作者：南方医科大学珠江医院三水医院骨科       黄海涛

成人脊柱畸形（ASD）的特点是在矢状面、冠状面或者轴向平面出现脊柱异常弯曲，可引发轴性痛、神经根痛以及神经功能缺失，甚至会导致瘫痪。临床数据说明，ASD在65岁以上人群中的患病率达到32%~68%。大多数ASD患者采用保守治疗，部分严重患者需要进行手术干预，随着人口老龄化发展，预计ASD的手术量会进一步增加。

后路椎弓根螺钉内固定系统矫形术是治疗ASD最常用的手术方式，其机制在于借助螺钉和金属棒将各椎体固定在一起，对脊柱在矢状面、冠状面、轴向平面的三维平面上的异常排列进行矫正，最终实现脊柱稳定性的重建，恢复脊柱正常的生理曲度。然而，通常因为ASD患者脊柱解剖结构存在显著变异，诸如椎体旋转、椎弓根发育细小或形态异常、关节突关节增生内聚等因素，加之传统技术与器械存在局限性，致使螺钉路径需作出调整以适配连接棒，增大了置钉难度。并且，该手术对软组织造成的损伤较大，出血量较多，加之退行性脊柱侧弯患者的年龄普遍偏大，对手术耐受性较差，且大多伴有其他系统性疾病，这些因素无疑增加了手术风险。因此，在矫形置钉手术中，ASD患者成为手术难度最大、风险最高的群体，这也进一步推动了机器人辅助ASD手术的发展，提升了手术精度，进而显著改善了ASD患者的治疗效果及满意度。基于此，笔者查阅了近年来国内外的最新文献，对机器人辅助ASD矫形手术置钉精度技术的研究应用进展进行如下综述。

骨科机器人的系统分类

按照人机交互模式，手术机器人可分成三类操作范式，其一为监控系统，该系统会执行预先设定好的程序化操作，在手术过程中可自主完成对动作的监督；其二是远程手术交互系统，操作者控制配有手术器械的机械臂，通过力反馈操纵杆等设备远程主导器械的运动，进行手术操作；其三是共享控制型系统，医生主导手术流程，机器人辅助手部操控，两者共同协作进行操作，以此实现动作的实时共同控制。尽管交互模式多样，但目前在ASD矫形手术中实现高精度置钉的实体机器人系统（如ROSA、ExcelsiusGPS、Mazor、Cirq、天玑等）多属共享控制型，通过把机械臂、导航与感知技术进行整合，使置钉精度得到了极大提高。经多项临床验证，机器人辅助置钉位置和术前规划的偏差一般≤1mm。Kantelhardt等的研究也说明了这一点，机器人组的置钉准确率为95%，较透视组的92%有所提高。对于解剖结构复杂多变且置钉安全通道极为狭窄的ASD患者而言，这一精度优势有着非常关键的临床意义。

骨科机器人的技术核心

在解剖结构复杂的ASD矫形手术中，骨科手术机器人之所以可以达成亚毫米级的精度，主要依靠机械臂、导航追踪系统以及骨组织感知技术共同产生的协同作用。

机械臂       机械臂主要由机械臂固定装置、运动装置以及执行装置构成，其中固定装置的作用在于固定机械臂和执行装置，提供稳定的基座，降低手术过程中的位移误差；运动装置负责驱动机械臂完成相应动作；执行装置内部配置有定位传感器，通过结合手术导航识别手术器具在空间中的位置，且可以更换工作头以适配不同的术式。不同机器人系统把机械臂与导航集成在一起，形成了各自的技术特色。例如，MazorX系统采用串联式高自由度机械臂，集成三组线性光学摄像头，在术中能够灵活调整角度，特别适合处理ASD患者变异椎弓根所需要的各种复杂进钉轨迹，在提升操作自由性的同时减少术中损伤。ROSA机器人系统依靠摄像机持续追踪监测，同时把经皮置入的追踪针与机器人附着的追踪球结合起来作空间定位，其核心在于依靠六自由度机械臂的精准定位和动态跟踪技术的协同能力，对患者呼吸等微动予以补偿，这一特点对于维持长节段ASD矫形手术中的置钉精度非常重要。

导航系统      手术导航系统涵盖术前规划、术中配准、术中空间定位追踪加以实时引导三个功能。

术前规划  对于解剖结构严重畸形的ASD患者，术前提取患者CT、MRI等详细影像学检查结果，利用三维重建技术将骨骼结构进行半自动或自动分割，把二维图像转化为三维可视化模型，使图形变得更加直观立体。便于医生充分了解患者病变或发育不良节段的解剖结构信息，从而更好地进行手术路径规划和内植物的选择，优化手术方案，降低手术风险，这是徒手操作难以实现的，体现了术前规划的核心价值。随着技术的持续发展，术前规划方法也在不断升级。Zhao等在术前利用3D打印螺钉导向器进行计算机辅助轨迹设计获得最佳的植入轨迹，提高了置钉精度。这类研究促使术前规划从“虚拟”辅助向“实体”辅助转化，实现了椎弓根螺钉置入准确性的提升。

术中配准  脊柱机器人的术中配准是将术前影像精确对应术中患者实际解剖结构的一种技术。通过识别影像中的特征点或使用配准工具，获取其在影像坐标系和机器人坐标系中的空间信息，计算出两者之间的转换矩阵，再将机器人系统的机械臂位置调整至显示相对于患者参考阵列的位置。最终实现机器人操作指令能精准地映射到患者体内，提高手术的精准程度。

值得一提的是，弹性图像融合和动态补偿技术是术中配准的关键补充。在临床中，脊柱外科手术大多在俯卧位或侧卧位条件下开展，而术前影像学检查则通常采用仰卧位或站立位完成，这种体位差异使脊柱在两种成像模式中呈现出不一样的序列曲率特征。虽然这一差异对单个椎体进行识别与定位的影响不大，但对于多节段脊柱序列评估往往会导致显著的临床问题，而在长节段、大角度的ASD手术中就更加明显了。为此最新版机器人软件提供了弹性图像融合功能，将不同时间、不同模态的影像进行融合，使术前数据与术中实际位置实现配准。动态补偿则是针对呼吸动度或术中的微动，可适应解剖学上的个体不同特性。

术中空间定位追踪  空间定位追踪能够对手术器械及手术空间进行准确定位，主要分为光学、电磁、超声定位。光学定位系统是当前使用最为广泛的手术导航系统，是基于红外追踪摄像头的立体视觉定位技术，借助多角度同步捕捉目标以及背景的二维图像达成器械实时定位。电磁定位系统不受视线遮挡限制，依据磁场强度和方向变化开展空间定位，特别适合视野受限手术，如脊柱微创。超声定位系统目前已经很少应用，主要利用声波在组织表面的反射进行成像，但当超声波从软组织传播到骨骼时，大部分声波在骨皮质处被反射，致使超声难以评估骨骼的结构。为了解决这个难题，针对骨组织声阻抗高的特性，现在采用探头直接接触骨面技术减少能量衰减，以此提高成像质量，并结合特定频率超声波实现骨结构多分辨率成像。代表设备有excelsiusGPS®机器人，支持实时的三维成像导航，并能实时追踪患者脊柱的运动，从而调整机械臂辅助手术器械的位置，提高了手术精度和稳定性，契合了手术精准定位需求。

骨组织感知技术     在ASD矫形手术中，安全置钉面临两大解剖学挑战。其一，脊柱畸形导致椎弓根形态发生变异、皮质骨变薄，进而使椎弓根“安全通道”变得十分狭窄；其二，老年ASD患者多因骨质疏松，致使螺钉固定的把持力下降，增大了椎弓根皮质穿破的风险。在追求置钉精度时，可实时、精准地感知骨组织状态，如区分皮质骨和松质骨、评估骨密度，对于避免神经血管损伤十分关键。

骨组织感知技术是基于感知与检测骨组织状态及生理变化的一种技术，以此来避免神经血管受到损伤，保证手术的安全性，主要包含基于力学信号、生物电阻抗、声学信号、影像学的骨组织状态感知这四项技术。力学信号的感知是基于骨组织切割与钻孔过程中力学参数的动态监测与分析，能够有效识别骨组织类型及其力学状态特征，从而显著增强手术操作的安全性保障。生物电阻抗的感知能通过检测骨组织与周边组织在生物电阻抗特性方面存在的显著差异，从而间接确定组织的病理和生理的变化。声学信号感知利用麦克风阵列获取骨组织铣削过程中的声学信号，在无需改变机器人系统原有结构的前提下，就能实现远离手术区域的信号数据采集。影像学感知技术利用“C”型臂X线机、“O”型臂X线机及CT影像为代表的医学影像学导航技术，为骨组织识别和手术路径规划提供重要的辅助决策支持。上述感知技术虽然都存在或多或少的局限，但其共同目标是给机器人进行实时反馈，在ASD患者复杂又脆弱的解剖环境内，以实现“感知-决策-动作”的闭环控制。为了更有效地集成应用多模态感知信号，现阶段的天玑系列等骨科机器人，结合了多模态技术，提高了感知的准确性，同时也配备了力矩传感器，可实时监测钻骨时的阻力，防止椎弓根壁被穿透；结合导航数据对螺钉植入路径进行优化，以此减少神经或脊髓受到损伤的风险，保护椎旁韧带以及肌肉结构，维持脊柱的稳定性。

骨科机器人在ASD术中的临床效益

降低神经损伤率     在ASD矫形手术中，神经损伤风险和Cobb角呈正相关，Qiu等证实，脊柱Cobb角大于90°是出现手术神经损伤并发症的关键原因之一。同时，畸形角比值（DAR）过大、截骨部位特殊、医生在脊柱畸形手术中的置钉操作问题也会产生神经损伤的风险。Hicks等报道，脊柱畸形矫形手术中椎弓根螺钉置钉失误的发生率为4.2%，神经并发症发生率为0.06%。Bartley等报道，在脊柱畸形手术中椎弓根置钉失误相关神经并发症的发生率是0.17%。Yamout等认为，精确的螺钉放置对于避免脊柱手术期间的血管或神经并发症以及最大限度地固定融合、畸形矫正至关重要。现阶段有不少关于通过脊柱机器人辅助脊柱矫形术，从而大大降低神经损伤的研究。Ansorge等报道，在青少年特发性脊柱侧凸的矫形手术中，采用机器人辅助椎弓根螺钉置入的后路脊柱融合联合节段性内固定技术，置钉精度显著优于计算机导航技术；而计算机导航技术相较于传统徒手操作方式，同样展现出更高的螺钉定位准确性（误置率：0.4%~7.2%vs.1.9%~11.0%vs.1.5%~50.7%）。这项研究虽以青少年特发性脊柱侧凸为基础，不过所呈现出来的精度优势，在解剖更为复杂、容错率更低的ASD手术中，在降低神经并发症风险方面有着同等甚至更为关键的临床价值。此外，目前还可以通过将脊柱机器人导航与术中神经电生理监测、增强现实（AR）技术、虚拟现实（VR）技术相结合，实时识别脊髓异常信号，或将椎弓根置钉解剖过程可视化，从而减少对神经的损伤。

减少辐射暴露      传统ASD矫形手术通常依靠频繁的X线引导螺钉置入，这使得医患双方面临的辐射风险比较高。机器人辅助ASD矫形手术可降低对辐射的依赖，借助术前、术中影像进行精准导航及螺钉定位，减少术中透视的需求。多项研究都证实机器人辅助可有效减少术中辐射暴露，比如Gao等发现，运用机器人辅助可明显减少术中辐射时间（平均差异-12.38，95%CI：-17.95~-6.80；P＜0.0001）和降低辐射剂量（平均差异-0.64，95%CI：-0.85~-0.43；P＜0.00001）。但需要指出的是，机器人的三维CT导航系统存在扫描覆盖面的限制，单次成像一般只能覆盖4个椎体以内的区域，在固定节段较多时，为了确保定位精度，可能被迫进行多次扫描，增加辐射暴露。但随着操作者熟练度的提高，预计这类手术辐射暴露将会减少。

手术时间与出血量的影响       手术时间和出血量也是ASD手术中的重要因素，但研究者们却得出了截然不同的研究结论。Chen等认为机器人辅助手术与徒手手术的耗时并无显著差异。但Fan等的研究结果显示，机器人辅助导航和“O”型臂X线机引导导航的手术时间明显长于徒手操作。实际上ASD这类复杂手术使用机器人耗时增加，可归因于设置和操作机器人系统，以及实现精准安全置钉所需的必要时间成本。在学习曲线后期，机器人在处理复杂病例时的效率优势将逐渐显现。同样针对出血量这一因素，Chen等指出，与徒手手术相比，机器人辅助手术可以减少术中出血量。不过Fan等和Li等的研究显示，机器人辅助手术与传统导航手术在术中出血量方面没有显著差异。这种现象可能受多种因素影响，包括手术技术、ASD患者的个体情况还有手术的复杂度，而非完全取决于手术方式本身。

总结与展望

机器人辅助ASD矫形手术凭借提升置钉精度这一作用，使脊柱外科手术流程得到了优化，其核心原因在于：降低神经损伤风险，提高螺钉植入安全性，减少医患辐射暴露。目前这项技术面临着三个核心挑战，其一是成本，购买与维护机器人设备需要投入较高费用，这限制了其临床普及，特别是在需要处理大量ASD病例的临床医疗中心。其二是在机器人导航时常出现的螺钉错位问题，尤其是那些患有椎弓根发育不良的病例。其三是导航技术尚有不足，ASD矫形手术中的组织位移、金属伪影干扰等问题会影响置钉精度。未来的突破方向要集中在以下几点：首先是降低设备成本，推动基层医院的临床应用；其次是融合人工智能算法，对实时路径规划与风险预警进行优化；最后是深化骨组织感知技术，把力学反馈、超声成像等技术整合起来，提升骨组织识别能力。总之，虽然骨科手术机器人在ASD矫形手术中已取得不错的临床效果，但还需突破现有局限，不断完善和改进。

来源：骨科2026年3月第17卷第2期