作者：华中科技大学协和深圳医院脊柱外科     郭力源

近年来，脊柱外科手术朝着微创化、智能化的方向发展，微创脊柱手术由于创伤小、术中出血少、脊柱旁结构破坏小、术后康复周期短等特点，逐渐被广大脊柱医师认可。然而，微创手术的术中视野较为局限，且由于脊柱周围结构复杂，徒手置入经皮椎弓根螺钉的神经血管损伤风险较开放手术更高。尽管有文献报道微创手术和传统手术的并发症发生率并无显著差异，但是微创手术对主刀医师的手术经验、操作熟练程度都有较高的要求，透视辅助一定程度上增加了准确性，但亦增加了医患放射线曝露。医学成像技术和计算机科学的不断进步使得机器人辅助脊柱手术得以实现，得益于其术前路径规划和术中引导穿刺等功能，脊柱手术机器人在许多地区已成为手术的常规辅助工具。部分研究显示，脊柱手术机器人一定程度上提高了椎弓根螺钉置入的精度、减少了神经血管损伤的并发症和医患的放射线曝露。本文对早期手术机器人的发展简史、当下市场应用较多的脊柱机器人的发展现状及应用效果进行综述。

早期手术机器人发展简史

UNIMATION Puma200被认为是世界上第一台手术机器人，它由1个六自由度的可编程计算机控制的工业机器人改制而来，具有亚毫米级的精度，主要用于神经外科的脑肿瘤活检手术。1991年Davisetal对此系统进行了改良，通过添加1个额外的框架增加了机器人的运动维度，同时搭载刀具组件，使机器人首次被用于经尿道前列腺电切手术，这也是后来的Probot机器人的雏形。虽然Probot并未获得足够的临床吸引力，但类似的理念在其他领域得到了发展。第一个取得美国食品药品监督管理局(FDA)认证的主动式手术机器人ＲoboDoc同样由Puma机器人改造而来，其为一种用于髋关节置换术的机器人，同时也是骨科领域的第一款手术机器人，自1992年推出便得到广泛的应用。基于远程手术系统的概念，五角大楼高级研究计划局(AＲPA)于20世纪90年代开展了一项生物医学科技项目，致力于研究远程手术技术，从而实现给战场的士兵进行远程手术以提高士兵存活率。在AＲPA的资金支持下，Yulun Wan成立的计算机运动公司开发了自动内窥镜系统定位机器人平台(AESOP)，AESOP允许医师通过语音控制腹腔镜摄像系统的位置，解决了传统腹腔镜手术需要额外助手扶持腹腔镜设备的问题。AESOP的诞生使得医疗领域开始接受手术机器人作为一种有效的医疗辅助设备，加速了普外科手术机器人的发展。Computer Motion公司以此为基础开发了ZEUS手术机器人系统，与其并驾齐驱的daVinci手术机器人系统也在同一时期由Intuitive Surgical公司开发完成。这2个相互竞争的系统在手术机器人领域占据了数十年的主导地位，大力推动了手术机器人的发展。

国内外市场主流脊柱手术机器人发展状况

脊柱手术机器人的起步相对较晚，早期脊柱手术机器人的开发以及临床应用遇到了多种技术难题，包括但不限于术中定位漂移、软件系统崩溃、机械臂长度不足、注册配准流程复杂和失败等。但随着术中辅助影像技术、机器人工业以及人工智能等领域的发展，脊柱手术机器人已经展现出蓬勃的生命力。

MAZOR系列      SpineAssist Spine Assist是MAZOR机器人平台推出的第1款脊柱专用手术机器人，主要由微型骨锚定机器人和计算机工作站两部分构成。微型骨锚定机器人的主体是一个圆柱形、拥有六自由度的半主动单元。计算机工作站控制机器人的运动，并运行SpineAssistⓇ软件进行术前手术设计和术中计划的执行。Spine Assist的基本工作流程是先在术前CT上进行路径规划，然后把Hover-TⓇ支架固定在患者棘突上，术中X线与术前CT影像配准后，按照系统指示把机器人安装在Hover-TⓇ支架的锚定点，最后安装导向臂，医师只需穿过导向臂套管进行穿刺和置钉操作即可。

Renaissance  Renaissance为MAZOR第2代脊柱手术机器人，于2011年上市。该机器人实际是SpineAssist的升级版本，较第1代机器人在软件算法方面做出了改进，其计算和图像识别能力大幅增强，且体积更小、重量更轻。此外，Renaissance更新了一种名为Peteron的技术，通过特制的撞击工具打磨骨面使其平整，该技术解决了在倾斜的骨面进行钻孔时钻头滑移的问题。

MAZORX  MAZORX是MAZOR的第3代手术机器人，发布于2016年。相较前两代，MAZORX做出了巨大的优化，其整合了导航功能，使用一个全自动化的机械臂放置置钉通道。机械臂安装在手术床边，而并非直接安装在人体，使用一个髂骨螺钉连接骨连接桥到机械臂上，可减少机器人固定时对患者的创伤;机械臂上安装了线性光学摄像机，可对手术区域进行体积评估以避免术中碰撞。

MAZORXStealthEdition   MAZORXStealthEdition是Medtronic公司将StealthStation导航平台与MAZOR机器人平台进行整合后推出的第4代脊柱手术机器人，于2019年发布。这一代机器人在多个方面进行了升级。结构上，在非手术操作时该机器人的机械臂隐藏在工作站中，减少了设备对手术室空间的占用，手术时机械臂则从工作站中展开来进行操作;手术流程上，由于整合了导航平台，该机器人提供实时置钉深度反馈，不需要再放置导针，相较上一代的效率和安全性均有所提升;软件上，加入了后路器械的对齐功能，可以协助多节段器械的棒的放置。

ＲOSA  ＲOSA机器人由Medtech公司开发，于2016年取得FDA批准。ＲOSA机器人由1个六自由度机械臂的工作站和1个光学导航摄像设备组成，其工作模式与MAZORX较为类似，同样支持使用术前或术中CT影像进行路径规划，通过导针辅助椎弓根螺钉放置。由于集成了导航平台，该设备可实时跟踪患者的呼吸运动，实现手术过程中器械与患者的动态平衡。ＲOSA机器人的升级版本被称为ＲOSAONE，于2019年取得FDA批准，特点是拥有一个与制造商特定仪器兼容、完全集成的导航系统。ＲOSA机器人平台不仅可应用于脊柱外科及神经外科，其通过搭载不同手术器械还可应用于髋、膝关节置换等手术。

ExcelsiusGPS  ExcelsiusGPS由GlobusMedical公司于2017年发布，是第1款具有完全集成导航平台的脊柱机器人。该机器人的主体结构类似于MAZORX，但机器人被固定在地面安装的基站上，而不是手术台上。导航平台兼容多种术中二维和三维成像模式，还可以将术前CT扫描与术中透视成像相结合。ExcelsiusGPS允许实时仪器跟踪和椎弓根螺钉放置，由于其机械臂是刚性的，所以无需放置导丝。刚性机械臂的另一优点是抗扭转能力强，当暴露在高达200N的横向力下，能够保持小于1mm的偏转，并且可以通过一个独特的传感器检测到过大的横向力。除此之外，ExcelsiusGPS的独立导航功能允许对特定制造商的仪器进行本地化，模块化机械臂亦允许额外的仪器安装到机器人上。

TiＲobot(天玑)系列     天玑天玑骨科手术机器人是由北京天智航医疗科技股份有限公司联合北京积水潭医院及北京航空航天大学共同研发，与ＲOSA类似，可应用于多种骨科手术而非脊柱专用，于2016年获得国家食品药品监督管理总局(CFDA)批准。该机器人由主控制台、光学跟踪系统以及1个具有六自由度的机械臂构成。机器人采用主动定位以及人机协同定位的方式相结合，可在术中先由外科医师拖动机械臂至手术区域，再由机械臂主动定位。光学跟踪系统可实时计算机械臂与患者的相对空间位置，并自动补偿位置偏移。该机器人系统在国内得到广泛应用，研究显示天玑骨科手术机器人可显著提高椎弓根螺钉置入的安全性及准确性。该机器人在其他脊柱手术中也展现一定的潜力，如经皮脊柱内镜下椎间盘切除术、经皮椎体成形术等。

天玑Ⅱ  天玑Ⅱ是第2代天玑骨科手术机器人，于2021年获得国家药品监督管理局(NMPA)批准。在应用范围方面，天玑Ⅱ与上一代相似，是全骨科手术机器人;在功能方面，天玑Ⅱ优化了手术流程，其机械臂末端搭载集成控制按钮可一键选择执行螺钉。主控站增加了无菌手术屏，可由手术医师在术中自主进行路径规划，节约人力成本。机械臂配备全向示踪，可应用于多种体位，且稳定性强于第1代，抗扭转及晃动能力更强。天玑Ⅱ还配备了双模式脚踏，更方便切换手动定位及自动定位。

Cirq   Cirq手术机器人由Brainlab公司研发，于2019年获得FDA批准。Cirq机器人主体是一个长1.1m、重11kg的机械臂，安装在手术床上。该机器人和Brainlab公司的Airo术中O臂机导航兼容，术中CT扫描时，无需拆除或移动机器人。目前该机器人已在临床开展应用，在颈、胸、腰椎等区域的开放及微创脊柱手术领域均有报道。

发展中的新型脊柱手术机器人   ORTHBOT  ORTHBOT是鑫君特智能医疗器械有限公司研发的脊柱专用手术机器人，已于2021年获得NMPA批准。该机器人安装在地面，具备自主置入克氏针的功能，同时搭载力反馈系统和实时深度反馈，及时判断克氏针的置入情况。相较于辅助定位的机器人，OＲTHBOT首次实现了脊柱机器人参与有创手术操作执行。使用该机器人的初步临床研究显示，OＲTHBOT可以精确置入克氏针，置入高精度、多节段的椎弓根螺钉时可以提高安全性和减少医师疲劳，具有良好的应用前景。

椎板切削机器人  该机器人由北京大学第三医院团队研发，是全球第1款用于椎板切除的手术机器人。椎板切削机器人安装于地面，其主要结构由操作系统和控制系统组成。该操作系统主要由1个六自由度的机械臂、1个力传感器、1套超声骨刀系统、1个末端执行器和1个双目光学摄像头组成。机器人系统的控制终端集成到一个可移动工作站中，其中包括专门开发的术前规划软件和术中操作软件。使用该机器人进行椎板切除术的初步尸体试验结果显示，其切削精度可控制在1mm内，而全椎板切除平均时间为13.5min。

CUVIS-spine  CUVIS-spine机器人系统由CUＲEXO公司研发，其主要组件包括机械臂、光学跟踪系统和实时手术计划系统，安装于地面，同时整合导航功能。该系统还提供手术工具接触骨表面时产生的横向排斥力的实时反馈，在屏幕上显示其方向和水平，以更准确定位。此外，可持续实时监测患者标记物的运动，根据需要校正目标位置和姿势。

脊柱手术机器人的应用效果

置入椎弓根螺钉的效果   由于目前的脊柱机器人主要的作用是辅助椎弓根螺钉的置入，因此，椎弓根螺钉置入的安全性与准确性是评估脊柱机器人是否具有优势的重要指标。以现有的临床研究结果来看，机器人辅助椎弓根螺钉置入的精度为91.2%～100%。由于使用不同的手术机器人，且医师也处于不同的学习曲线，因此，该指标具有较大的变异。2项研究比较了机器人和导航辅助下椎弓根螺钉置入的精度，其中一项研究结果显示，虽然机器人组的置钉精度比O臂机导航组高，但差异无统计学意义，另一项研究则显示，机器人组的置钉精度更高。有研究比较了机器人辅助与徒手及透视辅助下置钉精度的差异，结果显示机器人辅助下置钉展示出更高的精度。另有研究则认为，机器人辅助与徒手置钉的准确率相当。在一项比较了机器人辅助和导航辅助2种方式的研究中显示，导航辅助下置钉的小关节侵犯率低，但机器人辅助置钉破坏椎弓根皮质发生率更低。目前大量研究集中于单一机器人的精度研究，而关于多种机器人的横向对比较少。一项Meta分析纳入了5款脊柱机器人的相关研究，结果显示只有Renaissance和天玑与置钉的高准确率相关。另一项研究比较了主治医师和住院医师采用机器人辅助椎弓根螺钉置入的精度，结果显示两组并无明显差异。这可能是脊柱手术机器人的另一项优势，它可以帮助低年资医师完成复杂的脊柱手术。

手术时间   多项研究指出，在手术时间方面，机器人辅助和传统徒手手术相比并无明显差异甚至更长，这可能和机器人复杂的注册配准流程以及术中反复重新配准相关。多数机器人注册配准和定位流程需要15min以上，并且术中可能出现仪器碰撞和患者体位变动导致需要重新配准定位。手术医师处在不同的学习曲线，对机器人手术流程不熟悉，也是增加手术时间的潜在原因。

放射线曝露   多项研究指出，与传统徒手或透视辅助相比，机器人辅助可以减少放射线曝露。但大多研究只比较了机器人辅助与徒手或透视辅助的放射线曝露情况，与导航辅助之间仍需进一步比较研究。不同机器人可能采取不同的配准和计划模式，例如MazorX配备了2种配准和计划模式：①术前路径规划联合术中透视配准注册;②术中O臂机扫描联合路径规划和配准注册。不同的配准计划模式可能导致不同的放射剂量，一项研究在比较了以上2种模式后指出，与术前计划相比，术中扫描和计划模式的总放射量显著降低。

围术期并发症   围术期并发症可大致分为术中和术后并发症，术中并发症包括硬脊膜损伤、血管损伤、神经损伤等，术后并发症包括切口感染、邻近节段退变、螺钉松动或断钉、下肢功能障碍等。一项多中心的回顾性研究比较了机器人组和徒手手术组在30d、90d和1年这3个时间节点的总并发症发生率，结果显示无论任何时间节点，并发症发生率机器人组总是低于徒手手术组。另外2项研究也支持机器人辅助手术具有更低的并发症发生率。2项比较机器人辅助与徒手手术的临床研究结果显示，机器人组与徒手组的总并发症发生率比较差异无统计学意义。一项研究结果指出，在后路腰椎融合术中使用机器人增加了并发症甚至翻修的发生率。这可能与机器人辅助下手术时间较长相关，更长的手术时间增加了围术期并发症发生率，尤其是感染风险。

机器人手术成本   使用成本是脊柱机器人辅助治疗中必须要探讨的问题，这其中包含了医院的购置和维护成本以及患者的医疗支出成本。目前关于脊柱机器人使用成本的研究并不多，一项研究统计了已被FDA批准使用的3款机器人设备购置，价格700000～1500000美元，此外，每年机器人的维护成本可能需要55000美元，每台手术的一次性耗材支出则需要1500美元。有研究指出，相较于透视辅助组，机器人辅助组在腰椎融合术中的手术费用更高。尽管脊柱机器人的应用似乎导致了更高的成本，但我们需要对机器人应用的成本效益进行更加全面的评估，因为机器人辅助手术可能会缩短住院时间、降低潜在的术中血管神经损伤风险和手术翻修率，这可以节省与此相关的额外开支。

脊柱手术机器人的局限性    虽然脊柱手术机器人的应用已经取得一定的成功，但是其仍然存在局限性。①应用场景较单一。辅助椎弓根螺钉置入仍是目前脊柱手术机器人的主要功能，而在椎间孔成形、椎间盘切除、截骨等方面的应用较少见。②术中动态定位难以实现。术中患者的呼吸运动、器械碰撞以及手术操作均能导致定位漂移，严重影响机器人手术精度，目前尚无绝对精准的术中实时定位系统。③手术时间不具备优势。脊柱手术机器人由于其复杂的术前准备及注册配准流程，往往需要消耗大量时间，总手术时间上与传统徒手手术相比无明显优势。优化机器人手术准备流程、精进机器人算法或许可以缩短机器人辅助手术的时间。④无法执行复杂操作。过去的脊柱手术机器人大多只能发挥辅助导航定位的功能，仍无法执行复杂的有创操作。目前已出现自动克氏针置入和椎板切除的机器人，但并未广泛应用。⑤智能程度不足。目前的脊柱手术机器人主要分为被动式和半主动式，只能通过手术医师的指令执行工作。这种方式极其依赖于手术医师的术前规划准确度，且机器人无法自主判断和识别手术操作的安全性，未来将需要更加智能化的主动式机器人参与手术的决策和规划等多个流程。

展望

脊柱手术机器人在过去的20年里取得了显著的进展，但其仍处在发展的初期，未来在脊柱手术机器人领域，以下的一些问题是需要高度关注的发展方向：①关于机器人应用相关的优、劣势仍需进一步分析，设计高质量、大样本量的前瞻性临床研究以明确机器人辅助脊柱手术的临床结果是十分必要的。②目前最新一代的脊柱机器人主要功能依然是辅助椎弓根螺钉置入，未来还需不断扩展功能，机器人辅助下的椎间盘摘除和融合器置入或许可以实现。③机器人应该朝着更加自动化、智能化的方向发展。近年来人工智能领域发展迅速，人工智能机器学习技术已经在医学影像分析领域初步应用，人工智能和脊柱手术机器人的结合也是必然趋势。④丰富结构化手术数据库。外科数据学是近年来的一项全新的概念，即通过对患者诊疗过程所产生的数据信息进行捕获、分析、建模来提高医疗质量和安全性。在脊柱手术机器人领域，结构化的手术路径规划数据和解剖学数据可提升路径规划的效率，同时与机器学习等人工智能技术相结合使得机器人自主规划和操作得以实现。

来源：临床骨科杂志2025年12月第28卷第6期

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