骨科手術(shù)機器人在微創(chuàng)脊柱手術(shù)中的應(yīng)用進展

楊超群，劉斌禮，張陽

濟南市第三人民醫(yī)院，濟南 250132

脊柱解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，周圍比鄰脊髓、神經(jīng)根及重要的血管組織，椎弓根直徑細小，尤以上胸椎為著。后路椎弓根螺釘固定術(shù)是治療脊柱骨折及穩(wěn)定椎體的主要治療方法，且能保障脊柱的生物力學(xué)環(huán)境而被廣泛用于各種脊柱外科手術(shù)中[1]，徒手椎弓根螺釘植入往往依賴手術(shù)者經(jīng)驗，置釘位置不準確，易引起神經(jīng)血管損傷。準確率僅有68.1%[2]，因位置偏差引起的并發(fā)癥可達16.1%[3]。脊柱微創(chuàng)手術(shù)近年來逐步在脊柱手術(shù)中成熟應(yīng)用，脊柱骨折經(jīng)皮置釘骨折復(fù)位內(nèi)固定手術(shù)的應(yīng)用降低了手術(shù)創(chuàng)傷及術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生的概率，明顯縮短了患者住院日及康復(fù)時間[4]，但此類手術(shù)操作難度較大，風險較高，不利于在基層醫(yī)療機構(gòu)普及應(yīng)用。在需要椎弓根置釘固定的手術(shù)及需經(jīng)椎弓根穿刺診斷的操作中，骨科手術(shù)機器人由于能顯著提高手術(shù)安全性，提高置釘準確率[5]，結(jié)合現(xiàn)代計算機技術(shù)，操作相對簡單，被越來越多應(yīng)用于脊柱微創(chuàng)手術(shù)中[6～9]。目前，手術(shù)機器人主要用于外科手術(shù)規(guī)劃、輔助操作、微創(chuàng)治療等方面。脊柱手術(shù)機器人在脊柱手術(shù)中主要適用于脊柱骨折置釘操作及脊柱融合術(shù)中的置釘操作，脊柱病損的穿刺亦可應(yīng)用機器人引導(dǎo)。脊柱骨科手術(shù)機器人的應(yīng)用，不僅能提高置釘準確率及手術(shù)成功率，減少組織結(jié)構(gòu)損傷，縮短手術(shù)時間，而且可減少醫(yī)務(wù)人員及患者接受X線輻射的時間?，F(xiàn)將骨科手術(shù)機器人在微創(chuàng)脊柱手術(shù)中的應(yīng)用進展綜述如下。

1 骨科手術(shù)機器人結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成 骨科手術(shù)機器人系統(tǒng)由主要機械臂機器人、空間標定組件、手術(shù)計劃與機器人控制軟件、光學(xué)跟蹤系統(tǒng)、主控臺車和配套工具組成。機器人包括移動平臺、穩(wěn)定支撐系統(tǒng)、機械臂、控制機箱、電源模塊、主機通信模塊、連接線纜?？臻g標定組件包括三維標定專用標定器、平面標定專用標定器。手術(shù)計劃與機器人控制軟件包括主控軟件，光學(xué)跟蹤控制模塊/三維圖像手術(shù)規(guī)劃模塊/空間多坐標系標定模塊，二維透視圖像手術(shù)規(guī)劃模塊，機器人控制與交互模塊，術(shù)中患者跟蹤與隨動控制模塊，手術(shù)數(shù)據(jù)管理與通信模塊。光學(xué)跟蹤系統(tǒng)包括光學(xué)跟蹤相機、連接線纜與電源、相機支架等，主控臺車包括移動操作平臺/計算機系統(tǒng)，機器人控制面板。配套工具主要由患者跟蹤支架、機器人跟蹤支架、標記物及導(dǎo)向器組成。

1.2 工作原理 手術(shù)機器人定位包括空間映射、手術(shù)規(guī)劃和手術(shù)路徑定位三個方面。以機械臂坐標系為世界坐標系，根據(jù)手術(shù)徑路確定手術(shù)點，根據(jù)不同方向上獲取的X線透視圖像，計算出手術(shù)點的世界坐標，再根據(jù)三維標定專用標定器獲取的三維圖像，計算出手術(shù)點坐標，手術(shù)路徑的空間坐標即被表達為世界坐標系中的一條直線。計算出手術(shù)路徑后，就可以控制機械臂精準運動，使其末端導(dǎo)向器指向手術(shù)路徑。再借助紅外線、可見光、電磁等跟蹤器，進行實時跟蹤糾正術(shù)中偏差，形成機器人的閉環(huán)控制[2]。

2 國外骨科手術(shù)機器人的應(yīng)用

2.1 在關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用 20世紀90年代，骨科機器人首先在手術(shù)中應(yīng)用。最早應(yīng)用于關(guān)節(jié)置換手術(shù)，以Intergrated Surgical Systems公司的ROBODOC手術(shù)機器人和德國Ortomaquet公司的CASPER手術(shù)機器人最具代表性[10～12]，因其僅能用于關(guān)節(jié)置換手術(shù)，應(yīng)用范圍較小，推廣受限。

2.2 在脊柱微創(chuàng)手術(shù)中的初步應(yīng)用 隨著技術(shù)發(fā)展，至2001年，出現(xiàn)可應(yīng)用于脊柱手術(shù)的機器人，其中以色列Technion公司在其MARS引導(dǎo)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，研發(fā)推出SPINE ASSIST系統(tǒng)，為脊柱椎弓根螺釘置入提供精確方向?qū)б齕13]。該機器人為典型器械導(dǎo)引機器人，其關(guān)鍵設(shè)備為6自由度并聯(lián)操作器，配合半自主定位手術(shù)工具及術(shù)前CT和術(shù)中透視圖像，進行置釘導(dǎo)引。該系統(tǒng)經(jīng)過臨床手術(shù)操作驗證，已被美國FDA認證[14，15]，成為較早的脊柱骨科手術(shù)機器人應(yīng)用系統(tǒng)。

2011年，Kuntelhardt等將開放手術(shù)與SpineAssist系統(tǒng)輔助下脊柱開放手術(shù)和輔助脊柱微創(chuàng)手術(shù)比較，分析112例病例資料與CT數(shù)據(jù)，機器人輔助下微創(chuàng)手術(shù)與開放手術(shù)手術(shù)效果，手術(shù)時間無差異，較傳統(tǒng)手術(shù)開放組置釘準確率提高3.1%[16]，射線暴露時間減少50%以上，鎮(zhèn)痛藥物用量減少，住院時間及不良事件發(fā)生率均降低。SpineAssist設(shè)備是6自由度并行操作器，可提供置入導(dǎo)引，需要安放脊柱固定裝置，不能進行主動操作。目前SpineAssist已于國外在脊柱微創(chuàng)手術(shù)中廣泛應(yīng)用。較早出現(xiàn)的 MedTech 公司的 ROSA Spine(2014年)也采用這種方式。其中:ROSA Spine已開展了廣泛的臨床應(yīng)用,于2020年1月以ROSA one Spine 的新名稱通過了中國國家藥品監(jiān)督管理局的批準應(yīng)用。

2.3 在脊柱微創(chuàng)手術(shù)中的廣泛應(yīng)用 2018年，脊柱專用骨科手術(shù)機器人大量研發(fā)上市，美敦力公司于美國推出Mazor TMX Stealth機器人輔助脊柱手術(shù)平臺。Mazor TMX Stealth將Mazor采集的機器人引導(dǎo)系統(tǒng)技術(shù)與Medtronic的Stealth StationTM手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了光電導(dǎo)航下的機械臂實時定位，這種“機器人+導(dǎo)航”的組合,是目前導(dǎo)航定位型脊柱手術(shù)機器人的主流方式。

Globus Medical于2018年底歐洲數(shù)個國家安裝了Excelsius GPS機器人引導(dǎo)和導(dǎo)航系統(tǒng)。并報告了在該機器人輔助下進行的脊柱開發(fā)和微創(chuàng)手術(shù)。Globus Medical通過將導(dǎo)航和機器人技術(shù)的優(yōu)勢整合到一個平臺之中，設(shè)計并提供最先進的技術(shù)，徹底改變手術(shù)并優(yōu)化患者護理模式。Excelsius GPS機器人具有三大功能：多功能機器人導(dǎo)航，成像多功能性和獨特的實時信息。Excelsius GPS被用于臨床,展現(xiàn)出更短的學(xué)習(xí)曲線,表明了系統(tǒng)的易用性[17,18]。

2018年，NuVasive的Pluse集成導(dǎo)航平臺，F(xiàn)DA已批準其為脊柱外科自動化平臺，其平臺用于橫向單位手術(shù)X360系統(tǒng)，外科醫(yī)生可以側(cè)臥位執(zhí)行多個手術(shù)。NuVasive將Pluse描述為一個開放的成像平臺；能與西門子3D移動C形臂，Cios spine增強集成。這些脊柱專用機器人的研發(fā)應(yīng)用，進一步提高了脊柱微創(chuàng)手術(shù)的應(yīng)用范圍和安全性。

3 國內(nèi)骨科手術(shù)機器人的研發(fā)及應(yīng)用

3.1 國內(nèi)骨科手術(shù)機器人的研發(fā) 國內(nèi)骨科手術(shù)機器人起步較晚，但發(fā)展快速，目前已有多款研制成功。2010年，Wang等[19]提出一種力反饋控制策略機器人系統(tǒng)，利用脊柱削磨手術(shù)過程中削磨力的變化，輔助醫(yī)生實現(xiàn)安全的脊柱手術(shù)操作。宋銀灝等[20]同年設(shè)計研制5自由度脊柱微創(chuàng)機器人輔助脊柱微創(chuàng)手術(shù)操作，利用傳感器機構(gòu)，構(gòu)成了機器人末端工具的閉環(huán)控制。積水潭醫(yī)院與北京航空航天大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的“天璣”骨科手術(shù)機器人，該系統(tǒng)為六軸通用型機器人，包含紅外線光學(xué)跟蹤相機、三維圖像自動標定組件，以及示蹤器、導(dǎo)向器、導(dǎo)向套筒、導(dǎo)針等手術(shù)工具，已獲得CFDA認證，是國內(nèi)首家，國際第五家取得機器人注冊認證許可的機器人系統(tǒng)。是國際上唯一能夠開展脊柱頸胸腰骶椎全節(jié)段，骨盆及四肢骨折手術(shù)的機器人系統(tǒng)，目前已在全國上百家醫(yī)院應(yīng)用并遠銷國外，其有效性和安全性已得到證實[6,7,21～25]。

鄭州大學(xué)醫(yī)學(xué)院研發(fā)的無框架脊柱手術(shù)機器人，可在椎弓根標準軸位透視引導(dǎo)下，準確地置人導(dǎo)針，經(jīng)椎弓根軸位引導(dǎo)置針，可實時動態(tài)監(jiān)測進針的精度與安全性，并且相對操作簡單，可大幅減少或避免射線輻射損傷，無需進行各種繁瑣匹配與注冊等操作。另外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，上海交通大學(xué)等也在研究開發(fā)脊柱微創(chuàng)機器人，其中，第三軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院與中國科學(xué)院沈陽自動化研究所等研制的遙控型脊柱微創(chuàng)機器人[26]，應(yīng)用通用型工業(yè)機械臂進行手術(shù)操作，其六自由度機械臂可以提供全方位的三維空間內(nèi)運動，末端安裝六維力矩傳感器，反饋機械臂尖端受力情況，且在術(shù)中可以輔助手術(shù)醫(yī)生進行鉆孔操作，減少手術(shù)醫(yī)生射線暴露損傷。浙江三壇醫(yī)療科技公司研發(fā)的多模態(tài)融合模塊化骨科手術(shù)機器人亦處于領(lǐng)先水平。

3.2 國內(nèi)骨科手術(shù)機器人的應(yīng)用 2015年，國內(nèi)骨科手術(shù)機器人批準應(yīng)用于臨床，為積水潭田偉團隊研發(fā)的“天璣”骨科手術(shù)機器人系統(tǒng)，也是目前國內(nèi)唯一批準應(yīng)用于臨床的骨科機器人系統(tǒng)。自此，國產(chǎn)骨科手術(shù)機器人才有真正有用武之地，應(yīng)用“天璣”骨科手術(shù)機器人系統(tǒng)，積水潭醫(yī)院田偉等于2015年完成世界首例機器人輔助下頸椎手術(shù)[27]，2019年完成一站對多地5G遠程控制骨科機器人手術(shù)[28]，其精準性與操控性已達國際領(lǐng)先水平。

4 骨科手術(shù)機器人在脊柱微創(chuàng)手術(shù)應(yīng)用中的局限

脊柱手術(shù)機器人手術(shù)技術(shù)尚未在國內(nèi)醫(yī)院普遍推廣，目前正處于臨床試驗推廣階段，應(yīng)用過程中有一定局限性。

4.1 手術(shù)室要求較大布局 脊柱手術(shù)機器人機械臂多偏向工業(yè)型機器人外形，工作空間較大，需要手術(shù)室較大布局。還需進一步提升機器人設(shè)計的精巧性，研制結(jié)合人體力學(xué)的人性化設(shè)計，使其更好地應(yīng)用于臨床。

4.2 不能縮短手術(shù)時間 與傳統(tǒng)手術(shù)比較，脊柱手術(shù)機器人微創(chuàng)手術(shù)時間無明顯減少[29，30]，初學(xué)者手術(shù)時間會明顯延長。如可植入人工智能程序，使機器人于手術(shù)操作中自行學(xué)習(xí)和糾正誤差，將能進一步提升手術(shù)機器人的精準性與工作效率，縮短手術(shù)時間。

4.3 手術(shù)費用高昂 應(yīng)用脊柱手術(shù)機器人操作的脊柱手術(shù)價格昂貴，需應(yīng)用經(jīng)皮椎弓根螺釘和機器人使用費用，相較于傳統(tǒng)手術(shù)，病人費用相對增多，不利于醫(yī)療費用的控制。

4.4 無法實施術(shù)中動態(tài)精準定位 對于胸椎手術(shù)，患者體位及呼吸等對精度影響較大。后續(xù)應(yīng)考慮設(shè)計動態(tài)互補相關(guān)參數(shù)或特殊裝置，減小誤差。目前已有應(yīng)用脊柱框架和紅外線定位的設(shè)計報道。

4.5 機器人輔助操作的精準性待提高 建模受手術(shù)者主觀因素影響大，不同脊柱手術(shù)經(jīng)驗的脊柱外科醫(yī)生，在設(shè)計置釘通道及穿刺路徑時，存在較大誤差。影響了機器人輔助操作的精準性。

4.6 學(xué)習(xí)曲線較長 如想熟練應(yīng)用骨科手術(shù)機器人進行脊柱手術(shù)操作，存在一定學(xué)習(xí)曲線[31]。術(shù)者需熟悉相關(guān)的操作手術(shù)器械，三維影像的判讀及手術(shù)步驟，機器人軟件操作等等，需要一定的病例數(shù)量，操作才可趨于熟練穩(wěn)定。

5 脊柱手術(shù)機器人的應(yīng)用優(yōu)勢

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展進步，如5G技術(shù)、人工智能的開發(fā)，必將引導(dǎo)脊柱微創(chuàng)手術(shù)向著智能化、微創(chuàng)化趨勢發(fā)展，智能、微創(chuàng)的實現(xiàn)依賴于完整的數(shù)據(jù)鏈的提供，相關(guān)臨床數(shù)據(jù)需更加系統(tǒng)的采集及管理，對于臨床數(shù)據(jù)的優(yōu)質(zhì)分析歸納將推動脊柱微創(chuàng)機器人手術(shù)技術(shù)的發(fā)展。脊柱相關(guān)疾病的復(fù)雜化對脊柱微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)的要求將更高，機器人在人工智能的輔助下能解除醫(yī)務(wù)人員經(jīng)驗不足等不可控因素，完成更加精細、精準的操作，面對臨床疾病的多樣化、復(fù)雜化及各種不同適應(yīng)證的需求，機器人技術(shù)的研發(fā)將更加全面、更加完善。

脊柱手術(shù)機器人在應(yīng)用過程中有以下優(yōu)勢：①其聯(lián)合先進的計算機技術(shù)，術(shù)前精確的路徑規(guī)劃，可提高穿刺及置釘精確度；②與傳統(tǒng)切開手術(shù)、經(jīng)皮置釘手術(shù)相比，具有軟組織損傷小、出血少及避免二次骨質(zhì)破壞的優(yōu)勢；③骨科機器人導(dǎo)航下可一次性完成多個椎體的椎弓根穿刺，減少術(shù)中透視次數(shù)及射線暴露；⑤脊柱手術(shù)機器人手術(shù)損傷小、出血少、疼痛輕，符合ERAS理念，術(shù)后康復(fù)快速。

綜上所述，脊柱手術(shù)機器人隨著自動化技術(shù)以及與醫(yī)學(xué)外科手術(shù)操作技術(shù)的不斷融合發(fā)展，加之其自身在脊柱微創(chuàng)手術(shù)中的優(yōu)勢，必然會進一步改善其在脊柱微創(chuàng)手術(shù)中的應(yīng)用短板，與遙控定位技術(shù)、數(shù)字骨科建模、遠程操控等進一步融合，改善其軟硬件結(jié)構(gòu)，向更精巧、更普及、更智能、更易操控的方向發(fā)展。