機器人系統在脊柱外科的應用

褚曉東(綜述)，張 華(審校)

(新疆醫科大學第五附屬醫院骨科，烏魯木齊 830011)

隨著信息科學技術的不斷發展，各種機器人猶如雨后春筍般涌現。機器人之所以在外科中受到青睞，是因為它具有不易疲勞、精確度高、準確度好等優點。為了解決脊柱外科手術中存在椎體形態和結構的復雜性和多變性及手術難度高和危險性大等問題，Sautot等[1]最先將機器人輔助系統運用于脊柱外科。如今，機器人系統已在椎弓根螺釘置入術、椎體成形術、椎體融合術、脊柱組織活檢術、腫瘤切除術等中開展應用。有文獻報道，臨床手術中根據解剖標志徒手置入椎弓根螺釘的失誤率為28.1%～39.9%[2-6]。在脊柱結核、先天性脊柱側彎、脊柱翻修手術等解剖標志已破壞者，失誤率更高。機器人系統引導下的脊柱手術中，椎弓根螺釘的誤置率大大降低。

1 脊柱機器人系統的發展和應用

1.1國外脊柱機器人系統的發展和應用

1.1.1SpineAssist/Renaissance機器人引導系統 以色列Mazor技術公司的SpineAssist引導系統是在Technion開發的MARS(miniAture robot for surgical procedures)系統基礎上發展起來的，也是目前唯一被美國食品藥品管理局及CE認證并運用于臨床的脊柱機器人引導系統。SpineAssist引導系統具有6個自由度的半自主機器人系統，其底座直徑5 cm，高8 cm，質量約250 g。該系統通過棘突夾固定到棘突上，通過Hover-T框架固定到骨性標志上，或者Hover-T框架與手術床安裝裝置相連，另一端固定到脊柱上[7]。Mazor技術公司又在SpineAssist系統基礎上研發了第二代脊柱手術機器人引導系統——Renaissance引導系統。Renaissance引導系統保留了原有的核心技術，在軟件和用戶界面上大大改進，并通過普通C型臂透視就可以獲得3D圖像。新系統還可以用于脊柱側彎，顱內活檢和深部腦內植入物置入等操作。Hu等[8]報道用該系統中89.5%的患者有脊柱畸形(側彎和/或后凸)和(或)已有脊柱手術，共置入960枚螺釘，其中有949枚(98.9%)成功置入。Birkenmaier等[9]報道了歐洲多中心用該系統行一種新的微創融合方法——經皮斜行融合術，研究其安全性和有效性。

1.1.2SPINEBOT系統 SPINEBOT系統由韓國漢陽大學研發的具有5個自由度的機械臂，其與一個雙平面O型臂及外科設計操作系統構成自動化雙平面透視引導機器人系統。該系統用于椎弓根螺釘置入術，距離誤差為(1.38±0.21) mm。Kim等[10]用自動化雙平面透視引導機器人系統對兩具尸體置入28枚螺釘(胸椎8枚，腰椎20枚)，結果術前設計和術后的軸向角度差異平均(2.45±2.56)°，外偏角差異平均(0.71±1.21)°。

1.1.3Cooperative Robotic Assistant系統 該系統是韓國研發的具有6個自由度的密閉剛性機器人系統，它實現了主從鉆孔系統分離，從而提高操控的安全性。該系統硬件由靈巧的末端操作器(具有高速鉆及螺釘置入裝置)和剛性機身，支持混合位置與現實扭矩反饋控制。Lee等[11]用該系統對豬椎體進行螺釘置入術，術后CT顯示螺釘角度與術前設計的一致。

1.1.4VectorBot/Kinemedic/LWRⅡ系統 VectorBot機器人系統由德國宇航中心研發，它包括Kinemedic機械臂(原型為LWRⅡ)和光學追蹤系統。該系統無需術中X線透視，所有的跟蹤是通過光學系統收集得到。光學系統是通過附著患者椎體上的標記而收集到信息。Ortmaier等[12]用該系統在人工骨和牛椎骨分別做鉆孔和磨削實驗，結果顯示，在人工骨和牛椎骨中鉆孔力比磨削力大，此外，最大方向誤差<0.5°。在牛椎骨磨削的X/Y平面平均誤差<0.42 mm，最大誤差<1.7 mm，而鉆孔時的誤差更大。從用力和準確性上考慮磨削優于鉆孔。

1.1.5Neuroglide機器人系統 Neuroglide機器人系統具有4個自由度的機械臂，連接在鉆導向支架上有剛性和柔性兩個活動臂。該系統可以用于頸椎和顱頸交界區的手術。機器人定位使用一個被動結構，一個光學跟蹤系統，一個外科輸入裝置和規劃導航工作站。Kostrzewski等[13]在瑞士洛桑大學醫院對6具尸體進行實驗，其結果平移軸平均誤差1.94 mm，旋轉軸平均誤差4.35°，改進后平移軸平均誤差0.41 mm，旋轉軸平均誤差2.56°，在幾小時的手術過程中，用該機器人系統不超過17 min，而用標準導航系統只能縮短3 min。

1.1.6達芬奇機器人(Da Vinci Robot)系統 Da Vinci Robot系統是美國Intuitive Surgical公司研發的，主要用于普外科、泌尿外科、婦科等，近年來也開始用于脊柱外科。它由控制臺、機械臂、3D成像系統構成。術者通過視頻圖像，利用控制臺手柄和腳踏對手術進行操作。該系統能在狹小空間很好的操作，還能濾過術者手的抖動。Lee等[14]首次用達芬奇系統對2例L5～S1退變的患者進行前路腰椎融合術，成功分離骶前神經叢和血管，在術后隨訪1年中沒有發現泌尿系統和生殖系統的并發癥。Perez-Cruet等[15]報道了用該系統對2例患有巨大胸椎神經鞘瘤患者成功的切除，與傳統手術相比具有切除徹底，出血少，住院時間短等優點。

1.2國內脊柱機器人系統的發展和應用

1.2.1脊柱微創手術機器人系統 脊柱微創手術機器人系統是由第三軍醫大學與沈陽自動化研究所共同研發的具有6個自由度的輔助系統。該系統由機械臂、控制臺、基座和視覺監視器系統組成，其有無顫動鎖定系統及尖端安有六分力/力矩傳感器，機械臂尖端持有氣鉆，可遙控操作，以避免X線對醫護人員的損害。張鶴等[16]用該系統對17具牛脊骨標本進行打孔，其中透視側位片偏差2 mm內99.5%，正位片偏差2 mm內89.6%。正位片偏差大是因為機器人系統關節出現遮擋現象。

1.2.2脊柱靶心機器人系統/無框架脊柱導航手術機器人系統 該系統由鄭州大學第一附屬醫院合作團隊研發，具有7個自由度，由本體、中空機械臂、移動單元、主控系統和前端克氏針、后端呈“十”字狀導針等組成。無需在患者骨性解剖標志上安裝框架，無需匹配及注冊，位移精度達0.1 mm，角度旋轉精度達0.1°，并可遙控操作[17]。Zhang等[18]應用該系統對6具尸體(T1～L5)102個椎體在椎弓根標準軸位投照引導下，在其圓心置針，雖6個上胸椎椎弓根非常細小以致標準X線圖像缺乏分辨率而未被采納，但實驗結果側位及軸位椎弓根螺釘水平面角和椎弓根螺釘矢狀面角測量值與術前設計相符，他們還報道用該系統對3例患者成功置入螺釘。

1.2.3脊柱手術機器人系統 該由中國科學院深圳先進技術研究院自主研發，包括5個自由度的機械臂、術前規劃系統、紅外定位系統和術中導航系統。Jin等[19]用該系統在豬椎體L3～L5進行削磨實驗，得出該系統的距離分辨力為0.125 mm，達到臨床需求。在“中科院積水潭骨科研究中心”開展實驗驗證，手術狀態識別率和準確控制率均達到100%[20]。

1.2.4機器人輔助微創系統 機器人輔助微創系統由南開大學機器人與信息自動化研究所研發的基于CT圖像經皮椎體成形術。該系統包括影像工作站、導航系統及操作單元和5個自由度的機械臂，是一種新型的坐標轉換方法進行定位和導航[21]。該系統的定位平均精度為0.8 878 mm，最大值為1.1 418 mm，這符合脊柱外科手術的標準[22]。

2 機器人系統的優點和缺點

2.1機器人系統的優點 與傳統脊柱外科手術相比，機器人系統引導的脊柱外科手術具有獨特的優點：

①精確度高，準確度好：傳統徒手置入椎弓根螺釘的失誤率較高。Devito等[23]回顧SpineAssist系統置入646枚螺釘超出壁2 mm以上占1.7%，各個脊柱機器人系統引導的置釘失誤率遠遠小于徒手置釘。這是機器人系統在脊柱外科能發展的主要原因。②穩定，不易疲勞：傳統的脊柱外科手術花費時間比較長，程序比較繁瑣，易使術者疲勞，而機器人系統穩定，且不易疲勞。③并發癥少：脊柱機器人系統引導的螺釘位置不良，椎弓根爆裂、骨折，定位錯誤，血管、內臟、硬膜、神經損傷等并發癥少，而傳統手術并發癥比較高，這也是限制低年資醫師主刀脊柱手術的重要原因。④術者X線暴露量少：X線可致術者甲狀腺癌、白血病、皮膚癌、脫發等嚴重疾病。傳統脊柱手術X線暴露量較多，而且技術不成熟者所受的劑量更多；脊柱機器人系統引導下，X線暴露量大大減少。Kantelhardt等[24]回顧性研究中機器人系統引導下螺釘置入X線暴露平均時間34 s，傳統徒手平均77 s。⑤恢復快，住院時間短：脊柱機器人系統手術切口小、失血量少等優點，減少對患者損傷小，加快恢復，縮短住院時間。⑥操作靈活：脊柱機器人系統能在傳統手術操作困難的解剖位置進行靈活操作。

2.2機器人系統的缺點 ①價格昂貴：現在已經商品化的Renaissance引導系統每臺約50萬美元，達芬奇機器人每臺約150萬美元，因為價格昂貴在一般的醫院難以普及。②“漂移”現象：Renaissance引導系統，Neuroglide機器人系統等通過導航原理進行定位，會產生“漂移”現象而出現誤差。③學習曲線不一：各個機器人系統的學習曲線不一，有些機器人系統學習曲線短易學會，但有些學習曲線長，術者要經過長時間訓練才能掌握。④缺乏觸覺反饋：傳統手術中術者可以通過觸覺反饋對術中的操作做出判斷，尤其在軟組織中，目前機器人系統還缺乏這方面功能。⑤僅限于簡單操作：手術機器人系統目前只能做一些簡單的操作，對于過于復雜的操作無能為力。⑥維修與保養：脊柱機器人系統和其他機器設備一樣需要保養和維修。

3 遠程遙控技術的應用

隨著遙控技術的發展，遠程醫療已成為現實。2001年9月，美國紐約的醫生首次成功的通過遠程遙控技術作用于Zeus系統，對法國斯特拉斯堡的患者行機器人腹腔鏡膽囊切除術[25]。2006年3月，北京積水潭與北京航空航天大學合作基于ADSL/ISDN網絡平臺完成了北京-延安及北京-石家莊遠程脛骨骨折復位髓內釘內固定術[26]。脊柱微創手術機器人系統及脊柱靶心機器人系統具有遙控的操作功能，但到目前為止機器人遠程操作在脊柱外科中運用未見報道。通過遠程遙控技術可以對偏遠地區或者醫療條件欠發達地區進行技術資源分配，甚至對地震時，對航母作戰時的傷員等進行援救。

4 小 結

脊柱外科機器人系統是脊柱外科學與工程學相結合的產物，目前它還處在嬰幼兒時期。微創化、智能化、自動化、替代化是脊柱外科發展的趨勢，脊柱外科機器人系統是這些發展趨勢的體現，與遠程遙控技術相結合，能在千里之外施行手術。機器人系統與傳統的脊柱外科手術相比，具有精度高、輻射低，手術時間短，患者損傷小，手術風險低等優點。雖然目前具有費用高、缺乏觸覺反饋、操作簡單等問題，但隨著科學技術的發展，終將克服這些弊端。相信以后該系統不僅適用于基層醫院，也適用于偏遠落后地區。脊柱外科機器人系統的成長，必將給脊柱外科帶入一個全新的境界。

[1] Sautot P,Cinquin P,Lavallee S,etal.Computer assisted spine surgery:a first step toward clinical application in orthopaedics[C]//Engineering in Medicine and Biology Society，In Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE,Paris,1992.1992:1071-1072.

[2] George DC,Krag MH,Johnson CC,etal.Hole preparation techniques for transpedicle screws:Effect on pull-out strength from human cadaveric vertebrae[J].Spine,1991,16(2):181-184.

[3] Gertzbein SD,Robbins SE.Accuracy of pedicular screw placement in vivo[J].Spine,1990,15(1):11-14.

[4] Jerosch J,Malms J,Castro WH,etal.Accuracy of pedicle screws following instrumented dorsal fusion of the lumbar spine[J].Z Orthop Ihre Grenzgeb,1992,130(6):479-483.

[5] Steinmann JC,Herkowitz HN,el-Kommos H,etal.Spinal pedicle fixation.Confirmation of a image-based technique for screw placement[J].Spine,1993,18(13):1856-1861.

[6] Weinstein JN,Spratt KF,Spengler D,etal.Spinal pedicle fixation:reliability and validity of roentgenogram-based assessment and surgical factors on successful screw placement[J].Spine,1988,13(9):1012-1018.

[7] Stüer C,Ringel F,Stoffel M,etal.Robotic technology in spine surgery:current applications and future developments[J].Acta Neurochir Suppl,2011,109:241-245.

[8] Hu X,Ohnmeiss DD,Lieberman IH.Robotic-assisted pedicle screw placement:lessons learned from the first 102 patients[J].Eur Spine J,2013,22(3):661-666.

[9] Birkenmaier C,Suess O,Pfeiffer M,etal.The European multicenter trial on the safety and efficacy of guided oblique lumbar interbody fusion(GO-LIF)[J].BMC musculoskelet disord,2010,11:199.

[10] Kim S,Chung J,Yi BJ,etal.An assistive image-guided surgical robot system using O-arm fluoroscopy for pedicle screw insertion:preliminary and cadaveric study[J].Neurosurgery,2010,67(6):1757-1767.

[11] Lee J,Hwang I,Kim K,etal.Cooperative robotic assistant with drill-by-wire end-effector for spinal fusion surgery[J].Industrial Robot:An International Journal,2009,36(1):60-72.

[12] Ortmaier T,Weiss H,D?bele S,etal.Experiments on robot-assisted navigated drilling and milling of bones for pedicle screw placement[J].Int J Med Robot,2006,2(4):350-363.

[13] Kostrzewski S,Duff JM,Baur C,etal.Robotic system for cervical spine surgery[J].Int J Med Robot,2012,8(2):184-190.

[14] Lee JY,Bhowmick DA,Eun DD,etal.Minimally invasive,robot-assisted,anterior lumbar interbody fusion:a technical note[J].J Neurol Surg A Cent Eur Neurosurg,2013,74(4):258-261.

[15] Perez-Cruet MJ,Welsh RJ,Hussain NS,etal.Use of the da Vinci minimally invasive robotic system for resection of a complicated paraspinal schwannoma with thoracic extension:case report[J].Neurosurgery,2012,71(1 Suppl Operative):209-214.

[16] 張鶴,韓建達,周躍.脊柱微創手術機器人系統輔助打孔的實驗研究[J].中華創傷骨科雜志,2011,13(12):1166-1169.

[17] 張春霖,趙玉果,張昌盛,等.無框架脊柱導航手術機器人腰椎弓根標準軸位引導置針[J].中國組織工程研究與臨床康復,2010,14(35)：6466-6470.

[18] Zhang C,Wang Z,Zhang C,etal.Spine Bull′s-Eye Robot guidewire placement with pedicle standard axis view for thoracic and lumbar pedicle screw fixation[J].J Spinal Disord Tech,2012,25(7):E191-E198.

[19] Jin H,Hu Y,Li F,etal.Safety design and control algorithm for robotic spinal surgical system[C]//Robot,Vision and Signal Processing(RVSP),2011 First International Conference on,Kaohsiung,2011.2011:190-194.

[20] 沈春蕾.中國科學院深圳先進技術研究院：優質團隊聚力協同創新[N].中國科學報，2013-02-19(5).

[21] Ju H,Zhang J,An G,etal.A robot-assisted system for minimally invasive spine surgery of percutaneous vertebroplasty based on CT images[C]//Robotics,Automation and Mechatronics,2008 IEEE Conference on,Chengdu,2008.2008:290-295.

[22] Song Y,An G,Zhang J.Positioning accuracy of a medical robotic system for spine surgery[C]//Biomedical Engineering and Informatics,2009.BMEI′09.2nd International Conference on,Tianjin,2009.2009:1-5.

[23] Devito DP,Kaplan L,Dietl R,etal.Clinical acceptance and accuracy assessment of spinal implants guided with SpineAssist surgical robot:retrospective study[J].Spine,2010,35(24):2109-2115.

[24] Kantelhardt SR,Martinez R,Baerwinkel S,etal.Perioperative course and accuracy of screw positioning in conventional,open robotic-guided and percutaneous robotic-guided,pedicle screw placement[J].Eur Spine J,2011,20(6):860-868.

[25] Marescaux J,Leroy J,Gagner M,etal.Transatlantic robot-assisted telesurgery[J].Nature,2001,413(6854):379-380.

[26] 王軍強,趙春鵬,胡磊,等.遠程外科機器人輔助脛骨髓內釘內固定系統的初步應用[J].中華骨科雜志,2006,26(10):682-686.