手術機器人在脊柱神經外科的臨床應用

摘 要 手術機器人在入路規劃、導航及微創精準操作等方面優勢明顯，臨床應用越來越廣泛，極大地提高了手術的精準性、安全性和微創性。近年來，隨著手術機器人迅速發展以及在神經外科、脊柱外科的應用逐步普及，其超強穩定性必然推動脊柱神經外科疾病診治更加合理。國內外已有多款產品應用于臨床，涵蓋了DBS、脊柱外科及術后康復等學科，其中應用于腦深部電刺激植入手術及椎弓根螺釘植入術的機器人技術相對成熟。但是，目前手術機器人仍有一定局限性，且費用高、觸覺反饋差，臨床效果缺乏長期臨床研究證據支持。因此，手術機器人未來的發展在于擴大應用范圍，降低成本，并將手術系統與AI、3D 打印等技術結合，以期在脊柱神經外科領域發揮更重要的作用。

關鍵詞 手術機器人；脊柱神經外科；微創手術；智能化；個體化

中圖分類號 R651 R681.5 文獻標識碼 A 文章編號 2096-7721（2024）06-1149-05

Clinical application of surgical robots in spinal neurosurgery

XIONG Dong， CHENG Chao， ZHENG Fengwei， WANG Tianze， LI Weixin

（Department of Neurosurgery， the First Affiliated Hospital of Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710061， China）

Abstract With significant advantages in surgical approach planning， navigation and precise operation in a minimally invasive way， surgical robots are more and more widespread， which has greatly improved the accuracy， safety， and minimally invasion of surgery. In recent years， with the rapid development of surgical robots， their application in neurosurgery and spinal surgery has gradually been popularized， the super stability of surgical robots will inevitably promote more reasonable diagnosis and treatment in spinal neurosurgical diseases. There are many mature products at home and abroad that have been applied in clinical practice， covering deep brain stimulation （DBS）， spine surgery， and postoperative rehabilitation. Among them， the application of robotic technology in DBS implantation and pedicle screw implantation is relatively mature. At present， the application of surgical robots still has certain limitations， such as the high cost and poor tactile feedback， and evidence on its long-term outcomes is lacking. Therefore， the future development of surgical robots lies in expanding the scope of application， reducing costs， and combining surgical systems with AI， 3D printing and other technologies， hoping to play a more important role in the field of spinal neurosurgery.

Key words Surgical Robots; Spinal Neurosurgery; Minimally Invasive Surgery; Intelligence; Individuality

隨著科學技術的進步，手術機器人已經在臨床應用中逐步推廣，使得各種操作更加精準和穩定，同時還能降低并發癥的發生率，縮短術中醫務人員射線暴露時間。脊柱神經外科疾病的治療涉及神經外科、脊柱外科相關技術，手術機器人的超強穩定性必然推動脊柱神經外科疾病診治更合理。1985年，美國醫生Kwoh首次將機器人應用于臨床手術，CT輔助引導下的腦腫瘤活檢開創了手術機器人的先河。1992年，美國開發了輔助全髖關節置換的骨科手術機器人ROBDOC?，之后手術機器人在脊柱外科的應用逐步開展，尤其在輔助椎弓根螺釘植入方面應用最廣。國內手術機器人在21世紀初期進入飛速發展階段，目前已有多家醫療器械公司聯合知名大學及三甲醫院進行各專科手術機器人的研發，并開始大規模應用于臨床[1-2]。2024年 3 月，睿米?RM-200在哈薩克斯坦阿斯塔納總統醫院輔助醫生順利開展機器人輔助SEEG電極植入手術，國產手術機器人已開始出口海外，得到國際同行認可。手術機器人的應用始于神經外科，但神經系統解剖結構復雜，需要精確的定位和精細的操作技巧以確保手術的成功和對周圍組織的損傷最小化，因此其在神經外科的臨床應用發展緩慢，相對而言，在立體定向與功能神經外科應用較為廣泛[3]。

1 手術機器人的臨床應用

1.1 優勢 手術機器人通過機械臂和傳感器技術能夠實現比人手更加精準和穩定的操作。在微創手術中，能夠確保手術器械在狹小的空間內精確地完成任務，減少手術創傷，術后恢復快。同時在長時間的手術中，機器人能夠保持高效率并穩定工作，降低手術風險。對于一些復雜或傳統手術方式難以處理的病例，手術機器人提供了新的解決方案。例如，對于位置深或周圍結構復雜的腫瘤，手術機器人能夠更加精確地切除病變組織，同時減少對周圍組織的損傷。

1.2 劣勢 隨著技術的不斷進步，手術機器人的研發和制造成本逐漸降低，但其推廣應用仍然受到經濟因素的制約。雖然手術機器人在許多方面表現出色，但其觸覺反饋不如外科醫生靈活，在某些特定情況下，手術機器人的操作可能仍然不如經驗豐富的醫生[4]。此外，手術機器人的應用涉及法律和倫理問題[5]，如手術機器人的權限和責任、醫生和機器人之間的協作關系等，這些問題需要在立法和倫理準則中進行明確和規范。

1.3 發展趨勢 隨著技術的不斷進步和政策的支持，未來手術機器人有望在更廣泛的領域得到應用。同時，隨著醫療數據的積累和人工智能技術的發展，其臨床應用將會逐步規范化，相應的操作指南也會更加完善。目前，計算機輔助手術導航系統結合手術機器人使用已通過美國FDA認證的商用無線頭戴式顯示器協助外科醫生更高效精準完成手術[6]。機器人結合數字化影像改變了神經外科手術，在脊柱神經外科領域有望實現重要的技術革新[7]。

2 手術機器人在神經外科的臨床應用

當前，手術機器人在神經外科主要用于腦組織穿刺以及腦深部功能區的定位導航，如血腫腔穿刺抽吸、顱內腫瘤活檢、癲癇的SEEG手術、帕金森病的DBS手術等。機器人輔助SEEG電極植入手術為準確切除致癇灶提供依據[8]。隨著神經外科手術機器人的廣泛應用，結合計算機技術、神經影像技術的進步，顱內病變立體定向活檢技術更加成熟，定位精準且損傷更小[9-11]。神經外科機器人輔助術中CT可以很輕松地實施腦室鏡下第三腦室造瘺術，并防止操作通道錯誤和腦室鏡的突然移動，減少手術引起的腦損傷[12]。另外，已有研究表明手術機器人可以輔助開顱，進行顱骨鉆孔及銑開骨瓣，更換手術磨頭修整骨窗，減少術區遮擋[13]。神經外科手術機器人可以在狹小的空間流暢操作，減輕副損傷，過濾操作者的手部顫抖，加強穩定性，使操作更加精準，減輕術者疲勞，縮短手術時間，進一步提高了手術安全性[14]。已應用于臨床的神經外科手術機器人見表1[15]。

2.1 國外神經外科手術機器人的臨床應用

20世紀 80 年代，PUMA手術機器人在美國開始輔助神經外科手術。美敦力等公司研發的手術導航設備也逐步開始應用于神經外科手術。美國美敦力公司研發的Mazor XTM手術機器人、法國Medtech 公司研發的 ROSA 手術機器人以及德國Brainlab公司研發的Digital O.R手術整合系統已應用于臨床[16]。

精準治療是國內外神經外科專家共識。ROSA機器人性能卓越，功能多樣，將導航與頭架結合，精準度高，手術過程高度安全，它能夠根據患者的具體情況，靈活設計手術入路，使得手術方案更加個性化和精準。已有研究表明ROSA 機器人可顯著提高神經外科手術精準度和安全性，適應證廣，減少患者圍手術期并發癥，且操作簡易，在神經外科手術中應用前景廣泛 [17-18]。

Gonen L等人[19]總結了200例ROVOT-m手術機器人輔助神經外科手術病例（包括穿刺抽吸、病變切除、微血管減壓、腦室內操作等），術后神經系統并發癥發生率為1.50%。同時，術者佩戴頭戴式顯示設備以顯示外視鏡視野，該設備中的虛擬光標可隨頭部轉動而移動，術者可選擇不同功能對機械臂進行控制。有文獻報道該機器人系統在3例額葉腫瘤手術中的應用反饋，可提高術者舒適度，無需切換傳統顯微外視鏡，亦未見機器人系統操作相關不良事件[20]。

2.2 國內神經外科手術機器人的臨床應用

國內神經外科手術機器人系統的研究起步較晚，大部分醫療器械公司的相關研究始于20 世紀 90 年代。國產手術機器人廠家普愛醫療分享的眾成數科和Medrobot聯合發布2022年1月～ 6月公開的銷售數據顯示，華科精準、柏惠維康（睿米）、安科、博醫來等公司的神經外科手術機器人、手術導航系統已經開始裝機使用。睿米手術機器人的醫學圖像標志點提取方法的臨床應用[21]使定位更準確。華科精準將 3D 結構光融入神經外科手術機器人[22]，對腦深部病變的切除更具臨床指導意義。

華科精準手術機器人是由清華大學與華科精準醫療設備股份有限公司聯合研發具有自主知識產權的神經外科手術機器人系統，可以輔助術者定位顱內血腫位置、腫瘤、腦功能核團，協助規劃手術路徑，并在實際操作中指導術者通過最佳手術入路完成手術，減輕腦神經損傷，縮短手術時間。2020年12月，搭載自主研發的3D結構光及HoloShot智能感知技術的新一代神經外科手術機器人獲國家藥監局批準上市，其具有無框架、無Marker、無需術前CT、手術時間短、注冊精度高等國際領先優勢。

顱腦深部疾病在神經外科手術機器人的輔助下可以更準確地定位病灶，規劃最佳手術路徑，從而減輕術后患者神經功能障礙。已有研究針對顱骨不規則三維結構進行機器人磨削設計[13]，將顱骨的三維重建圖像分割，提取磨削區域的三維模型，利用仿真軟件 Matlab 對 Jaka 機械臂的運動學和軌跡規劃進行仿真實驗，實現機器人安全開顱工作程序。

3 手術機器人在脊柱手術中的應用

脊柱作為脊髓及脊神經根的支撐結構，涉及多維度的運動功能，在解剖結構上與硬脊膜、神經根、血管等重要組織緊密相鄰。脊柱手術機器人能夠顯著提升手術的精準度，降低人為操作的失誤率，同時有效減少患者和醫生所受到的輻射量。更重要的是，它還能讓臨床醫生快速、高效地掌握脊柱手術的關鍵技巧[1]。脊柱外科經常需要用到椎弓根螺釘固定。C臂透視下徒手置釘可能出現失誤引起患者術后疼痛麻木及運動功能障礙等并發癥，機器人輔助手術可以提高置釘準確度，尤其在復雜困難病例進行椎弓根螺釘植入具有積極作用[23]。已有研究表明，基于振動信號融合的手術機器人椎板磨削剩余厚度識別有利于提升脊柱手術機器人自動椎板磨削過程的智能化程度和安全性[24]。

3.1 國外脊柱手術機器人的臨床應用 以色列脊柱手術機器人SpineAssist已于2004 年開始用于脊柱手術。法國ROSA脊柱手術機器人系統除了導航臂，還裝配了光學攝像機，用以提升機器人輔助手術準確率。另外，美國的無框架 Excelsius GPS?也是目前應用較廣的脊柱手術機器人。Huntsman K T 等人[25]和 Godzik J 等人[26]研究表明脊柱手術機器人具有安全性、精準性和可靠性，置釘準確率近99%。

3.2 國內脊柱手術機器人的臨床應用 國內脊柱手術機器人的研究起步雖然較晚，但發展較快，部分三甲醫院骨科與機器人公司合作研發比較普遍。例如，天智航與積水潭醫院聯合研究的天璣骨科手術機器人TiRobot?臨床應用效果好，能夠輔助后路寰樞關節內固定[27]。一項多中心隨機對照臨床研究通過對比使用機器人手術與傳統手術的病例的二維及三維精度，評價脊柱手術機器人系統在腰椎融合術中的精準度，結果表明機器人輔助能更好地規劃螺釘植入路徑[28]。

3.3 脊柱手術機器人的發展現狀 脊柱手術機器人目前仍處于發展初期，在輔助胸腰椎椎弓根螺釘植入方面應用普遍，在頸椎、腫瘤切除及側彎畸形等方面應用較少[29]。隨著手術機器人的使用越來越普及，需要研究如何提高脊柱機器人觸覺反饋能力，開發更簡單的配套操作軟件，便于臨床醫生使用[30]。

4 手術機器人的發展趨勢

目前全球的主流脊柱神經外科手術機器人產品如ROSA、Excelsius GPS?以及Mazor XTM等已經廣泛應用于臨床，隨著科技的發展，脊柱神經外科手術機器人的發展會更加智能[31]。

4.1 微創化 脊柱神經外科手術機器人的操作將越來越微創，其更精準的定位使得切口更小，創傷更少，同時縮短住院時間，降低并發癥發生率。手術機器人生產研發機構與醫院聯合研究產品性能，提升手術機器人的觸覺反饋水平，同時建立整體手術室的解決方案，也是我國脊柱神經外科手術機器人事業發展的重要機遇。

4.2 智能化 當前脊柱神經外科手術機器人還不能完成高效的全流程手術操作，多數局限在定位及導航功能。未來手術機器人系統與人工智能技術及3D打印技術結合，能夠提供一體化的解決方案，使脊柱神經外科的手術簡單化，同時在5G普及后可以實現遠程手術操作，提供偏遠基層醫療機構的技術支援。在機器人探針上整合神經電生理探頭，能及時反饋神經系統電信號，協助醫生進行手術，使手術創傷更小，并發癥更少。

4.3 個體化 針對不同患者、不同疾病，或者同一疾病的不同表現，手術機器人可以根據實際情況，通過大數據分析為患者制定個性化的手術方案，提高手術治療效果。

4.4 國家發展規劃 2023年1月，工信部等十七部門印發的《“機器人+”應用行動實施方案》指出，到2025年，全面推進機器人在社會民生領域的應用，研制手術、急救、康復等醫療輔助機器人產品。鼓勵醫院使用手術機器人，建設機器人應用標準化手術室，研究手術機器人臨床應用標準規范[2]。手術機器人結合AI將會是未來的發展方向，目的在于盡量減輕臨床醫生的工作量，提高機器人在手術中參與度，從而提高手術準確度，并縮短手術時間[32]。

5 結語

本綜述闡述了目前手術機器人在神經外科、脊柱外科的臨床應用情況和未來發展前景，探討其微創化、智能化、個體化的發展方向。隨著臨床應用手術機器人的需求越來越多，結合國家發展規劃，脊柱神經外科手術機器人必將迎來飛速發展。虛擬現實和機器人技術在神經外科的應用越來越廣泛，由于大腦解剖和生理學的復雜性，其在神經外科的應用進展緩慢，但有良好的發展潛力。醫學、工程、科學和技術領域之間的合作將創造出新產品，使外科醫生能夠利用機械輔助進行手術，同時獲得實時的視覺、聽覺和觸覺反饋，促進脊柱神經外科手術技術發展[33]。脊柱神經外科手術機器人的長期臨床效果及安全性尚缺乏循證醫學證據支持。目前，在多數研究中未發現嚴重的并發癥，未來需要建立隨機對照研究，并長期隨訪治療效果，形成指南性文件，促進手術機器人專業技術的良性發展。同時，配套脊柱神經外科術后康復機器人的開發，更有利于提高治療效果，發展前景廣闊。

利益沖突聲明：本文不存在任何利益沖突。

作者貢獻聲明：熊東負責設計論文框架，文章撰寫和修改；鄭鋒偉、程超、王天澤負責收集文獻；李維新負責指導撰寫文章并最終定稿。

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編輯：崔明璠