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    骨科手術機器人目前主要使用領域包括：人工關節(jié)置換、復雜的骨盆及髖臼骨折、骶骨骨折脫位、髓內(nèi)釘遠端鎖定和股骨頸骨折螺釘固定等。目前國內(nèi)外均有關于脊柱外科手術機器人系統(tǒng)研制或臨床應用的文獻報道，在復雜脊柱畸形矯正手術的術前計劃中，機器人的三維成像和導航技術使平面影像資料無法看清的結構成為動態(tài)的三維圖像，從而實現(xiàn)活體解剖結構立體可視化，有助于提高手術計劃和手術操作的精確度。脊柱手術機器人的研發(fā)已經(jīng)受到國內(nèi)外學者的高度重視，尤其是微創(chuàng)脊柱外科手術機器人具有廣闊的臨床應用前景?，F(xiàn)將脊柱外科手術機器人系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢綜述如下。

    一、機器人系統(tǒng)在脊柱外科手術中的研究現(xiàn)狀

    骨科手術往往個體差異性很大，使得手術操作對醫(yī)生的經(jīng)驗依賴很重。這是骨科手術機器人的操作能力遠遠落后于其他外科手術機器人的重要原因之一。從國內(nèi)外脊柱外科手術機器人的發(fā)展現(xiàn)狀看，我國遠遠落后于國外，我國脊柱外科手術機器人的研制仍然處于實驗研究階段，而國外已經(jīng)有成熟產(chǎn)品經(jīng)過美國食品及藥物管理局（FDA）批準并應用于臨床。

    1.國外研究現(xiàn)狀：國外有關脊柱外科手術機器人的研制較多，甚至已經(jīng)有產(chǎn)品經(jīng)過FDA批準并已應用于臨床。Cruces和Wahrburg將機器人機械臂輔助與計算機導航相結合應用于骨科，手術醫(yī)生可以通過手動牽引機械臂運動來提高骨科手術的準確性和安全性，在不降低靈活性的同時，提高機器人的輔助功能。Ortmaier等在牛的脊椎骨和人工骨上進行實驗研究機器人輔助導航的椎弓根螺釘置入前的鉆孔和磨削實驗，結果指出機器人輔助手術可以提高手術操作的可靠性。東京大學的研究人員則研制出能夠在經(jīng)皮穿刺椎體成形術中進行準確的穿刺操作的小型機器人以避免醫(yī)生在此環(huán)節(jié)中的X線輻射。Kiｍ等采用雙平面透視引導手術機器人系統(tǒng)，通過術前圖像進行手術計劃，通過術中圖像進行導航來進行微創(chuàng)脊柱椎弓根螺釘置入手術操作。該系統(tǒng)包括一臺O型雙平面透視機，手術計劃與手術操作系統(tǒng)和一個輔助機械臂構成。通過兩具尸體標本胸腰椎椎弓根螺釘置入實驗，結果顯示通過O型臂圖像建立坐標系的精度是（0.30±0.15） mm，該機器人系統(tǒng)的復制值達到4.97 mm，精度達到0.358 mm，整個系統(tǒng)的誤差在（1.38±0.21）mm。術前計劃軸位角度與術后偏差在2.45°±2.56°，矢狀位角度偏差在0.71°±1.21°。結果顯示該系統(tǒng)能夠提高微創(chuàng)經(jīng)皮椎弓根螺釘植入的準確性。

    Ponnusamy等率先應用達芬奇手術機器人通過改進的人體工程學和控制功能，在豬胸腰椎脊柱標本上進行后路非螺釘置入的手術操作，機器人的應用可以使手術醫(yī)生工作一整天，而不會出現(xiàn)嚴重疲勞和手部顫動。Yang等應用達芬奇手術機器人在豬標本上進行前路腰椎融合手術，整個手術時間為6 h，手術期間存在由于機械臂的碰撞等原因?qū)е碌囊恍┎l(fā)癥，但是沒有明顯的神經(jīng)、血管、周圍臟器損傷，并且手術后椎間融合器位置滿意。該結果證實了應用達芬奇手術機器人進行豬腰椎前路融合手術的安全性及有效性，但是仍然需要在動物標本及人尸體標本進行進一步實驗來進行對比驗證。Kim等在豬標本上應用達芬奇手術機器人進行腹膜后腰椎前路減壓融合術，同樣證實了達芬奇手術機器人在脊柱外科手術應用中的可行性，并且體現(xiàn)了手術視野顯示較好，出血少等優(yōu)點。

    國外在脊柱手術機器人的臨床應用主要以Spine Assist系統(tǒng)為主，該系統(tǒng)經(jīng)過手術操作的實驗探索和微創(chuàng)椎弓根螺釘植入實驗的驗證，已被FDA批準并應用于臨床。Pechlivanis等采用Spine Assist系統(tǒng)對31例患者進行微創(chuàng)經(jīng)皮后路腰椎融合術，共置入133枚椎弓根螺釘，91.0％～98.5％的系統(tǒng)準確性與術前計劃偏差＜2 mm，29例患者均采用該機器人系統(tǒng)成功進行手術治療。Sukovich等應用Spine Assist系統(tǒng)微創(chuàng)經(jīng)皮內(nèi)固定治療14例臨床病例，成功率達到93%，96%椎弓根螺釘?shù)奈恢门c計劃進釘偏差在1 mm之內(nèi)，該系統(tǒng)能夠與很多微創(chuàng)經(jīng)皮內(nèi)固定系統(tǒng)協(xié)同配合使用，明顯減少手術醫(yī)生的射線損傷。Kantelhardt等將傳統(tǒng)開放手術與Spine Assist系統(tǒng)輔助開放手術和Spine Assist系統(tǒng)輔助微創(chuàng)經(jīng)皮椎弓根螺釘置入進行比較研究，分析了112個病例資料及CT數(shù)據(jù)，其中57例傳統(tǒng)開放手術，20例Spine Assist系統(tǒng)輔助開放手術和35例Spine Assist系統(tǒng)輔助微創(chuàng)經(jīng)皮椎弓根螺釘置入手術，機器人輔助手術組準確率為94.5%，傳統(tǒng)開放手術組為91.4%。Spine Assist系統(tǒng)輔助開放手術和微創(chuàng)手術組之間無明顯差異。機器人輔助手術組平均射線暴露時間為34 s，而傳統(tǒng)開放手術組為77 s。微創(chuàng)手術組圍手術期鴉片類鎮(zhèn)痛藥物需要量少，住院時間短，不良事件發(fā)生率低。Devito等通過多中心大規(guī)?；仡櫺匝芯浚g后CT評估664例椎弓根螺釘?shù)奈恢们闆r，98.3%的螺釘位置在安全區(qū)域內(nèi)（89.3%的螺釘完全位于椎弓根內(nèi)，9％的螺釘超過椎弓根壁但在2 mm以內(nèi)），1.4%的螺釘超過椎弓根壁在2～4 mm，0.3%的螺釘超過椎弓根壁4 mm。4例出現(xiàn)神經(jīng)功能損傷，經(jīng)過翻修手術后恢復正常。Spine Assist系統(tǒng)輔助螺釘置入較徒手內(nèi)固定方法明顯增加螺釘置入準確性，降低神經(jīng)損傷風險。

    2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀：國內(nèi)文獻報道最早的是Wang等針對脊柱椎管狹窄癥減壓手術中椎管壁磨削不安全這一問題，介紹了一種基于力反饋控制策略的脊柱外科機器人系統(tǒng)；利用脊柱磨削手術過程中磨削力的變化特點，提出了基于力反饋的脊柱外科機器人控制策略，輔助醫(yī)生實現(xiàn)安全的脊柱手術操作，并通過仿真實驗和模擬骨磨削實驗，驗證了基于力反饋控制策略的脊柱外科機器人系統(tǒng)的可行性。鞠浩等為了解決脊柱微創(chuàng)外科手術中的高精度定位問題，設計并研制出一套基于CT引導的5個自由度的脊柱微創(chuàng)外科手術機器人輔助定位系統(tǒng)；機器人可以在人的操作下定位到指定的位置姿勢，在機器人關節(jié)鎖定后保持穩(wěn)定，從而為醫(yī)生建立一個穩(wěn)固的手術平臺，醫(yī)生可以在沿著機器人末端執(zhí)行器的方向，進行穿刺等微創(chuàng)手術。宋銀灝等設計了一套5個自由度醫(yī)療機器人系統(tǒng)用于輔助脊柱微創(chuàng)外科手術操作，利用傳感機構實現(xiàn)了對機器人末端工具的位置姿勢反饋，并以此構成了對機器人末端工具的閉環(huán)控制；實驗結果驗證了控制系統(tǒng)具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。

    張春霖等自主研發(fā)了無框架脊柱導航手術機器人，該機器人的空心機械手位移精準到0.1 mm，角度旋轉精確到0.1°；應用該機器人結合C型臂X線機，不僅能實時動態(tài)監(jiān)測確保進針的精度與安全，還能遙控操作減少或避免射線暴露，也無需進行各種匹配與注冊等繁瑣操作，是一種高科技與普通影像技術相結合的、操作簡便、易于掌握、具有良好應用前景的新方法。新橋醫(yī)院骨科與中國科學院沈陽自動化研究所合作研發(fā)了第一代遙控型脊柱微創(chuàng)6個自由度串聯(lián)手術機器人，該機器人主要用于脊柱微創(chuàng)手術中椎弓根螺釘?shù)闹萌?；該機器人具有無顫動鎖定的實時鎖定系統(tǒng)，機械臂末端安裝有骨鉆夾持器用于夾持氣動骨鉆，并可進行醫(yī)療消毒。骨鉆夾持器集成六維力/力矩傳感器，使手術者能夠通過操作手柄感知骨鉆鉆孔過程中受力變化；集成微型術野觀察攝像機，其視野與氣動電鉆位置保持固定，可觀察術野局部清晰圖像（DVD畫質(zhì)）；醫(yī)生控制臺提供觸屏操作界面和操縱桿方便醫(yī)生進行操作。前期的實驗結果證實該脊柱微創(chuàng)手術機器人的準確性及安全性。

    二、脊柱外科手術機器人系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

    1.脊柱外科手術機器人系統(tǒng)目前存在的主要問題：脊柱外科手術機器人系統(tǒng)的主要缺點是機器人的機械臂外形設計大多偏重于工業(yè)機器人外形，硬件體積大，占地面積較大，影響其在手術室的安裝與手術操作。所以我們需要對脊柱外科手術機器人進行改進，增加機器人系統(tǒng)的可用性和實用性，研制出適合于臨床應用的外形人性化的機械臂。另外一個缺點是在醫(yī)療機器人對患者進行操作時，機器人與患者的相對位置可能并不是恒定的，機器人操作過程中患者會發(fā)生微動導致手術操作的不準確。所以我們要確保手術機器人與患者相對位置的恒定，手術操作過程中，我們可以通過骨性結構的識別，避免損傷肌肉、皮下脂肪組織等軟組織。目前已有文獻報道，應用脊柱架或是安裝紅外系統(tǒng)，來進行動態(tài)參考和互補，減小誤差。在脊柱外科手術機器人設計過程中，手術醫(yī)生要與工程設計師密切合作，將需求與設計緊密結合，研究出緊緊圍繞臨床需要的脊柱手術機器人。

    2.脊柱外科手術機器人系統(tǒng)未來的主要研究方向：脊柱外科手術機器人系統(tǒng)設計的微創(chuàng)化、手術導航的準確性、手術操作的個性化及術中安全監(jiān)測功能的安全性是未來的主要研究方向。微創(chuàng)手術是目前外科手術領域的主要發(fā)展方向，然而，隨著微創(chuàng)手術領域的拓展，微創(chuàng)外科的代表技術腔鏡手術技術的局限性也顯露出來，手眼間協(xié)調(diào)性的降低、觸覺的減弱和手的不自主陣顫增加了腔鏡手術的困難。以突破這種局限為動機而發(fā)展起來的脊柱微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)，預示著微創(chuàng)外科新的時代的來臨。脊柱外科手術機器人研究將集中于設計和改進與骨科手術操作相適應的機器人部件或能進行特定操作的小型機器人，使其滿足微創(chuàng)脊柱外科的需要。同時增強機器人的遠程精確操作功能，使遠在千里之外的脊柱外科專家能夠為病患進行精確的手術治療。

    脊柱外科手術機器人系統(tǒng)手術導航的安全性需要進一步提高。傳統(tǒng)手術采用X線片及CT橫斷掃描對脊柱進行椎弓根釘置入，表面輪廓和空間結構關系不能清楚顯示，同時復雜的脊柱解剖結構，影響內(nèi)固定放置的準確性。手術導航系統(tǒng)可對手術區(qū)域附近結構進行三維定向和定位，安全方便，可提高椎弓根釘置入的準確率?？梢暬夹g的進步，將透視成像系統(tǒng)、影像導航系統(tǒng)與機器人結合，逐漸形成機器人外科手術系統(tǒng)，可以完成手術某一部分或為手術提供穩(wěn)定的支持平臺，機器人圖像導航技術使解剖結構可視化，進行詳細的術前計劃，提高手術的準確性，及時評價和調(diào)整手術方法，顯著減少術中X線輻射量。

    脊柱外科手術機器人系統(tǒng)手術操作個性化設計及術中安全監(jiān)測功能的進一步完善。醫(yī)生通過患者個性化CT或MRI數(shù)據(jù)重建三維模型，對模型確定手術操作流程，對手術入路和路徑進行最優(yōu)規(guī)劃，對關鍵的解剖標志進行精確識別，編寫手術操作的指令，監(jiān)控機器人手術正確無誤的完成。另外，機器人系統(tǒng)將集成術中神經(jīng)電生理監(jiān)測、三維定位功能等來為操作者提供實時監(jiān)控，提高手術安全性，同時應用更好光學性能的先進*，為醫(yī)生提供更明亮、光線分布更均勻的全景圖像。

    機器人輔助脊柱外科手術是醫(yī)療機器人的一個新的發(fā)展方向，它有效解決了脊柱外科手術時間長、醫(yī)生勞動強度大、經(jīng)驗要求高等問題，提高了手術精度，縮短了手術時間，降低了手術風險。脊柱外科手術機器人的研發(fā)越來越受到國內(nèi)外學者的高度重視，尤其是微創(chuàng)脊柱外科手術機器人的研制，不僅減小手術創(chuàng)傷、簡化手術操作，而且能夠提高手術操作的精確性。相信在不久的未來，脊柱外科手術機器人將會應用于臨床，大大促進微創(chuàng)脊柱外科的發(fā)展。本文刊發(fā)于《中華外科雜志》2012年第50卷第9期856～858頁