骨科機(jī)器人在脊柱微創(chuàng)手術(shù)中的應(yīng)用效果與研究進(jìn)展

趙 彤，黃承夸

（1.右江民族醫(yī)學(xué)院研究生院；2.百色市人民醫(yī)院脊柱外科，廣西 百色 533000）

脊柱疾病是骨科較為常見的疾病，其包括腰椎間盤突出、骨折、腫瘤、脊柱側(cè)凸等[1]。目前采取藥物治療的方法較多，部分仍以局部手術(shù)治療方法為主。Boucher等于1959年正式提出了椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)，由于其三柱支撐、堅強(qiáng)的內(nèi)固定而廣泛應(yīng)用于脊柱的相關(guān)疾病中[2]。既往此類患者較多采用傳統(tǒng)骨科開放手術(shù)，常見有脊柱后路切開減壓復(fù)位椎弓根釘內(nèi)固定術(shù)，手術(shù)創(chuàng)傷比較大、出血較多、并發(fā)癥相對較多等幾個致命的缺點，同時需要骨科手術(shù)醫(yī)生自身擁有扎實、豐富、獨特且十分精湛的相關(guān)專業(yè)和臨床操作經(jīng)驗。

1 天璣骨科機(jī)器人系統(tǒng)的功能及其組成

骨科機(jī)器人的發(fā)展史：1987年微創(chuàng)手術(shù)（MIS）和機(jī)器人系統(tǒng)的分離技術(shù)概念在世界上首次被正式提出，1997年機(jī)器人系統(tǒng)首次成功地應(yīng)用于腹腔鏡膽囊手術(shù)，1998年由美國Intuitive和德國surgical公司首次成功設(shè)計、研制并發(fā)展出了第一臺達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人（DaVinci）系統(tǒng)，在當(dāng)今國際機(jī)器人手術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域意義重大，是重要的科技里程碑[3]。醫(yī)學(xué)界開始了巨大的努力，以向所有外科學(xué)科推廣和擴(kuò)展這一新穎概念。2004年由以色列Medtronic公司設(shè)計的第一代Mazor系列機(jī)器人SpineAssist，是第一個被美國FDA批準(zhǔn)用于脊柱外科手術(shù)，時至今日仍是使用最廣泛的臨床手術(shù)機(jī)器人。之后又相繼推出了第二代Renaissance及第三代Mazor X機(jī)器人[4]。其工作原理是術(shù)前完善CT，術(shù)中行C型臂X線機(jī)獲取圖像，并傳輸給主機(jī)，與術(shù)前CT圖像進(jìn)行匹配，規(guī)劃出預(yù)定的螺釘軌跡[5]。法國MedTech公司及美國Globus公司相繼推出ROSA、Excelsius GPS等機(jī)器人。我國在骨科機(jī)器人使用方面起步較晚，隨著在美國、德國、以色列和韓國等機(jī)器人在脊柱疾病方面的廣泛應(yīng)用[6]，2015年，北京積水潭醫(yī)院田偉團(tuán)隊和北京天智航公司合作共同研發(fā)制造了天璣骨科機(jī)器人，該機(jī)器人是迄今為止國際意義上的第一個通用性骨科手術(shù)機(jī)器人[7]，并且全球范圍內(nèi)第一臺輔助上頸椎手術(shù)的骨科機(jī)器人[8]。臨床研究結(jié)果顯示，骨科手術(shù)機(jī)器人在提高脊柱椎弓根置釘準(zhǔn)確率等方面具有顯著的優(yōu)越性[9-10]，使脊柱骨科手術(shù)向著微創(chuàng)化、精準(zhǔn)化等方向進(jìn)一步發(fā)展[11]。目前國內(nèi)外多項研究成果[12-13]表明，與傳統(tǒng)的徒手置釘手術(shù)相比，機(jī)器人輔助脊柱微創(chuàng)手術(shù)方法可以明顯提高椎弓根螺釘置入的準(zhǔn)確性和安全性，且對脊柱小關(guān)節(jié)的損傷更小[10,14]。目前骨科手術(shù)機(jī)器人在我國醫(yī)院仍未得到廣泛推廣，其相較傳統(tǒng)切開內(nèi)固定術(shù)的具體優(yōu)、缺點也需大量數(shù)據(jù)佐證?，F(xiàn)就“天璣”骨科機(jī)器人在治療脊柱疾病方面的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行闡述。

天璣骨科手術(shù)機(jī)器人控制系統(tǒng)擁有當(dāng)今世界骨科同領(lǐng)域較為先進(jìn)的自動化技術(shù)水平，分為下列3個子部分：光學(xué)自動定位跟蹤系統(tǒng)、擁有6個自由度的獨立運(yùn)動控制機(jī)械臂系統(tǒng)和一組能自動進(jìn)行各種復(fù)雜骨折手術(shù)路徑規(guī)劃、跟蹤定位及實時自動導(dǎo)航與監(jiān)控工作的主控臺系統(tǒng)。機(jī)器人通過術(shù)前的三維C臂掃描來獲得患者影像資料數(shù)據(jù)，并可以實時地傳至機(jī)器人主控臺，醫(yī)生直接在機(jī)器人的主控臺上完成整個的手術(shù)規(guī)劃，末端帶有引導(dǎo)套管的機(jī)械臂根據(jù)術(shù)前規(guī)劃結(jié)果調(diào)整到合適位置。此外在骨科機(jī)器人手術(shù)操作過程中，導(dǎo)航機(jī)器人還能對負(fù)責(zé)的位置進(jìn)行全程自動監(jiān)控，一旦手術(shù)位置坐標(biāo)出現(xiàn)明顯的誤差，它能實時地進(jìn)行自動跟蹤、自動調(diào)整。骨科醫(yī)生在以后的日常手術(shù)操作中基本已經(jīng)可以實現(xiàn)直接通過機(jī)器人導(dǎo)航來進(jìn)行骨科手術(shù)位置精準(zhǔn)、快速的自動定位，具有置釘準(zhǔn)確率高、創(chuàng)傷小、低輻射等優(yōu)點。

國際上第一個通用性天璣骨科手術(shù)機(jī)器人是由北京積水潭醫(yī)院田偉院長團(tuán)隊研發(fā)；其應(yīng)用范圍包含所有骨科相關(guān)疾病，如脊柱、關(guān)節(jié)、創(chuàng)傷等，脊柱骨科手術(shù)的精準(zhǔn)難、不穩(wěn)定、視野差等難題被其“透視眼”（光學(xué)跟蹤系統(tǒng)）及“穩(wěn)定手”（機(jī)械臂）予以解決，骨科手術(shù)對醫(yī)生來說難度大大降低，高難度手術(shù)在地級市等基層醫(yī)院也能順利開展。本文主要討論“天璣”骨科機(jī)器人在脊柱不同部位的應(yīng)用及效果。

1.1 天璣骨科機(jī)器人在頸椎手術(shù)方面的應(yīng)用在1994年，Abumi等[15]首次提出頸椎椎弓根螺釘固定技術(shù)。雖然已有幾十年的發(fā)展和完善，頸椎椎弓根螺釘固定術(shù)的臨床應(yīng)用仍然受到很多限制。頸椎椎弓根的直徑較小和頸椎椎弓根的性質(zhì)為高度皮質(zhì)為主要原因[16]，同時頸椎的活動性相對較大，骨結(jié)構(gòu)較小，周圍毗鄰重要的神經(jīng)、血管等結(jié)構(gòu)，一旦螺釘錯位，可能出現(xiàn)嚴(yán)重的并發(fā)癥，因此必須準(zhǔn)確放置螺釘[17]。與胸椎和腰椎相比，由于解剖結(jié)構(gòu)變異、陡峭的椎弓根角度，頸椎的尺寸相對較小和較薄，此外，75%的C3～C4椎弓根平均直徑＜4 mm[18]，有報道，一些頸椎椎弓根沒有髓管[19]，所以頸椎椎弓根螺釘放置的成功率一直相對較低。據(jù)報道，在常規(guī)透視手術(shù)中，螺釘錯位率為6.7%～29.1%[20]。我國在骨科機(jī)器人方面起步較晚，但發(fā)展迅速，隨著我國“天璣”骨科機(jī)器人的應(yīng)用，我國已實現(xiàn)全球范圍內(nèi)第一臺機(jī)器人輔助上頸椎螺釘內(nèi)固定術(shù)。Farah等[21-22]已報道了多例“天璣”骨科機(jī)器人在復(fù)雜上頸椎方面的應(yīng)用，均取得了良好效果，說明骨科機(jī)器人相較于傳統(tǒng)熒光透視方法在復(fù)雜的上頸椎手術(shù)方面有明顯的優(yōu)勢。李青青等[23]在其評估骨科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)輔助頸椎椎弓根螺釘固定的準(zhǔn)確性和手術(shù)安全性問題的相關(guān)研究資料中顯示，機(jī)器人輔助置入的138枚螺釘評價為Neo 0級，其中上頸椎（C1～C2）置釘準(zhǔn)確率為94.6%，下頸椎（C3～C7）置釘準(zhǔn)確率為88.3%。但螺釘置入準(zhǔn)確率最高的是C7（100%）、其次是C1（97.1%），最低的是C4（71.4%），說明“天璣”骨科機(jī)器人在下頸椎方面同樣擁有完美的準(zhǔn)確率。Farah在其研究中顯示機(jī)器人輔助頸椎椎弓螺釘置入87.5%被評為合格，12.5%被評為差。Fan等在其前瞻性隨機(jī)對照研究中發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人輔助相較于傳統(tǒng)熒光引導(dǎo)螺釘置入頸椎，不但準(zhǔn)確性更高，而且失血量減少和術(shù)后住院時間更短。相反，Mao等在一項研究中顯示機(jī)器人輔助頸椎椎弓根置入的“臨床可接受”準(zhǔn)確率僅為71.43%，考慮是由于頸椎的急性軌跡角度和傾斜的椎板增加了電鉆滑動的可能，以后可以通過術(shù)中使用防滑套筒先定位在小關(guān)節(jié)的坡度上，以此來糾正螺絲偏差。

1.2 天璣骨科機(jī)器人在胸椎手術(shù)方面的應(yīng)用胸椎相關(guān)疾病相對于頸椎、腰椎較少，同時，手術(shù)難度相對較大。胸椎先天畸形、骨折、感染、腫瘤壞死等脊柱疾病嚴(yán)重威脅到著現(xiàn)代人類生殖健康，治療方式不當(dāng)易造成下肢癱瘓、疼痛異常等并發(fā)癥[24]。一方面由于胸椎椎弓根較小，特別是上胸椎（T1～T4），據(jù)相關(guān)研究，不同國家人群胸椎椎弓根寬度最小值均位于T4或T5，中國人平均胸椎椎弓根寬度僅為5～6 mm[25]。傳統(tǒng)手術(shù)方式由于胸椎椎體和椎弓根過于細(xì)小，解剖標(biāo)記點位置不固定，而且因為肱骨頭節(jié)和后肩胛骨節(jié)的遮擋也導(dǎo)致在術(shù)區(qū)中進(jìn)行透視探查時難以被清晰有效地手術(shù)辨認(rèn)，增大到了手術(shù)區(qū)穿刺和定位探查的工作難度系數(shù)和風(fēng)險。再者，胸椎活動范圍小，胸脊髓在椎管內(nèi)占位率高，脊髓周圍的代償活動空間太少，即使是手術(shù)經(jīng)驗豐富的醫(yī)生，手術(shù)時椎弓根輕度錯位，也可能導(dǎo)致嚴(yán)重的并發(fā)癥。機(jī)器人輔助手術(shù)在胸椎方面的研究也相對較少，與傳統(tǒng)手術(shù)方式相比，機(jī)器人輔助手術(shù)能克服解剖結(jié)構(gòu)不清晰的劣勢，機(jī)器人根據(jù)術(shù)前3D-C臂掃描的數(shù)據(jù)，計算出椎弓根方向、大小及進(jìn)釘深度，精準(zhǔn)置入椎弓根，可有效避免胸椎前方心臟、大血管、肺臟及周圍脊髓、血管神經(jīng)損傷的風(fēng)險[26]。2021年9月北京積水潭醫(yī)院袁強(qiáng)主任利用超聲骨刀手術(shù)機(jī)器人完成了全球首例胸椎黃韌帶骨化灶切除術(shù)，術(shù)后患者恢復(fù)良好。同時Güngor等[27]也證明了使用Davinci手術(shù)機(jī)器人輔助在豬模型中行胸椎椎間融合的可行性。雖然手術(shù)機(jī)器人在國外應(yīng)用時間較長，但在胸椎方面的文獻(xiàn)較少。隨著天璣骨科手術(shù)機(jī)器人在臨床中的應(yīng)用，我國在這方面的研究較多，因下胸椎與腰椎在椎體大小、椎弓根的寬度等方面表現(xiàn)相似，所以我國醫(yī)生著重于上胸椎方面的研究。鄭博隆等在其一項回顧性資料分析中比較天璣骨科手術(shù)機(jī)器人輔助操作和徒手穿刺椎體成形術(shù)在治療上胸椎骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折患者的遠(yuǎn)期療效和短期療效時，結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)手術(shù)組，機(jī)器人輔助組擁有更好的療效。王飛等[28]也在一項回顧性分析研究中顯示，天璣骨科機(jī)器人組置釘準(zhǔn)確率為99.04%，不但提高了椎弓根螺釘植入的準(zhǔn)確度，而且沒有增加術(shù)中、術(shù)后出血量。侯海濤等[29]在一項前瞻性研究中，分析了62例胸椎骨折患者，通過使用Renaissance脊柱手術(shù)機(jī)器人顯示在置釘準(zhǔn)確率、一次成功率和椎體前緣穿透方面亦具有優(yōu)勢。然而，胸椎節(jié)段較多，胸椎椎弓根的寬度若有隨著椎序增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢[30]，且在胸椎不同分段位置上置釘準(zhǔn)確度不相同。李宗澤等[31]應(yīng)用一新型全自動骨科手術(shù)機(jī)器人“Orthbot”系統(tǒng)，通過在尸體的研究中做了比較，結(jié)果顯示機(jī)器人輔助組螺釘位置臨床可接受率為84.7%，胸椎不同分段間螺釘位置臨床可接受率無明顯出差別，但在下胸椎置釘時螺釘位置優(yōu)秀率最高，而中胸椎最低，這可能與下胸椎的椎弓根較粗而中胸椎的椎弓根較細(xì)有關(guān)。由于現(xiàn)階段我國在上胸椎手術(shù)工作中普遍缺乏一個合適尺寸的空心螺釘，無法全部通過經(jīng)皮置釘，這樣就無形中增加了手術(shù)時間及術(shù)中出血量，且因肋橫突關(guān)節(jié)及剝離肌肉時張力作用的遮擋，對置釘?shù)臏?zhǔn)確率有一定影響[28]。

1.3 天璣骨科機(jī)器人在腰椎手術(shù)方面的應(yīng)用下胸椎及腰椎是脊柱骨科常見病中最常見的區(qū)域，包括胸腰椎骨折、腰椎管狹窄、腰椎結(jié)核等，其中約90%的脊柱骨折發(fā)生于胸腰段[32]，同時隨著我國經(jīng)濟(jì)、社會的發(fā)展，人們工作強(qiáng)度增大，人口老齡化加劇，椎管狹窄的發(fā)病率也逐漸升高，達(dá)到了約10%[33]，目前手術(shù)切開椎弓根固定仍是最主要的治療方法。由于發(fā)病率高，同時其椎弓根及椎管的寬度較大，手術(shù)的風(fēng)險及難易程度相對較低。但使用傳統(tǒng)手術(shù)技術(shù)的椎弓根螺釘錯位率在腰椎中為5%～41%，而在胸椎中達(dá)到3%～55%[34]。機(jī)器人輔助技術(shù)的誕生，不但克服了人體生理疲勞的局限，而且具有更高的操作精度、操作重復(fù)性好、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點[35]。國內(nèi)外多項研究顯示，機(jī)器人輔助技術(shù)在腰椎手術(shù)中不僅置釘準(zhǔn)確率高、近端小關(guān)節(jié)損傷小，而且醫(yī)務(wù)人員的輻射暴露更低[13,34,36]。鑒于機(jī)器人輔助技術(shù)的優(yōu)勢，其應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)大，在脊柱腫瘤[37]、脊柱側(cè)彎[38]和經(jīng)皮穿刺活檢[39]等方面亦有應(yīng)用。

2 天璣機(jī)器人在應(yīng)用中存在的問題

隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)器人輔助手術(shù)治療已逐步在臨床應(yīng)用，為實現(xiàn)臨床疾病微創(chuàng)、精準(zhǔn)、個性化治療提供了一個新的研究方向[40]。然而機(jī)器人購置成本較大及設(shè)備相關(guān)的維護(hù)費(fèi)高[41]也是絕對不能輕易忽略的問題，平均每一臺機(jī)器人輔助手術(shù)成本至少比其他傳統(tǒng)術(shù)式要高出近2～3萬，這同樣也是其難以快速在我國基層醫(yī)院內(nèi)普及起來的很重要原因[42]。田野等[43]在其臨床研究中顯示機(jī)器人組的費(fèi)用高于傳統(tǒng)組。但國外最近的一項研究[44]顯示，機(jī)器人技術(shù)提高了椎弓根螺釘?shù)臏?zhǔn)確性，減少了住院總天數(shù)和并發(fā)癥，避免了多次翻修，不但節(jié)省了醫(yī)院的維護(hù)成本，而且減輕了患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，這表明了成本效益。因此，其費(fèi)用有可能隨著醫(yī)生對機(jī)器人手術(shù)學(xué)習(xí)曲線的提高而降低。但考慮到我國機(jī)器人手術(shù)和長時間學(xué)習(xí)曲線的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，推廣機(jī)器人技術(shù)仍然是一個挑戰(zhàn)。此外骨科機(jī)器人在臨床應(yīng)用方面上的倫理問題也是值得我們思考并且急需解決的問題[45]。

3 小結(jié)

隨著我國天璣骨科機(jī)器人技術(shù)在脊柱外科方面應(yīng)用的不斷發(fā)展，其在椎弓根置釘?shù)臏?zhǔn)確性、術(shù)中出血量、住院時間、術(shù)后并發(fā)癥等方面的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。誠然，現(xiàn)在還有很多的問題需要去解決，如其相關(guān)的成本及安全問題，但隨著更新的技術(shù)，天璣骨科機(jī)器人的未來具有更大的潛力，可以為患者和醫(yī)務(wù)人員更好地服務(wù)。