機器人系統(tǒng)在脊柱外科的應(yīng)用

褚曉東(綜述)，張 華(審校)

(新疆醫(yī)科大學(xué)第五附屬醫(yī)院骨科，烏魯木齊 830011)

隨著信息科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種機器人猶如雨后春筍般涌現(xiàn)。機器人之所以在外科中受到青睞，是因為它具有不易疲勞、精確度高、準確度好等優(yōu)點。為了解決脊柱外科手術(shù)中存在椎體形態(tài)和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多變性及手術(shù)難度高和危險性大等問題，Sautot等[1]最先將機器人輔助系統(tǒng)運用于脊柱外科。如今，機器人系統(tǒng)已在椎弓根螺釘置入術(shù)、椎體成形術(shù)、椎體融合術(shù)、脊柱組織活檢術(shù)、腫瘤切除術(shù)等中開展應(yīng)用。有文獻報道，臨床手術(shù)中根據(jù)解剖標志徒手置入椎弓根螺釘?shù)氖д`率為28.1%～39.9%[2-6]。在脊柱結(jié)核、先天性脊柱側(cè)彎、脊柱翻修手術(shù)等解剖標志已破壞者，失誤率更高。機器人系統(tǒng)引導(dǎo)下的脊柱手術(shù)中，椎弓根螺釘?shù)恼`置率大大降低。

1 脊柱機器人系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用

1.1國外脊柱機器人系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用

1.1.1SpineAssist/Renaissance機器人引導(dǎo)系統(tǒng) 以色列Mazor技術(shù)公司的SpineAssist引導(dǎo)系統(tǒng)是在Technion開發(fā)的MARS(miniAture robot for surgical procedures)系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，也是目前唯一被美國食品藥品管理局及CE認證并運用于臨床的脊柱機器人引導(dǎo)系統(tǒng)。SpineAssist引導(dǎo)系統(tǒng)具有6個自由度的半自主機器人系統(tǒng)，其底座直徑5 cm，高8 cm，質(zhì)量約250 g。該系統(tǒng)通過棘突夾固定到棘突上，通過Hover-T框架固定到骨性標志上，或者Hover-T框架與手術(shù)床安裝裝置相連，另一端固定到脊柱上[7]。Mazor技術(shù)公司又在SpineAssist系統(tǒng)基礎(chǔ)上研發(fā)了第二代脊柱手術(shù)機器人引導(dǎo)系統(tǒng)——Renaissance引導(dǎo)系統(tǒng)。Renaissance引導(dǎo)系統(tǒng)保留了原有的核心技術(shù)，在軟件和用戶界面上大大改進，并通過普通C型臂透視就可以獲得3D圖像。新系統(tǒng)還可以用于脊柱側(cè)彎，顱內(nèi)活檢和深部腦內(nèi)植入物置入等操作。Hu等[8]報道用該系統(tǒng)中89.5%的患者有脊柱畸形(側(cè)彎和/或后凸)和(或)已有脊柱手術(shù)，共置入960枚螺釘，其中有949枚(98.9%)成功置入。Birkenmaier等[9]報道了歐洲多中心用該系統(tǒng)行一種新的微創(chuàng)融合方法——經(jīng)皮斜行融合術(shù)，研究其安全性和有效性。

1.1.2SPINEBOT系統(tǒng) SPINEBOT系統(tǒng)由韓國漢陽大學(xué)研發(fā)的具有5個自由度的機械臂，其與一個雙平面O型臂及外科設(shè)計操作系統(tǒng)構(gòu)成自動化雙平面透視引導(dǎo)機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于椎弓根螺釘置入術(shù)，距離誤差為(1.38±0.21) mm。Kim等[10]用自動化雙平面透視引導(dǎo)機器人系統(tǒng)對兩具尸體置入28枚螺釘(胸椎8枚，腰椎20枚)，結(jié)果術(shù)前設(shè)計和術(shù)后的軸向角度差異平均(2.45±2.56)°，外偏角差異平均(0.71±1.21)°。

1.1.3Cooperative Robotic Assistant系統(tǒng) 該系統(tǒng)是韓國研發(fā)的具有6個自由度的密閉剛性機器人系統(tǒng)，它實現(xiàn)了主從鉆孔系統(tǒng)分離，從而提高操控的安全性。該系統(tǒng)硬件由靈巧的末端操作器(具有高速鉆及螺釘置入裝置)和剛性機身，支持混合位置與現(xiàn)實扭矩反饋控制。Lee等[11]用該系統(tǒng)對豬椎體進行螺釘置入術(shù)，術(shù)后CT顯示螺釘角度與術(shù)前設(shè)計的一致。

1.1.4VectorBot/Kinemedic/LWRⅡ系統(tǒng) VectorBot機器人系統(tǒng)由德國宇航中心研發(fā)，它包括Kinemedic機械臂(原型為LWRⅡ)和光學(xué)追蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)無需術(shù)中X線透視，所有的跟蹤是通過光學(xué)系統(tǒng)收集得到。光學(xué)系統(tǒng)是通過附著患者椎體上的標記而收集到信息。Ortmaier等[12]用該系統(tǒng)在人工骨和牛椎骨分別做鉆孔和磨削實驗，結(jié)果顯示，在人工骨和牛椎骨中鉆孔力比磨削力大，此外，最大方向誤差<0.5°。在牛椎骨磨削的X/Y平面平均誤差<0.42 mm，最大誤差<1.7 mm，而鉆孔時的誤差更大。從用力和準確性上考慮磨削優(yōu)于鉆孔。

1.1.5Neuroglide機器人系統(tǒng) Neuroglide機器人系統(tǒng)具有4個自由度的機械臂，連接在鉆導(dǎo)向支架上有剛性和柔性兩個活動臂。該系統(tǒng)可以用于頸椎和顱頸交界區(qū)的手術(shù)。機器人定位使用一個被動結(jié)構(gòu)，一個光學(xué)跟蹤系統(tǒng)，一個外科輸入裝置和規(guī)劃導(dǎo)航工作站。Kostrzewski等[13]在瑞士洛桑大學(xué)醫(yī)院對6具尸體進行實驗，其結(jié)果平移軸平均誤差1.94 mm，旋轉(zhuǎn)軸平均誤差4.35°，改進后平移軸平均誤差0.41 mm，旋轉(zhuǎn)軸平均誤差2.56°，在幾小時的手術(shù)過程中，用該機器人系統(tǒng)不超過17 min，而用標準導(dǎo)航系統(tǒng)只能縮短3 min。

1.1.6達芬奇機器人(Da Vinci Robot)系統(tǒng) Da Vinci Robot系統(tǒng)是美國Intuitive Surgical公司研發(fā)的，主要用于普外科、泌尿外科、婦科等，近年來也開始用于脊柱外科。它由控制臺、機械臂、3D成像系統(tǒng)構(gòu)成。術(shù)者通過視頻圖像，利用控制臺手柄和腳踏對手術(shù)進行操作。該系統(tǒng)能在狹小空間很好的操作，還能濾過術(shù)者手的抖動。Lee等[14]首次用達芬奇系統(tǒng)對2例L5～S1退變的患者進行前路腰椎融合術(shù)，成功分離骶前神經(jīng)叢和血管，在術(shù)后隨訪1年中沒有發(fā)現(xiàn)泌尿系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)的并發(fā)癥。Perez-Cruet等[15]報道了用該系統(tǒng)對2例患有巨大胸椎神經(jīng)鞘瘤患者成功的切除，與傳統(tǒng)手術(shù)相比具有切除徹底，出血少，住院時間短等優(yōu)點。

1.2國內(nèi)脊柱機器人系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用

1.2.1脊柱微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng) 脊柱微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)是由第三軍醫(yī)大學(xué)與沈陽自動化研究所共同研發(fā)的具有6個自由度的輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)由機械臂、控制臺、基座和視覺監(jiān)視器系統(tǒng)組成，其有無顫動鎖定系統(tǒng)及尖端安有六分力/力矩傳感器，機械臂尖端持有氣鉆，可遙控操作，以避免X線對醫(yī)護人員的損害。張鶴等[16]用該系統(tǒng)對17具牛脊骨標本進行打孔，其中透視側(cè)位片偏差2 mm內(nèi)99.5%，正位片偏差2 mm內(nèi)89.6%。正位片偏差大是因為機器人系統(tǒng)關(guān)節(jié)出現(xiàn)遮擋現(xiàn)象。

1.2.2脊柱靶心機器人系統(tǒng)/無框架脊柱導(dǎo)航手術(shù)機器人系統(tǒng) 該系統(tǒng)由鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院合作團隊研發(fā)，具有7個自由度，由本體、中空機械臂、移動單元、主控系統(tǒng)和前端克氏針、后端呈“十”字狀導(dǎo)針等組成。無需在患者骨性解剖標志上安裝框架，無需匹配及注冊，位移精度達0.1 mm，角度旋轉(zhuǎn)精度達0.1°，并可遙控操作[17]。Zhang等[18]應(yīng)用該系統(tǒng)對6具尸體(T1～L5)102個椎體在椎弓根標準軸位投照引導(dǎo)下，在其圓心置針，雖6個上胸椎椎弓根非常細小以致標準X線圖像缺乏分辨率而未被采納，但實驗結(jié)果側(cè)位及軸位椎弓根螺釘水平面角和椎弓根螺釘矢狀面角測量值與術(shù)前設(shè)計相符，他們還報道用該系統(tǒng)對3例患者成功置入螺釘。

1.2.3脊柱手術(shù)機器人系統(tǒng) 該由中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院自主研發(fā)，包括5個自由度的機械臂、術(shù)前規(guī)劃系統(tǒng)、紅外定位系統(tǒng)和術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)。Jin等[19]用該系統(tǒng)在豬椎體L3～L5進行削磨實驗，得出該系統(tǒng)的距離分辨力為0.125 mm，達到臨床需求。在“中科院積水潭骨科研究中心”開展實驗驗證，手術(shù)狀態(tài)識別率和準確控制率均達到100%[20]。

1.2.4機器人輔助微創(chuàng)系統(tǒng) 機器人輔助微創(chuàng)系統(tǒng)由南開大學(xué)機器人與信息自動化研究所研發(fā)的基于CT圖像經(jīng)皮椎體成形術(shù)。該系統(tǒng)包括影像工作站、導(dǎo)航系統(tǒng)及操作單元和5個自由度的機械臂，是一種新型的坐標轉(zhuǎn)換方法進行定位和導(dǎo)航[21]。該系統(tǒng)的定位平均精度為0.8 878 mm，最大值為1.1 418 mm，這符合脊柱外科手術(shù)的標準[22]。

2 機器人系統(tǒng)的優(yōu)點和缺點

2.1機器人系統(tǒng)的優(yōu)點 與傳統(tǒng)脊柱外科手術(shù)相比，機器人系統(tǒng)引導(dǎo)的脊柱外科手術(shù)具有獨特的優(yōu)點：

①精確度高，準確度好：傳統(tǒng)徒手置入椎弓根螺釘?shù)氖д`率較高。Devito等[23]回顧SpineAssist系統(tǒng)置入646枚螺釘超出壁2 mm以上占1.7%，各個脊柱機器人系統(tǒng)引導(dǎo)的置釘失誤率遠遠小于徒手置釘。這是機器人系統(tǒng)在脊柱外科能發(fā)展的主要原因。②穩(wěn)定，不易疲勞：傳統(tǒng)的脊柱外科手術(shù)花費時間比較長，程序比較繁瑣，易使術(shù)者疲勞，而機器人系統(tǒng)穩(wěn)定，且不易疲勞。③并發(fā)癥少：脊柱機器人系統(tǒng)引導(dǎo)的螺釘位置不良，椎弓根爆裂、骨折，定位錯誤，血管、內(nèi)臟、硬膜、神經(jīng)損傷等并發(fā)癥少，而傳統(tǒng)手術(shù)并發(fā)癥比較高，這也是限制低年資醫(yī)師主刀脊柱手術(shù)的重要原因。④術(shù)者X線暴露量少：X線可致術(shù)者甲狀腺癌、白血病、皮膚癌、脫發(fā)等嚴重疾病。傳統(tǒng)脊柱手術(shù)X線暴露量較多，而且技術(shù)不成熟者所受的劑量更多；脊柱機器人系統(tǒng)引導(dǎo)下，X線暴露量大大減少。Kantelhardt等[24]回顧性研究中機器人系統(tǒng)引導(dǎo)下螺釘置入X線暴露平均時間34 s，傳統(tǒng)徒手平均77 s。⑤恢復(fù)快，住院時間短：脊柱機器人系統(tǒng)手術(shù)切口小、失血量少等優(yōu)點，減少對患者損傷小，加快恢復(fù)，縮短住院時間。⑥操作靈活：脊柱機器人系統(tǒng)能在傳統(tǒng)手術(shù)操作困難的解剖位置進行靈活操作。

2.2機器人系統(tǒng)的缺點 ①價格昂貴：現(xiàn)在已經(jīng)商品化的Renaissance引導(dǎo)系統(tǒng)每臺約50萬美元，達芬奇機器人每臺約150萬美元，因為價格昂貴在一般的醫(yī)院難以普及。②“漂移”現(xiàn)象：Renaissance引導(dǎo)系統(tǒng)，Neuroglide機器人系統(tǒng)等通過導(dǎo)航原理進行定位，會產(chǎn)生“漂移”現(xiàn)象而出現(xiàn)誤差。③學(xué)習(xí)曲線不一：各個機器人系統(tǒng)的學(xué)習(xí)曲線不一，有些機器人系統(tǒng)學(xué)習(xí)曲線短易學(xué)會，但有些學(xué)習(xí)曲線長，術(shù)者要經(jīng)過長時間訓(xùn)練才能掌握。④缺乏觸覺反饋：傳統(tǒng)手術(shù)中術(shù)者可以通過觸覺反饋對術(shù)中的操作做出判斷，尤其在軟組織中，目前機器人系統(tǒng)還缺乏這方面功能。⑤僅限于簡單操作：手術(shù)機器人系統(tǒng)目前只能做一些簡單的操作，對于過于復(fù)雜的操作無能為力。⑥維修與保養(yǎng)：脊柱機器人系統(tǒng)和其他機器設(shè)備一樣需要保養(yǎng)和維修。

3 遠程遙控技術(shù)的應(yīng)用

隨著遙控技術(shù)的發(fā)展，遠程醫(yī)療已成為現(xiàn)實。2001年9月，美國紐約的醫(yī)生首次成功的通過遠程遙控技術(shù)作用于Zeus系統(tǒng)，對法國斯特拉斯堡的患者行機器人腹腔鏡膽囊切除術(shù)[25]。2006年3月，北京積水潭與北京航空航天大學(xué)合作基于ADSL/ISDN網(wǎng)絡(luò)平臺完成了北京-延安及北京-石家莊遠程脛骨骨折復(fù)位髓內(nèi)釘內(nèi)固定術(shù)[26]。脊柱微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)及脊柱靶心機器人系統(tǒng)具有遙控的操作功能，但到目前為止機器人遠程操作在脊柱外科中運用未見報道。通過遠程遙控技術(shù)可以對偏遠地區(qū)或者醫(yī)療條件欠發(fā)達地區(qū)進行技術(shù)資源分配，甚至對地震時，對航母作戰(zhàn)時的傷員等進行援救。

4 小 結(jié)

脊柱外科機器人系統(tǒng)是脊柱外科學(xué)與工程學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，目前它還處在嬰幼兒時期。微創(chuàng)化、智能化、自動化、替代化是脊柱外科發(fā)展的趨勢，脊柱外科機器人系統(tǒng)是這些發(fā)展趨勢的體現(xiàn)，與遠程遙控技術(shù)相結(jié)合，能在千里之外施行手術(shù)。機器人系統(tǒng)與傳統(tǒng)的脊柱外科手術(shù)相比，具有精度高、輻射低，手術(shù)時間短，患者損傷小，手術(shù)風(fēng)險低等優(yōu)點。雖然目前具有費用高、缺乏觸覺反饋、操作簡單等問題，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，終將克服這些弊端。相信以后該系統(tǒng)不僅適用于基層醫(yī)院，也適用于偏遠落后地區(qū)。脊柱外科機器人系統(tǒng)的成長，必將給脊柱外科帶入一個全新的境界。

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