脊柱微創(chuàng)外科協(xié)作機(jī)器人技術(shù)的臨床應(yīng)用及展望

李君禹 金 昭 綜述 劉忠軍 于 淼

(北京大學(xué)第三醫(yī)院骨科，北京 100191)

脊柱微創(chuàng)外科協(xié)作機(jī)器人(Cobot)是為克服外科醫(yī)師手術(shù)時(shí)定位精度難以保證，長(zhǎng)時(shí)間手術(shù)容易疲勞等問題，針對(duì)脊柱手術(shù)中的椎弓根螺釘固定術(shù)設(shè)計(jì)出的一整套“機(jī)器人”智能系統(tǒng)[1]。因其主要職能為輔助脊柱外科醫(yī)師完成手術(shù)，故稱之為協(xié)作機(jī)器人。目前，脊柱微創(chuàng)手術(shù)中使用的協(xié)作機(jī)器人主要是通過影像系統(tǒng)(C形臂X線機(jī)、CT或MRI)進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃和實(shí)時(shí)導(dǎo)航，并使用多自由度機(jī)械臂進(jìn)行操作，主要用于椎弓根螺釘輔助置入，例如Mazor系列機(jī)器人、天璣骨科手術(shù)機(jī)器人。此外，術(shù)者遠(yuǎn)程操縱、人機(jī)交互的機(jī)器人(如達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng))也在臨床試驗(yàn)中，術(shù)者可通過機(jī)械臂操縱手術(shù)工具和控制攝像設(shè)備，完成脊柱外科中精細(xì)的手術(shù)動(dòng)作。本文就目前脊柱微創(chuàng)外科協(xié)作機(jī)器人技術(shù)的臨床應(yīng)用現(xiàn)狀及最新進(jìn)展進(jìn)行文獻(xiàn)總結(jié)。

1 脊柱微創(chuàng)外科協(xié)作機(jī)器人的臨床應(yīng)用

1.1 Mazor公司系列機(jī)器人

2004年，Mazor公司推出第1代脊柱手術(shù)協(xié)作機(jī)器人SpineAssist。SpineAssist系統(tǒng)包括一個(gè)T-Hover固定框架系統(tǒng)、一個(gè)具有交互界面的計(jì)算機(jī)工作站和一個(gè)6自由度操作器。T-Hover固定框架系統(tǒng)固定于患者的骨性解剖標(biāo)志，并使用固定于棘突上的克氏針進(jìn)行穩(wěn)定，避免患者相對(duì)位置的移動(dòng)，減少誤差。該系統(tǒng)通過術(shù)前CT影像三維重建脊柱圖譜，獲得螺釘?shù)淖罴堰M(jìn)入點(diǎn)、角度及植入路徑等。術(shù)中利用T-Hover固定框架將機(jī)器人安裝在脊柱骨性標(biāo)志上，在完成患者正側(cè)位透視后進(jìn)行注冊(cè)，最終使用SpineAssit工作站和計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)鉆套完成人工置釘[2]。SpineAssist系統(tǒng)機(jī)器人可自動(dòng)沿預(yù)定軌跡移動(dòng)操作器，減少之前徒手置釘需要的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，但存在因克氏針置入過程不穩(wěn)定導(dǎo)致鉆套位置不正確或者套管打滑等問題[3]。該機(jī)器人早期主要應(yīng)用于后路腰椎退變性疾病手術(shù)中，SpineAssist輔助開放置釘、經(jīng)皮置釘在文獻(xiàn)中均有報(bào)道[4，5]。由于該機(jī)器人為初代產(chǎn)品，因此，其他手術(shù)類型的應(yīng)用報(bào)道相對(duì)較少[6]。

2011年，Mazor公司開發(fā)第2代機(jī)器人 Renaissance，臨床應(yīng)用仍以螺釘置入為主。Renaissance機(jī)器人沿用SpineAssist的核心，并進(jìn)行圖像識(shí)別算法的提升及硬件的改進(jìn)調(diào)整，術(shù)前注冊(cè)過程更為簡(jiǎn)單易行，定位更加精準(zhǔn)[7]。SpineAssist和Renaissance的椎弓根螺釘置入準(zhǔn)確率為85%～100%[8～10]，Renaissance機(jī)器人的應(yīng)用范圍變廣，逐漸應(yīng)用于脊柱腫瘤、創(chuàng)傷、感染、脊柱畸形等較為復(fù)雜手術(shù)的螺釘置入中[11～13]。此外，該機(jī)器人應(yīng)用的脊柱節(jié)段也不局限于腰椎，Hyun等[14]報(bào)道4例Renaissance機(jī)器人引導(dǎo)下S2髂骨翼螺釘置入治療脊柱畸形，隨訪10～13個(gè)月，治療效果良好，無術(shù)后并發(fā)癥。Kam等[15]利用Renaissance機(jī)器人施行80例包括退行性疾病、腫瘤、創(chuàng)傷等在內(nèi)的胸腰椎節(jié)段脊柱手術(shù)，94.6%置入的椎弓根螺釘根據(jù)Gertzbein Robbins符合A級(jí)或B級(jí)。

2016年，Mazor公司開發(fā)出一款新的機(jī)器人平臺(tái)Mazor X，并利用Medtronic Stealth軟件導(dǎo)航。新系統(tǒng)全新引入光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)，允許機(jī)器人對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，自我檢測(cè)位置，相比前代，可根據(jù)病人體位改變而對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整[3]。2018年Mazor公司與美敦力合作推出脊柱手術(shù)機(jī)器人MazorX Stealth。該機(jī)器人系統(tǒng)螺釘置入時(shí)不需要克氏針進(jìn)行穩(wěn)定、標(biāo)記，并將術(shù)中基于CT的導(dǎo)航系統(tǒng)與MazorX機(jī)器人制導(dǎo)平臺(tái)集成化，在顯示器上實(shí)現(xiàn)儀器實(shí)時(shí)跟蹤及術(shù)中實(shí)時(shí)反饋，進(jìn)一步增加機(jī)器人椎弓根螺釘植入的安全性，使機(jī)器人更有可能應(yīng)用于復(fù)雜脊柱外科中[16]。

1.2 ROSA Spine機(jī)器人

2014年法國Medtech醫(yī)療公司推出ROSA Spine產(chǎn)品，2016年初即獲得FDA和CE認(rèn)證。該機(jī)器人系統(tǒng)將成像系統(tǒng)、影像導(dǎo)航系統(tǒng)與機(jī)器人操作系統(tǒng)集成在一起，擁有一個(gè)可自由移動(dòng)的底座和一個(gè)6自由度的機(jī)械臂。自由移動(dòng)的底座增加機(jī)器人的操作范圍，提升機(jī)器人的穩(wěn)定性，使之更適用于微創(chuàng)手術(shù)。機(jī)械臂可以安裝傳統(tǒng)脊柱外科所需要的器械，且能提高器械操作過程的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[3]。機(jī)械臂末端還安裝力反饋系統(tǒng)，能夠識(shí)別術(shù)中力學(xué)信號(hào)的改變與異常，提高手術(shù)操作的安全性[17]。該機(jī)器人系統(tǒng)還引入光學(xué)追蹤導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)術(shù)中機(jī)器人實(shí)時(shí)呼吸追蹤和補(bǔ)償，并通過實(shí)時(shí)跟蹤置釘部位和置釘通道，測(cè)定螺釘置入深度，及時(shí)調(diào)整機(jī)器人手臂的位置，更極大提升置釘?shù)臏?zhǔn)確性。ROSA Spine 機(jī)器人在腰椎手術(shù)中顯示出優(yōu)良的結(jié)果，初期臨床研究結(jié)果顯示38枚螺釘置入準(zhǔn)確率為97.4%[18]。Lefranc等[19]回顧24例經(jīng)椎間孔椎體間融合術(shù)，ROSA Spine輔助植入的96枚螺釘中,98.9%精確度達(dá)到Grade A級(jí)。此外，ROSA Spine機(jī)器人在經(jīng)皮胸腰椎置釘中也有應(yīng)用[20]。

1.3 Excelsius GPS機(jī)器人

Excelsius GPS機(jī)器人在2017年獲得FDA批準(zhǔn)。該機(jī)器人的影像導(dǎo)航系統(tǒng)與ROSA Spine類似，內(nèi)置集成于機(jī)器人操作器中，由于可以通過獨(dú)立的管狀機(jī)械臂直接進(jìn)行螺釘置入，不需要框架系統(tǒng)固定或 “克氏針”進(jìn)行標(biāo)記，縮短操作時(shí)間。該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)術(shù)中監(jiān)視，當(dāng)鉆套位置發(fā)生移動(dòng)，置釘角度改變時(shí)，可自動(dòng)補(bǔ)償反饋。目前，該機(jī)器人的使用主要為腰骶部的退變性疾病。Zygourakis等[21]報(bào)道第1例應(yīng)用Excelsius GPS機(jī)器人進(jìn)行脊柱外科手術(shù)，融合節(jié)段為L(zhǎng)3～S1，結(jié)果顯示該機(jī)器人在避免射線使用以及解剖變異患者中的優(yōu)勢(shì)。Wallace等[22]對(duì)機(jī)器人在腰骶椎椎弓根螺釘上的準(zhǔn)確性進(jìn)行研究，600個(gè)椎弓根螺釘有98.2%的置入準(zhǔn)確率。

1.4 天璣骨科手術(shù)機(jī)器人

2015年北京積水潭醫(yī)院聯(lián)合北京航空航天大學(xué)成功研制骨科手術(shù)協(xié)作機(jī)器人“天璣”，并于2016年成功獲得國家醫(yī)療器械注冊(cè)證，是國際首臺(tái)能夠開展四肢、骨盆骨折以及脊柱全節(jié)段手術(shù)的骨科協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)。天璣骨科手術(shù)機(jī)器人包括光學(xué)跟蹤系統(tǒng)、機(jī)械臂主機(jī)與主控臺(tái)車三部分，具有術(shù)前規(guī)劃手術(shù)路徑、自動(dòng)配準(zhǔn)椎弓根螺釘?shù)裙δ埽中g(shù)規(guī)劃與手術(shù)操作相分離的“遙規(guī)劃”技術(shù)使天璣機(jī)器人可以通過5G互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程骨科手術(shù)[23]。一項(xiàng)234例1116枚椎弓根螺釘?shù)那罢靶噪S機(jī)對(duì)照臨床試驗(yàn)顯示，機(jī)器人輔助置釘?shù)臏?zhǔn)確性為95.3%，徒手置釘?shù)臏?zhǔn)確性為86.1%，顯示天璣機(jī)器人胸腰椎外科手術(shù)的安全性和有效性[24]。目前，天璣骨科手術(shù)機(jī)器人在頸、胸、腰、骶椎均有應(yīng)用，相比國外同類型機(jī)器人應(yīng)用范圍更廣。Tian等[25～27]分別報(bào)道應(yīng)用天璣機(jī)器人輔助進(jìn)行C1～2經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘固定治療寰樞椎不穩(wěn)、前路螺釘固定治療齒狀突骨折、椎板內(nèi)直接螺釘固定治療峽部裂各1例，手術(shù)規(guī)劃與實(shí)際結(jié)果的偏移距離僅為0.8798～0.9 mm，皆取得了良好的療效。Long等[28]回顧性比較91例天璣機(jī)器人系統(tǒng)與傳統(tǒng)手術(shù)經(jīng)皮骶髂螺釘內(nèi)固定治療骨盆后環(huán)骨折，出血量[(33.89±16.4)ml vs.(43.04±12.34)ml，P<0.001]、手術(shù)時(shí)間[(33.25±6.46)vs.(63.55±6.62)min，P<0.001]顯示了天璣機(jī)器人在骨盆骨折手術(shù)上越卓的性能。

1.5 達(dá)芬奇機(jī)器人

與其他協(xié)作機(jī)器人不同，達(dá)芬奇機(jī)器人以腔鏡手術(shù)為基礎(chǔ)，由4個(gè)機(jī)械臂組成：3個(gè)用于手術(shù)操作，1個(gè)用于攝像導(dǎo)航。術(shù)者在手術(shù)床旁的手術(shù)倉實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操縱，避免傳統(tǒng)腔鏡對(duì)于術(shù)者手臂的制約。手術(shù)倉內(nèi)裝配3D屏幕以及操作臺(tái)，通過機(jī)械臂上的3D影像重建系統(tǒng)在屏幕上呈現(xiàn)三維視覺的高清影像，并通過防抖功能、360°旋轉(zhuǎn)度及高分辨率使術(shù)者可以清晰辨認(rèn)解剖結(jié)構(gòu)。機(jī)械臂的自由度超越人手活動(dòng)的極限，可以連續(xù)完成精密動(dòng)作而不易產(chǎn)生疲勞和失誤[16]。

達(dá)芬奇機(jī)器人在脊柱外科最主要的應(yīng)用在于脊柱前路手術(shù)。Troude等[29]在2例活豬標(biāo)本及1例人尸體標(biāo)本進(jìn)行了L2～L5椎間盤切除術(shù)和椎體間植入的解剖學(xué)研究，證明使用達(dá)芬奇機(jī)器人進(jìn)行前路或斜路腰椎椎體間融合的可行性。Beutler等[30]首次將達(dá)芬奇機(jī)器人應(yīng)用于1例L5～S1腰椎前路椎體間融合，手術(shù)視野相比開放手術(shù)或腹腔鏡更清晰，出血量也極少。Lee等[31]報(bào)道11例使用達(dá)芬奇機(jī)器人進(jìn)行腰椎前路椎間植骨，出血量(65.9±23.11)ml，手術(shù)時(shí)間(225.4±64.3)min，隨訪期間無術(shù)后并發(fā)癥，認(rèn)為手術(shù)雖然困難費(fèi)時(shí)但仍安全可行。近年來，達(dá)芬奇機(jī)器人系統(tǒng)也逐漸應(yīng)用于脊柱旁良性腫瘤的切除，手術(shù)時(shí)間、出血量、住院時(shí)間等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)開放手術(shù)[32]。由于脊柱外科本身以開放手術(shù)為主，達(dá)芬奇機(jī)器人為腔鏡手術(shù)而設(shè)計(jì)，臨床應(yīng)用仍相對(duì)較少。

2 脊柱微創(chuàng)協(xié)作機(jī)器人的性能評(píng)估

2.1 螺釘置入的準(zhǔn)確性

在螺釘置入的準(zhǔn)確性方面(根據(jù)Gertzbein Robbins分級(jí))，絕大多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)開放手術(shù)[33，34]。目前，臨床上常用徒手置釘完成椎弓根螺釘置入，該方法僅使用特定的解剖學(xué)標(biāo)志來定位，主要憑借術(shù)者的手術(shù)經(jīng)驗(yàn)，主觀性較強(qiáng)，學(xué)習(xí)曲線較長(zhǎng)，且存在精確度較低、反復(fù)穿刺、工作負(fù)荷大、多次透視以及螺釘穿出率較高等缺點(diǎn)[35]。機(jī)器人輔助手術(shù)可通過術(shù)前規(guī)劃與術(shù)中C形臂取得三維重建圖像，確定穿刺的部位和深度，從而提高螺釘置入的精確性。同時(shí)，機(jī)器人輔助手術(shù)還可以減少患者肌肉等堅(jiān)硬組織的對(duì)抗，從而使準(zhǔn)確性得到提升。Yu等[36]2018年的meta分析納入750例3625枚椎弓根螺釘比較機(jī)器人輔助與徒手置釘?shù)臏?zhǔn)確性，機(jī)器人置釘根據(jù)Gertzbein Robbins分級(jí)達(dá)到A或B級(jí)為95.5%，高于徒手置釘組92.9%。Li等[37]2020年的meta分析納入696例2139枚螺釘，結(jié)果顯示機(jī)器人輔助置釘Gertzbein Robbins分級(jí)為A級(jí)88.9%，徒手置釘A級(jí)為84.0%?？傮w來說，隨著計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別算法、光學(xué)導(dǎo)航等新技術(shù)的應(yīng)用，機(jī)器人輔助置釘?shù)臏?zhǔn)確性是可以肯定的。

2.2 射線暴露水平

射線暴露方面，多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道機(jī)器人手術(shù)要優(yōu)于傳統(tǒng)開放手術(shù)[36]。由于傳統(tǒng)開放手術(shù)依賴于術(shù)中透視獲得螺釘以及導(dǎo)針置入的最佳位置，對(duì)術(shù)者的放射線輻射較大[38]。機(jī)器人系統(tǒng)引導(dǎo)置入由于術(shù)中對(duì)透視、導(dǎo)航的依賴大大縮小，并且在獲取圖像同時(shí)，醫(yī)護(hù)人員無需暴露在X射線區(qū)域，輻射水平顯著減小。Kantelhardt等[8]回顧分析20例機(jī)器人輔助與57例傳統(tǒng)開放手術(shù)，結(jié)果顯示傳統(tǒng)開放手術(shù)每枚椎弓根螺釘?shù)钠骄鵛射線照射時(shí)間77 s，機(jī)器人輔助為27 s。然而，由于機(jī)器人輔助系統(tǒng)需要術(shù)前薄層或高分辨率 CT 掃描，有學(xué)者認(rèn)為這一步驟相比于傳統(tǒng)開放手術(shù)將增加患者的輻射量[39]。因此，比較術(shù)前CT掃描與術(shù)中透視輻射劑量，機(jī)器人系統(tǒng)總輻射量是否減少尚無定論[9]。

2.3 手術(shù)時(shí)間

手術(shù)時(shí)間方面，大多數(shù)研究顯示機(jī)器人手術(shù)并沒有特別的優(yōu)勢(shì)[36]。Lonjon等[39]前瞻性病例對(duì)照研究結(jié)果顯示(機(jī)器人組和徒手組各10例)，機(jī)器人輔助手術(shù)平均比徒手手術(shù)延長(zhǎng)74 min(186 min vs. 112 min)。機(jī)器人在設(shè)備安裝、起始的影像學(xué)獲得占用一定時(shí)間，從而導(dǎo)致其手術(shù)時(shí)間的延長(zhǎng)，但對(duì)于一項(xiàng)正在發(fā)展的新技術(shù)來講是可以接受的[40]。除此之外，其他多種因素也能導(dǎo)致機(jī)器人系統(tǒng)置入螺釘時(shí)間存在差異，如醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)、醫(yī)生對(duì)系統(tǒng)的熟悉程度和定位過程的準(zhǔn)確度等[41]。Kim等[24]報(bào)道機(jī)器人手術(shù)完成前8例螺釘置入的平均時(shí)間為14.9 min，后29例螺釘置入的平均時(shí)間為9.3 min。隨著醫(yī)生對(duì)于機(jī)器人技術(shù)的不斷熟悉，手術(shù)時(shí)間有進(jìn)一步縮短的趨勢(shì)。

2.4 其他臨床指標(biāo)

在術(shù)中出血[(375±263)ml vs. (713±455)ml，P<0.05][42]、圍手術(shù)期并發(fā)癥發(fā)生率(6.1% vs. 12.5 %，P=0.142)[43]、翻修手術(shù)率(8.2% vs. 20.4%，P=0.016)[44]、住院時(shí)間[(6.3±1.2)d vs.(8.9±1.8)d，P<0.001][45]等方面，機(jī)器人輔助脊柱外科手術(shù)不遜于傳統(tǒng)開放手術(shù)。協(xié)作機(jī)器人的人體工程學(xué)設(shè)計(jì)能有效為術(shù)者術(shù)中操作提供幫助，降低術(shù)者的身心疲勞，使術(shù)者可以較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行手術(shù)，這也是該技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[3]。

3 脊柱微創(chuàng)協(xié)作機(jī)器人的展望

脊柱微創(chuàng)協(xié)作機(jī)器人在脊柱手術(shù)中的應(yīng)用仍處于早期階段，還存在諸多缺陷與不足：目前，機(jī)器人的應(yīng)用范圍仍主要在胸椎和腰椎，主要用于輔助椎弓根螺釘置入，除去螺釘置入，脊柱減壓、融合是脊柱外科中另外的關(guān)鍵步驟，當(dāng)前針對(duì)該技術(shù)的研究仍較少。此外，對(duì)于骨質(zhì)疏松及肥胖患者而言，相對(duì)不穩(wěn)定的術(shù)前智能規(guī)劃，術(shù)中術(shù)者操作與病人的呼吸運(yùn)動(dòng)引起的體位細(xì)微變化，較厚的軟組織造成機(jī)器人鉆頭的偏離，缺乏一定的觸覺反饋，都在一定程度上制約機(jī)器人的準(zhǔn)確性和安全性。除此之外，脊柱協(xié)作機(jī)器人在智能圖像模型構(gòu)建、脊柱節(jié)段識(shí)別、自動(dòng)配準(zhǔn)等算法等方面都有待進(jìn)一步提升[46]。

此外，絕大多數(shù)脊柱協(xié)作機(jī)器人雖然在性能上具有一定的臨床價(jià)值，提升手術(shù)的效果與安全性，但更多是作為術(shù)中輔助導(dǎo)航的工具，僅執(zhí)行術(shù)前規(guī)劃功能，沒有像達(dá)芬奇機(jī)器人那樣，真正實(shí)現(xiàn)術(shù)中的操作控制，與病人直接交互，因此，對(duì)于機(jī)器人控制系統(tǒng)的開發(fā)仍是未來脊柱外科協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域的重點(diǎn)。除此之外，將人工智能應(yīng)用于脊柱外科機(jī)器人也是未來脊柱外科機(jī)器人的發(fā)展方向。Shademan等[47]報(bào)道通過人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)，完成監(jiān)視下全自動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行的腸吻合術(shù)。當(dāng)機(jī)器的學(xué)習(xí)能力逐漸提高，手術(shù)機(jī)器人可以跟隨術(shù)者學(xué)習(xí)其行動(dòng)的偏好不斷優(yōu)化迭代，從而使自身的行動(dòng)更有效率。

下一代脊柱微創(chuàng)協(xié)作機(jī)器人的開發(fā)方向?qū)?huì)是：手術(shù)協(xié)作機(jī)器人會(huì)固定在床旁，配有2個(gè)以上的多自由度機(jī)械臂，機(jī)械臂配置外科工具來進(jìn)行經(jīng)皮置棒、置釘?shù)炔僮?。術(shù)者可以在手術(shù)臺(tái)之外，裝配上頭帶設(shè)備和視覺設(shè)備，以機(jī)械臂上攝像頭的視角來進(jìn)行AR觀看。AR可顯示釘?shù)赖?D視角以及術(shù)前和術(shù)中的圖像。除此之外，通過同步術(shù)前圖像和VR技術(shù)，術(shù)者可以在患者的身體上投影出內(nèi)部結(jié)構(gòu)和需要保護(hù)的重要解剖結(jié)構(gòu)。機(jī)械手臂可以通過聲控或者其他模仿手部的控制系統(tǒng)來進(jìn)行移動(dòng)，比如通過手套或者其他工具對(duì)手部動(dòng)作進(jìn)行高保真的模仿，從而進(jìn)行更為精準(zhǔn)的微創(chuàng)手術(shù)。