机器人系统在脊柱外科手术中的研究应用进展
骨科手术机器人目前主要使用领域包括：人工关节置换、复杂的骨盆及髋臼骨折、骶骨骨折脱位、髓内钉远端锁定和股骨颈骨折螺钉固定等。目前国内外均有关于脊柱外科手术机器人系统研制或临床应用的文献报道，在复杂脊柱畸形矫正手术的术前计划中，机器人的三维成像和导航技术使平面影像资料无法看清的结构成为动态的三维图像，从而实现活体解剖结构立体可视化，有助于提高手术计划和手术操作的精确度。脊柱手术机器人的研发已经受到国内外学者的高度重视，尤其是微创脊柱外科手术机器人具有广阔的临床应用前景。现将脊柱外科手术机器人系统研究现状与发展趋势综述如下。
一、机器人系统在脊柱外科手术中的研究现状
骨科手术往往个体差异性很大，使得手术操作对医生的经验依赖很重。这是骨科手术机器人的操作能力远远落后于其他外科手术机器人的重要原因之一。从国内外脊柱外科手术机器人的发展现状看，我国远远落后于国外，我国脊柱外科手术机器人的研制仍然处于实验研究阶段，而国外已经有成熟产品经过美国食品及药物管理局（FDA）批准并应用于临床。
1.国外研究现状：国外有关脊柱外科手术机器人的研制较多，甚至已经有产品经过FDA批准并已应用于临床。Cruces和Wahrburg将机器人机械臂辅助与计算机导航相结合应用于骨科，手术医生可以通过手动牵引机械臂运动来提高骨科手术的准确性和安全性，在不降低灵活性的同时，提高机器人的辅助功能。Ortmaier等在牛的脊椎骨和人工骨上进行实验研究机器人辅助导航的椎弓根螺钉置入前的钻孔和磨削实验，结果指出机器人辅助手术可以提高手术操作的可靠性。东京大学的研究人员则研制出能够在经皮穿刺椎体成形术中进行准确的穿刺操作的小型机器人以避免医生在此环节中的X线辐射。Kiｍ等采用双平面透视引导手术机器人系统，通过术前图像进行手术计划，通过术中图像进行导航来进行微创脊柱椎弓根螺钉置入手术操作。该系统包括一台O型双平面透视机，手术计划与手术操作系统和一个辅助机械臂构成。通过两具尸体标本胸腰椎椎弓根螺钉置入实验，结果显示通过O型臂图像建立坐标系的精度是（0.30±0.15）
mm，该机器人系统的复制值达到4.97 mm，精度达到0.358
mm，整个系统的误差在（1.38±0.21）mm。术前计划轴位角度与术后偏差在2.45°±2.56°，矢状位角度偏差在0.71°±1.21°。结果显示该系统能够提高微创经皮椎弓根螺钉植入的准确性。
Ponnusamy等率先应用达芬奇手术机器人通过改进的人体工程学和控制功能，在猪胸腰椎脊柱标本上进行后路非螺钉置入的手术操作，机器人的应用可以使手术医生工作一整天，而不会出现严重疲劳和手部颤动。Yang等应用达芬奇手术机器人在猪标本上进行前路腰椎融合手术，整个手术时间为6
h，手术期间存在由于机械臂的碰撞等原因导致的一些并发症，但是没有明显的神经、血管、周围脏器损伤，并且手术后椎间融合器位置满意。该结果证实了应用达芬奇手术机器人进行猪腰椎前路融合手术的安全性及有效性，但是仍然需要在动物标本及人尸体标本进行进一步实验来进行对比验证。Kim等在猪标本上应用达芬奇手术机器人进行腹膜后腰椎前路减压融合术，同样证实了达芬奇手术机器人在脊柱外科手术应用中的可行性，并且体现了手术视野显示较好，出血少等优点。
国外在脊柱手术机器人的临床应用主要以Spine
Assist系统为主，该系统经过手术操作的实验探索和微创椎弓根螺钉植入实验的验证，已被FDA批准并应用于临床。Pechlivanis等采用Spine
Assist系统对31例患者进行微创经皮后路腰椎融合术，共置入133枚椎弓根螺钉，91.0％～98.5％的系统准确性与术前计划偏差＜2
mm，29例患者均采用该机器人系统成功进行手术治疗。Sukovich等应用Spine
Assist系统微创经皮内固定治疗14例临床病例，成功率达到93%，96%椎弓根螺钉的位置与计划进钉偏差在1
mm之内，该系统能够与很多微创经皮内固定系统协同配合使用，明显减少手术医生的射线损伤。Kantelhardt等将传统开放手术与Spine
Assist系统辅助开放手术和Spine
Assist系统辅助微创经皮椎弓根螺钉置入进行比较研究，分析了112个病例资料及CT数据，其中57例传统开放手术，20例Spine
Assist系统辅助开放手术和35例Spine
Assist系统辅助微创经皮椎弓根螺钉置入手术，机器人辅助手术组准确率为94.5%，传统开放手术组为91.4%。Spine
Assist系统辅助开放手术和微创手术组之间无明显差异。机器人辅助手术组平均射线暴露时间为34 s，而传统开放手术组为77
s。微创手术组围手术期鸦片类镇痛药物需要量少，住院时间短，不良事件发生率低。Devito等通过多中心大规模回顾性研究，术后CT评估664例椎弓根螺钉的位置情况，98.3%的螺钉位置在安全区域内（89.3%的螺钉完全位于椎弓根内，9％的螺钉超过椎弓根壁但在2
mm以内），1.4%的螺钉超过椎弓根壁在2～4 mm，0.3%的螺钉超过椎弓根壁4
mm。4例出现神经功能损伤，经过翻修手术后恢复正常。Spine
Assist系统辅助螺钉置入较徒手内固定方法明显增加螺钉置入准确性，降低神经损伤风险。
2.国内研究现状：国内文献报道最早的是Wang等针对脊柱椎管狭窄症减压手术中椎管壁磨削不安全这一问题，介绍了一种基于力反馈控制策略的脊柱外科机器人系统；利用脊柱磨削手术过程中磨削力的变化特点，提出了基于力反馈的脊柱外科机器人控制策略，辅助医生实现安全的脊柱手术操作，并通过仿真实验和模拟骨磨削实验，验证了基于力反馈控制策略的脊柱外科机器人系统的可行性。鞠浩等为了解决脊柱微创外科手术中的高精度定位问题，设计并研制出一套基于CT引导的5个自由度的脊柱微创外科手术机器人辅助定位系统；机器人可以在人的操作下定位到指定的位置姿势，在机器人关节锁定后保持稳定，从而为医生建立一个稳固的手术平台，医生可以在沿着机器人末端执行器的方向，进行穿刺等微创手术。宋银灏等设计了一套5个自由度医疗机器人系统用于辅助脊柱微创外科手术操作，利用传感机构实现了对机器人末端工具的位置姿势反馈，并以此构成了对机器人末端工具的闭环控制；实验结果验证了控制系统具有良好的可靠性和稳定性。
张春霖等自主研发了无框架脊柱导航手术机器人，该机器人的空心机械手位移精准到0.1
mm，角度旋转精确到0.1°；应用该机器人结合C型臂X线机，不仅能实时动态监测确保进针的精度与安全，还能遥控操作减少或避免射线暴露，也无需进行各种匹配与注册等繁琐操作，是一种高科技与普通影像技术相结合的、操作简便、易于掌握、具有良好应用前景的新方法。新桥医院骨科与中国科学院沈阳自动化研究所合作研发了第一代遥控型脊柱微创6个自由度串联手术机器人，该机器人主要用于脊柱微创手术中椎弓根螺钉的置入；该机器人具有无颤动锁定的实时锁定系统，机械臂末端安装有骨钻夹持器用于夹持气动骨钻，并可进行医疗消毒。骨钻夹持器集成六维力/力矩传感器，使手术者能够通过操作手柄感知骨钻钻孔过程中受力变化；集成微型术野观察摄像机，其视野与气动电钻位置保持固定，可观察术野局部清晰图像（DVD画质）；医生控制台提供触屏操作界面和操纵杆方便医生进行操作。前期的实验结果证实该脊柱微创手术机器人的准确性及安全性。
二、脊柱外科手术机器人系统的发展趋势
1.脊柱外科手术机器人系统目前存在的主要问题：脊柱外科手术机器人系统的主要缺点是机器人的机械臂外形设计大多偏重于工业机器人外形，硬件体积大，占地面积较大，影响其在手术室的安装与手术操作。所以我们需要对脊柱外科手术机器人进行改进，增加机器人系统的可用性和实用性，研制出适合于临床应用的外形人性化的机械臂。另外一个缺点是在医疗机器人对患者进行操作时，机器人与患者的相对位置可能并不是恒定的，机器人操作过程中患者会发生微动导致手术操作的不准确。所以我们要确保手术机器人与患者相对位置的恒定，手术操作过程中，我们可以通过骨性结构的识别，避免损伤肌肉、皮下脂肪组织等软组织。目前已有文献报道，应用脊柱架或是安装红外系统，来进行动态参考和互补，减小误差。在脊柱外科手术机器人设计过程中，手术医生要与工程设计师密切合作，将需求与设计紧密结合，研究出紧紧围绕临床需要的脊柱手术机器人。
2.脊柱外科手术机器人系统未来的主要研究方向：脊柱外科手术机器人系统设计的微创化、手术导航的准确性、手术操作的个性化及术中安全监测功能的安全性是未来的主要研究方向。微创手术是目前外科手术领域的主要发展方向，然而，随着微创手术领域的拓展，微创外科的代表技术腔镜手术技术的局限性也显露出来，手眼间协调性的降低、触觉的减弱和手的不自主阵颤增加了腔镜手术的困难。以突破这种局限为动机而发展起来的脊柱微创手术机器人系统，预示着微创外科新的时代的来临。脊柱外科手术机器人研究将集中于设计和改进与骨科手术操作相适应的机器人部件或能进行特定操作的小型机器人，使其满足微创脊柱外科的需要。同时增强机器人的远程精确操作功能，使远在千里之外的脊柱外科专家能够为病患进行精确的手术治疗。
脊柱外科手术机器人系统手术导航的安全性需要进一步提高。传统手术采用X线片及CT横断扫描对脊柱进行椎弓根钉置入，表面轮廓和空间结构关系不能清楚显示，同时复杂的脊柱解剖结构，影响内固定放置的准确性。手术导航系统可对手术区域附近结构进行三维定向和定位，安全方便，可提高椎弓根钉置入的准确率。可视化技术的进步，将透视成像系统、影像导航系统与机器人结合，逐渐形成机器人外科手术系统，可以完成手术某一部分或为手术提供稳定的支持平台，机器人图像导航技术使解剖结构可视化，进行详细的术前计划，提高手术的准确性，及时评价和调整手术方法，显著减少术中X线辐射量。
脊柱外科手术机器人系统手术操作个性化设计及术中安全监测功能的进一步完善。医生通过患者个性化CT或MRI数据重建三维模型，对模型确定手术操作流程，对手术入路和路径进行最优规划，对关键的解剖标志进行精确识别，编写手术操作的指令，监控机器人手术正确无误的完成。另外，机器人系统将集成术中神经电生理监测、三维定位功能等来为操作者提供实时监控，提高手术安全性，同时应用更好光学性能的先进*，为医生提供更明亮、光线分布更均匀的全景图像。
机器人辅助脊柱外科手术是医疗机器人的一个新的发展方向，它有效解决了脊柱外科手术时间长、医生劳动强度大、经验要求高等问题，提高了手术精度，缩短了手术时间，降低了手术风险。脊柱外科手术机器人的研发越来越受到国内外学者的高度重视，尤其是微创脊柱外科手术机器人的研制，不仅减小手术创伤、简化手术操作，而且能够提高手术操作的精确性。相信在不久的未来，脊柱外科手术机器人将会应用于临床，大大促进微创脊柱外科的发展。本文刊发于《中华外科杂志》2012年第50卷第9期856～858页
