机器人在脊柱外科手术的研究与应用进展

张在田,张绪华，卫志华，施傅森，杨冬辉，杨 建，丁家巍

（怀化市中医医院脊柱外科，湖南怀化 418000）

目前，外科手术的治疗中应用机器人系统越来越普遍，机器人系统手术中所独有的特点，如稳定性和精确性深受医生和患者的共同认可，特别是在骨科手术中应用机器人，在近年来取得了长足的发展。本院自2016年10月引进湖南省首台骨科手术机器人“天玑”（TINAVI Tirobot），在顺利完成多台脊柱外科手术后，本文对其优势以及不足之处进行总结，并对机器人系统在脊柱外科手术中的研究与应用进展进行综述。

1 国外主要脊柱机器人

1.1 Mazor Spine Assist机器人

Mazor SpineAssist®（Mazor Robotics Ltd.,Caesar⁃ea,Israel）是第一个被美国食品与药品监管局（FDA）批准在美国用于脊柱外科，也是目前被CE认证用于临床脊柱外科中的脊柱机器人引导系统，改系统具有自由度半自主机器系统6个，具有直径5 cm的底座，高度8 cm以及250 g的质量，该系统可以从棘突夹固定至棘突以上，并可以通过Hover-T将其固定至骨性标志物上，可以与手术床装置系统进行连接，并将另一端固定于脊柱之上［1］。Mazor Renais⁃sance®是Mazor的第二代脊柱机器人，在2011年取代了SpineAssist。虽然两者都具有相似的机械臂，但是Renaissance®包括软件和硬件改进，如升级图像识别算法，并对工具进行改进［2］。2016年在北美脊柱学会（NASS）的年会上，Mazor公司发布了最新的Mazor X®。与之前的型号类似，Mazor X®包括工作站和机械手术臂。然而，与以前的型号不同，机械臂包括一个集成的线性光学相机，允许机器人对工作环境进行体积评估，从而自我检测其位置，避免术中碰撞。此外，Mazor X®允许每个椎体独立注册，提升了准确性。另一个优势是Mazor X®机器人提供的是串行而不是并行的机械臂，这增加了系统的活动范围，显著提升工作效能［3］。Lee 等［4］的研究表明，与Mazor Renaissance®系统相比，Mazor X®在 S2髂翼（sacral-alar-iliac,S2AI） 螺钉精度提高近8倍，可靠性提高近10倍。

1.2 ROSA®SPINE机器人

ROSA®SPINE（Zimmer Biomet,Warsaw,IN）于2016年获得FDA批准。ROSA使用机械臂和立体导航摄像头，优化引导椎弓根进入点和轨迹。立体相机可用于导航，解决了以前机器人在脊柱术中辅助的不足。但此ROSA机器人研发公司早期主要研究脑外科机器人，在脊柱术中的应用尚不广泛［5］。

1.3 Excelsius GPS®机器人

Excelsius GPS®（Globus Medical,Inc.Audubon,PA,USA）于2017年获得FDA批准，在脊柱外科领域具有巨大潜力［6］。其可术中实时成像，自动补偿用于患者移动，并可直接置入螺钉。Huntsman等［7］采用Excelsius GPS®对55例患者行单位置外侧腰椎椎间融合（single-position lateral lumbar interbody fusion,SP-LLIF），机器人共置钉328枚，准确率为98%，无置钉相关并发症。

1.4 达芬奇机器人

达芬奇机器人（Da Vinci Surgical System®,Intui⁃tive Surgical,Sunnyvale,California,USA） 2000年获FDA批准，用于腹腔镜［8］。达芬奇机器人可采用远程外科手术，外科医生通过远程控制模块，进行远程手术操作。此机器人有3D视觉屏幕，提供卓越可视化效果和放大倍率。在脊柱手术中，达芬奇机器人主要用于脊柱前路手术，包括前路腰椎椎间盘突出症融合术（ALIF），胸腰神经纤维瘤切除术，切除椎旁神经鞘瘤，和经口齿状突手术［9-12］。

2 国内脊柱机器人的发展和应用

2.1 脊柱微创手术机器人系统

该系统是由我国陆军军医大学和沈阳自动化研究所共同研制完成，共有6个辅助的自由度系统，组成部分是：控制台，机械臂，视觉监视器以及基座，其中无颤动锁定系统（力矩传感器）和机械臂尖端（具有气钻）可以遥控操作，术中可以避免X线对操作人员的伤害，该系统对牛脊骨的骨标本实施打孔操作，与透视结果偏差在2 mm以内，而置入的成功率高达99.5%以上，而正位片结果偏差在2 mm以内，成功率为90%以上，而正位偏差的原因在于系统出现遮挡［13］。

2.2 脊柱手术机器人系统

该系统由中国科学院深圳技术研究院自主研发，主要组成部分为：（1）5个自由度的机械臂；（2）术前规划系统；（3）红外定位系统；（4）术中导航系统［14］。通过该系统对猪椎体L3～5实施削磨实验后，结果显示为该系统的距离分辨率高达0.125 mm，该种结果已经达到临床上的要求指标，而实验结果证实，手术中状态识别率以及控制准确率均高达100.00%。

2.3 脊柱手术辅助机器人系统

该系统由南开大学机器人与信息研究所共同研发，主要组成部分有导航系统、影像工作站、5个自由度的机械臂。该系统是一种使用坐标转换原理的新型导航及定位系统，该系统的平均定位精度为0.888 mm，而最大值为1.142 mm，该种精确的指标，符合脊柱外科手术的要求标准。

2.4 天玑机器人

由北京天智航公司开发的骨科手术导航定位机器人已研发至第三代。其中，第三代产品TiRobot（又名“天玑”）骨科手术导航定位机器人于2016年11月完成注册并上市。相比前两代产品（“GDA”和“GD-2000/GD-S”），天玑骨科手术导航定位机器人的临床应用范围更广，能够覆盖骨盆、髋臼、四肢等部位的创伤手术及全节段脊柱外科手术，并且在产品适应证覆盖率大幅提升的同时，还实现了对使用便捷性、定位功能和软件友好性的优化。田伟等［15］对12例患者采用5G网络遥控天玑机器人进行脊柱手术，置入椎弓钉62枚，术后所有患者症状都得到了实质性的缓解，按Gertzbein-Rob⁃bins的标准，置钉A级59例，B级3例。未发现术中不良事件。表明5G远程机器人辅助脊柱手术准确可靠。

3 机器人系统的优缺点

3.1 优点

机器人与传统脊柱外科手术对比，优点主要体现在以下几点：（1）精确度和准确度高：传统治疗中通过徒手将椎弓根螺钉置入具有较高的失误率，而据相关文献中记载，通过机器人系统置入的螺钉，超出2 mm发生率仅为1.7%左右，远远低于传统徒手置入螺钉失误发生率；（2）稳定性：传统术中，因手术治疗的时间较长，操作复杂，繁琐，容易使操作人员产生疲劳，而机器人系统不会产生疲劳；（3）并发症发生率低：机器人系统在治疗后发生螺钉位置不良、椎弓根爆裂、定位错误、神经损伤等相关并发症概率低［16］。而传统手术中，以上并发症发生率较高；（4）X线暴露量较少：在手术的治疗中，无论是患者还是操作者，X线暴露可导致各种并发症；技术相对较低的操作医生，所接受的剂量会相对更多，而脊柱机器人系统中，可以减少X线暴露的量；（5）恢复快：因机器人系统中手术的切口较小，可相对的减少术中失血量，因此对患者的损伤减小，为患者的尽快康复打下坚实的基础；（6）灵活性：在传统手术中操作困难的解剖位置，机器人操作更灵活、便捷；（7）远程遥控：脊柱靶心机器人系统具有遥控的操作功能，但是直至目前为止，机器人远程操作在脊柱外科中的运用未见报道。

3.2 机器人系统的缺点

（1）机器人系统每台的售价高达50万美元以上，而根据机器人的功能和具有的特性，该种价格会增加至150万美元，因此很多基层医院无法负担，故普及率较低；（2）“漂移”现象：大多数机器人系统均通过导航系统实施定位，应用的时间较长后，会产生“漂移”，故会出现误差；（3）曲线不一：每种机器人系统，操作的难易程度不同，而大多数的学习曲线较长，手术的操作者要经过较长时间的学习和训练后，才能对其充分掌握；（4）触觉反馈缺乏：在脊柱外科手术中，操作者可以通过触觉反馈后，对手术所有的操作进行准确、及时的判断，特别在软组织的操作中，体现的更加明显，而机器人系统，却无该项方面的功能［3］；（5）局限性：机器人系统在脊柱外科的手术中，目前只能做一些简单易操作的内容，对于复杂的操作无能为力，因此，对复杂的外科手术，具有一定的局限性。

微创化、自动化、自能化的机器人系统将是脊柱外科中应用的发展趋势，并与远程控制相结合，在具有一定水平的医院实施远程手术治疗，机器人系统在脊柱外科手术中，具有精准度高、X线暴露少、手术用时短、损伤小，并同时降低相关手术风险等众多的优点，但仍缺乏触觉反馈、复杂的操作无法应用等缺点，相信通过科学技术水平的不断发展，各种弊端终将被克服。