3D立體腹腔鏡文獻選讀

文獻選讀

四季台安醫院
孫仲賢醫師

本篇作者為一般外科醫師,並非婦產科醫師,但其研究的主題與提出的觀點卻值得我們婦產科醫師關注與參考。

原作標題:
Is a robotic system really better than the three-dimensional laparoscopic system in terms of suturing performance?   
Comparison among operators with different levels of experience.
達文西機械手臂手術平台是否真的優於3D立體腹腔鏡平台?
比較不同程度的手術醫師在不同平台的縫合技巧表現

原作者:
Young Suk Park, Aung Myint Oo, Sang-Yong Son, Dong Joon Shin, Do Hyun Jung, Sang-Hoon Ahn, Do Joong Park, Hyung-Ho Kim

出處:

Surgical Endoscopy, April 2016, Volume 30, Issue 4, pp1485-1490

摘要:

背景:目前市面上已有高解析度的3D腹腔鏡平台,比起傳統2D,3D腹腔鏡據信能有效提升醫師的手術表現。然而3D立體腹腔鏡與同樣擁有3D功能的robotic system究竟孰優孰劣仍是未知數。而各種不同的操作平台對於不同手術經驗值的醫師在執行手術時的表現是否會有不同的影響也有待釐清。本研究旨在比較初學者及腹腔鏡手術經驗豐富的醫師在不同平台下(2D,3D,及3D robot)執行同一個模擬縫合任務 (suturing task) 表現的差異。

方法:
共有20位外科醫師參與,分為高階專家組 (>=100例腹腔鏡手術經驗,n=9),中階組 (20-99例經驗,n=7),以及初學組 (<20例經驗,n=4),所有人在這三種平台各執行三次的suturing task。任務失敗率以及完成任務所花費的時間都予以詳細記錄。 結果: 所有初學者都無法在2D或3D 下順利完成任務,但全部都可以在Robotic system下完成。(意即,手術表現 Robot >> 3D = 2D)。中階組在不同平台的任務失敗率為: 2D 23.8%,3D 4.8%,Robot 0% (p=0.04),意即在2D平台較容易卡關。專家組則不論在那一種平台失敗率都很低 (2D 7.4%,3D 3.7%,Robot 0%,p=0.769)。中階組醫師的縫合任務執行時間在不同的平台下差別不大,2D腹腔鏡下為312秒 (range 229-495 sec),3D腹腔鏡下為 324 秒 (range 170-443 sec),Robot 下為 319秒 (range 213-433 sec)。高階專家組在不同平台的任務完成時間就有顯著的差異 (p=0.01),3D 平台下為 177 秒 (range 126-217 sec),明顯優於2D平台的244 秒 (range 155-270 sec)(p=0.004),也優於Robot system的233 秒 (range 187-461 sec)(p=0.027)。

結論:
初學者特別受惠於Robot system,大幅提升手術表現,完成2D/3D 平台下做不到的縫合任務 (Robot >> 3D = 2D)。中階組醫師在3D 或Robot下的表現差不多,比2D好 (Robot = 3D > 2D)。高階專家醫師則不論在哪一種平台都可以順利完成任務,但完成時間是在3D 平台最快 (3D > Robot = 2D)。所以腹腔鏡的高手如果有3D 腹腔鏡平台,可能就不是那麼需要 Robotic system。

前言:

過去10年來在一般外科的手術領域,腹腔鏡已取代開腹手術成為主流。然而由於技術難度較高,學習曲線長,腹腔鏡手術要上手仍然十分不易。技術上的困難點一般認為主要有三: 長直的硬器械運(rigid instrument)作上有活動限制,鏡頭不穩定,以及3D 影像變成螢幕上的2D 影像 [1]。其中第三點被認為是從傳統開腹手術轉換到腹腔鏡手術的主要障礙 [2,3],器械以及腹內組織的深淺度以及相對立體位置的判定變得比較困難,必須借助一些輔助的微小視覺資訊來適應,例如鏡頭移動時鄰近器官大小的相對變化,光影的改變,色澤亮度的差異等微小的線索來輔助我們在大腦內重組立體影像。

從1990 年代末期開始發展的機械手臂輔助平台(robotic system)開始克服了這個主要關卡。Robotic sytem 不但提供了3D 影像系統,可以過濾掉手部的顫抖,還發展出如手腕般可以彎曲的操作器械 (articulated instrument),大大改善了傳統rigid instrument操作活動限制的缺點 [4]。雖然有這麼多好處,但Robotic system 在臨床上應用是否治療效果真的優於傳統腹腔鏡一直有爭議 [5-7],而且robotic system 很貴,除了機器器械昂貴,還要有固定的高額維護費用 [8]。近年來由於影像系統的進步,市面上開始有高畫質的3D螢幕,使得傳統腹腔鏡也可以擁有不輸給Robotic system 的3D立體視覺效果。陸陸續續也有一些研究顯示,醫師在3D腹腔鏡下的手術表現確實較優於2D [9-12]

目前,一般的住院醫師訓練階段都是先接觸傳統腹腔鏡較多。作者也假設經過數年的住院醫師完整訓練後,醫師應該都能熟悉傳統腹腔鏡的操作。在已經嫻熟傳統腹腔鏡操作下,轉換到Robotic system 是否要比改用3D腹腔鏡更能提升手術的品質不無疑問。更有趣的問題是,不同程度不同經驗值的手術醫師在不同的操作平台也許手術表現也會有不一樣的差異變化。作者本篇的研究目的就在探討如果在不同的操作平台 (2D 腹腔鏡 vs 3D腹腔鏡 vs Robotic system),不同程度的外科醫師 (初學者,中階,高階) 來執行縫合 (suture task)會有甚麼樣不同的手術表現差異。

材料與方法:

20位視力正常(裸視或眼鏡矯正後)的受試者參與本次實驗,被要求分別在2D平台,3D平台,以及Robotic system 下執行相同的縫合任務 (suturing task)。這些受試者過去都沒有robotic surgery的經驗。20位受試者中,9位屬於專家級 (有>=100 例laparoscopic appendectomy or laparoscopic cholecystectomy 的經驗),7位屬有中階經驗級(20-99例手術經驗),以及4位初學者(<20例手術經驗)。

每位受試者在每一種不同的操作平台各有三次執行suturing task的機會。為了避免學習記憶效應造成誤差,每個人在這3種不同平台操作的順序是隨機分配指定的,而且轉換不同操作平台之間的時間間隔至少要兩天以上。每位受試者也在受試之前都接受相同的口頭以及影片指導,了解suturing task要達成的目標。

這個suturing task 主要是模擬修補小腸切口的手術技法。Suturing task 包含三個步驟(Fig 1),第一步驟是先縫一針,然後打上一個surgical tie 外加兩個square knot。第二步驟則是連縫五個continuous running suture。第三步驟則是連上進行的,使用的線材是20公分長的單股可吸收線,配上HR26圓針(Monosyn, B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Germany)。

完成整個suturing task 所花的時間,以及各個步驟所分別花的時間都予以詳細記錄下來。及格的標準是三個步驟每一個步驟所花的時間都小於5分鐘。如果三個步驟中的任何一個步驟沒在5分鐘內完成,就定義為“任務失敗”(task failure)。每個人在每個平台執行三次suturing task,每次所花費的總時間,以及失敗率也都詳細記錄下來。為確保手術品質相當,每個人在各個平台執行suturing task 的前兩次都有專人監督並予以口頭指導確保所有的suture knots 以及running suture 所拉的張力不會太鬆或太緊,第三次就全靠受試者自行調整獨立完成所有步驟不再予以口頭指導監督。這第三次執行suturing task 所花的時間,就是評估受試者表現好壞的客觀數據參考。

本次實驗所使用的影像系統分別如下: 2D system部分是Olympus 公司的ENDOEYE FLEX System,有前端可彎曲的10 mm scope,高解析影像,並連接到23 吋full HD 平面螢幕。3D system 部分也是Olympus 公司的ENDOEYE FLEX 3D System,也是用前端可彎曲的10 mm dual lens scope,高解析影像,連接到23吋 3D full HD 螢幕,戴上偏光眼鏡來得到3D 立體的效果。為減少與robotic system比較時的干擾因素,2D system 和3D system都使用camera holder (Laparostat, CIVCO, IA, USA) 來固定鏡頭避免晃動,而且將鏡頭前方可彎曲的關節固定,以確保鏡頭下的視野確實與Robotic system 的視野相同。Robotic system 則使用達文西機械手臂 (da Vinci Robotic Surgical System, Intuitve Surgical Inc., USA),配備兩支標準8mm 持針器,一樣用10mm 的0度鏡頭,鏡頭也是固定不動。因此2D、3D、Robotic system 這三個平台的手術視野範圍都相同。
統計分析則利用SPSS version 21 的軟體進行,將三組不同程度手術醫師執行suturing task 的表現數據比對分析差異,比較各組的任務失敗率(task failure rate)(Fisher’s exact test),以及任務完成的時間 (Friedman test)。P值< 0.05 視為有統計學上的意義。

結果:

任務失敗率:
初學者這組(n=4),雖然有三次嘗試機會,沒有任何一位能在2D 或3D system下完全無誤的及時完成suturing task。(意即,任務失敗率100%) 相反的,在robotic system 輔助下,初學組所有人在每一次的嘗試都成功 (意即,任務失敗率0%) (參閱table 1) 所以在初學者這組在這三種不同手術平台的表現有極其顯著的差異(p<0.001)。把在2D 和3D system 下失敗的24次嘗試 (4個人,每人3次,2D + 3D)仔細分析,這24次的失敗,有19次(19/24=79.2%)是在第一步驟卡關,有5次(5/24=20.8%)在第二步驟卡關。

中階組(n=7)全部共有63次的嘗試機會 (7人 x 每人3次 x 3種平台),共有6次任務失敗發生,其中的5次發生在2D 平台,1次在3D平台,沒有人在robotic system 產生任何一次失誤。所以中階組在這三種不同手術平台的表現仍然有顯著的差異(p=0.04)。

至於在高階專家組(n=9)全部共有81次嘗試機會,共有3次任務失敗發生,2次發生在2D 平台,1次在3D 平台。同樣的,沒有人在robotic system 產生任何一次失誤。所以高階專家這組醫師在不同手術平台的表現並無差異(p=0.769)。
所有中階組和高階組的任務失誤,都發生在使用2D/3D 平台的第一次嘗試中的第三步驟。

Suturing task任務完成時間:
把中階組和高階組所有人在不同手術平台的第三次嘗試(理論上是最熟練的一次)所花費的時間拿來做交叉分析可以得到有趣的結果。中階組的醫師在三種不同手術平台下完成suturing task 花費的時間都差不多,沒有甚麼差異 (p=0.237,table 2),2D 平台是312秒 (range 229-495 sec),3D 平台324秒 (range 170-443 sec),robotic system 319秒 (213-433 sec)。花在各個步驟的時間在三種不同平台下也沒有甚麼差異。

高階專家組的醫師在不同手術平台下完成suturing task 所花費的時間則有顯著的差別,簡單來說,是3D < 2D = Robotic system (p=0.01,table 3)。2D 平台是244秒 (range 155-270 sec),3D平台是177秒(range 126-217 sec),robotic system 是233秒 (range 187-461 sec)。進一步交叉分析顯示,專家組醫師在3D平台下縫得比2D 快 (p=0.004),也比 robotic system 快 (p=0.027)。再深入分析,高階專家醫師在3D 平台輔助下,在suturing task 的第一步驟比2D 快(p=0.008),也比robot 快 (p=0.016)。而在第二步驟3D 又比robot 快 (p=0.004)。至於第三步驟就沒有顯著的速度差異(p=0.107)。

討論:

近年來,3D 顯像技術有長足的進步,高解析度的3D 顯像系統已逐步被應用到手術醫療領域。近年來已經有許多文獻探討3D平台和2D 平台之間的差異,絕大部分的文獻都清楚指出3D 立體腹腔鏡平台以及同樣提供高解析度立體影像的robotic system 明顯優於傳統2D平台 [9-15],可以提升手術醫師的performance。然而如果去除掉robotic system 其他額外的好處(如可靈活彎曲的關節,以及可過濾掉手部的顫抖等),3D robotic system 是否真的優於2D平台一直有些爭論。 而且,並沒有人仔細去分析比較3D robotic system 和現今3D立體腹腔鏡之間的差異。另外,也沒有人仔細分析不同手術經驗值的醫師在不同的手術平台間是否有不同的表現並探討手術功力增強的可能機轉。

Wagner 等人 [3] 發現不管與2D 或3D腹腔鏡相比,醫師在robotic system 下的表現都較優。然而他們的研究並沒有將醫師過往的手術經驗值考慮進去列入比較分析。在本篇研究裡,初學組 (過往傳統腹腔鏡手術經驗<20例)在2D和3D 平台執行指定的suturing task全數槓龜,失敗率為100%,而在robotic system 下,失敗率是0%。此結果與Wagner 等人的觀察相同,Robot system 顯然優於2D 與3D。然而在中階組 (20-99例腹腔鏡手術經驗),3D 平台與Robot system 的失敗率相仿 (Robot system 為0%,3D 平台為4.8%)。而在高階專家組 (>=100例傳統腹腔鏡經驗),各平台的失敗率也沒甚麼差別 (2D為7.4%,3D為3.7%,Robot為0%)。而且,高階專家組的醫師在3D 平台下縫合綁線的速度比在2D 或Robot 下都還要快,而中階醫師的縫合速度在三個不同平台之下差不多。由此可見,隨著手術經驗值增加,雖然同樣也是提供3D功能,Robot system 對醫師執行縫合任務並沒有特別額外的幫助。
Wagner 等人的研究 [3] 顯示醫師在robot system 下可以縫合得比在2D 或3D 平台下快。然而在本研究顯示Robot只有在初學組才有這種優勢。越高階的專家醫師使用Robot 反而沒有優勢,在3D平台下縫得還比較快。為何這兩組不同程度醫師會有不同的表現結果呢? 很有可能是,初學醫師在Robot system 功力大增的主要原因是Robotic instrument wrist movement 所帶來的操作靈活度,而非Robotic system 所提供的3D影像。而對於已經很熟練長直器械操作運針的專家醫師來說,器械是否能有wrist movement 相對上沒有那麼重要,一般腹腔鏡所能提供的觸感回饋(hepatic or tactile feedback)更為重要。所以在高階專家組執行suturing task 時,如果有3D 腹腔鏡平台,Robot system 就似乎沒有甚麼優勢了。

本研究將整個suturing task 分解成三個步驟並各自計時,可以發現在專家組這邊,在3D平台的輔助下,第一步驟和第二步驟會比Robot 或 2D 快,但到了第三步驟就沒有明顯差異 (table 3)。會有此現象的合理解釋為,隨著一步步縫合完畢,到第三個步驟最後要打結的時候,線已經變得比較短,所以變得比較困難一些,需要比較精細的動作。這時,Robot system 所額外提供的wrist movement的功能就派上用場了,就算是熟練的傳統腹腔鏡專家也可以藉由靈巧的wrist movement進一步提升的手術表現。這個觀察結果與Chandra 等人 [13] 的研究相當吻合。

另外一個有趣的課題是,3D影像到底對誰比較有幫助。大家都知道,傳統腹腔鏡2D視野會有深度層次感喪失、缺乏立體感的缺點。過去一般都認為腹腔鏡高手能夠非常輕鬆的克服這個障礙,所以3D立體影像對年輕的新手醫師比較有實質上的意義,對高手可能幫助有限。然而,Smith 等人 [10] 的研究卻發現,即使是傳統腹腔鏡高手,有了3D平台的輔助,對於器械及組織的深度掌握會更為精確迅速。本研究的結果也證實這一點。在高階專家組,從2D 轉換到3D,醫師的縫合速度有顯著的提升 (table 3)。然而在中階組,從2D 轉換到3D,卻看不出這種結果,2D下縫合與3D下縫合的速度並沒有明顯的差異 (table 2)。由此可見,就算是基本功非常紮實,器械運作流暢,運針流利的專家,缺乏深度感的2D視野仍然會有一些負面的影響 [16,17]。而中等程度的醫師,運針及器械的掌握還不夠流利,縱然有了3D平台的幫忙,克服了立體感的障礙,依然無法有效地加快縫合的速度。因此,越是有經驗的醫師,越是能在執行縫合手術時感受到3D平台所帶來的好處。

本研究仍然有一些缺點。第一,本研究僅僅評估任務失敗率 (task failure rate)以及任務完成時間。事實上,可能還有更加細緻的客觀測量方法,例如,運用一些精密的動作追蹤裝置(motion-tracking devices)來記錄每一支器械運行的速度及距離 [10,13] (越是猶豫不決裹足不前,或是廢招太多失誤太多一再重複,器械運行距離就會增加,速度就變慢),這樣能夠更精確地去分析不同組別之間的差異,以及不同步驟下的表現。第二,縫合任務的完成是一回事,但縫合品質好壞的控管是個難題。本研究雖然已設計一些方法嘗試來達到品質控管的目的 (藉由術前的影片說明,以及在執行第一次與第二次的suturing task 時從旁盡量要求一致的針距以及一致的縫合鬆緊度),但事後還是發現不同組別不同平台依然會有縫合品質上的差異。也許如果有辦法針對縫合的品質作更嚴格的控管,也許更能看出不同組別不同平台間的差異。第三,在本研究裡,初學組的醫師在腹腔鏡平台下(不論2D或3D)的任務失敗率都是100% (表示太困難),因此無法鑑別出3D平台對腹腔鏡初學者的影響。之所以沒有採用較為簡單的模擬任務 (如移動釘樁,或剪一些幾何形狀等),是因為作者想要盡量模擬在日常手術中會實際執行的手術步驟,以期能充分反映真實的狀況。如果加入一些較為簡單的測試任務給初學組來執行, 也許更能清楚勾勒出3D 腹腔鏡平台以及3D robot system 對於初學的年輕醫師的價值

結論:

針對本實驗所設計的模擬小腸縫合的suturing task,初學組在2D/3D腹腔鏡平台都失敗,只能藉由robotic system 來完成。專家組的表現則是3D > robot = 2D (意即,在3D 平台表現最優,而在robot system 和傳統2D 相差不多)。至於中階組,3D 平台的加入並無法有效提升suturing task的表現。因此,現行的Robot system 對於初學者有極大的助益,大幅降低跨入微創手術的門檻,然而,對於經驗豐富的腹腔鏡高手來說,如果有了3D 立體腹腔鏡平台加持,現行的Robot system 其角色就值得玩味了,還有待進一步釐清。

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