作者：西安交通大学附属红会医院脊柱外科 李帅
自Roy-Camille首创椎弓根螺钉内固定术后，椎弓根螺钉一跃成为使用最广泛的医疗器械之一。然而螺钉置入错位频发，可能损伤神经或脊髓。传统脊柱手术依赖徒手或透视引导置入螺钉，但徒手引导高度依赖术者经验，而二维透视图像易导致解剖重叠、定位模糊，且多次透视增加感染风险、辐射暴露及延长手术时间。研发智能化辅助系统的初衷之一是提高椎弓根螺钉置入的精确性。早期受技术限制，智能化辅助系统发展缓慢，随着医学影像技术升级至3D可视化技术，智能化辅助系统在脊柱、关节、创伤骨科等领域快速发展。智能化辅助系统覆盖手术全流程并增强临床医师感知，提高手术精准度与可重复性，简化操作，同时减少创伤、缩短手术时间及减少辐射暴露。本文对脊柱外科智能化辅助系统研究进展作一综述。
脊柱外科智能化辅助系统发展现状
国外脊柱外科智能化辅助系统的发展进程 国外报道的多款智能化辅助系统（如德国Ortomaquet公司的Caspar、以色列Mazor公司的Renaissance、法国Medtech公司的RosaSpine、瑞典MedicalRobotics公司的Pintrace及德国Brainlab公司的Vectorbot）均用于辅助定位。美国ThinkSurgical公司的Robodoc、MakoSurgical公司的Rio及英国Acrobot公司的AcrobotSculptor均以术中灵巧操作见长。此外，用于脊柱外科的手术机器人包括以色列Mazor公司的SpineAssist/Renaissance、法国Medtech公司的RosaSpine、韩国CUREXO公司的Spinebot等。其中，SpineAssist采用并联构造，工作空间较小但体积小、定位精准度高；而Spinebot、Vectorbot和加拿大SynaptiveMedical公司的Neuroglide等采用串联构造，工作空间大但整体刚度较弱，末端定位精准度有待提高，且体型较为笨重。SpineAssist由以色列Mazor公司基于Mars改进并商业化，是目前唯一获美国食品药品监督管理局（FDA）及欧盟CE双认证的脊柱手术机器人。SpineAssist采用CT与X线双模态导航，术前获取脊柱CT数据，术中拍摄2张X线片完成配准，固定后精准定位椎弓根螺钉置入通道。研究表明，该系统显著提高了螺钉置入的准确性，减少了辐射暴露，且未见相关并发症报道。RosaSpine集成术中CT/MRI引导与立体定位技术，精度达亚毫米级，支持实时调整及个性化手术方案，显著提高手术效率与手术稳定性。韩国汉阳大学2005年研发的Spinebot为7自由度自动钻孔机器人，融合术前CT/MRI与术中红外导航技术，用于椎弓根螺钉置入；v2版本改为5自由度架构，采用双平面透视导航，仅完成实验阶。Vectorbot整合了轻型动力机器人与光学导航系统，用于防止临床医师操作偏离，并未商业化。Li等对比了O型臂结合导航系统与天玑骨科机器人治疗青少年先天性脊柱侧凸的疗效，发现O型臂结合导航系统的矫正效果更好，临床效果更令人满意。
国内脊柱外科智能化辅助系统的发展进程 国内智能化辅助系统起步较晚，先后有哈尔滨工业大学、东南大学、北京航空航天大学等进行相关研究，其中哈尔滨工业大学研发了一种基于固定平台的手术系统，东南大学开发了下肢骨骼手术固定系统。天玑骨科手术机器人由北京航空航天大学研发、天智航公司生产，是我国首款自主研发的多学科手术机器人，2016年获国家食品药品监督管理总局批准。该系统集成图像导航定位、6自由度机械臂、光学跟踪及手术规划功能，适用于脊柱、关节、创伤骨科手术。该系统由高精准度机械臂执行路径定位，光学跟踪系统实时监测解剖结构与机械臂位置，导航系统通过3D影像重建与实时数据同步，确保机械臂沿预设轨迹精准运行，术者通过套管引导导针完成螺钉置入。2016年，Tian成功完成了世界首例骨科手术机器人辅助下寰枢椎经关节突内固定术。
脊柱外科智能化辅助系统分类
机器人系统和导航系统 机器人系统有以下分类：①监督控制交互，临床医师制定手术方案，而机器人系统在监督下完全自动化执行操作；②远程手术交互，临床医师操纵控制器来控制机器人系统持有的手术器械；③共享控制系统，通过术前计划使机器人系统定位至预设的位置后，临床医师手动操作器械。此外，依据与人的交互程度和自动化水平，导航系统可分为被动式、交互式和全自动式。
20世纪70—80年代，导航系统开始应用于神经外科领域。1979年，Brown-Roberts-Wells系统结合CT图像和立体定向框架，实现病灶精确定位。导航系统于20世纪90年代开始应用于脊柱外科，进行腰椎椎弓根螺钉置入，2000年集成术中CT3D重建技术。2017年，Overley等对导航系统进行了概述，包括德国Brainlab公司的Airo移动术中CT、美国Stryker公司的SpineMaskTracker和SpineMap软件、美国美敦力公司的O型臂CT导航，以及德国ZiehmImaging公司的ZiehmVisionFDVario3D。导航系统融合术中成像与计算机辅助技术，通过多模态影像可视化及实时动态追踪（支持二维/3D透视及CT），结合围手术期数据，辅助椎弓根螺钉安全置入，多于患者体表固定红外定位装置。研究表明，其椎弓根螺钉误置率为2%~6%。Cammarata等对1288枚椎弓根螺钉的分析显示，导航系统辅助置钉较传统透视置钉准确性更高，并发症发生率更低。随着系统的更新换代，导航系统已广泛应用于全脊柱手术。机器人系统作为新型交叉领域，融合医学、材料学、机械制造、数学分析等多学科，核心由机械、影像及计算机系统构成。脊柱外科机器人系统旨在提高椎弓根螺钉置入精准度，首款产品SpineAssist于2004年获美国FDA批准。此后，MazorX（美敦力/Mazor）、ExcelsiusGPS（GlobusMedical）和Rosa（MedtechSurgical）等系统相继获批，积极推动了脊柱手术技术发展。机器人系统基本设计原理是采用导航定位来保证椎弓根螺钉置入的准确性和安全性。与传统手术相比，机器人系统辅助手术具有多项优势：①创伤小、出血量少，符合加速康复外科（ERAS）理念；②精准度和安全性高，术前规划和精准定位降低了并发症发生率；③手术稳定性高，避免因疲劳、生理性震颤影响手术操作；④远程手术，可以缓解医疗资源分布不均的问题；⑤降低邻近小关节损伤和邻近节段疾病的发生率。MacLean等的研究表明，机器人系统辅助手术操作的准确性高，术中翻修率和再手术率低。目前脊柱机器人系统自动化水平为0~2级，其中2级系统已实现程序自动化执行，未来将向涵盖手术规划、决策及操作环节的全流程自动化发展。
骨内超声 椎体皮质与松质结构的差异决定两者拥有不同的超声反射信号。因此，可借助超声系统判断椎弓根螺钉是否突破椎弓根皮质。目前，骨内超声是超声导航系统的新探索方向，其可通过将超声探头伸入已经制备好的椎弓根骨道来评估钉道，或将超声探头安装在开路锥前端以实现在钉道制备过程中实时监测钉道方向，但是缺乏配套的超声探头。Li等提出一种基于小波变换的多频动态融合方法，有效结合高频与低频超声图像，生成细节更丰富、质量更优的融合图像。骨内超声较其他导航系统具有低价、实时成像、无辐射等优势，但尚未普及。
人工智能（AI） 1956年，科学家们提出AI的概念，即通过模拟人类认知的程序和计算机复制人类智能。AI目前集中应用于疾病诊断等方面，具有以下优点：①辅助手术决策：AI协助临床医师制定最佳治疗方案。AI可评估腰椎间盘突出的预后，并降低漏诊、误诊率，同时通过深度学习提高骨质疏松性椎体骨折诊断的准确性。②转变诊疗模式：AI通过强化感知辅助能力，推动技术下沉替代专家资源，优化医疗模式，减轻患者负担并降低医保支出。AI经过近几十年的长足发展，与智能化辅助系统结合成为必然趋势。智能化辅助系统面临如下问题：①手术规划依赖经验，缺乏标准；②术中匹配依赖参考架，手术稳定性不足且创伤大；③系统误差难校正；④人机交互不智能。AI技术的发展将推动这些系统更新换代，加快其临床应用与推广。
增强现实（AR）技术 AR技术通过将影像学图像叠加至手术视野，提升视觉反馈效果。AR术中导航无需棘突参考架，仅需皮肤标记即可实现精准定位，减少创伤；摄像头通过检测多个标记维持功能，提供术中成像，可实时监测螺钉置入位置，并减少医患辐射暴露。术前AR通过提高临床医师对解剖结构和手术过程的理解，为培训提供支持，如ImmersiveTouch系统为椎弓根螺钉置入提供触觉反馈，并可让临床医师远程指导受训者。AR技术通过3D可视化影像辅助制定手术方案，并开展患者教育，有效缓解医患矛盾。近年来，AR技术作为智能化辅助系统的补充用于退行性脊柱疾病的治疗。尽管AR技术在脊柱手术中的应用前景广阔，但仍存在一些限制：①头戴视物镜可能导致机械和视觉不适；②显示器可能分散注意力，而AugmedicsXvisionSystem通过在半透明显示器上投影3D视图，帮助临床医师集中注意力；③学习曲线陡峭；④皮肤标记可能相对于骨骼移位或变形。Pojskić等通过经胸卧位入路结合术中CT和AR技术治疗钙化胸椎间盘突出症，优化了定位，提高了手术安全性。未来，AR领域竞争加剧、创新加速，将深度融合机器人技术，增强临床医师与全息影像的实时交互，并通过智能警报与反馈机制降低手术误伤风险。
虚拟现实（VR）技术 1968年，IvanSutherland研制首套头戴式显示系统，采用超声/机械追踪头部位置，生成3D线框图像，开创VR技术先河。20世纪90年代的膝关节镜模拟器是骨科首个VR技术的应用。Zhao等的研究证实，VR训练可提高老年人抗跌倒能力及股骨颈、腰椎骨密度，有效降低骨质疏松患者的受伤风险。尽管VR技术可应用于脊柱外科手术，如椎体压缩性骨折的微创手术，但VR技术在手术室中的应用仍受限，主要因为其需与机器人手术模块集成，目前应用较少，主要用于临床医师培训和患者术后教育。
个性化导航模板 个性化导航模板通过计算机影像处理、逆向工程、3D打印和快速成型技术制作符合患者脊柱解剖结构的模型。术前需获取患者的CT影像数据，在软件中构建相应模型，并设计椎弓根螺钉的钉道，然后通过3D打印制作实体模型用于手术。术中需剥离软组织以确保模板与脊柱贴合，准确置入螺钉。Wang等将个性化导航模板应用于胸椎结核手术，有效减少术中出血量，缩短手术时间，增加螺钉置入的安全性和准确性。然而，因软组织残留无法完全贴合，并且不耐高温、高压，精准度不足等因素，个性化导航模板的应用受限。
脊柱外科智能化辅助系统的应用
骨折复位 传统骨折复位依赖于C型臂X线机，其效果受限于临床医师的经验。智能化辅助系统通过提升复位精准度及骨折段解剖/力线恢复效果，减少并发症及辐射暴露，减轻术者负担，并借助优化术前规划与术中可视化缩短学习曲线。Abaunza-Camacho等报道了导航引导下经颈前路全内镜齿状突切除术及C1~2前路经关节固定术联合后路融合术的新技术。Liu等的研究表明，机器人辅助治疗垂直不稳定骶骨骨折在骶髂螺钉和椎弓根螺钉置入方面具有较高精准度，并有效减少切口并发症的发生。Hu等对比机器人辅助与徒手经皮椎弓根螺钉内固定术治疗胸腰椎骨折的疗效，证实机器人辅助系统可显著提升骨折复位效果。目前，智能化系统在骨折复位中的应用仍处于起步阶段，临床研究较少。
脊柱肿瘤切除及重建 智能化辅助系统在脊柱肿瘤中可以通过术前计划、改进的成像技术和3D建模技术提高手术精准度。Molina等通过使用立体定向手术导航切除L1脊索瘤，表现出良好的精准度和安全性。Ando等的前瞻性研究表明，O型臂导航辅助手术可提高原发性脊柱肿瘤患者的手术安全性及肿瘤治疗疗效，其优势包括螺钉置入更精准、并发症更少。Bandiera等的研究表明，计算机导航辅助可提升脊柱肿瘤手术中螺钉置入、肿瘤定位及切除的精准度，但需注意学习曲线及优化技术以规避风险。然而，尽管脊柱肿瘤患者的外科治疗复杂且涉及多学科，其智能化辅助系统应用仍较少。
脊柱内镜手术（ESS）技术 Kambin于1998年提出ESS技术。该技术通过微创切口直达病灶，内镜辅助观察。其初始应用于腰椎间盘切除，现已扩展至全脊柱手术。尽管ESS有减少创伤、加速康复等优势，但也存在手术视野较小和学习曲线陡峭的问题。导航技术有助于简化ESS，提高手术精准度，降低并发症发生率，并在其他手术如椎间盘切除术、减压术和融合术中得到广泛应用。Schmidt等的研究也表明了这一点。Jin等的研究显示，机器人辅助经皮内镜腰椎间盘切除术通过精准规划穿刺路径，显著提高手术成功率，并降低翻修率。
椎板切除术 颈椎椎板成形术治疗后纵韧带骨化和多节段脊髓型颈椎病效果显著，既能扩大椎管，又能保留颈椎活动度，并保护脊髓。然而，手术的关键在于精确开槽，槽位选择不当可能导致多种并发症的发生。智能化辅助系统的高精准度可以满足解剖学要求。Wang等采用O型臂导航技术精准定位黄韧带骨化灶并辅助减压，显著降低定位失误率及并发症风险，全面提高手术精准度、安全性及疗效。Tian等的研究表明，术中3D导航联合超声检查可精准指导后纵韧带骨化后路减压内固定术，尤其适用于黄韧带骨化致胸脊髓病，证实其是安全可靠的术中影像手段。
远程医疗 远程医疗依托计算机及通信技术，借助远程操控设备完成诊疗及手术，其核心在于实时影像同步与精准操控。Riew等的研究表明，远程医疗使用率显著增长，尤其在北美，临床医师认为其适用于影像学检查、初诊及随访。Shafi等的研究显示，远程医疗可有效替代脊柱疾病传统门诊，患者接受度高且满意度良好，印证了其在骨科围手术期中的发展趋势。未来远程手术将从医院延伸至海上、水下、太空及战场等复杂场景。而不同场景对技术提出新要求：海上需抗晃动稳定控制，水下依赖轻量化与高智能设计，太空则需突破失重及通信延迟限制。这将推动智能化辅助系统实现多维技术突破。
脊柱外科智能化辅助系统的缺陷及解决办法
医院引入智能化辅助系统需综合考量设备购置、维护的直接成本及临床医师培训、住院时间延长的间接成本。随着手术团队熟练度提升，智能化辅助系统的培训成本可能降低，但该系统对初学者及老年外科医师不够友好，且需团队具备故障排除能力。此外，智能化辅助系统体积庞大，调试复杂，多功能集成不足，仅适用于特定手术类型。智能化辅助系统因缺乏触觉及温度反馈易引发医源性损伤，且智能化水平有限，复杂操作仍依赖人工。这些问题可通过以下方式解决：①多功能集成，满足多样化的骨科手术需求；②推动普及与开源以降低技术成本，促进资源共享及智能化辅助系统发展；③结合5G技术，拓展远程手术应用，为偏远地区提供优质医疗服务；④提高手术精准度，减少创伤和并发症，促进患者快速恢复；⑤AI通过智能规划、导航与决策实现高级智能化，并优化与患者及临床医师的交互体验。
小结与展望
智能化辅助系统通过提高手术精准度、稳定性和安全性，正在重塑脊柱外科格局。尽管面临成本高、学习曲线陡峭等挑战，但随着AI和5G等技术的融合应用，智能化辅助系统将加速普及并增强适应性。未来不仅可优化手术质量，更能通过远程协作打破地域医疗壁垒，推动个性化医疗发展，实现以患者为中心的诊疗模式。跨学科创新与持续技术迭代将驱动该系统向更智能、高效、人性化的方向演进，助力全球医疗资源均衡配置。
来源：中华骨与关节外科杂志2025年6月第18卷第6期
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