机器人辅助置钉在脊柱外科中的应用进展

杨凯钧，孙崇毅

(哈尔滨医科大学附属第二医院骨科，哈尔滨 150001)

随着科技及工业技术的发展，脊柱外科经历了多次技术革新，在手术技术、内置物、生物制剂、计算机辅助导航系统和机器人系统等方面都取得了较大发展，其中机器人系统以出色的精准性、稳定性、实用性得到广大学者的青睐。在目前上市应用的众多机器人系统中，达芬奇机器人系统的运用较为广泛。1997年比利时成功进行了第一台机器人手术，获得美国食品药品管理局批准[1]。此后，机器人辅助手术技术广泛应用于泌尿外科、心胸外科、普通外和其他外科手术中，术后效果较好[2]。近年来，达芬奇机器人辅助置钉技术已成为脊柱外科的颠覆性技术之一。脊柱外科的手术操作精细，需要对神经周围组织或神经进行细微操作，稳定的操作和合适的手术器械可以将术中副损伤降到最低。此外，长时间脊柱手术和反复操作对脊柱外科医师注意力和体力的需求较高。鉴于此，机器人辅助置钉技术已成为理想的脊柱外科手术方式。机器人辅助置钉技术主要由以色列Mazor Surgical Technologies公司研制并应用于脊柱外科置钉内固定[3-4]。随后机器人辅助置钉技术不断改良，目前已被广泛应用于颈椎、胸椎、腰椎以及脊柱侧凸的置钉手术中。现对机器人辅助置钉在脊柱外科内固定中的应用予以综述。

1 机器人辅助置钉在脊柱外科内固定中的应用

1.1颈椎置钉 颈后路全椎板减压内固定术是治疗多阶段颈椎病的重要术式之一，常见的后路内固定有侧块螺钉和椎弓根螺钉。在解剖结构上，由于颈椎侧块距椎管内脊髓和椎管外椎动脉孔有一定的距离，所以在植入颈椎侧块螺钉时还可以有效防止神经血管损伤。但是颈椎椎弓根螺钉的生物力学稳定性强于颈椎侧块螺钉，可以减少螺钉松动。相关研究表明，颈椎椎弓根螺钉内固定系统的生物力学稳定性和即刻稳定性高于其他前后路内固定系统，有助于患者术后早期功能锻炼[5]。但颈椎椎弓根距离椎动脉孔和椎管较近，在植入椎弓根螺钉的过程中可能由于操作不慎，如进钉方向和螺钉直径选择不当容易使颈椎椎弓根破裂造成严重的神经血管损伤，导致严重并发症，给患者带来巨大的痛苦[6-7]。Wang等[8]研究发现，徒手置钉损伤脊髓、神经根、椎动脉的概率为11.5%～33.8%，由于机器人辅助技术应用于脊柱外科时间较短、颈椎解剖结构较为特殊，故应用于颈椎置钉的病例较少。Kostrzewski等[9]对6具尸体进行了研究，共在上颈椎置入了14 枚螺钉，最终发现12 枚置钉点的偏差为(1.94±0.89)mm，其余2 枚螺钉误差较为明显，说明颈椎节段机器人辅助置钉的实用性和适用性较好。Tian[10]应用机器人技术进行了临床首例颈后路置钉，认为机器人技术可以用于伴有畸形的复杂颈椎后路手术，并证实了其在脊柱外科的应用潜力。在颈椎区域，机器人辅助置钉可降低神经及血管损伤，并使置入椎体的生物力学稳定性更佳，保证了术后效果，也缩短了患者的康复时间，在一定程度上减少了颈椎术后相关并发症，提高了患者的生活质量。

1.2胸椎置钉 近年来，胸椎节段病变的发病率逐渐升高，胸椎畸形、骨折、感染、肿瘤、胸椎后纵韧带骨化、黄韧带骨化、胸椎间盘突出等疾病严重威胁着人类的健康，随着椎弓根螺钉技术的不断发展及成熟应用，成为治疗胸椎节段病变必不可少的内固定器械。胸椎的椎弓根在T4～6水平的距离小于腰椎，且胸椎的椎弓根内侧壁和脊髓之间的“安全区域”也相对较小，周围所毗邻的解剖结构十分复杂，椎体正前方为心脏、较大血管等重要脏器在内的纵隔，左右被肋骨及肺脏包裹，椎体正后方为椎管内走行脊髓与神经根，故手术中置钉的准确性对于胸椎节段极为重要[11-12]。李浩等[13]对22 例胸腰椎骨折的患者进行相关研究，将患者分为应用传统徒手置钉组和机器人辅助置钉组并进行分析比较，结果发现机器人辅助置钉组的置钉准确率明显高于传统徒手置钉组[96.43%(54/56)比87.93%(51/58)]，且机器人辅助置钉组中透视次数明显减少。翟骁等[14]应用机器人辅助置钉技术对伴有脊柱侧凸的患者进行胸椎阶段置钉，证实了机器人辅助置钉技术可以提升胸椎节段置钉的准确率。

1.3腰椎置钉 腰椎椎弓根螺钉是脊柱手术中最常见的内固定物，由于腰椎椎弓根大于颈椎及胸椎的椎弓根，更适合植入椎弓根螺钉。基于脊柱的三柱理论，腰椎椎弓根螺钉可以同时固定腰椎的三柱结构，增加腰椎的稳定性，对于腰椎的承重功能十分关键。由于腰椎椎弓根比较粗大，可供选择的置钉通道范围相对广泛，置钉失误率小于颈椎及腰椎，即使置钉失误导致椎弓根破裂，出现神经损伤相关并发症的概率也相对较低，而且腰椎徒手置钉技术在腰椎置钉方面比较成熟，但为了将误置概率降到最低，脊柱外科医师一直在探索如何提高置钉的准确性，故机器人辅助置钉技术逐渐被重视。Sukovich等[4]报道了Mazor脊柱机器人技术，并对14 例患者进行回顾性分析发现，约96%的螺钉位于预先设计轨迹的1～2 mm内，并且未出现准弓根破裂，但是研究缺少椎弓根螺钉准确性分级标准。Pechlivanis等[15]应用Mazor机器人技术在31例患者中植入133 枚腰椎椎弓根螺钉，术后复查CT，并且按下列标准划分等级，A级：螺钉完全在椎弓根内；B级：螺钉偏出<2 mm；C级螺钉偏出2～4 mm；D级螺钉偏出；E级>6 mm，结果显示，共122枚螺钉符合标准，其中108枚(88.5%)为A级，13枚(10.7%)为B级，1枚(0.8%)为D级，说明机器人置钉技术比较成功，而且准确度较高。Chenin等[16]对25例患者中的110 枚螺钉进行分析研究，术后CT发现110枚螺钉中101枚完全在椎弓根内，5枚椎弓根壁破裂<2 mm，2枚椎弓根壁破裂在2～4 mm内，2枚椎弓根壁破裂>4 mm，1枚在术中进行了重新置钉，但是所有椎弓根壁破裂的患者均无临床症状，所以研究认为机器人辅助置钉的牢固性、可靠性及准确性较高。

大量Meta分析均证实，机器人辅助腰椎置钉的准确性较高，且机器人辅助置钉的精准性高于徒手置钉[17-20]。Ringel等[21]将60例符合入选标准的患者随机分为应用机器人置钉组和徒手置钉组，研究发现传统徒手置钉组的置钉准确性更高，而机器人组较多出现明显螺钉偏差，出现进钉点偏差可能与器械和椎体连接处不稳定有关。随后，Fan等[22]对机器人辅助置钉技术与徒手置钉技术在置钉的准确性方面进行了一项Meta分析，结果发现机器人辅助置钉的准确性大于徒手置钉技术。在置钉方向和椎间关节面侵及方面，Kim等[23]对机器人置钉与徒手置钉进行了前瞻性随机对照试验，结果发现机器人技术可以减少螺钉对近端椎间关节面的侵及，可以使螺钉内聚增加，加强螺钉把持力。Yu等[24]对机器人置钉与徒手置钉的系统回顾和Meta分析显示，尽管机器人技术能够较好地应用于临床，但是目前尚不能证实机器人置钉可以取代徒手置钉。综上，因腰椎椎弓根宽大、椎管较粗、置钉的进钉点及钉道选择性较多，且成人脊髓圆锥终于第一腰椎下缘或第二腰椎上缘，所以对于常规手术来说，徒手置钉的准确率较高、并发症发生率较低，而机器人辅助置钉技术可以用于腰椎滑脱、旋转畸形等更加复杂的腰椎节段手术。

1.4脊柱侧凸置钉 脊柱侧凸是目前脊柱外科的研究热点，与退变性脊柱侧凸相比，青少年特发性脊柱侧凸逐渐被脊柱外科医师重视。对青少年特发性脊柱侧凸进行手术治疗时，椎弓根螺钉发挥了重要作用。脊柱侧凸手术的难度较大，且患者的特异性、畸形、关键的解剖标志不明显等增加了置钉失败的可能。Macke等[25]对50例年龄<18岁脊柱侧凸患者行机器人辅助脊柱矫形手术，结果发现机器人辅助置钉的准确性远高于徒手置钉，且术前行俯卧位CT可提高置钉的准确性。生长棒技术结合非融合手术已逐渐应用于早期脊柱侧凸疾病的治疗，尤其是神经肌肉型脊柱侧凸。骶髂螺钉具有出色的生物力学特性，但是放置十分困难。Lefranc等[26]研究认为，机器人辅助技术可以辅助术者植入骶髂螺钉，尤其在治疗脊柱侧凸患者时，可降低放置骶髂螺钉的难度。翟骁等[14]总结了我国机器人辅助置钉用于脊柱侧凸矫形手术的案例，验证了机器人辅助置钉的准确性，认为在治疗脊柱侧凸时应用机器人辅助置钉技术可以有效提高置钉准确度，并降低术中神经、血管及内脏损伤等并发症的发生率。

2 机器人系统与3D打印导板

随着工业技术的发展，3D打印技术也融入脊柱外科领域中，目前3D打印导板是脊柱外科新兴技术之一，该技术利用术前高分辨率CT，通过计算机软件3D重建目标椎体，在此基础上设计出导板，之后应用3D打印设备将设计出的导板实体化。很多学者也证实了3D打印导板在辅助置钉方面的准确性和应用价值，但是3D打印导板也存在一些缺点[27]：①应用3D打印导板辅助置钉时，需要彻底剥离置钉椎体后方软组织，充分暴露骨表面，使导板与棘突、椎板、关节突等骨性解剖标志充分贴和，保证置钉的准确性，但可能增加局部软组织出血和副损伤，与近些年外科所提倡的微创思想相违背；②置钉过程中，导板应一直保持稳定，任何轻微的相对活动都会引起置钉的偏差；③ 3D打印导板的制作过程也会导致置钉误差，如在导板的设计阶段，由于不同软件的数据转换方式不同，3D打印设备精准度的差异、打印材料在消毒处理后可能出现变形等因素均能影响打印导板辅助置钉的精准度，故手术过程中不能完全依赖打印导板，应结合临床经验和徒手置钉技术；④ 3D打印导板需要一定的设计和制作时间，不适合用于急诊手术。

机器人辅助置钉技术可以保证置钉的准确率，还可以避免3D打印导板置钉的缺点。机器人辅助置钉的优点为：①置钉准确率高；②程序稳定且术者不易疲劳；③术者X线暴露量少；④手术切口小、术中副损伤少、患者恢复快、住院时间短，符合快速康复外科的要求；⑤机器人辅助系统能在某些徒手置钉操作困难的解剖位置上进行灵活操作；⑥术中重建可以避免3D导板较长的制作周期，适用于急诊手术[28]。

3 机器人辅助置钉相关问题

近些年，机器人辅助手术技术在其他外科中应用较为广泛，如心胸外科、普通外科、泌尿外科、妇产科、头颈外科，并且获得较好的术后效果。机器人可协助外科医师进行不同程度的手术操作。目前临床上应用的机器人可分为3类：①监督控制系统，通过编程预先设定机器人动作，机器人在外科医师密切的监督下进行自主手术操作；②遥控机器人系统，比如应用较为成熟的达芬奇机器人系统，外科医师可在远程指挥站完全控制机器人的运动；③共享控制模式系统，允许外科医师和机器人同时进行操作。脊柱外科中所应用的机器人系统由计算机注册，通过自主协助外科医师定位最佳进针点，但置钉过程由外科医师操作，本质上是一种“半自动”机器人。目前脊柱外科中的机器人存在以下缺点和不足：①现在上市的机器人辅助系统价格普遍昂贵，在一般医院难以普及，不利于机器人技术的应用与发展。②应用机器人辅助置钉的操作流程与传统徒手置钉的流程不同，需要学习与适应。在学习机器人辅助置钉过程中存在着一定的学习曲线[5]，只有熟悉掌握改技术才能发挥出优点。③机器人辅助系统缺乏术中触觉反馈，不能对操作进行判断与调整。④脊柱机器人系统需要定期的维护和保养，增加应用成本。

4 小 结

机器人辅助置钉技术已被证实是安全有效的，但是在广泛采用之前还需克服费用上的困难。但对于外科医师追求置钉零误差的需求来说，机器人辅助置钉技术是必不可少的。未来，若针对脊柱外科机器人的缺点进行研究和改进，可能使机器人辅助置钉的“半自动模式”转变为机器人置钉的“全自动模式”，并且结合术中监督可进一步提高准确率。随着当代大数据、5G网络、人工智能技术的发展，未来机器人有望能够根据既往相关手术患者的数据进行自动分析，设计出最佳手术方案，以提高手术效率、缩短手术时间、提高患者预后质量。目前报道的达芬奇机器人在脊柱外科领域的应用均得到了较好的临床效果[29-31]。未来可以将现有的机器人系统用于脊柱外科领域，以加快脊柱外科领域的发展。