京医科大学第一附属医院（江苏省人民医院）。医学博士，南京医科大学第一附属医院（江苏省人民医院）泌尿外科主治医师。长期从事泌尿外科相关临床与基础研究。近五年先后以第一作者或共同第一作者身份发表SCI二十余篇，主持国家级和省级课题两项。（更新时间：2021/8/24）

（本译文仅供学术交流，实际内容请以英文原文为准。）