作者：苏州大学附属第一医院骨科 宗路杰
自从1987年完成首例
脊柱机器人的种类及临床应用现状
脊柱机器人按功能可以分为：监督模式、遥控模式和共享控制模式。在监督模式下，医生只需要在术前制定周密的手术计划，术中机器人在医生的密切监控下自动操作完成手术。遥控模式机器人是由医生直接控制机器人（如达芬奇机器人）持有手术器械进行手术，可用于远程手术。脊柱外科机器人大多数是共享控制模式，医生在术前进行手术规划，术中医生和机器人同时控制器械，手术全程都需手扶操作。机器人也可按结构（机械臂的连接方式）分为串联型和并联型。串联型机器人的特点是灵活性高、操作范围大，但是其体积较大，累计误差导致机器臂末端的精度和稳定性降低，因此目前已有部分串联型机器人通过运动传感器或光学追踪组件的运动补偿来修正精度。而并联式机器人的结构使其具有体积小、精度高、末端稳定性佳的优势，但是其设计也更为复杂且工作范围狭小。
国外机器人 目前美国FDA批准可用于临床置入椎弓根螺钉的机器人系统有三个：Mazor系列、ROSA和ExcelsiusGPS。
Mazor系列机器人是以色列Medtronic公司设计的Mazor系列机器人，上市最早，使用也最为广泛，已经从第一代SpineAssist、第二代Renaissance更新至第三代MazorX。SpineAssist是在2004年第一个被美国FDA批准用于脊柱外科手术的机器人，至今仍是临床应用最广泛的手术机器人。SpineAssist是并联式机器人，拥有6台电机和6个自由度，总质量仅有250g。在术前需要用一个Hover-T框架固定在骨性标志上，从而维持术中相对位置固定。其工作流程可简化为：术前进行影像学注册和手术设计，术中用C型臂X线机进行配准，再依据术前设计的置钉路径调整6台电机的位置和角度，然后医生只需参照导向臂的方向打孔置钉。SpineAssist的安全性和精准性已得到大量研究证实，其导航功能优于传统的术中导航。
传统的导航系统要求医生时刻注视显示器以遵循预定的手术路径，对手眼协调的要求很高，而SpineAssist的机械臂可以自动沿着预定轨迹进行定位，增加了安全性。Renaissance是2011年在SpineAssist基础上推出的第二代脊柱机器人，主要升级了软件和用户界面，使医生通过C型臂X线机透视就可以进行三维重建。它还可以在螺钉开孔前通过局部磨削来预防引导套管打滑。MazorX是2016年推出的最新型号，改成了串联式机械臂，不仅增加了操作范围和灵活性，还减少了对部分器械的依赖。MazorX还拥有一枚摄像头，用于在手术环境中判断自身位置从而避免碰撞。此外，MazorX还可以对单个椎体进行独立定位，提升了手术的精准性。Mao等的研究比较了O型臂X线机导航和MazorX置钉的精确性，发现MazorX达到Gertzbein-Robbins评分A级的比例明显高于O型臂X线机导航（86.16％vs65.99％）。
ROSA机器人法国MedTech公司2012年推出的ROSA机器人最初是为脑外科设计的，2014年改进为ROSASpine，2016年被FDA批准用于脊柱外科。ROSA机器人有6个自由度的机械臂，并在末端集成了力学反馈系统，可以在手术过程中识别力学信号来提高手术的安全性。它的导航系统基于O型臂X线机进行3D重建，能够在术中进行实时追踪。与MazorX一样，ROSA也集成了摄像头来跟踪患者的呼吸运动，并能实时调整机器人的相对位置，这是ROSA机器人的一大优势。文献报道ROSA机器人置钉Gertzbein-Robbins评分B级以上的成功率可达98.9%和97.3%。
ExcelsiusGPS机器人美国Globus公司推出的ExcelsiusGPS机器人在2017年获得FDA批准。其不但可以进行实时追踪、运动补偿，还可以通过其机械臂直接经皮置钉而无需棘突夹固定。Vardiman等应用ExcelsiusGPS机器人经皮置入348枚椎弓根螺钉，发现其中仅9枚螺钉需要重新定位，成功率达到97.4％。Huntsman等报道，他们使用ExcelsiusGPS机器人完成的前100例椎弓根螺钉置入术的成功率达到了99％。
达芬奇机器人（DaVinciRobot）它是临床使用最广泛、最著名的医用机器人，主要用在腹腔镜手术，近年来也用于脊柱外科，包括腰椎前路椎间融合术（ALIF）、胸腰椎神经纤维瘤切除术等。之前在腹腔镜下进行ALIF较传统开放前路手术没有明显收益而已被逐渐抛弃。然而Lee等首次使用达芬奇机器人完成了2例L5/S1ALIF，认为达芬奇机器人进行前路脊柱手术相较传统腔镜下手术更为精准，手术并发症更少。
SPINEBOT机器人SPINEBOTv1机器人在2005年由韩国汉阳大学研发，最新已升级到第二代（SPINEBOTv2），主要新增了导航模块，其导航采用双平面连续透视来定位。Kim等利用该机器人进行了尸体实验研究，置入的28枚螺钉中26枚（92.86%）位置满意，平均误差为1.38±0.21mm。
VectorBot机器人2006年由德国航空航天中心研发，由机械臂和光学追踪系统构成。其特点是通过VectorVision光学系统来追踪固定在椎体上的标志点，而无需进行术中透视。然而固定光学标志点会造成额外创伤，限制了其临床应用。
Neuroglide机器人Neuroglide机器人是2012年瑞士洛桑大学为上颈椎手术设计的高精度并联式机器人，其机械臂拥有4个自由度，末端集成了钻孔导向器。由医生根据解剖标志粗定位后依据其光学系统和算法进一步精确定位，然后医生沿着钻孔导向器置钉，体外试验中其定位精度为1.94mm，在改进钻头打滑等问题后其精度达到了0.41mm。
SpinoBot机器人是针对脊髓细胞疗法研发的机器人。脊髓前角注射干细胞被认为具有治疗肌萎缩性侧索硬化症（ALS）的潜力，然而难以精准定位限制了其临床应用。SpinoBot机器人基于MRI定位，在2个平移方向和2个旋转方向共有4个自由度，在体外研究中显示其平均误差为1.12±0.97mm，也有望用于其他需要脊柱精准定位的手术。
国内机器人 虽然我国对于医疗机器人的研究成果并不少，但最终能进行科研成果转化走上市场的产品仍很少，其中天玑机器人是为数不多的经过了临床实践检验的产品。
天玑机器人2015年，北京积水潭医院和北京天智航公司合作研发了天玑机器人，包含了6自由度机械臂系统、光学追踪系统与手术规划及导航系统。天玑机器人机械臂系统的底座可移动，并有自动平衡系统来保持与患者位置相对稳定，其整体机械精度可达1.0mm。其光学系统的追踪精度可达0.30mm，可以在术中实时监测机械臂与患者的相对位置及变化，还能通过实时运动补偿来确保机械臂准确按照预先设计的手术路径置钉。在一项纳入40例患者的随机对照研究中，天玑机器人显示了优异的精度，平均误差1.77±0.78mm，明显优于传统透视下徒手置钉（3.92±1.80mm）。另一项纳入了234例患者的随机对照研究显示，天玑机器人有95.3％的螺钉达到了A级，平均误差1.5±0.8mm，在精确度、术中出血和放射暴露剂量方面都显著优于传统透视下徒手置钉；此外，机器人组没有出现螺钉侵犯关节突，而徒手置钉组有12枚螺钉侵犯了关节突。最近一篇纳入了9项随机对照研究的荟萃分析发现，在比较机器人和徒手置钉精确度的亚组分析中，天玑机器人展示出了比Renaissance更好的精确度。颈椎尤其是上颈椎的椎弓根狭窄，解剖结构更加复杂，更易损伤颈髓、血管、神经根，而且后果往往更加严重。2015年，天玑机器人完成了世界上首例机器人辅助的上颈椎手术。最近的一项针对颈椎椎弓根螺钉置入的随机对照研究显示，天玑机器人的成功率达到98.9%，精度优于传统透视下置钉（0.83mmvs1.79mm），而且术中出血更少，住院时间更短。
脊柱微创手术机器人2008年，第三军医大学新桥医院与中科院沈阳自动化研究所合作研发了脊柱微创手术机器人。该机器人具有6个自由度的机械臂，末端装有力学传感器来实时反馈末端受力情况；还集成了气钻，可以实现遥控手术，减少医护受到的辐射。但由于其没有结合导航系统，因此临床应用较局限。
无框架脊柱手术机器人2010年，郑州大学第一附属医院报道了自主研发的无框架脊柱手术机器人，其特点是无需框架固定、导航注册等环节，而是基于术前CT调整C型臂X线机角度，在椎弓根标准轴位片上用机械臂和尾端呈“十”字状的导针进行定位，体外实验显示60枚螺钉均成功置入。由于无需导航和固定，具有成本较低、操作简便的优势。
脊柱手术机器人中科院深圳先进技术研究院主导研发的脊柱手术机器人（RSSS）已经升级为RSSS-Ⅱ，基于三维导航，其串联式机械臂有6个自由度，末端集成了力反馈钻骨装置设计，目前尚无临床应用报道。
脊柱椎弓根螺钉微创置入机器人苏州大学附属第一医院与北京航空航天大学和北京大学第三医院合作，设计了只需C型臂X线机和定位环就可以将二维图像坐标转化为三维空间坐标的算法，该配准方法完成一次定位仅需3.5min，然后通过计算机控制6自由度的机械臂完成置钉操作。体外研究显示其最大平移误差为1.31mm，最大旋转误差为0.94°，并在35min内成功置入4枚椎弓根螺钉，可以既好又快地满足临床的需求。最近又进一步完善了该机器人系统，可以基于C型臂X线机透视进行实时的三维重建，还进一步集成了光学跟踪系统，体外验证精度为（2.54±0.15）mm，置钉合格率达到了100%。
结构光辅助导航脊柱穿刺手术机器人苏州大学附属第一医院与哈尔滨工程大学合作开发了基于三维结构光定位的脊柱机器人辅助导航系统，它可以利用术中结构光图像与术前CT进行配准，相对于传统的C型臂X线机或O型臂X线机导航完全无辐射，体外实验验证其定位精度为3.34±0.12mm，达到了脊柱穿刺手术导航的基本需求。
脊柱机器人的优势
提高置钉的准确性 目前，机器人技术在脊柱外科中主要用于置入椎弓根螺钉，置钉的准确性至关重要。机器人出现之前主要依靠解剖标志和术中透视来辅助定位，文献报道传统置钉失败率可达20％~40％。在实际手术过程中，椎体的轴向旋转往往导致螺钉错位，Tian等的研究证明，3D计算机辅助导航可以校正椎体的轴向旋转，其准确性高于传统方法组（P<0.01）。Mason等的系统评价也指出计算机导航可以提高置钉准确度，术中透视、2D导航和3D导航的准确度分别为68.1%、84.3%、95.5%。另一项系统评价认为计算机导航下颈椎、胸椎、腰椎三个区域的置钉准确度相比术中透视都有所提高。大多数脊柱机器人系统都有计算机导航，目前对于导航辅助机器人和导航下徒手置钉的准确性比较仍有争议。大多数研究认为导航辅助机器人置钉的准确性优于导航下徒手置钉，可能的原因是长时间的脊柱手术会使医生肌肉疲劳和动作变形，而且实时关注导航显示器会分散医生注意力。但也有作者认为机器人置钉的准确性不及导航下经验丰富的外科医生（85%vs93%），或者两者无统计学差异。2018年的一项荟萃分析纳入了10篇文献，发现导航辅助机器人置钉的准确性优于导航下徒手置钉。
减少术中辐射 导航辅助机器人相比徒手置钉可以减少医护的辐射剂量。目前导航辅助机器人的主要原理为：术前依据患者CT进行手术设计，术中通过C型臂X线机或O型臂X线机进行配准，并通过导航系统完成注册和术中追踪器械。一旦完成注册，机器人就可以无需反复进行术中透视，从而降低医护的放射暴露。一项随机对照研究显示，在腰椎后路手术使用导航可以显著降低放射暴露剂量，仅为透视组的1/10。Hyun等的研究显示，在应用机器人之后，置入1枚腰椎螺钉仅需暴露3.5s，相比徒手置钉（13.3s）明显降低。Roser等的研究也有类似的结果：机器人置钉组放射暴露时间（15.98s）明显低于徒手置钉组（31.5s）。在椎体成形术中，Barzilay发现使用SpineAssist机器人降低医护人员74％的放射暴露剂量。Kim等发现，随着经验的积累，熟练操作机器人后总透视时间比早期病例减少了30％。
具有微创优势 在临床指标方面，目前的研究注重于报道手术时间、住院时间、翻修率和感染率等，尚缺乏长期预后指标如SF-12生活质量简表和Oswestry功能障碍指数（ODI）等的报道。一项纳入了32篇文献的综述认为，机器人手术会增加手术时间，但缩短了住院时间。Yu等的荟萃分析认为机器人和徒手置钉技术在准确性和并发症方面无明显差异，然而机器人组的并发症均为感染，可能与手术时间长有关。Staartjes等的荟萃分析纳入了7095例病例，发现机器人组的翻修率明显低于传统手术组（P=0.04），不仅是因为导航辅助技术可以看得更准，从而无需广泛剥离软组织，实现微创和快速康复的效果；而且机器人可以做得更精细，确保了在狭小空间内操作的精确性与安全性。还有一些研究发现使用机器人进行经皮置钉，可以进一步降低感染率、减少止痛药使用率和住院时间。两项随机对照研究都发现，机器人组的椎弓根螺钉相比徒手组距上关节突更远，对关节突的侵犯更少，有利于减少术后应力改变导致的邻近节段退变。
总结和展望
医疗机器人经过30多年的发展，已经在微创手术和精准医疗方面取得了巨大的成就，脊柱外科机器人还在减少医护职业暴露、提高手术安全性上获得了成功。与传统的透视下徒手置钉相比，机器人置钉更准确，更安全，医护辐射更少，患者恢复更快。然而，目前的脊柱机器人仍有以下缺点：（1）缺乏可靠的
脊柱外科机器人的一大优势在于更高的精度。目前大部分有关脊柱机器人的文献都在讨论胸腰椎融合术，随着技术的改进和适应证不断扩大，机器人在更高精度的手术中有望占有一席之地，如颈椎手术、脊柱肿瘤切除术和腰椎骨盆内固定术。维持导航系统和患者间相对位置稳定有助于提高手术精度，可以改进固定装置，使其与患者间固定更加牢靠；也可以增强光学追踪系统的实时监控和运动补偿功能。目前机器人的精度受限于术前、术中的影像学匹配精度、术中光学系统的追踪精度与机械臂的机械精度，上述领域的技术改进都将提高机器人的精度和安全性。其他技术的发展也给脊柱机器人改进带来了新的契机。虚拟现实技术的发展有望降低外科医生的学习门槛，尤其是对于成本高昂的医疗机器人。5G技术带来的低延时通信可以助力外科医生操控机器人进行远程手术。人工智能（AI）技术的发展可以使机器人能够预测手术操作和潜在危险，进一步为手术安全保驾护航。
来源：中国脊柱脊髓杂志2021年第31卷第8期
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