手術(shù)機器人在脊柱神經(jīng)外科的臨床應(yīng)用

摘 要 手術(shù)機器人在入路規(guī)劃、導(dǎo)航及微創(chuàng)精準(zhǔn)操作等方面優(yōu)勢明顯，臨床應(yīng)用越來越廣泛，極大地提高了手術(shù)的精準(zhǔn)性、安全性和微創(chuàng)性。近年來，隨著手術(shù)機器人迅速發(fā)展以及在神經(jīng)外科、脊柱外科的應(yīng)用逐步普及，其超強穩(wěn)定性必然推動脊柱神經(jīng)外科疾病診治更加合理。國內(nèi)外已有多款產(chǎn)品應(yīng)用于臨床，涵蓋了DBS、脊柱外科及術(shù)后康復(fù)等學(xué)科，其中應(yīng)用于腦深部電刺激植入手術(shù)及椎弓根螺釘植入術(shù)的機器人技術(shù)相對成熟。但是，目前手術(shù)機器人仍有一定局限性，且費用高、觸覺反饋差，臨床效果缺乏長期臨床研究證據(jù)支持。因此，手術(shù)機器人未來的發(fā)展在于擴大應(yīng)用范圍，降低成本，并將手術(shù)系統(tǒng)與AI、3D 打印等技術(shù)結(jié)合，以期在脊柱神經(jīng)外科領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。

關(guān)鍵詞 手術(shù)機器人；脊柱神經(jīng)外科；微創(chuàng)手術(shù)；智能化；個體化

中圖分類號 R651 R681.5 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-7721（2024）06-1149-05

Clinical application of surgical robots in spinal neurosurgery

XIONG Dong， CHENG Chao， ZHENG Fengwei， WANG Tianze， LI Weixin

（Department of Neurosurgery， the First Affiliated Hospital of Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710061， China）

Abstract With significant advantages in surgical approach planning， navigation and precise operation in a minimally invasive way， surgical robots are more and more widespread， which has greatly improved the accuracy， safety， and minimally invasion of surgery. In recent years， with the rapid development of surgical robots， their application in neurosurgery and spinal surgery has gradually been popularized， the super stability of surgical robots will inevitably promote more reasonable diagnosis and treatment in spinal neurosurgical diseases. There are many mature products at home and abroad that have been applied in clinical practice， covering deep brain stimulation （DBS）， spine surgery， and postoperative rehabilitation. Among them， the application of robotic technology in DBS implantation and pedicle screw implantation is relatively mature. At present， the application of surgical robots still has certain limitations， such as the high cost and poor tactile feedback， and evidence on its long-term outcomes is lacking. Therefore， the future development of surgical robots lies in expanding the scope of application， reducing costs， and combining surgical systems with AI， 3D printing and other technologies， hoping to play a more important role in the field of spinal neurosurgery.

Key words Surgical Robots; Spinal Neurosurgery; Minimally Invasive Surgery; Intelligence; Individuality

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，手術(shù)機器人已經(jīng)在臨床應(yīng)用中逐步推廣，使得各種操作更加精準(zhǔn)和穩(wěn)定，同時還能降低并發(fā)癥的發(fā)生率，縮短術(shù)中醫(yī)務(wù)人員射線暴露時間。脊柱神經(jīng)外科疾病的治療涉及神經(jīng)外科、脊柱外科相關(guān)技術(shù)，手術(shù)機器人的超強穩(wěn)定性必然推動脊柱神經(jīng)外科疾病診治更合理。1985年，美國醫(yī)生Kwoh首次將機器人應(yīng)用于臨床手術(shù)，CT輔助引導(dǎo)下的腦腫瘤活檢開創(chuàng)了手術(shù)機器人的先河。1992年，美國開發(fā)了輔助全髖關(guān)節(jié)置換的骨科手術(shù)機器人ROBDOC?，之后手術(shù)機器人在脊柱外科的應(yīng)用逐步開展，尤其在輔助椎弓根螺釘植入方面應(yīng)用最廣。國內(nèi)手術(shù)機器人在21世紀初期進入飛速發(fā)展階段，目前已有多家醫(yī)療器械公司聯(lián)合知名大學(xué)及三甲醫(yī)院進行各?？剖中g(shù)機器人的研發(fā)，并開始大規(guī)模應(yīng)用于臨床[1-2]。2024年 3 月，睿米?RM-200在哈薩克斯坦阿斯塔納總統(tǒng)醫(yī)院輔助醫(yī)生順利開展機器人輔助SEEG電極植入手術(shù)，國產(chǎn)手術(shù)機器人已開始出口海外，得到國際同行認可。手術(shù)機器人的應(yīng)用始于神經(jīng)外科，但神經(jīng)系統(tǒng)解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要精確的定位和精細的操作技巧以確保手術(shù)的成功和對周圍組織的損傷最小化，因此其在神經(jīng)外科的臨床應(yīng)用發(fā)展緩慢，相對而言，在立體定向與功能神經(jīng)外科應(yīng)用較為廣泛[3]。

1 手術(shù)機器人的臨床應(yīng)用

1.1 優(yōu)勢 手術(shù)機器人通過機械臂和傳感器技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)比人手更加精準(zhǔn)和穩(wěn)定的操作。在微創(chuàng)手術(shù)中，能夠確保手術(shù)器械在狹小的空間內(nèi)精確地完成任務(wù)，減少手術(shù)創(chuàng)傷，術(shù)后恢復(fù)快。同時在長時間的手術(shù)中，機器人能夠保持高效率并穩(wěn)定工作，降低手術(shù)風(fēng)險。對于一些復(fù)雜或傳統(tǒng)手術(shù)方式難以處理的病例，手術(shù)機器人提供了新的解決方案。例如，對于位置深或周圍結(jié)構(gòu)復(fù)雜的腫瘤，手術(shù)機器人能夠更加精確地切除病變組織，同時減少對周圍組織的損傷。

1.2 劣勢 隨著技術(shù)的不斷進步，手術(shù)機器人的研發(fā)和制造成本逐漸降低，但其推廣應(yīng)用仍然受到經(jīng)濟因素的制約。雖然手術(shù)機器人在許多方面表現(xiàn)出色，但其觸覺反饋不如外科醫(yī)生靈活，在某些特定情況下，手術(shù)機器人的操作可能仍然不如經(jīng)驗豐富的醫(yī)生[4]。此外，手術(shù)機器人的應(yīng)用涉及法律和倫理問題[5]，如手術(shù)機器人的權(quán)限和責(zé)任、醫(yī)生和機器人之間的協(xié)作關(guān)系等，這些問題需要在立法和倫理準(zhǔn)則中進行明確和規(guī)范。

1.3 發(fā)展趨勢 隨著技術(shù)的不斷進步和政策的支持，未來手術(shù)機器人有望在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。同時，隨著醫(yī)療數(shù)據(jù)的積累和人工智能技術(shù)的發(fā)展，其臨床應(yīng)用將會逐步規(guī)范化，相應(yīng)的操作指南也會更加完善。目前，計算機輔助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合手術(shù)機器人使用已通過美國FDA認證的商用無線頭戴式顯示器協(xié)助外科醫(yī)生更高效精準(zhǔn)完成手術(shù)[6]。機器人結(jié)合數(shù)字化影像改變了神經(jīng)外科手術(shù)，在脊柱神經(jīng)外科領(lǐng)域有望實現(xiàn)重要的技術(shù)革新[7]。

2 手術(shù)機器人在神經(jīng)外科的臨床應(yīng)用

當(dāng)前，手術(shù)機器人在神經(jīng)外科主要用于腦組織穿刺以及腦深部功能區(qū)的定位導(dǎo)航，如血腫腔穿刺抽吸、顱內(nèi)腫瘤活檢、癲癇的SEEG手術(shù)、帕金森病的DBS手術(shù)等。機器人輔助SEEG電極植入手術(shù)為準(zhǔn)確切除致癇灶提供依據(jù)[8]。隨著神經(jīng)外科手術(shù)機器人的廣泛應(yīng)用，結(jié)合計算機技術(shù)、神經(jīng)影像技術(shù)的進步，顱內(nèi)病變立體定向活檢技術(shù)更加成熟，定位精準(zhǔn)且損傷更小[9-11]。神經(jīng)外科機器人輔助術(shù)中CT可以很輕松地實施腦室鏡下第三腦室造瘺術(shù)，并防止操作通道錯誤和腦室鏡的突然移動，減少手術(shù)引起的腦損傷[12]。另外，已有研究表明手術(shù)機器人可以輔助開顱，進行顱骨鉆孔及銑開骨瓣，更換手術(shù)磨頭修整骨窗，減少術(shù)區(qū)遮擋[13]。神經(jīng)外科手術(shù)機器人可以在狹小的空間流暢操作，減輕副損傷，過濾操作者的手部顫抖，加強穩(wěn)定性，使操作更加精準(zhǔn)，減輕術(shù)者疲勞，縮短手術(shù)時間，進一步提高了手術(shù)安全性[14]。已應(yīng)用于臨床的神經(jīng)外科手術(shù)機器人見表1[15]。

2.1 國外神經(jīng)外科手術(shù)機器人的臨床應(yīng)用

20世紀 80 年代，PUMA手術(shù)機器人在美國開始輔助神經(jīng)外科手術(shù)。美敦力等公司研發(fā)的手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備也逐步開始應(yīng)用于神經(jīng)外科手術(shù)。美國美敦力公司研發(fā)的Mazor XTM手術(shù)機器人、法國Medtech 公司研發(fā)的 ROSA 手術(shù)機器人以及德國Brainlab公司研發(fā)的Digital O.R手術(shù)整合系統(tǒng)已應(yīng)用于臨床[16]。

精準(zhǔn)治療是國內(nèi)外神經(jīng)外科專家共識。ROSA機器人性能卓越，功能多樣，將導(dǎo)航與頭架結(jié)合，精準(zhǔn)度高，手術(shù)過程高度安全，它能夠根據(jù)患者的具體情況，靈活設(shè)計手術(shù)入路，使得手術(shù)方案更加個性化和精準(zhǔn)。已有研究表明ROSA 機器人可顯著提高神經(jīng)外科手術(shù)精準(zhǔn)度和安全性，適應(yīng)證廣，減少患者圍手術(shù)期并發(fā)癥，且操作簡易，在神經(jīng)外科手術(shù)中應(yīng)用前景廣泛 [17-18]。

Gonen L等人[19]總結(jié)了200例ROVOT-m手術(shù)機器人輔助神經(jīng)外科手術(shù)病例（包括穿刺抽吸、病變切除、微血管減壓、腦室內(nèi)操作等），術(shù)后神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥發(fā)生率為1.50%。同時，術(shù)者佩戴頭戴式顯示設(shè)備以顯示外視鏡視野，該設(shè)備中的虛擬光標(biāo)可隨頭部轉(zhuǎn)動而移動，術(shù)者可選擇不同功能對機械臂進行控制。有文獻報道該機器人系統(tǒng)在3例額葉腫瘤手術(shù)中的應(yīng)用反饋，可提高術(shù)者舒適度，無需切換傳統(tǒng)顯微外視鏡，亦未見機器人系統(tǒng)操作相關(guān)不良事件[20]。

2.2 國內(nèi)神經(jīng)外科手術(shù)機器人的臨床應(yīng)用

國內(nèi)神經(jīng)外科手術(shù)機器人系統(tǒng)的研究起步較晚，大部分醫(yī)療器械公司的相關(guān)研究始于20 世紀 90 年代。國產(chǎn)手術(shù)機器人廠家普愛醫(yī)療分享的眾成數(shù)科和Medrobot聯(lián)合發(fā)布2022年1月～ 6月公開的銷售數(shù)據(jù)顯示，華科精準(zhǔn)、柏惠維康（睿米）、安科、博醫(yī)來等公司的神經(jīng)外科手術(shù)機器人、手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)開始裝機使用。睿米手術(shù)機器人的醫(yī)學(xué)圖像標(biāo)志點提取方法的臨床應(yīng)用[21]使定位更準(zhǔn)確。華科精準(zhǔn)將 3D 結(jié)構(gòu)光融入神經(jīng)外科手術(shù)機器人[22]，對腦深部病變的切除更具臨床指導(dǎo)意義。

華科精準(zhǔn)手術(shù)機器人是由清華大學(xué)與華科精準(zhǔn)醫(yī)療設(shè)備股份有限公司聯(lián)合研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的神經(jīng)外科手術(shù)機器人系統(tǒng)，可以輔助術(shù)者定位顱內(nèi)血腫位置、腫瘤、腦功能核團，協(xié)助規(guī)劃手術(shù)路徑，并在實際操作中指導(dǎo)術(shù)者通過最佳手術(shù)入路完成手術(shù)，減輕腦神經(jīng)損傷，縮短手術(shù)時間。2020年12月，搭載自主研發(fā)的3D結(jié)構(gòu)光及HoloShot智能感知技術(shù)的新一代神經(jīng)外科手術(shù)機器人獲國家藥監(jiān)局批準(zhǔn)上市，其具有無框架、無Marker、無需術(shù)前CT、手術(shù)時間短、注冊精度高等國際領(lǐng)先優(yōu)勢。

顱腦深部疾病在神經(jīng)外科手術(shù)機器人的輔助下可以更準(zhǔn)確地定位病灶，規(guī)劃最佳手術(shù)路徑，從而減輕術(shù)后患者神經(jīng)功能障礙。已有研究針對顱骨不規(guī)則三維結(jié)構(gòu)進行機器人磨削設(shè)計[13]，將顱骨的三維重建圖像分割，提取磨削區(qū)域的三維模型，利用仿真軟件 Matlab 對 Jaka 機械臂的運動學(xué)和軌跡規(guī)劃進行仿真實驗，實現(xiàn)機器人安全開顱工作程序。

3 手術(shù)機器人在脊柱手術(shù)中的應(yīng)用

脊柱作為脊髓及脊神經(jīng)根的支撐結(jié)構(gòu)，涉及多維度的運動功能，在解剖結(jié)構(gòu)上與硬脊膜、神經(jīng)根、血管等重要組織緊密相鄰。脊柱手術(shù)機器人能夠顯著提升手術(shù)的精準(zhǔn)度，降低人為操作的失誤率，同時有效減少患者和醫(yī)生所受到的輻射量。更重要的是，它還能讓臨床醫(yī)生快速、高效地掌握脊柱手術(shù)的關(guān)鍵技巧[1]。脊柱外科經(jīng)常需要用到椎弓根螺釘固定。C臂透視下徒手置釘可能出現(xiàn)失誤引起患者術(shù)后疼痛麻木及運動功能障礙等并發(fā)癥，機器人輔助手術(shù)可以提高置釘準(zhǔn)確度，尤其在復(fù)雜困難病例進行椎弓根螺釘植入具有積極作用[23]。已有研究表明，基于振動信號融合的手術(shù)機器人椎板磨削剩余厚度識別有利于提升脊柱手術(shù)機器人自動椎板磨削過程的智能化程度和安全性[24]。

3.1 國外脊柱手術(shù)機器人的臨床應(yīng)用 以色列脊柱手術(shù)機器人SpineAssist已于2004 年開始用于脊柱手術(shù)。法國ROSA脊柱手術(shù)機器人系統(tǒng)除了導(dǎo)航臂，還裝配了光學(xué)攝像機，用以提升機器人輔助手術(shù)準(zhǔn)確率。另外，美國的無框架 Excelsius GPS?也是目前應(yīng)用較廣的脊柱手術(shù)機器人。Huntsman K T 等人[25]和 Godzik J 等人[26]研究表明脊柱手術(shù)機器人具有安全性、精準(zhǔn)性和可靠性，置釘準(zhǔn)確率近99%。

3.2 國內(nèi)脊柱手術(shù)機器人的臨床應(yīng)用 國內(nèi)脊柱手術(shù)機器人的研究起步雖然較晚，但發(fā)展較快，部分三甲醫(yī)院骨科與機器人公司合作研發(fā)比較普遍。例如，天智航與積水潭醫(yī)院聯(lián)合研究的天璣骨科手術(shù)機器人TiRobot?臨床應(yīng)用效果好，能夠輔助后路寰樞關(guān)節(jié)內(nèi)固定[27]。一項多中心隨機對照臨床研究通過對比使用機器人手術(shù)與傳統(tǒng)手術(shù)的病例的二維及三維精度，評價脊柱手術(shù)機器人系統(tǒng)在腰椎融合術(shù)中的精準(zhǔn)度，結(jié)果表明機器人輔助能更好地規(guī)劃螺釘植入路徑[28]。

3.3 脊柱手術(shù)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 脊柱手術(shù)機器人目前仍處于發(fā)展初期，在輔助胸腰椎椎弓根螺釘植入方面應(yīng)用普遍，在頸椎、腫瘤切除及側(cè)彎畸形等方面應(yīng)用較少[29]。隨著手術(shù)機器人的使用越來越普及，需要研究如何提高脊柱機器人觸覺反饋能力，開發(fā)更簡單的配套操作軟件，便于臨床醫(yī)生使用[30]。

4 手術(shù)機器人的發(fā)展趨勢

目前全球的主流脊柱神經(jīng)外科手術(shù)機器人產(chǎn)品如ROSA、Excelsius GPS?以及Mazor XTM等已經(jīng)廣泛應(yīng)用于臨床，隨著科技的發(fā)展，脊柱神經(jīng)外科手術(shù)機器人的發(fā)展會更加智能[31]。

4.1 微創(chuàng)化 脊柱神經(jīng)外科手術(shù)機器人的操作將越來越微創(chuàng)，其更精準(zhǔn)的定位使得切口更小，創(chuàng)傷更少，同時縮短住院時間，降低并發(fā)癥發(fā)生率。手術(shù)機器人生產(chǎn)研發(fā)機構(gòu)與醫(yī)院聯(lián)合研究產(chǎn)品性能，提升手術(shù)機器人的觸覺反饋水平，同時建立整體手術(shù)室的解決方案，也是我國脊柱神經(jīng)外科手術(shù)機器人事業(yè)發(fā)展的重要機遇。

4.2 智能化 當(dāng)前脊柱神經(jīng)外科手術(shù)機器人還不能完成高效的全流程手術(shù)操作，多數(shù)局限在定位及導(dǎo)航功能。未來手術(shù)機器人系統(tǒng)與人工智能技術(shù)及3D打印技術(shù)結(jié)合，能夠提供一體化的解決方案，使脊柱神經(jīng)外科的手術(shù)簡單化，同時在5G普及后可以實現(xiàn)遠程手術(shù)操作，提供偏遠基層醫(yī)療機構(gòu)的技術(shù)支援。在機器人探針上整合神經(jīng)電生理探頭，能及時反饋神經(jīng)系統(tǒng)電信號，協(xié)助醫(yī)生進行手術(shù)，使手術(shù)創(chuàng)傷更小，并發(fā)癥更少。

4.3 個體化 針對不同患者、不同疾病，或者同一疾病的不同表現(xiàn)，手術(shù)機器人可以根據(jù)實際情況，通過大數(shù)據(jù)分析為患者制定個性化的手術(shù)方案，提高手術(shù)治療效果。

4.4 國家發(fā)展規(guī)劃 2023年1月，工信部等十七部門印發(fā)的《“機器人+”應(yīng)用行動實施方案》指出，到2025年，全面推進機器人在社會民生領(lǐng)域的應(yīng)用，研制手術(shù)、急救、康復(fù)等醫(yī)療輔助機器人產(chǎn)品。鼓勵醫(yī)院使用手術(shù)機器人，建設(shè)機器人應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化手術(shù)室，研究手術(shù)機器人臨床應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[2]。手術(shù)機器人結(jié)合AI將會是未來的發(fā)展方向，目的在于盡量減輕臨床醫(yī)生的工作量，提高機器人在手術(shù)中參與度，從而提高手術(shù)準(zhǔn)確度，并縮短手術(shù)時間[32]。

5 結(jié)語

本綜述闡述了目前手術(shù)機器人在神經(jīng)外科、脊柱外科的臨床應(yīng)用情況和未來發(fā)展前景，探討其微創(chuàng)化、智能化、個體化的發(fā)展方向。隨著臨床應(yīng)用手術(shù)機器人的需求越來越多，結(jié)合國家發(fā)展規(guī)劃，脊柱神經(jīng)外科手術(shù)機器人必將迎來飛速發(fā)展。虛擬現(xiàn)實和機器人技術(shù)在神經(jīng)外科的應(yīng)用越來越廣泛，由于大腦解剖和生理學(xué)的復(fù)雜性，其在神經(jīng)外科的應(yīng)用進展緩慢，但有良好的發(fā)展?jié)摿Αａt(yī)學(xué)、工程、科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域之間的合作將創(chuàng)造出新產(chǎn)品，使外科醫(yī)生能夠利用機械輔助進行手術(shù)，同時獲得實時的視覺、聽覺和觸覺反饋，促進脊柱神經(jīng)外科手術(shù)技術(shù)發(fā)展[33]。脊柱神經(jīng)外科手術(shù)機器人的長期臨床效果及安全性尚缺乏循證醫(yī)學(xué)證據(jù)支持。目前，在多數(shù)研究中未發(fā)現(xiàn)嚴重的并發(fā)癥，未來需要建立隨機對照研究，并長期隨訪治療效果，形成指南性文件，促進手術(shù)機器人專業(yè)技術(shù)的良性發(fā)展。同時，配套脊柱神經(jīng)外科術(shù)后康復(fù)機器人的開發(fā)，更有利于提高治療效果，發(fā)展前景廣闊。

利益沖突聲明：本文不存在任何利益沖突。

作者貢獻聲明：熊東負責(zé)設(shè)計論文框架，文章撰寫和修改；鄭鋒偉、程超、王天澤負責(zé)收集文獻；李維新負責(zé)指導(dǎo)撰寫文章并最終定稿。

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編輯：崔明璠