腰椎手术机器人系统研究

付宜利，王学占，高文朋

（哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，哈尔滨150001）

腰椎手术机器人系统研究

付宜利，王学占，高文朋

（哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，哈尔滨150001）

手术机器人是机电一体化的典型代表，能够显著提高手术的精度和稳定性.伴随着计算机技术和人工智能的发展，现已成为世界各国的研究热点.腰椎是人体脊柱的一部分，特殊的结构使得腰椎手术风险大，对手术安全性要求高.近年来，多种不同的机器人系统被应用于腰椎的手术中.讨论了当前可用于腰椎手术的机器人系统现状，对它们各自的结构、功能进行了简要介绍，并对存在的问题和未来的发展方向做了简明阐述.

手术机器人；腰椎手术；辅助型机器人，主从型机器人

在现代社会，人们期望能够设计出机器人来代替人类进行各种繁杂的工作.尤其是在劳动密集型产业，如电子产业，机器人的使用非常广泛.以Da Vinci机器人为代表的医疗机器人在临床上得到了应用，体现出机器人在手术中具有的优势.首先，机器人定位精度高、稳定性好、灵活性高，可以提高手术效率和效果并降低手术风险.其次，机器人可以方便与其他设备结合，组成机器人系统为医生手术提供支持［1］.目前，机器人系统已经被应用在泌尿科、心血管外科、普通外科、妇科和骨科手术中［2］，其中在腰椎手术上使用得也非常广泛.

由于腰椎手术数量较多，面向腰椎手术的机器人也成为手术机器人研究领域的一个重要研究方向.相比于其他部位，腰椎有其特殊的结构.人体有五个腰椎，每一个腰椎由前方的椎体和后方的附件组成.椎板内缘成弓形，椎弓与椎体后缘围成椎孔，上下椎孔相连，形成椎管，内有脊髓和神经通过，如图1所示.在椎板切除术或者螺钉置入手术中，手术器械极易对腰椎周围的神经造成损伤，任何轻微的失误都有可能给患者带来灾难性后果［3］.在这种背景下，精确性高并且可结合多种最新技术于一体的手术机器人系统被越来越多得应用于腰椎手术中.

图1　腰椎及其周围结构

1　机器人系统概述

最早的腰椎手术机器人是1992年法国的科学家利用Puma 260改装而成的.该系统包括一个带光学跟踪系统的6轴Puma 260机器人，一对X射线成像系统和一个DEC5000工作站［4］.手术前，利用CT扫描数据，将末端手术器械按照正确的方位和姿态放置于腰椎骨的特定位置.手术中X射线设备可以通过2D投影确定脊柱位置，从而提高手术器械的定位精度.研究者利用该系统成功进行了螺钉置入手术实验，证明了系统的可行性.虽然最终该系统未能真正应用于临床手术，但是吸引了大批科学家开始进行腰椎手术机器人的研究.从1992年开始，有关腰椎手术机器人的研究进入繁荣期，大量的机器人系统问世.根据在手术中的工作方式，将这些机器人系统分为辅助型和主从型两种类型.辅助型是指在人工进行手术时，机器人作为辅助工具帮助医生对手术器械进行定位，从而提高手术精度.主从型是指由医生远距离控制主手，机器人作为从手复制主手的各种运动，从而按照医生的动作操纵手术器械来执行手术.

1.1辅助型机器人

1）MARS

2003年，以色列的研究团队专门针对脊柱手术开发出了MARS机器人系统［5］.MARS可被应用于椎板固定术和椎体成形术.MARS采用并联机器人结构，有上下两个平台.其中下平台固定于手术床，上平台通过6根移动杆与下平台连接并联运动，机器人具有6个自由度.与上平台相连的机械臂可以帮助医生把持手术器械，使手术器械维持在正确位置而不会产生抖动.MARS的结构非常小巧，上下平台的直径为5 cm，高7 cm，总重200 g.这种小巧的结构，使得机器人能适应很多工作空间小的手术，在保证可行性的同时提高了运动精度，从而提高了安全性.即使在手术中出现了意外情况，轻小的MARS也可以将对患者的伤害降到最低.但另一方面，MARS可承受的最大载荷比较小.只有10 N.研究人员在使用MARS进行试验时，发现某些手术中载荷可达到15 N，即超出了机器人的最大载荷，有损伤患者神经和血管的风险.最终MARS只能停留于试验阶段，未能应用于临床手术.

2）SpineAssist

SpineAssist是在MARS基础上发展而来，并已成为惟一获得FDA和CE双认证的脊柱手术机器人系统，且已实现商业化.SpineAssist上下平台直径8 cm，质量250 g，无论在尺寸还是质量上都比MARS有了提高.SpineAssist应用范围也更广，无论是开放式手术还是微创手术中都能使用.在开放式手术中，需要借助于Hover-T装置来固定机器人.Hover-T连接于患者椎骨和骨盆上，这样机器人与患者之间就不会有相对运动，因此系统不再需要手术器械位置追踪装置［6］见图2.后来，SpineAssist在软件与用户交互方面做了进一步优化，良好的性能使得它能在世界范围内被广泛使用.迄今为止，已有超过2 500例成功使用SpineAssist的手术报道.

图2　SpineAssist机器人

3）SPINEBOT

2005年，韩国汉阳大学的研究组开发出一种可自动将螺钉旋入腰椎骨的手术机器人系统，命名为SPINEBOT［7］.除了机器人以外，该系统还包含可实时确定患者和手术器械位置的光学跟踪系统，以及相应的HexaView软件包.手术前，医生可借助于CT或MR扫描设备，利用HexaView来制定手术方案.光学跟踪系统以30 Hz的频率检测手术器械运动状态，并能自动修正由于医生呼吸、抖动产生的运动偏差，提高运动精度.该系统已被NDI公司推广并商业化.

2010年，新一代的SPINEBOT问世，机器人自由度由第一代的7个减少为5个，使用最新的双面透视技术代替了原来的光学跟踪系统，并对软件进行了升级.新的产品取消了自动手术的功能，而只能辅助医生进行手术操作，使用起来更加安全方便.

4）VectorBOT

德国宇航中心开发出的轻量级机器人Vector-BOT可应用于多种脊柱手术中.VectorBOT系统包括一个7自由度的Kinemedic机器人和VectorVision光学跟踪系统［8］见图3.手术前，医生要在患者身上粘贴一些标记物，光学跟踪系统通过检测这些标记物来确定患者的位置，并指导手术器械的运动.在手术时不再需要任何的X射线设备，消除了这些设备对患者和医生产生的辐射伤害.但同时，手术对患者造成的创伤比较大，这会增加患者术后恢复的时间.虽然一系列实验结果表明，VectorBOT确实能显著得提高手术精度，有效降低手术风险，但由于赞助商Brainlab公司停止了对该项目的赞助，使得项目停止，VectorBOT未能实现商业化.

图3　VectorBOT手术机器人

5）RSSS

Jin等基于安全性设计出一款可用于脊柱手术的机器人系统，并命名为RSSS.该系统由机器人、术前规划系统、术中导航系统和跟踪系统四部分组成［9］.机器人具有6个自由度，其中的5个转动关节可以控制机器人末端到达指定位置，这种特殊的结构可以保证机器人在遇到意外情况时不会对患者造成严重伤害.末端控制器被命名为BSID，可以夹持螺钉并将其旋入椎骨.手术前，医生可借助CT和术前规划系统对患者手术进行规划.跟踪系统包含成像装置，可对患者于手术器械之间的相对位置关系进行实时跟踪.成像系统可将追踪系统获得的信息与3D显示系统连接，在3D显示器中显示.相关实验表明，与人工手术相比，医生借助该系统对腰椎部位进行手术时，手术精度提高显著，且工作空间能达到600 mm长，240 mm宽和300 mm高，可达到绝大多数腰椎手术空间要求.

6）AcuBot

为了解决微创手术中图像引导技术的一些技术难题，Cleary等在2003年开发出AcuBot手术机器人系统［10］见图4.该系统解决了以往机器人手术过程中存在的光学跟踪和术前影像、信息融合、三维显示以及跟踪方面存在的一系列问题.该机器人有6个自由度，手术中需要和CT一起配套使用来执行穿刺手术.机器人由一个可水平旋转和移动的支架固定在手术床上，末端夹持穿刺针到达指定位置.手术中，先通过操作支架，将穿刺针放置于指定位置附近.然后通过操作机械臂，将穿刺针精确地送至指定位置.AcuBot在软件方面围绕微创手术中的图像引导问题做了集成化处理，系统可实现CT与MRI图像配准融合、位置追踪、3D成像功能.AcuBot已经得到FDA认证，并已经投入临床使用.

图4　AcuBot手术机器人

1.2主从式机器人

主从式机器人通过复制医生在主手的操作，从手控制手术器械进行手术.这种工作方式使医生不再局限于手术室，通过远程操作也可完成手术，在技术上是一次巨大的突破.

1）RIME

2005年，Boschetti等人研究出一种可供医生远程操作的机器人［11］，并命名为“RIME”.该机器人系统采用主从操作控制方式，并具有触觉力反馈功能.医生控制主手进行手术中的各种操作，从手则复制医生的运动，控制手术器械执行同样的操作，为患者执行手术.触觉反馈系统将触觉信息实时反馈给医生，结合图像信息为医生提供临场感，使医生能够顺利完成远程手术.2007年，研究者利用RIME系统进行试验，证明了触觉反馈系统的实用性.现在，相关团队正在开发相配套的光学跟踪系统，将RIME应用于临床手术.

2）SpineNav

2008年，Ju等开发出一种新的机器人系统，可协助医生完成经皮椎体成形术.该系统不再需要光学跟踪系统，而是利用CT数据进行成像，实时监测手术器械和患者相对位置.机器人本身具有5个自由度，3个移动自由度和2个转动自由度.手术时，患者躺在手术床上，用CT对患者和手术器械进行扫描，扫描结果可传输至系统工作站，处理后进行成像，实时显示了手术器械和患者相对位置.医生可根据获取到的信息，在术规划系统中完成手术规划，然后操作主手进行手术操作，从手则通过复制医生手部运动来操作手术器械完成手术.手术中，医生和助手可通过控制台控制整个系统的运行，保证手术安全有效得进行.

3）Da Vinci

1999年，美国Intuitive Surgical公司开发出了Da Vinci手术机器人系统［12］.见图5.该手术系统参照心胸外科、泌尿外科、妇科及腹部外科相关手术设计，但近年来有医生尝试采用该系统进行腰椎手术.该系统主要由床旁机械系统、成像系统和医生控制系统三部分组成.其中机械系统包含3个用于夹持手术器械的机械臂和一个用于夹持腹腔镜的持镜臂.每个机械臂均有7个自由度，可将手术器械置于指定位置并进行旋转、开合等相关的手术操作.成像系统可实时获得手术部位图像实现立体显示，将图像信息传递给医生.医生在控制台获取各种信息后进行综合分析，规划手术路径，并操作主手进行相应运动，从手重复医生动作而完成手术.医生可通过声控、手控和踏板控制等方式控制设备，并提供接口和CT、超声、MR等多种成像技术联合使用.Da Vinci的成像系统可以使手术视野放大20倍，且高清三维影像系统可以使医生更直观、清晰得观察病灶部位，提高手术效率和质量.该系统已通过美国FDA和欧洲CE双认证，是目前世界上最先进、最复杂、应用最广泛的外科手术机器人系统之一.

图5　Da Vinci手术机器人

2　存在问题

各种各样的适用于腰椎手术的机器人系统问世，虽然给手术治疗带来了极大的便捷，大大提高了手术水平，但也仍然存在一些不可忽视的问题.

首先是安全性的问题.在手术中，安全性永远是医生和患者关心的最大问题.手术机器人在使用时必须要进行消毒，复杂的结构会影响消毒效果，有染菌的风险，在手术中易对患者造成感染［13］.因此在设计机器人结构时，要满足消毒过程简便、消毒效果好的要求.另外，当前绝大多数的手术机器人缺少触觉反馈系统，医生在手术时缺少了触觉信息，加大了手术的风险性［14］.

其次，手术机器人缺乏相应的标准.从首台手术机器人系统问世至今，已有几十年，但时至今日，行业内仍没对这种复杂、尖端的科技产品制定相应的标准.国际标准组织（ISO）和国际电子技术委员会正在考虑为手术机器人制定国际标准，但在相应法规问世前，手术机器人行业仍将鱼龙混杂.

最后，费用太高.除去购置一台手术机器人系统的天价费用，手术时的使用费、日常的维护费用都很高，给患者和医院增加了沉重负担.以Da Vinci手术机器人为例，购置系统的费用约为2 000万人民币.由于所使用的一些手术器械属于耗材，每次手术的耗材费用都在2万元左右.再加上设备的开机费、日常维护费、医生的培训费等等各种费用，使用Da Vinci比常规手术要多花3～4万元左右，很多普通百姓只能望而却步.

3　结语

本文介绍了几种与腰椎手术相关的手术机器人系统.利用机器人精确性好、稳定性高、适应性强的特点来执行手术操作，已经成为未来的发展趋势.但与腹腔微创手术相比，专门为腰椎手术设计的机器人系统数量偏少，目前也只有SpineAssist一种产品实现商业化.研究者还要针对腰椎的特殊结构，开发出更安全、更实用的机器人系统.相关组织部门则要尽快出台相关法规，为手术机器人系统制定相应的标准，使更优质的产品能早日服务于患者.

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Review of robotic systems for lumbar spine surgery

FU Yi-li，WANG Xue-zhan，GAOWen-peng
（State Key Laboratory of Robotics and System，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

As a typical representative ofmechatronics，surgical robot can increase the precision and stability significantly.Lumbar is part of spine and its special structure makes the operation dangerous and sensitive.Various robotic systems came into application in lumbar spine surgery.This paper aimed to show the current state of surgical robots for lumbar spine surgery，including the structures and functions.Moreover，the problems remained and the development directions in the future were showed.

surgical robot；lumbar spine surgery；assistive robot；master-slave robot

TP242

A

1672-0946（2016）02-0176-05

2015-06-16.

国家自然科学基金（81201150）

付宜利（1966-），男，博士，教授；研究方向：医疗机器人，机器人智能自主控制理论.