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    骨科手術(shù)機器人目前主要使用領(lǐng)域包括：人工關(guān)節置換、復雜的骨盆及髖臼骨折、骶骨骨折脫位、髓內釘遠端鎖定和股骨頸骨折螺釘固定等。目前國內外均有關(guān)于脊柱外科手術(shù)機器人系統研制或臨床應用的文獻報道，在復雜脊柱畸形矯正手術(shù)的術(shù)前計劃中，機器人的三維成像和導航技術(shù)使平面影像資料無(wú)法看清的結構成為動(dòng)態(tài)的三維圖像，從而實(shí)現活體解剖結構立體可視化，有助于提高手術(shù)計劃和手術(shù)操作的精確度。脊柱手術(shù)機器人的研發(fā)已經(jīng)受到國內外學(xué)者的高度重視，尤其是微創(chuàng )脊柱外科手術(shù)機器人具有廣闊的臨床應用前景。現將脊柱外科手術(shù)機器人系統研究現狀與發(fā)展趨勢綜述如下。

    一、機器人系統在脊柱外科手術(shù)中的研究現狀

    骨科手術(shù)往往個(gè)體差異性很大，使得手術(shù)操作對醫生的經(jīng)驗依賴(lài)很重。這是骨科手術(shù)機器人的操作能力遠遠落后于其他外科手術(shù)機器人的重要原因之一。從國內外脊柱外科手術(shù)機器人的發(fā)展現狀看，我國遠遠落后于國外，我國脊柱外科手術(shù)機器人的研制仍然處于實(shí)驗研究階段，而國外已經(jīng)有成熟產(chǎn)品經(jīng)過(guò)美國食品及藥物管理局（FDA）批準并應用于臨床。

    1.國外研究現狀：國外有關(guān)脊柱外科手術(shù)機器人的研制較多，甚至已經(jīng)有產(chǎn)品經(jīng)過(guò)FDA批準并已應用于臨床。Cruces和Wahrburg將機器人機械臂輔助與計算機導航相結合應用于骨科，手術(shù)醫生可以通過(guò)手動(dòng)牽引機械臂運動(dòng)來(lái)提高骨科手術(shù)的準確性和安全性，在不降低靈活性的同時(shí)，提高機器人的輔助功能。Ortmaier等在牛的脊椎骨和人工骨上進(jìn)行實(shí)驗研究機器人輔助導航的椎弓根螺釘置入前的鉆孔和磨削實(shí)驗，結果指出機器人輔助手術(shù)可以提高手術(shù)操作的可靠性。東京大學(xué)的研究人員則研制出能夠在經(jīng)皮穿刺椎體成形術(shù)中進(jìn)行準確的穿刺操作的小型機器人以避免醫生在此環(huán)節中的X線(xiàn)輻射。Kiｍ等采用雙平面透視引導手術(shù)機器人系統，通過(guò)術(shù)前圖像進(jìn)行手術(shù)計劃，通過(guò)術(shù)中圖像進(jìn)行導航來(lái)進(jìn)行微創(chuàng )脊柱椎弓根螺釘置入手術(shù)操作。該系統包括一臺O型雙平面透視機，手術(shù)計劃與手術(shù)操作系統和一個(gè)輔助機械臂構成。通過(guò)兩具尸體標本胸腰椎椎弓根螺釘置入實(shí)驗，結果顯示通過(guò)O型臂圖像建立坐標系的精度是（0.30±0.15） mm，該機器人系統的復制值達到4.97 mm，精度達到0.358 mm，整個(gè)系統的誤差在（1.38±0.21）mm。術(shù)前計劃軸位角度與術(shù)后偏差在2.45°±2.56°，矢狀位角度偏差在0.71°±1.21°。結果顯示該系統能夠提高微創(chuàng )經(jīng)皮椎弓根螺釘植入的準確性。

    Ponnusamy等率先應用達芬奇手術(shù)機器人通過(guò)改進(jìn)的人體工程學(xué)和控制功能，在豬胸腰椎脊柱標本上進(jìn)行后路非螺釘置入的手術(shù)操作，機器人的應用可以使手術(shù)醫生工作一整天，而不會(huì )出現嚴重疲勞和手部顫動(dòng)。Yang等應用達芬奇手術(shù)機器人在豬標本上進(jìn)行前路腰椎融合手術(shù)，整個(gè)手術(shù)時(shí)間為6 h，手術(shù)期間存在由于機械臂的碰撞等原因導致的一些并發(fā)癥，但是沒(méi)有明顯的神經(jīng)、血管、周?chē)K器損傷，并且手術(shù)后椎間融合器位置滿(mǎn)意。該結果證實(shí)了應用達芬奇手術(shù)機器人進(jìn)行豬腰椎前路融合手術(shù)的安全性及有效性，但是仍然需要在動(dòng)物標本及人尸體標本進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗來(lái)進(jìn)行對比驗證。Kim等在豬標本上應用達芬奇手術(shù)機器人進(jìn)行腹膜后腰椎前路減壓融合術(shù)，同樣證實(shí)了達芬奇手術(shù)機器人在脊柱外科手術(shù)應用中的可行性，并且體現了手術(shù)視野顯示較好，出血少等優(yōu)點(diǎn)。

    國外在脊柱手術(shù)機器人的臨床應用主要以Spine Assist系統為主，該系統經(jīng)過(guò)手術(shù)操作的實(shí)驗探索和微創(chuàng )椎弓根螺釘植入實(shí)驗的驗證，已被FDA批準并應用于臨床。Pechlivanis等采用Spine Assist系統對31例患者進(jìn)行微創(chuàng )經(jīng)皮后路腰椎融合術(shù)，共置入133枚椎弓根螺釘，91.0％～98.5％的系統準確性與術(shù)前計劃偏差＜2 mm，29例患者均采用該機器人系統成功進(jìn)行手術(shù)治療。Sukovich等應用Spine Assist系統微創(chuàng )經(jīng)皮內固定治療14例臨床病例，成功率達到93%，96%椎弓根螺釘的位置與計劃進(jìn)釘偏差在1 mm之內，該系統能夠與很多微創(chuàng )經(jīng)皮內固定系統協(xié)同配合使用，明顯減少手術(shù)醫生的射線(xiàn)損傷。Kantelhardt等將傳統開(kāi)放手術(shù)與Spine Assist系統輔助開(kāi)放手術(shù)和Spine Assist系統輔助微創(chuàng )經(jīng)皮椎弓根螺釘置入進(jìn)行比較研究，分析了112個(gè)病例資料及CT數據，其中57例傳統開(kāi)放手術(shù)，20例Spine Assist系統輔助開(kāi)放手術(shù)和35例Spine Assist系統輔助微創(chuàng )經(jīng)皮椎弓根螺釘置入手術(shù)，機器人輔助手術(shù)組準確率為94.5%，傳統開(kāi)放手術(shù)組為91.4%。Spine Assist系統輔助開(kāi)放手術(shù)和微創(chuàng )手術(shù)組之間無(wú)明顯差異。機器人輔助手術(shù)組平均射線(xiàn)暴露時(shí)間為34 s，而傳統開(kāi)放手術(shù)組為77 s。微創(chuàng )手術(shù)組圍手術(shù)期鴉片類(lèi)鎮痛藥物需要量少，住院時(shí)間短，不良事件發(fā)生率低。Devito等通過(guò)多中心大規模回顧性研究，術(shù)后CT評估664例椎弓根螺釘的位置情況，98.3%的螺釘位置在安全區域內（89.3%的螺釘完全位于椎弓根內，9％的螺釘超過(guò)椎弓根壁但在2 mm以?xún)龋?.4%的螺釘超過(guò)椎弓根壁在2～4 mm，0.3%的螺釘超過(guò)椎弓根壁4 mm。4例出現神經(jīng)功能損傷，經(jīng)過(guò)翻修手術(shù)后恢復正常。Spine Assist系統輔助螺釘置入較徒手內固定方法明顯增加螺釘置入準確性，降低神經(jīng)損傷風(fēng)險。

    2.國內研究現狀：國內文獻報道最早的是Wang等針對脊柱椎管狹窄癥減壓手術(shù)中椎管壁磨削不安全這一問(wèn)題，介紹了一種基于力反饋控制策略的脊柱外科機器人系統；利用脊柱磨削手術(shù)過(guò)程中磨削力的變化特點(diǎn)，提出了基于力反饋的脊柱外科機器人控制策略，輔助醫生實(shí)現安全的脊柱手術(shù)操作，并通過(guò)仿真實(shí)驗和模擬骨磨削實(shí)驗，驗證了基于力反饋控制策略的脊柱外科機器人系統的可行性。鞠浩等為了解決脊柱微創(chuàng )外科手術(shù)中的高精度定位問(wèn)題，設計并研制出一套基于CT引導的5個(gè)自由度的脊柱微創(chuàng )外科手術(shù)機器人輔助定位系統；機器人可以在人的操作下定位到指定的位置姿勢，在機器人關(guān)節鎖定后保持穩定，從而為醫生建立一個(gè)穩固的手術(shù)平臺，醫生可以在沿著(zhù)機器人末端執行器的方向，進(jìn)行穿刺等微創(chuàng )手術(shù)。宋銀灝等設計了一套5個(gè)自由度醫療機器人系統用于輔助脊柱微創(chuàng )外科手術(shù)操作，利用傳感機構實(shí)現了對機器人末端工具的位置姿勢反饋，并以此構成了對機器人末端工具的閉環(huán)控制；實(shí)驗結果驗證了控制系統具有良好的可靠性和穩定性。

    張春霖等自主研發(fā)了無(wú)框架脊柱導航手術(shù)機器人，該機器人的空心機械手位移精準到0.1 mm，角度旋轉精確到0.1°；應用該機器人結合C型臂X線(xiàn)機，不僅能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監測確保進(jìn)針的精度與安全，還能遙控操作減少或避免射線(xiàn)暴露，也無(wú)需進(jìn)行各種匹配與注冊等繁瑣操作，是一種高科技與普通影像技術(shù)相結合的、操作簡(jiǎn)便、易于掌握、具有良好應用前景的新方法。新橋醫院骨科與中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所合作研發(fā)了第一代遙控型脊柱微創(chuàng )6個(gè)自由度串聯(lián)手術(shù)機器人，該機器人主要用于脊柱微創(chuàng )手術(shù)中椎弓根螺釘的置入；該機器人具有無(wú)顫動(dòng)鎖定的實(shí)時(shí)鎖定系統，機械臂末端安裝有骨鉆夾持器用于夾持氣動(dòng)骨鉆，并可進(jìn)行醫療消毒。骨鉆夾持器集成六維力/力矩傳感器，使手術(shù)者能夠通過(guò)操作手柄感知骨鉆鉆孔過(guò)程中受力變化；集成微型術(shù)野觀(guān)察攝像機，其視野與氣動(dòng)電鉆位置保持固定，可觀(guān)察術(shù)野局部清晰圖像（DVD畫(huà)質(zhì)）；醫生控制臺提供觸屏操作界面和操縱桿方便醫生進(jìn)行操作。前期的實(shí)驗結果證實(shí)該脊柱微創(chuàng )手術(shù)機器人的準確性及安全性。

    二、脊柱外科手術(shù)機器人系統的發(fā)展趨勢

    1.脊柱外科手術(shù)機器人系統目前存在的主要問(wèn)題：脊柱外科手術(shù)機器人系統的主要缺點(diǎn)是機器人的機械臂外形設計大多偏重于工業(yè)機器人外形，硬件體積大，占地面積較大，影響其在手術(shù)室的安裝與手術(shù)操作。所以我們需要對脊柱外科手術(shù)機器人進(jìn)行改進(jìn)，增加機器人系統的可用性和實(shí)用性，研制出適合于臨床應用的外形人性化的機械臂。另外一個(gè)缺點(diǎn)是在醫療機器人對患者進(jìn)行操作時(shí)，機器人與患者的相對位置可能并不是恒定的，機器人操作過(guò)程中患者會(huì )發(fā)生微動(dòng)導致手術(shù)操作的不準確。所以我們要確保手術(shù)機器人與患者相對位置的恒定，手術(shù)操作過(guò)程中，我們可以通過(guò)骨性結構的識別，避免損傷肌肉、皮下脂肪組織等軟組織。目前已有文獻報道，應用脊柱架或是安裝紅外系統，來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)參考和互補，減小誤差。在脊柱外科手術(shù)機器人設計過(guò)程中，手術(shù)醫生要與工程設計師密切合作，將需求與設計緊密結合，研究出緊緊圍繞臨床需要的脊柱手術(shù)機器人。

    2.脊柱外科手術(shù)機器人系統未來(lái)的主要研究方向：脊柱外科手術(shù)機器人系統設計的微創(chuàng )化、手術(shù)導航的準確性、手術(shù)操作的個(gè)性化及術(shù)中安全監測功能的安全性是未來(lái)的主要研究方向。微創(chuàng )手術(shù)是目前外科手術(shù)領(lǐng)域的主要發(fā)展方向，然而，隨著(zhù)微創(chuàng )手術(shù)領(lǐng)域的拓展，微創(chuàng )外科的代表技術(shù)腔鏡手術(shù)技術(shù)的局限性也顯露出來(lái)，手眼間協(xié)調性的降低、觸覺(jué)的減弱和手的不自主陣顫增加了腔鏡手術(shù)的困難。以突破這種局限為動(dòng)機而發(fā)展起來(lái)的脊柱微創(chuàng )手術(shù)機器人系統，預示著(zhù)微創(chuàng )外科新的時(shí)代的來(lái)臨。脊柱外科手術(shù)機器人研究將集中于設計和改進(jìn)與骨科手術(shù)操作相適應的機器人部件或能進(jìn)行特定操作的小型機器人，使其滿(mǎn)足微創(chuàng )脊柱外科的需要。同時(shí)增強機器人的遠程精確操作功能，使遠在千里之外的脊柱外科專(zhuān)家能夠為病患進(jìn)行精確的手術(shù)治療。

    脊柱外科手術(shù)機器人系統手術(shù)導航的安全性需要進(jìn)一步提高。傳統手術(shù)采用X線(xiàn)片及CT橫斷掃描對脊柱進(jìn)行椎弓根釘置入，表面輪廓和空間結構關(guān)系不能清楚顯示，同時(shí)復雜的脊柱解剖結構，影響內固定放置的準確性。手術(shù)導航系統可對手術(shù)區域附近結構進(jìn)行三維定向和定位，安全方便，可提高椎弓根釘置入的準確率。可視化技術(shù)的進(jìn)步，將透視成像系統、影像導航系統與機器人結合，逐漸形成機器人外科手術(shù)系統，可以完成手術(shù)某一部分或為手術(shù)提供穩定的支持平臺，機器人圖像導航技術(shù)使解剖結構可視化，進(jìn)行詳細的術(shù)前計劃，提高手術(shù)的準確性，及時(shí)評價(jià)和調整手術(shù)方法，顯著(zhù)減少術(shù)中X線(xiàn)輻射量。

    脊柱外科手術(shù)機器人系統手術(shù)操作個(gè)性化設計及術(shù)中安全監測功能的進(jìn)一步完善。醫生通過(guò)患者個(gè)性化CT或MRI數據重建三維模型，對模型確定手術(shù)操作流程，對手術(shù)入路和路徑進(jìn)行最優(yōu)規劃，對關(guān)鍵的解剖標志進(jìn)行精確識別，編寫(xiě)手術(shù)操作的指令，監控機器人手術(shù)正確無(wú)誤的完成。另外，機器人系統將集成術(shù)中神經(jīng)電生理監測、三維定位功能等來(lái)為操作者提供實(shí)時(shí)監控，提高手術(shù)安全性，同時(shí)應用更好光學(xué)性能的先進(jìn)*，為醫生提供更明亮、光線(xiàn)分布更均勻的全景圖像。

    機器人輔助脊柱外科手術(shù)是醫療機器人的一個(gè)新的發(fā)展方向，它有效解決了脊柱外科手術(shù)時(shí)間長(cháng)、醫生勞動(dòng)強度大、經(jīng)驗要求高等問(wèn)題，提高了手術(shù)精度，縮短了手術(shù)時(shí)間，降低了手術(shù)風(fēng)險。脊柱外科手術(shù)機器人的研發(fā)越來(lái)越受到國內外學(xué)者的高度重視，尤其是微創(chuàng )脊柱外科手術(shù)機器人的研制，不僅減小手術(shù)創(chuàng )傷、簡(jiǎn)化手術(shù)操作，而且能夠提高手術(shù)操作的精確性。相信在不久的未來(lái)，脊柱外科手術(shù)機器人將會(huì )應用于臨床，大大促進(jìn)微創(chuàng )脊柱外科的發(fā)展。本文刊發(fā)于《中華外科雜志》2012年第50卷第9期856～858頁(yè)