机器人系统在脊柱外科的应用

褚晓东(综述)，张 华(审校)

(新疆医科大学第五附属医院骨科，乌鲁木齐 830011)

随着信息科学技术的不断发展，各种机器人犹如雨后春笋般涌现。机器人之所以在外科中受到青睐，是因为它具有不易疲劳、精确度高、准确度好等优点。为了解决脊柱外科手术中存在椎体形态和结构的复杂性和多变性及手术难度高和危险性大等问题，Sautot等[1]最先将机器人辅助系统运用于脊柱外科。如今，机器人系统已在椎弓根螺钉置入术、椎体成形术、椎体融合术、脊柱组织活检术、肿瘤切除术等中开展应用。有文献报道，临床手术中根据解剖标志徒手置入椎弓根螺钉的失误率为28.1%～39.9%[2-6]。在脊柱结核、先天性脊柱侧弯、脊柱翻修手术等解剖标志已破坏者，失误率更高。机器人系统引导下的脊柱手术中，椎弓根螺钉的误置率大大降低。

1 脊柱机器人系统的发展和应用

1.1国外脊柱机器人系统的发展和应用

1.1.1SpineAssist/Renaissance机器人引导系统 以色列Mazor技术公司的SpineAssist引导系统是在Technion开发的MARS(miniAture robot for surgical procedures)系统基础上发展起来的，也是目前唯一被美国食品药品管理局及CE认证并运用于临床的脊柱机器人引导系统。SpineAssist引导系统具有6个自由度的半自主机器人系统，其底座直径5 cm，高8 cm，质量约250 g。该系统通过棘突夹固定到棘突上，通过Hover-T框架固定到骨性标志上，或者Hover-T框架与手术床安装装置相连，另一端固定到脊柱上[7]。Mazor技术公司又在SpineAssist系统基础上研发了第二代脊柱手术机器人引导系统——Renaissance引导系统。Renaissance引导系统保留了原有的核心技术，在软件和用户界面上大大改进，并通过普通C型臂透视就可以获得3D图像。新系统还可以用于脊柱侧弯，颅内活检和深部脑内植入物置入等操作。Hu等[8]报道用该系统中89.5%的患者有脊柱畸形(侧弯和/或后凸)和(或)已有脊柱手术，共置入960枚螺钉，其中有949枚(98.9%)成功置入。Birkenmaier等[9]报道了欧洲多中心用该系统行一种新的微创融合方法——经皮斜行融合术，研究其安全性和有效性。

1.1.2SPINEBOT系统 SPINEBOT系统由韩国汉阳大学研发的具有5个自由度的机械臂，其与一个双平面O型臂及外科设计操作系统构成自动化双平面透视引导机器人系统。该系统用于椎弓根螺钉置入术，距离误差为(1.38±0.21) mm。Kim等[10]用自动化双平面透视引导机器人系统对两具尸体置入28枚螺钉(胸椎8枚，腰椎20枚)，结果术前设计和术后的轴向角度差异平均(2.45±2.56)°，外偏角差异平均(0.71±1.21)°。

1.1.3Cooperative Robotic Assistant系统 该系统是韩国研发的具有6个自由度的密闭刚性机器人系统，它实现了主从钻孔系统分离，从而提高操控的安全性。该系统硬件由灵巧的末端操作器(具有高速钻及螺钉置入装置)和刚性机身，支持混合位置与现实扭矩反馈控制。Lee等[11]用该系统对猪椎体进行螺钉置入术，术后CT显示螺钉角度与术前设计的一致。

1.1.4VectorBot/Kinemedic/LWRⅡ系统 VectorBot机器人系统由德国宇航中心研发，它包括Kinemedic机械臂(原型为LWRⅡ)和光学追踪系统。该系统无需术中X线透视，所有的跟踪是通过光学系统收集得到。光学系统是通过附着患者椎体上的标记而收集到信息。Ortmaier等[12]用该系统在人工骨和牛椎骨分别做钻孔和磨削实验，结果显示，在人工骨和牛椎骨中钻孔力比磨削力大，此外，最大方向误差<0.5°。在牛椎骨磨削的X/Y平面平均误差<0.42 mm，最大误差<1.7 mm，而钻孔时的误差更大。从用力和准确性上考虑磨削优于钻孔。

1.1.5Neuroglide机器人系统 Neuroglide机器人系统具有4个自由度的机械臂，连接在钻导向支架上有刚性和柔性两个活动臂。该系统可以用于颈椎和颅颈交界区的手术。机器人定位使用一个被动结构，一个光学跟踪系统，一个外科输入装置和规划导航工作站。Kostrzewski等[13]在瑞士洛桑大学医院对6具尸体进行实验，其结果平移轴平均误差1.94 mm，旋转轴平均误差4.35°，改进后平移轴平均误差0.41 mm，旋转轴平均误差2.56°，在几小时的手术过程中，用该机器人系统不超过17 min，而用标准导航系统只能缩短3 min。

1.1.6达芬奇机器人(Da Vinci Robot)系统 Da Vinci Robot系统是美国Intuitive Surgical公司研发的，主要用于普外科、泌尿外科、妇科等，近年来也开始用于脊柱外科。它由控制台、机械臂、3D成像系统构成。术者通过视频图像，利用控制台手柄和脚踏对手术进行操作。该系统能在狭小空间很好的操作，还能滤过术者手的抖动。Lee等[14]首次用达芬奇系统对2例L5～S1退变的患者进行前路腰椎融合术，成功分离骶前神经丛和血管，在术后随访1年中没有发现泌尿系统和生殖系统的并发症。Perez-Cruet等[15]报道了用该系统对2例患有巨大胸椎神经鞘瘤患者成功的切除，与传统手术相比具有切除彻底，出血少，住院时间短等优点。

1.2国内脊柱机器人系统的发展和应用

1.2.1脊柱微创手术机器人系统 脊柱微创手术机器人系统是由第三军医大学与沈阳自动化研究所共同研发的具有6个自由度的辅助系统。该系统由机械臂、控制台、基座和视觉监视器系统组成，其有无颤动锁定系统及尖端安有六分力/力矩传感器，机械臂尖端持有气钻，可遥控操作，以避免X线对医护人员的损害。张鹤等[16]用该系统对17具牛脊骨标本进行打孔，其中透视侧位片偏差2 mm内99.5%，正位片偏差2 mm内89.6%。正位片偏差大是因为机器人系统关节出现遮挡现象。

1.2.2脊柱靶心机器人系统/无框架脊柱导航手术机器人系统 该系统由郑州大学第一附属医院合作团队研发，具有7个自由度，由本体、中空机械臂、移动单元、主控系统和前端克氏针、后端呈“十”字状导针等组成。无需在患者骨性解剖标志上安装框架，无需匹配及注册，位移精度达0.1 mm，角度旋转精度达0.1°，并可遥控操作[17]。Zhang等[18]应用该系统对6具尸体(T1～L5)102个椎体在椎弓根标准轴位投照引导下，在其圆心置针，虽6个上胸椎椎弓根非常细小以致标准X线图像缺乏分辨率而未被采纳，但实验结果侧位及轴位椎弓根螺钉水平面角和椎弓根螺钉矢状面角测量值与术前设计相符，他们还报道用该系统对3例患者成功置入螺钉。

1.2.3脊柱手术机器人系统 该由中国科学院深圳先进技术研究院自主研发，包括5个自由度的机械臂、术前规划系统、红外定位系统和术中导航系统。Jin等[19]用该系统在猪椎体L3～L5进行削磨实验，得出该系统的距离分辨力为0.125 mm，达到临床需求。在“中科院积水潭骨科研究中心”开展实验验证，手术状态识别率和准确控制率均达到100%[20]。

1.2.4机器人辅助微创系统 机器人辅助微创系统由南开大学机器人与信息自动化研究所研发的基于CT图像经皮椎体成形术。该系统包括影像工作站、导航系统及操作单元和5个自由度的机械臂，是一种新型的坐标转换方法进行定位和导航[21]。该系统的定位平均精度为0.8 878 mm，最大值为1.1 418 mm，这符合脊柱外科手术的标准[22]。

2 机器人系统的优点和缺点

2.1机器人系统的优点 与传统脊柱外科手术相比，机器人系统引导的脊柱外科手术具有独特的优点：

①精确度高，准确度好：传统徒手置入椎弓根螺钉的失误率较高。Devito等[23]回顾SpineAssist系统置入646枚螺钉超出壁2 mm以上占1.7%，各个脊柱机器人系统引导的置钉失误率远远小于徒手置钉。这是机器人系统在脊柱外科能发展的主要原因。②稳定，不易疲劳：传统的脊柱外科手术花费时间比较长，程序比较繁琐，易使术者疲劳，而机器人系统稳定，且不易疲劳。③并发症少：脊柱机器人系统引导的螺钉位置不良，椎弓根爆裂、骨折，定位错误，血管、内脏、硬膜、神经损伤等并发症少，而传统手术并发症比较高，这也是限制低年资医师主刀脊柱手术的重要原因。④术者X线暴露量少：X线可致术者甲状腺癌、白血病、皮肤癌、脱发等严重疾病。传统脊柱手术X线暴露量较多，而且技术不成熟者所受的剂量更多；脊柱机器人系统引导下，X线暴露量大大减少。Kantelhardt等[24]回顾性研究中机器人系统引导下螺钉置入X线暴露平均时间34 s，传统徒手平均77 s。⑤恢复快，住院时间短：脊柱机器人系统手术切口小、失血量少等优点，减少对患者损伤小，加快恢复，缩短住院时间。⑥操作灵活：脊柱机器人系统能在传统手术操作困难的解剖位置进行灵活操作。

2.2机器人系统的缺点 ①价格昂贵：现在已经商品化的Renaissance引导系统每台约50万美元，达芬奇机器人每台约150万美元，因为价格昂贵在一般的医院难以普及。②“漂移”现象：Renaissance引导系统，Neuroglide机器人系统等通过导航原理进行定位，会产生“漂移”现象而出现误差。③学习曲线不一：各个机器人系统的学习曲线不一，有些机器人系统学习曲线短易学会，但有些学习曲线长，术者要经过长时间训练才能掌握。④缺乏触觉反馈：传统手术中术者可以通过触觉反馈对术中的操作做出判断，尤其在软组织中，目前机器人系统还缺乏这方面功能。⑤仅限于简单操作：手术机器人系统目前只能做一些简单的操作，对于过于复杂的操作无能为力。⑥维修与保养：脊柱机器人系统和其他机器设备一样需要保养和维修。

3 远程遥控技术的应用

随着遥控技术的发展，远程医疗已成为现实。2001年9月，美国纽约的医生首次成功的通过远程遥控技术作用于Zeus系统，对法国斯特拉斯堡的患者行机器人腹腔镜胆囊切除术[25]。2006年3月，北京积水潭与北京航空航天大学合作基于ADSL/ISDN网络平台完成了北京-延安及北京-石家庄远程胫骨骨折复位髓内钉内固定术[26]。脊柱微创手术机器人系统及脊柱靶心机器人系统具有遥控的操作功能，但到目前为止机器人远程操作在脊柱外科中运用未见报道。通过远程遥控技术可以对偏远地区或者医疗条件欠发达地区进行技术资源分配，甚至对地震时，对航母作战时的伤员等进行援救。

4 小 结

脊柱外科机器人系统是脊柱外科学与工程学相结合的产物，目前它还处在婴幼儿时期。微创化、智能化、自动化、替代化是脊柱外科发展的趋势，脊柱外科机器人系统是这些发展趋势的体现，与远程遥控技术相结合，能在千里之外施行手术。机器人系统与传统的脊柱外科手术相比，具有精度高、辐射低，手术时间短，患者损伤小，手术风险低等优点。虽然目前具有费用高、缺乏触觉反馈、操作简单等问题，但随着科学技术的发展，终将克服这些弊端。相信以后该系统不仅适用于基层医院，也适用于偏远落后地区。脊柱外科机器人系统的成长，必将给脊柱外科带入一个全新的境界。

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