機器人在脊柱外科手術的研究與應用進展

張在田,張緒華，衛(wèi)志華，施傅森，楊冬輝，楊 建，丁家巍

（懷化市中醫(yī)醫(yī)院脊柱外科，湖南懷化 418000）

目前，外科手術的治療中應用機器人系統(tǒng)越來越普遍，機器人系統(tǒng)手術中所獨有的特點，如穩(wěn)定性和精確性深受醫(yī)生和患者的共同認可，特別是在骨科手術中應用機器人，在近年來取得了長足的發(fā)展。本院自2016年10月引進湖南省首臺骨科手術機器人“天璣”（TINAVI Tirobot），在順利完成多臺脊柱外科手術后，本文對其優(yōu)勢以及不足之處進行總結，并對機器人系統(tǒng)在脊柱外科手術中的研究與應用進展進行綜述。

1 國外主要脊柱機器人

1.1 Mazor Spine Assist機器人

Mazor SpineAssist?（Mazor Robotics Ltd.,Caesar?ea,Israel）是第一個被美國食品與藥品監(jiān)管局（FDA）批準在美國用于脊柱外科，也是目前被CE認證用于臨床脊柱外科中的脊柱機器人引導系統(tǒng)，改系統(tǒng)具有自由度半自主機器系統(tǒng)6個，具有直徑5 cm的底座，高度8 cm以及250 g的質(zhì)量，該系統(tǒng)可以從棘突夾固定至棘突以上，并可以通過Hover-T將其固定至骨性標志物上，可以與手術床裝置系統(tǒng)進行連接，并將另一端固定于脊柱之上［1］。Mazor Renais?sance?是Mazor的第二代脊柱機器人，在2011年取代了SpineAssist。雖然兩者都具有相似的機械臂，但是Renaissance?包括軟件和硬件改進，如升級圖像識別算法，并對工具進行改進［2］。2016年在北美脊柱學會（NASS）的年會上，Mazor公司發(fā)布了最新的Mazor X?。與之前的型號類似，Mazor X?包括工作站和機械手術臂。然而，與以前的型號不同，機械臂包括一個集成的線性光學相機，允許機器人對工作環(huán)境進行體積評估，從而自我檢測其位置，避免術中碰撞。此外，Mazor X?允許每個椎體獨立注冊，提升了準確性。另一個優(yōu)勢是Mazor X?機器人提供的是串行而不是并行的機械臂，這增加了系統(tǒng)的活動范圍，顯著提升工作效能［3］。Lee 等［4］的研究表明，與Mazor Renaissance?系統(tǒng)相比，Mazor X?在 S2髂翼（sacral-alar-iliac,S2AI） 螺釘精度提高近8倍，可靠性提高近10倍。

1.2 ROSA?SPINE機器人

ROSA?SPINE（Zimmer Biomet,Warsaw,IN）于2016年獲得FDA批準。ROSA使用機械臂和立體導航攝像頭，優(yōu)化引導椎弓根進入點和軌跡。立體相機可用于導航，解決了以前機器人在脊柱術中輔助的不足。但此ROSA機器人研發(fā)公司早期主要研究腦外科機器人，在脊柱術中的應用尚不廣泛［5］。

1.3 Excelsius GPS?機器人

Excelsius GPS?（Globus Medical,Inc.Audubon,PA,USA）于2017年獲得FDA批準，在脊柱外科領域具有巨大潛力［6］。其可術中實時成像，自動補償用于患者移動，并可直接置入螺釘。Huntsman等［7］采用Excelsius GPS?對55例患者行單位置外側(cè)腰椎椎間融合（single-position lateral lumbar interbody fusion,SP-LLIF），機器人共置釘328枚，準確率為98%，無置釘相關并發(fā)癥。

1.4 達芬奇機器人

達芬奇機器人（Da Vinci Surgical System?,Intui?tive Surgical,Sunnyvale,California,USA） 2000年獲FDA批準，用于腹腔鏡［8］。達芬奇機器人可采用遠程外科手術，外科醫(yī)生通過遠程控制模塊，進行遠程手術操作。此機器人有3D視覺屏幕，提供卓越可視化效果和放大倍率。在脊柱手術中，達芬奇機器人主要用于脊柱前路手術，包括前路腰椎椎間盤突出癥融合術（ALIF），胸腰神經(jīng)纖維瘤切除術，切除椎旁神經(jīng)鞘瘤，和經(jīng)口齒狀突手術［9-12］。

2 國內(nèi)脊柱機器人的發(fā)展和應用

2.1 脊柱微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)

該系統(tǒng)是由我國陸軍軍醫(yī)大學和沈陽自動化研究所共同研制完成，共有6個輔助的自由度系統(tǒng)，組成部分是：控制臺，機械臂，視覺監(jiān)視器以及基座，其中無顫動鎖定系統(tǒng)（力矩傳感器）和機械臂尖端（具有氣鉆）可以遙控操作，術中可以避免X線對操作人員的傷害，該系統(tǒng)對牛脊骨的骨標本實施打孔操作，與透視結果偏差在2 mm以內(nèi)，而置入的成功率高達99.5%以上，而正位片結果偏差在2 mm以內(nèi)，成功率為90%以上，而正位偏差的原因在于系統(tǒng)出現(xiàn)遮擋［13］。

2.2 脊柱手術機器人系統(tǒng)

該系統(tǒng)由中國科學院深圳技術研究院自主研發(fā)，主要組成部分為：（1）5個自由度的機械臂；（2）術前規(guī)劃系統(tǒng)；（3）紅外定位系統(tǒng)；（4）術中導航系統(tǒng)［14］。通過該系統(tǒng)對豬椎體L3～5實施削磨實驗后，結果顯示為該系統(tǒng)的距離分辨率高達0.125 mm，該種結果已經(jīng)達到臨床上的要求指標，而實驗結果證實，手術中狀態(tài)識別率以及控制準確率均高達100.00%。

2.3 脊柱手術輔助機器人系統(tǒng)

該系統(tǒng)由南開大學機器人與信息研究所共同研發(fā)，主要組成部分有導航系統(tǒng)、影像工作站、5個自由度的機械臂。該系統(tǒng)是一種使用坐標轉(zhuǎn)換原理的新型導航及定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)的平均定位精度為0.888 mm，而最大值為1.142 mm，該種精確的指標，符合脊柱外科手術的要求標準。

2.4 天璣機器人

由北京天智航公司開發(fā)的骨科手術導航定位機器人已研發(fā)至第三代。其中，第三代產(chǎn)品TiRobot（又名“天璣”）骨科手術導航定位機器人于2016年11月完成注冊并上市。相比前兩代產(chǎn)品（“GDA”和“GD-2000/GD-S”），天璣骨科手術導航定位機器人的臨床應用范圍更廣，能夠覆蓋骨盆、髖臼、四肢等部位的創(chuàng)傷手術及全節(jié)段脊柱外科手術，并且在產(chǎn)品適應證覆蓋率大幅提升的同時，還實現(xiàn)了對使用便捷性、定位功能和軟件友好性的優(yōu)化。田偉等［15］對12例患者采用5G網(wǎng)絡遙控天璣機器人進行脊柱手術，置入椎弓釘62枚，術后所有患者癥狀都得到了實質(zhì)性的緩解，按Gertzbein-Rob?bins的標準，置釘A級59例，B級3例。未發(fā)現(xiàn)術中不良事件。表明5G遠程機器人輔助脊柱手術準確可靠。

3 機器人系統(tǒng)的優(yōu)缺點

3.1 優(yōu)點

機器人與傳統(tǒng)脊柱外科手術對比，優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾點：（1）精確度和準確度高：傳統(tǒng)治療中通過徒手將椎弓根螺釘置入具有較高的失誤率，而據(jù)相關文獻中記載，通過機器人系統(tǒng)置入的螺釘，超出2 mm發(fā)生率僅為1.7%左右，遠遠低于傳統(tǒng)徒手置入螺釘失誤發(fā)生率；（2）穩(wěn)定性：傳統(tǒng)術中，因手術治療的時間較長，操作復雜，繁瑣，容易使操作人員產(chǎn)生疲勞，而機器人系統(tǒng)不會產(chǎn)生疲勞；（3）并發(fā)癥發(fā)生率低：機器人系統(tǒng)在治療后發(fā)生螺釘位置不良、椎弓根爆裂、定位錯誤、神經(jīng)損傷等相關并發(fā)癥概率低［16］。而傳統(tǒng)手術中，以上并發(fā)癥發(fā)生率較高；（4）X線暴露量較少：在手術的治療中，無論是患者還是操作者，X線暴露可導致各種并發(fā)癥；技術相對較低的操作醫(yī)生，所接受的劑量會相對更多，而脊柱機器人系統(tǒng)中，可以減少X線暴露的量；（5）恢復快：因機器人系統(tǒng)中手術的切口較小，可相對的減少術中失血量，因此對患者的損傷減小，為患者的盡快康復打下堅實的基礎；（6）靈活性：在傳統(tǒng)手術中操作困難的解剖位置，機器人操作更靈活、便捷；（7）遠程遙控：脊柱靶心機器人系統(tǒng)具有遙控的操作功能，但是直至目前為止，機器人遠程操作在脊柱外科中的運用未見報道。

3.2 機器人系統(tǒng)的缺點

（1）機器人系統(tǒng)每臺的售價高達50萬美元以上，而根據(jù)機器人的功能和具有的特性，該種價格會增加至150萬美元，因此很多基層醫(yī)院無法負擔，故普及率較低；（2）“漂移”現(xiàn)象：大多數(shù)機器人系統(tǒng)均通過導航系統(tǒng)實施定位，應用的時間較長后，會產(chǎn)生“漂移”，故會出現(xiàn)誤差；（3）曲線不一：每種機器人系統(tǒng)，操作的難易程度不同，而大多數(shù)的學習曲線較長，手術的操作者要經(jīng)過較長時間的學習和訓練后，才能對其充分掌握；（4）觸覺反饋缺乏：在脊柱外科手術中，操作者可以通過觸覺反饋后，對手術所有的操作進行準確、及時的判斷，特別在軟組織的操作中，體現(xiàn)的更加明顯，而機器人系統(tǒng)，卻無該項方面的功能［3］；（5）局限性：機器人系統(tǒng)在脊柱外科的手術中，目前只能做一些簡單易操作的內(nèi)容，對于復雜的操作無能為力，因此，對復雜的外科手術，具有一定的局限性。

微創(chuàng)化、自動化、自能化的機器人系統(tǒng)將是脊柱外科中應用的發(fā)展趨勢，并與遠程控制相結合，在具有一定水平的醫(yī)院實施遠程手術治療，機器人系統(tǒng)在脊柱外科手術中，具有精準度高、X線暴露少、手術用時短、損傷小，并同時降低相關手術風險等眾多的優(yōu)點，但仍缺乏觸覺反饋、復雜的操作無法應用等缺點，相信通過科學技術水平的不斷發(fā)展，各種弊端終將被克服。