機器人輔助置釘在脊柱外科中的應用進展

楊凱鈞，孫崇毅

(哈爾濱醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院骨科，哈爾濱 150001)

隨著科技及工業(yè)技術的發(fā)展，脊柱外科經歷了多次技術革新，在手術技術、內置物、生物制劑、計算機輔助導航系統和機器人系統等方面都取得了較大發(fā)展，其中機器人系統以出色的精準性、穩(wěn)定性、實用性得到廣大學者的青睞。在目前上市應用的眾多機器人系統中，達芬奇機器人系統的運用較為廣泛。1997年比利時成功進行了第一臺機器人手術，獲得美國食品藥品管理局批準[1]。此后，機器人輔助手術技術廣泛應用于泌尿外科、心胸外科、普通外和其他外科手術中，術后效果較好[2]。近年來，達芬奇機器人輔助置釘技術已成為脊柱外科的顛覆性技術之一。脊柱外科的手術操作精細，需要對神經周圍組織或神經進行細微操作，穩(wěn)定的操作和合適的手術器械可以將術中副損傷降到最低。此外，長時間脊柱手術和反復操作對脊柱外科醫(yī)師注意力和體力的需求較高。鑒于此，機器人輔助置釘技術已成為理想的脊柱外科手術方式。機器人輔助置釘技術主要由以色列Mazor Surgical Technologies公司研制并應用于脊柱外科置釘內固定[3-4]。隨后機器人輔助置釘技術不斷改良，目前已被廣泛應用于頸椎、胸椎、腰椎以及脊柱側凸的置釘手術中。現對機器人輔助置釘在脊柱外科內固定中的應用予以綜述。

1 機器人輔助置釘在脊柱外科內固定中的應用

1.1頸椎置釘 頸后路全椎板減壓內固定術是治療多階段頸椎病的重要術式之一，常見的后路內固定有側塊螺釘和椎弓根螺釘。在解剖結構上，由于頸椎側塊距椎管內脊髓和椎管外椎動脈孔有一定的距離，所以在植入頸椎側塊螺釘時還可以有效防止神經血管損傷。但是頸椎椎弓根螺釘的生物力學穩(wěn)定性強于頸椎側塊螺釘，可以減少螺釘松動。相關研究表明，頸椎椎弓根螺釘內固定系統的生物力學穩(wěn)定性和即刻穩(wěn)定性高于其他前后路內固定系統，有助于患者術后早期功能鍛煉[5]。但頸椎椎弓根距離椎動脈孔和椎管較近，在植入椎弓根螺釘的過程中可能由于操作不慎，如進釘方向和螺釘直徑選擇不當容易使頸椎椎弓根破裂造成嚴重的神經血管損傷，導致嚴重并發(fā)癥，給患者帶來巨大的痛苦[6-7]。Wang等[8]研究發(fā)現，徒手置釘損傷脊髓、神經根、椎動脈的概率為11.5%～33.8%，由于機器人輔助技術應用于脊柱外科時間較短、頸椎解剖結構較為特殊，故應用于頸椎置釘的病例較少。Kostrzewski等[9]對6具尸體進行了研究，共在上頸椎置入了14 枚螺釘，最終發(fā)現12 枚置釘點的偏差為(1.94±0.89)mm，其余2 枚螺釘誤差較為明顯，說明頸椎節(jié)段機器人輔助置釘的實用性和適用性較好。Tian[10]應用機器人技術進行了臨床首例頸后路置釘，認為機器人技術可以用于伴有畸形的復雜頸椎后路手術，并證實了其在脊柱外科的應用潛力。在頸椎區(qū)域，機器人輔助置釘可降低神經及血管損傷，并使置入椎體的生物力學穩(wěn)定性更佳，保證了術后效果，也縮短了患者的康復時間，在一定程度上減少了頸椎術后相關并發(fā)癥，提高了患者的生活質量。

1.2胸椎置釘 近年來，胸椎節(jié)段病變的發(fā)病率逐漸升高，胸椎畸形、骨折、感染、腫瘤、胸椎后縱韌帶骨化、黃韌帶骨化、胸椎間盤突出等疾病嚴重威脅著人類的健康，隨著椎弓根螺釘技術的不斷發(fā)展及成熟應用，成為治療胸椎節(jié)段病變必不可少的內固定器械。胸椎的椎弓根在T4～6水平的距離小于腰椎，且胸椎的椎弓根內側壁和脊髓之間的“安全區(qū)域”也相對較小，周圍所毗鄰的解剖結構十分復雜，椎體正前方為心臟、較大血管等重要臟器在內的縱隔，左右被肋骨及肺臟包裹，椎體正后方為椎管內走行脊髓與神經根，故手術中置釘的準確性對于胸椎節(jié)段極為重要[11-12]。李浩等[13]對22 例胸腰椎骨折的患者進行相關研究，將患者分為應用傳統徒手置釘組和機器人輔助置釘組并進行分析比較，結果發(fā)現機器人輔助置釘組的置釘準確率明顯高于傳統徒手置釘組[96.43%(54/56)比87.93%(51/58)]，且機器人輔助置釘組中透視次數明顯減少。翟驍等[14]應用機器人輔助置釘技術對伴有脊柱側凸的患者進行胸椎階段置釘，證實了機器人輔助置釘技術可以提升胸椎節(jié)段置釘的準確率。

1.3腰椎置釘 腰椎椎弓根螺釘是脊柱手術中最常見的內固定物，由于腰椎椎弓根大于頸椎及胸椎的椎弓根，更適合植入椎弓根螺釘。基于脊柱的三柱理論，腰椎椎弓根螺釘可以同時固定腰椎的三柱結構，增加腰椎的穩(wěn)定性，對于腰椎的承重功能十分關鍵。由于腰椎椎弓根比較粗大，可供選擇的置釘通道范圍相對廣泛，置釘失誤率小于頸椎及腰椎，即使置釘失誤導致椎弓根破裂，出現神經損傷相關并發(fā)癥的概率也相對較低，而且腰椎徒手置釘技術在腰椎置釘方面比較成熟，但為了將誤置概率降到最低，脊柱外科醫(yī)師一直在探索如何提高置釘的準確性，故機器人輔助置釘技術逐漸被重視。Sukovich等[4]報道了Mazor脊柱機器人技術，并對14 例患者進行回顧性分析發(fā)現，約96%的螺釘位于預先設計軌跡的1～2 mm內，并且未出現準弓根破裂，但是研究缺少椎弓根螺釘準確性分級標準。Pechlivanis等[15]應用Mazor機器人技術在31例患者中植入133 枚腰椎椎弓根螺釘，術后復查CT，并且按下列標準劃分等級，A級：螺釘完全在椎弓根內；B級：螺釘偏出<2 mm；C級螺釘偏出2～4 mm；D級螺釘偏出；E級>6 mm，結果顯示，共122枚螺釘符合標準，其中108枚(88.5%)為A級，13枚(10.7%)為B級，1枚(0.8%)為D級，說明機器人置釘技術比較成功，而且準確度較高。Chenin等[16]對25例患者中的110 枚螺釘進行分析研究，術后CT發(fā)現110枚螺釘中101枚完全在椎弓根內，5枚椎弓根壁破裂<2 mm，2枚椎弓根壁破裂在2～4 mm內，2枚椎弓根壁破裂>4 mm，1枚在術中進行了重新置釘，但是所有椎弓根壁破裂的患者均無臨床癥狀，所以研究認為機器人輔助置釘的牢固性、可靠性及準確性較高。

大量Meta分析均證實，機器人輔助腰椎置釘的準確性較高，且機器人輔助置釘的精準性高于徒手置釘[17-20]。Ringel等[21]將60例符合入選標準的患者隨機分為應用機器人置釘組和徒手置釘組，研究發(fā)現傳統徒手置釘組的置釘準確性更高，而機器人組較多出現明顯螺釘偏差，出現進釘點偏差可能與器械和椎體連接處不穩(wěn)定有關。隨后，Fan等[22]對機器人輔助置釘技術與徒手置釘技術在置釘的準確性方面進行了一項Meta分析，結果發(fā)現機器人輔助置釘的準確性大于徒手置釘技術。在置釘方向和椎間關節(jié)面侵及方面，Kim等[23]對機器人置釘與徒手置釘進行了前瞻性隨機對照試驗，結果發(fā)現機器人技術可以減少螺釘對近端椎間關節(jié)面的侵及，可以使螺釘內聚增加，加強螺釘把持力。Yu等[24]對機器人置釘與徒手置釘的系統回顧和Meta分析顯示，盡管機器人技術能夠較好地應用于臨床，但是目前尚不能證實機器人置釘可以取代徒手置釘。綜上，因腰椎椎弓根寬大、椎管較粗、置釘的進釘點及釘道選擇性較多，且成人脊髓圓錐終于第一腰椎下緣或第二腰椎上緣，所以對于常規(guī)手術來說，徒手置釘的準確率較高、并發(fā)癥發(fā)生率較低，而機器人輔助置釘技術可以用于腰椎滑脫、旋轉畸形等更加復雜的腰椎節(jié)段手術。

1.4脊柱側凸置釘 脊柱側凸是目前脊柱外科的研究熱點，與退變性脊柱側凸相比，青少年特發(fā)性脊柱側凸逐漸被脊柱外科醫(yī)師重視。對青少年特發(fā)性脊柱側凸進行手術治療時，椎弓根螺釘發(fā)揮了重要作用。脊柱側凸手術的難度較大，且患者的特異性、畸形、關鍵的解剖標志不明顯等增加了置釘失敗的可能。Macke等[25]對50例年齡<18歲脊柱側凸患者行機器人輔助脊柱矯形手術，結果發(fā)現機器人輔助置釘的準確性遠高于徒手置釘，且術前行俯臥位CT可提高置釘的準確性。生長棒技術結合非融合手術已逐漸應用于早期脊柱側凸疾病的治療，尤其是神經肌肉型脊柱側凸。骶髂螺釘具有出色的生物力學特性，但是放置十分困難。Lefranc等[26]研究認為，機器人輔助技術可以輔助術者植入骶髂螺釘，尤其在治療脊柱側凸患者時，可降低放置骶髂螺釘的難度。翟驍等[14]總結了我國機器人輔助置釘用于脊柱側凸矯形手術的案例，驗證了機器人輔助置釘的準確性，認為在治療脊柱側凸時應用機器人輔助置釘技術可以有效提高置釘準確度，并降低術中神經、血管及內臟損傷等并發(fā)癥的發(fā)生率。

2 機器人系統與3D打印導板

隨著工業(yè)技術的發(fā)展，3D打印技術也融入脊柱外科領域中，目前3D打印導板是脊柱外科新興技術之一，該技術利用術前高分辨率CT，通過計算機軟件3D重建目標椎體，在此基礎上設計出導板，之后應用3D打印設備將設計出的導板實體化。很多學者也證實了3D打印導板在輔助置釘方面的準確性和應用價值，但是3D打印導板也存在一些缺點[27]：①應用3D打印導板輔助置釘時，需要徹底剝離置釘椎體后方軟組織，充分暴露骨表面，使導板與棘突、椎板、關節(jié)突等骨性解剖標志充分貼和，保證置釘的準確性，但可能增加局部軟組織出血和副損傷，與近些年外科所提倡的微創(chuàng)思想相違背；②置釘過程中，導板應一直保持穩(wěn)定，任何輕微的相對活動都會引起置釘的偏差；③ 3D打印導板的制作過程也會導致置釘誤差，如在導板的設計階段，由于不同軟件的數據轉換方式不同，3D打印設備精準度的差異、打印材料在消毒處理后可能出現變形等因素均能影響打印導板輔助置釘的精準度，故手術過程中不能完全依賴打印導板，應結合臨床經驗和徒手置釘技術；④ 3D打印導板需要一定的設計和制作時間，不適合用于急診手術。

機器人輔助置釘技術可以保證置釘的準確率，還可以避免3D打印導板置釘的缺點。機器人輔助置釘的優(yōu)點為：①置釘準確率高；②程序穩(wěn)定且術者不易疲勞；③術者X線暴露量少；④手術切口小、術中副損傷少、患者恢復快、住院時間短，符合快速康復外科的要求；⑤機器人輔助系統能在某些徒手置釘操作困難的解剖位置上進行靈活操作；⑥術中重建可以避免3D導板較長的制作周期，適用于急診手術[28]。

3 機器人輔助置釘相關問題

近些年，機器人輔助手術技術在其他外科中應用較為廣泛，如心胸外科、普通外科、泌尿外科、婦產科、頭頸外科，并且獲得較好的術后效果。機器人可協助外科醫(yī)師進行不同程度的手術操作。目前臨床上應用的機器人可分為3類：①監(jiān)督控制系統，通過編程預先設定機器人動作，機器人在外科醫(yī)師密切的監(jiān)督下進行自主手術操作；②遙控機器人系統，比如應用較為成熟的達芬奇機器人系統，外科醫(yī)師可在遠程指揮站完全控制機器人的運動；③共享控制模式系統，允許外科醫(yī)師和機器人同時進行操作。脊柱外科中所應用的機器人系統由計算機注冊，通過自主協助外科醫(yī)師定位最佳進針點，但置釘過程由外科醫(yī)師操作，本質上是一種“半自動”機器人。目前脊柱外科中的機器人存在以下缺點和不足：①現在上市的機器人輔助系統價格普遍昂貴，在一般醫(yī)院難以普及，不利于機器人技術的應用與發(fā)展。②應用機器人輔助置釘的操作流程與傳統徒手置釘的流程不同，需要學習與適應。在學習機器人輔助置釘過程中存在著一定的學習曲線[5]，只有熟悉掌握改技術才能發(fā)揮出優(yōu)點。③機器人輔助系統缺乏術中觸覺反饋，不能對操作進行判斷與調整。④脊柱機器人系統需要定期的維護和保養(yǎng)，增加應用成本。

4 小 結

機器人輔助置釘技術已被證實是安全有效的，但是在廣泛采用之前還需克服費用上的困難。但對于外科醫(yī)師追求置釘零誤差的需求來說，機器人輔助置釘技術是必不可少的。未來，若針對脊柱外科機器人的缺點進行研究和改進，可能使機器人輔助置釘的“半自動模式”轉變?yōu)闄C器人置釘的“全自動模式”，并且結合術中監(jiān)督可進一步提高準確率。隨著當代大數據、5G網絡、人工智能技術的發(fā)展，未來機器人有望能夠根據既往相關手術患者的數據進行自動分析，設計出最佳手術方案，以提高手術效率、縮短手術時間、提高患者預后質量。目前報道的達芬奇機器人在脊柱外科領域的應用均得到了較好的臨床效果[29-31]。未來可以將現有的機器人系統用于脊柱外科領域，以加快脊柱外科領域的發(fā)展。