張?jiān)谔?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(shù)的治療中應(yīng)用機(jī)器人系統(tǒng)越來越普遍，機(jī)器人系統(tǒng)手術(shù)中所獨(dú)有的特點(diǎn)，如穩(wěn)定性和精確性深受醫(yī)生和患者的共同認(rèn)可，特別是在骨科手術(shù)中應(yīng)用機(jī)器人，在近年來取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。本院自2016年10月引進(jìn)湖南省首臺(tái)骨科手術(shù)機(jī)器人“天璣”（TINAVI Tirobot），在順利完成多臺(tái)脊柱外科手術(shù)后，本文對(duì)其優(yōu)勢(shì)以及不足之處進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)在脊柱外科手術(shù)中的研究與應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 國(guó)外主要脊柱機(jī)器人

1.1 Mazor Spine Assist機(jī)器人

Mazor SpineAssist?（Mazor Robotics Ltd.,Caesar?ea,Israel）是第一個(gè)被美國(guó)食品與藥品監(jiān)管局（FDA）批準(zhǔn)在美國(guó)用于脊柱外科，也是目前被CE認(rèn)證用于臨床脊柱外科中的脊柱機(jī)器人引導(dǎo)系統(tǒng)，改系統(tǒng)具有自由度半自主機(jī)器系統(tǒng)6個(gè)，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(biāo)志物上，可以與手術(shù)床裝置系統(tǒng)進(jìn)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(jī)器人，在2011年取代了SpineAssist。雖然兩者都具有相似的機(jī)械臂，但是Renaissance?包括軟件和硬件改進(jìn)，如升級(jí)圖像識(shí)別算法，并對(duì)工具進(jìn)行改進(jìn)［2］。2016年在北美脊柱學(xué)會(huì)（NASS）的年會(huì)上，Mazor公司發(fā)布了最新的Mazor X?。與之前的型號(hào)類似，Mazor X?包括工作站和機(jī)械手術(shù)臂。然而，與以前的型號(hào)不同，機(jī)械臂包括一個(gè)集成的線性光學(xué)相機(jī)，允許機(jī)器人對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行體積評(píng)估，從而自我檢測(cè)其位置，避免術(shù)中碰撞。此外，Mazor X?允許每個(gè)椎體獨(dú)立注冊(cè)，提升了準(zhǔn)確性。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是Mazor X?機(jī)器人提供的是串行而不是并行的機(jī)械臂，這增加了系統(tǒng)的活動(dòng)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(jī)器人

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

1.3 Excelsius GPS?機(jī)器人

Excelsius GPS?（Globus Medical,Inc.Audubon,PA,USA）于2017年獲得FDA批準(zhǔn)，在脊柱外科領(lǐng)域具有巨大潛力［6］。其可術(shù)中實(shí)時(shí)成像，自動(dòng)補(bǔ)償用于患者移動(dòng)，并可直接置入螺釘。Huntsman等［7］采用Excelsius GPS?對(duì)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(jī)器人共置釘328枚，準(zhǔn)確率為98%，無置釘相關(guān)并發(fā)癥。

1.4 達(dá)芬奇機(jī)器人

達(dá)芬奇機(jī)器人（Da Vinci Surgical System?,Intui?tive Surgical,Sunnyvale,California,USA） 2000年獲FDA批準(zhǔn)，用于腹腔鏡［8］。達(dá)芬奇機(jī)器人可采用遠(yuǎn)程外科手術(shù)，外科醫(yī)生通過遠(yuǎn)程控制模塊，進(jìn)行遠(yuǎn)程手術(shù)操作。此機(jī)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(shù)中，達(dá)芬奇機(jī)器人主要用于脊柱前路手術(shù)，包括前路腰椎椎間盤突出癥融合術(shù)（ALIF），胸腰神經(jīng)纖維瘤切除術(shù)，切除椎旁神經(jīng)鞘瘤，和經(jīng)口齒狀突手術(shù)［9-12］。

2 國(guó)內(nèi)脊柱機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用

2.1 脊柱微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)

該系統(tǒng)是由我國(guó)陸軍軍醫(yī)大學(xué)和沈陽自動(dòng)化研究所共同研制完成，共有6個(gè)輔助的自由度系統(tǒng)，組成部分是：控制臺(tái)，機(jī)械臂，視覺監(jiān)視器以及基座，其中無顫動(dòng)鎖定系統(tǒng)（力矩傳感器）和機(jī)械臂尖端（具有氣鉆）可以遙控操作，術(shù)中可以避免X線對(duì)操作人員的傷害，該系統(tǒng)對(duì)牛脊骨的骨標(biāo)本實(shí)施打孔操作，與透視結(jié)果偏差在2 mm以內(nèi)，而置入的成功率高達(dá)99.5%以上，而正位片結(jié)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(shù)機(jī)器人系統(tǒng)

該系統(tǒng)由中國(guó)科學(xué)院深圳技術(shù)研究院自主研發(fā)，主要組成部分為：（1）5個(gè)自由度的機(jī)械臂；（2）術(shù)前規(guī)劃系統(tǒng)；（3）紅外定位系統(tǒng)；（4）術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)［14］。通過該系統(tǒng)對(duì)豬椎體L3～5實(shí)施削磨實(shí)驗(yàn)后，結(jié)果顯示為該系統(tǒng)的距離分辨率高達(dá)0.125 mm，該種結(jié)果已經(jīng)達(dá)到臨床上的要求指標(biāo)，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，手術(shù)中狀態(tài)識(shí)別率以及控制準(zhǔn)確率均高達(dá)100.00%。

2.3 脊柱手術(shù)輔助機(jī)器人系統(tǒng)

該系統(tǒng)由南開大學(xué)機(jī)器人與信息研究所共同研發(fā)，主要組成部分有導(dǎo)航系統(tǒng)、影像工作站、5個(gè)自由度的機(jī)械臂。該系統(tǒng)是一種使用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理的新型導(dǎo)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(biāo)，符合脊柱外科手術(shù)的要求標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 天璣機(jī)器人

由北京天智航公司開發(fā)的骨科手術(shù)導(dǎo)航定位機(jī)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(shù)導(dǎo)航定位機(jī)器人于2016年11月完成注冊(cè)并上市。相比前兩代產(chǎn)品（“GDA”和“GD-2000/GD-S”），天璣骨科手術(shù)導(dǎo)航定位機(jī)器人的臨床應(yīng)用范圍更廣，能夠覆蓋骨盆、髖臼、四肢等部位的創(chuàng)傷手術(shù)及全節(jié)段脊柱外科手術(shù)，并且在產(chǎn)品適應(yīng)證覆蓋率大幅提升的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)使用便捷性、定位功能和軟件友好性的優(yōu)化。田偉等［15］對(duì)12例患者采用5G網(wǎng)絡(luò)遙控天璣機(jī)器人進(jìn)行脊柱手術(shù)，置入椎弓釘62枚，術(shù)后所有患者癥狀都得到了實(shí)質(zhì)性的緩解，按Gertzbein-Rob?bins的標(biāo)準(zhǔn)，置釘A級(jí)59例，B級(jí)3例。未發(fā)現(xiàn)術(shù)中不良事件。表明5G遠(yuǎn)程機(jī)器人輔助脊柱手術(shù)準(zhǔn)確可靠。

3 機(jī)器人系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 優(yōu)點(diǎn)

機(jī)器人與傳統(tǒng)脊柱外科手術(shù)對(duì)比，優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：（1）精確度和準(zhǔn)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(guān)文獻(xiàn)中記載，通過機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù)中，因手術(shù)治療的時(shí)間較長(zhǎng)，操作復(fù)雜，繁瑣，容易使操作人員產(chǎn)生疲勞，而機(jī)器人系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生疲勞；（3）并發(fā)癥發(fā)生率低：機(jī)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(cuò)誤、神經(jīng)損傷等相關(guān)并發(fā)癥概率低［16］。而傳統(tǒng)手術(shù)中，以上并發(fā)癥發(fā)生率較高；（4）X線暴露量較少：在手術(shù)的治療中，無論是患者還是操作者，X線暴露可導(dǎo)致各種并發(fā)癥；技術(shù)相對(duì)較低的操作醫(yī)生，所接受的劑量會(huì)相對(duì)更多，而脊柱機(jī)器人系統(tǒng)中，可以減少X線暴露的量；（5）恢復(fù)快：因機(jī)器人系統(tǒng)中手術(shù)的切口較小，可相對(duì)的減少術(shù)中失血量，因此對(duì)患者的損傷減小，為患者的盡快康復(fù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；（6）靈活性：在傳統(tǒng)手術(shù)中操作困難的解剖位置，機(jī)器人操作更靈活、便捷；（7）遠(yuǎn)程遙控：脊柱靶心機(jī)器人系統(tǒng)具有遙控的操作功能，但是直至目前為止，機(jī)器人遠(yuǎn)程操作在脊柱外科中的運(yùn)用未見報(bào)道。

3.2 機(jī)器人系統(tǒng)的缺點(diǎn)

（1）機(jī)器人系統(tǒng)每臺(tái)的售價(jià)高達(dá)50萬美元以上，而根據(jù)機(jī)器人的功能和具有的特性，該種價(jià)格會(huì)增加至150萬美元，因此很多基層醫(yī)院無法負(fù)擔(dān)，故普及率較低；（2）“漂移”現(xiàn)象：大多數(shù)機(jī)器人系統(tǒng)均通過導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)施定位，應(yīng)用的時(shí)間較長(zhǎng)后，會(huì)產(chǎn)生“漂移”，故會(huì)出現(xiàn)誤差；（3）曲線不一：每種機(jī)器人系統(tǒng)，操作的難易程度不同，而大多數(shù)的學(xué)習(xí)曲線較長(zhǎng)，手術(shù)的操作者要經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練后，才能對(duì)其充分掌握；（4）觸覺反饋缺乏：在脊柱外科手術(shù)中，操作者可以通過觸覺反饋后，對(duì)手術(shù)所有的操作進(jìn)行準(zhǔn)確、及時(shí)的判斷，特別在軟組織的操作中，體現(xiàn)的更加明顯，而機(jī)器人系統(tǒng)，卻無該項(xiàng)方面的功能［3］；（5）局限性：機(jī)器人系統(tǒng)在脊柱外科的手術(shù)中，目前只能做一些簡(jiǎn)單易操作的內(nèi)容，對(duì)于復(fù)雜的操作無能為力，因此，對(duì)復(fù)雜的外科手術(shù)，具有一定的局限性。

微創(chuàng)化、自動(dòng)化、自能化的機(jī)器人系統(tǒng)將是脊柱外科中應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，并與遠(yuǎn)程控制相結(jié)合，在具有一定水平的醫(yī)院實(shí)施遠(yuǎn)程手術(shù)治療，機(jī)器人系統(tǒng)在脊柱外科手術(shù)中，具有精準(zhǔn)度高、X線暴露少、手術(shù)用時(shí)短、損傷小，并同時(shí)降低相關(guān)手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)等眾多的優(yōu)點(diǎn)，但仍缺乏觸覺反饋、復(fù)雜的操作無法應(yīng)用等缺點(diǎn)，相信通過科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，各種弊端終將被克服。