骨科手術機器人的研究進展及展望

摘 要 現代骨科手術逐漸向精準和微創方向發展。與傳統手術比較，精準化、微創化程度更高的骨科手術機器人逐漸走進醫學研究者的視野，并成為當前骨科手術的研究熱點。目前，骨科機器人在國際、國內已有豐富的研究成果，并已投入臨床應用。伴隨著科技的進步，骨科機器人正向智能化、遠程化、個體化、普及化發展，并將更廣泛地應用于骨科手術。

關鍵詞 骨科機器人；微創；精準化

中圖分類號 R608 R68 文獻標識碼 A 文章編號 2096-7721（2022）01-0055-07

Abstract Modern orthopedic surgery is more and more precise and minimally invasive. The orthopedic surgical robot has become the hotspot of medical researchers. At present， fruitful achievements have been made on orthopedic robot at home and abroad， which has been put into clinical application. With the progress of science and technology， orthopedic robot will be more intelligent， remote， individualized and widely used in orthopedic surgery.

Key words Orthopedic robot; Minimally invasive; Precision

傳統意義上的骨科手術通常會受到患者體位、手術器械精細度、醫生個人操作經驗和身體條件等因素的影響，難以精準執行事先設計好的手術方案，這不可避免地降低了手術精確性和安全性[1]。集醫學、生物學、計算機學、機械學等學科為一體的醫療機器人的出現，在視覺、觸覺、聽覺方面為外科醫生的決策和操作提供了充分支持，大大提高了手術操作的質量[2]。手術機器人可自行或在術者操控下嚴格按照手術方案執行手術操作，機械手臂代替術者進行各種手術操作，使得手術操作的精準性和安全性得到保障[3]。如今，機器人手術已成為未來骨科手術發展的重要方向。本綜述主要對國內外骨科手術機器人的研究進展進行總結，并展望未來骨科手術機器人的發展趨勢。

1 骨科手術機器人的類型及構成

20世紀80年代，機器人手術系統開始進入外科醫生的視野。1985年，加拿大醫師Kwoh用工業機器人進行了世界上第一次機器人輔助下腦瘤活檢。自此，各種各樣的機器人被用于外科手術。機器人參與骨科手術可以追溯到1992年，發展至今骨科機器人已有多種類型。按智能程度劃分，其可分為主動型、半主動型和被動型：①主動型機器人：可以獨立自主完成手術，不需要外科醫生的限制和干預；②半主動機器人：配備觸覺反饋系統，可以提高外科醫生控制工具的能力，本質上依然需要醫生操作；③被動型機器人：僅參與外科手術過程中的某一部分，且仍需在外科醫生直接或間接控制下進行操作（例如在手術過程中，機器人將手術器械固定在預定位置，手術醫生運用工具剝離筋膜、肌肉等組織，顯露骨骼表面）[4]。根據機器人結構（臂的連接方式）分類，其可分為串聯、并聯兩種類型。串聯機器人操作范圍更廣，且更靈活，但其尺寸較大，手臂末端的精度和穩定性較差，操作的準確性相對較低；并聯機器人體積更小，精度更高，穩定性更好，但其設計更復雜，工作范圍更窄。按應用的部位分類，其可分為關節機器人（如RoboDoc）、脊柱機器人（如SpineAssist、Renaissance）、創傷機器人等。

骨科手術機器人主要由影像系統、計算機系統、機械系統三個系統構成[5]。影像系統可進行圖像的采集、處理及分析，輔助制定手術策略；計算機系統通過測量儀器、傳感器、定位儀等計算機軟件對手術進行規劃、導航和定位；機械系統的相關運行單元是手術的執行主體。

2 骨科手術機器人研究進程

2.1 國際進展

骨科機器人的首次應用是在關節骨科領域。1988年，美國加州大學和IBM公司聯合研制出了一款用于人工髖關節置換手術的機器人。該機器人的優勢在于可以通過操作器末端的壓力傳感器對骨骼的切割進行校準，并通過視覺系統保證骨切割的安全性，從而提高手術精確性。在這款機器人的基礎上，1992年美國Integrated Surgical Systems公司推出了一款主動型骨科手術機器人——RoboDoc，這也是全球首個主動型骨科手術機器人。這款機器人主要用于關節置換術中輔助骨骼定位和假體成形、置入[6]，在其參與下，全球首例手術機器人輔助的人工全髖關節置換術成功開展，這是國際骨科領域的一個里程碑。作為第一個主動型手術機器人，RoboDoc仍存在諸多缺陷，如手術時間過長、坐骨神經損傷風險較高、系統穩定性不佳等。因此，有學者在RoboDoc的基礎上對手術機器人不斷進行改良、創新。

1997年，OrthoMaquet研制出了另一款機器人系統——CASPAR。它在設計和應用上與RoboDoc系統類似，可以在人工全膝和全髖關節置換手術中輔助進行骨面處理。同年，英國帝國理工學院的Davis等首次提出了“主動約束”的概念，同時研發了第一代Acrobot機器人系統。該機器人手術系統當時并未引起太多注意，直到2001年新一代的Acrobot機器人出世。這款用于膝關節手術的機器人是第一款真正意義上應用“主動約束”概念的骨科手術機器人，此進一步提高了機器人手術的安全性。此后，各國進一步研究，并相繼開發出各自的骨科手術機器人，如美國開發的MBARS系統和CRIGOS系統，用于輔助髕股關節成形術；韓國開發的ArthRobot系統，用于全髖關節置換術；以色列Technion公司開發的MARS系統等。2008年，美國研制出一款名為RIO的機械臂，其與“主動約束”的Acrobot系統相似，主要應用于全膝、單膝及全髖關節置換術。和其他針對人工關節置換術的機器人系統的不同點在于，RIO配備了實時導航技術，允許外科醫生在術中根據手術需要調整患者肢體。RIO系統需要術者和機械臂配合，共同操作手術器械進行手術操作，并允許操作者在術中實時進行精細調整。臨床發現，RIO系統輔助的關節置換手術的切口更小，恢復時間更短。2012年，Blue Belt Technologies公司研制出了Navio PFS機器人系統，與RIO系統的用途相同，PFS系統也應用于膝關節置換術中，并可在術中實時追蹤并調整鉆孔工具的位置。

在脊柱領域中，對機器人系統也同樣有著深入的研究。2004年，以色列Mazor Surgical Technologies公司以自身開發的MARS系統為基礎，開發出了SpineAssist引導系統。2011年該系列的第二代引導系統——Renaissance系統也成功誕生，相較于SpineAssist引導系統，Renaissance系統升級了用戶界面和影像軟件，可在術中通過C臂機透視進行三維重建。此外，該系統還搭載著“Hover-T”技術，在術前可用Hover-T框架固定在骨性解剖標志上，維持穩定的同時還可以定位患者需手術的脊柱節段，用于脊柱內固定手術中引導內固定置入和固定。Renaissance系統在2014年8月獲得國家食品藥品監督管理總局（CFDA）的注冊證，臨床研究曾報道在Renaissance系統引導下進行的椎弓根置釘的準確率高達98.5%，顯著優于傳統手術組。在保證高準確率的同時，該系統還能大大縮減手術時間，從而縮短醫生和患者在手術中受到X線放射的時間，減少手術對醫患雙方的傷害。但它也有明顯的缺陷，如操作過程過于繁復、無法進行實時監控等[7-9]。韓國從2005年開始研發SPINEBOT系列機器人，目前已有V1（2005年）和V2（2010年）兩代機器人，該系統可以和雙平面O型臂、外科操作系統相配合，三者組合成一個自動化雙平面透視引導機器人系統[10-12]。2006年，德國航空航天中心開始研發VectorBot系統，其以航空中心的Kinemedic機器人硬件和VectorVision光學追蹤軟件為基礎，將二者結合起來以實現術中追蹤[13]。2012年，瑞士的研究機構報道了Neuroglide系統[14]。這是一款針對寰椎和樞椎融合術而設計的螺釘置入系統，目前該系統還在進行下一步臨床試驗，其臨床實際效果還在觀察中。2014年法國Medtech醫療公司推出了ROSA Spine產品，2016年通過歐洲CE認證[15-17]。該機器人系統一方面能通過6個自由度的機械臂和末端的力學反饋機制識別手術中的異常力學信號，從而提高手術的安全性；另一方面，它能配合3D O-arm CBCT的實時引導進行術中導航；同時，還能實現術中對呼吸系統的實時追蹤和補償。2017年，美國Globus公司推出的Excelsius GPS機器獲得FDA批準。Excelsius不但可以進行實時追蹤、運動補償，還可以通過其機械臂直接經皮置釘，而無需棘突夾固定[18]。

總之，骨科機器人自2000年發展至今已經有諸多系統在臨床中投入使用，其中應用最廣泛的Mazor系列、ROSA系列和Excelsius GPS均已獲得美國FDA認證。Mazor系列在2016年推出最新型的Mazor X機器人，該型號通過加載串聯式機械臂增加操作范圍和靈活性，并減少手術過程中對手術器械的依賴[19]。此外，近年來達芬奇機器人開始應用于脊柱領域，它由控制臺、機械臂、3D成像系統構成，術者可通過視頻圖像進行觀測，并使用控制臺手柄和腳踏進行手術操作。Lee J Y等[20]首次用達芬奇機器人完成了2例L5～S1的前路椎間融合術，隨訪1年未見明顯泌尿生殖系統并發癥，由此認為，達芬奇機器人相較傳統腔鏡下手術可以減少交感神經和血管的損傷。

2.2 國內進展

我國骨科機器人的研究雖然起步晚，但進展迅速，并取得了較為豐富的研究成果。其中，天璣機器人是科研成果轉化為臨床生產力的典型代表，數年來經受住了多次臨床實踐的檢驗。

2004年，為實現術中對靶點的精確定位，北京積水潭醫院與北京航空航天大學聯合提出一種雙平面定位技術（以2-PPTC結構為基礎），并研制出一種小型雙平面骨科手術機器人系統（可以用于不同手術適應證）[21]。自此，我國骨科手術機器人的研發進入了新紀元。同年，北京積水潭醫院完成了國內首例機器人輔助下的骨科手術，2006年完成國內首例遠程遙控規劃手術（北京-延安），為遠程化骨科手術提供了經驗。2008年，原第三軍醫大學與中科院沈陽自動化研究所合作研制了一款微創脊柱手術機器人，其用于手術中輔助醫生打孔、減少患者和醫生的輻射損傷。2010年，鄭州大學第一附屬醫院報道了由其自主研發的無框架脊柱導航手術機器人，它用于引導椎弓根螺釘定位，不需要框架固定、導航注冊等環節，而是通過術前CT調整C臂機角度，在椎弓根標準軸位片上用機械臂和尾端呈“十”字狀的導針進行定位。一項臨床實驗顯示手術中置入60枚螺釘，患者均成功置入[22]。2012年，香港中文大學威爾士親王醫院研制了HybriDot骨科手術機器人，這款機器人由主動、被動混合控制，即人工拖動機器臂進入已定位的手術目標位置，然后由機器人系統自主操縱機器臂進行小范圍高精度操作進而完成手術。2014年，北京積水潭醫院聯合中科院深圳先進技術研究院開發了一款主/被動一體化脊柱手術機器人RSSS（Robotic spinal surgery system）。RSSS與ROSA Spine系統類似，它以力反饋系統為基礎，額外加裝了氣鉆，主要用于導航輔助下脊柱釘道鉆孔，但由于沒有搭配相應的導航系統，故臨床應用較局限。

2015年，北京積水潭醫院和北京天智航公司合作研發了“天璣”機器人，它包含了6個自由度的機械臂系統、光學追蹤系統與手術規劃和導航系統。在此基礎上，北京積水潭醫院主導、多單位配合開發的第三代骨科手術機器人系統（天璣）是國際上首個通用性骨科手術機器人，其亞毫米級的定位精確度足以滿足45%以上骨科手術的需求[23]。2015年8月～2015年10月，北京積水潭醫院在“天璣”機器人輔助下陸續完成了世界首例在術中實時三維影像輔助下的機器人輔助脊柱胸腰段骨折微創內固定手術、世界首例術中實時三維影像引導的機器人輔助寰椎樞椎經關節螺釘內固定術、世界首例術中實時三維影像引導的機器人輔助齒狀突骨折內固定術[24-25]，其定位精度及臨床適用范圍均達國際領先水平。自研發至今，我國“天璣”系列骨科機器人在輔助椎弓根螺釘置入方面經受了多次臨床實踐，具有更高的準確性和安全性。在一項針對頸椎椎弓根螺釘的隨機對照研究[26]顯示，“天璣”機器人的成功率達到98.9%，精度優于傳統透視置釘（0.83mm Vs 1.79mm），而且術中出血更少，住院時間更短。近年來，我國借助5G技術應用“天璣”機器人多次進行一站對多地遠程控制骨科機器人手術的臨床實踐[27]，并取得了良好的臨床效果。2019年，煙臺市煙臺山醫院、北京積水潭醫院、嘉興市第二醫院共三地協作，在全球范圍內首次將5G技術運用于骨科手術機器人多中心聯合遠程手術，創新性地將第五代移動通信技術、人工智能技術、骨科手術完美地結合在一起，通過5G網絡遠程開展骨科手術機器人輔助下經皮螺釘復位內固定手術。

蘇州大學附屬第一醫院也開展了脊柱機器人的研究，與北京航空航天大學和北京大學第三醫院合作，設計了只需C臂機和12個金屬基準點就可以將二維坐標進行三維重建的算法[28]，進一步完善該系統后可進行基于C臂機透視下的實時三維重建，同時加入光學跟蹤系統，體外驗證精度為（2.54±0.15）mm，螺釘合格率達到了100%[29]。

3 骨科手術機器人的展望

3.1 精準化、微創化

骨科機器人手術較傳統手術的優點在于精確性較高，同時對患者造成的創傷小。目前的骨科機器人仍然存在精確度不足或可重復性較差的缺點，未來骨科機器人的研發進程中精準與微創仍然是首要的發展方向。

3.2 智能化

隨著計算機軟件的開發及人工智能的迅速發展，骨科機器人高度智能化已成為必然趨勢。現階段，主動型機器人仍然存在誤操作的風險，相對于半自動型及被動型機器人，其應用較局限。若骨科機器人的高度智能化迅速發展，則精確性、可重復性更高的主動型機器人便有機會成為未來骨科機器人的主流，并可進一步解放醫生的雙手，提高手術效率。

3.3 遠程化

隨著5G技術的出世，骨科手術機器人迎來一個新的發展方向——遠程手術。5G技術支持下，遠程手術延遲將會低于毫秒級，大大增加了遠程手術的精確性和穩定性。遠程手術的普及在技術上成為可能，為醫生異地手術提供了技術支持，使優質的醫療資源能輻射至更廣泛的區域。

3.4 個體化

不同患者之間存在個體差異，目前仍需要醫生根據不同患者的實際情況制定具體的手術方案。應用骨科機器人時，可根據不同患者個體的實際情況制定相應的手術方案，使用合適規格的手術器材進行不同手法的手術操作，從而達到對患者最有利的療效，以實現個體化手術的效果，這將是骨科機器人的研發趨勢之一。

3.5 普及化

目前的骨科機器人手術與傳統手術相比，成本較高，價格較為昂貴。就我國目前的國情而言，難以實現該手術的全面普及。降低骨科機器人成本的同時，保證機器人手術的高質量和高精確度勢必成為骨科機器人普及化的重要一環。

4 小結

二十多年前，骨科手術機器人誕生并應用于骨科手術中，經過不斷更新與發展，如今機器人手術已成為骨科手術的重要發展方向。目前，國際上已形成了多個相對較完善的骨科機器人系統，如Mazor系列、ROSA系列和Excelsius GPS等。雖然我國骨科機器人的研究在起跑線上落后于國外，但近年來發展迅速，碩果累累，尤其是“天璣”系列機器人，經過多次臨床實踐，效果顯著。隨著現代科技的進一步發展，未來骨科手術機器人勢必追求更高的精準化和微創化。同時，現代社會中個體意識的覺醒也促使骨科手術機器人向智能化、遠程化、個體化、普及化方向發展，以滿足人們的需求。

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