机器人辅助手术在脊柱外科应用进展

王向阳，刘永辉，石洋，崔宏勋(通信作者*)

(1.河南中医药大学，河南 郑州 450000；2.河南省洛阳正骨医院，河南省骨科医院，河南 郑州 450000)

1 脊柱外科机器人概述

手术机器人这一概念最早由Fisher 和Rosen博士于20年代中后期提出，但受当时技术限制，其发展研究并未大规模开展。21世纪后，随着科学的不断发展，以及对手术精准化、微创化的要求提高，各类手术机器人纷纷出现，尤其在泌尿外科、心胸外科以及神经外科发展迅猛，仅达芬奇手术机器人辅助的腹腔镜和胸腔镜手术在2015年就已开展逾70万例[1]。脊柱外科的机器人技术在过去十年中发展也相对较快，2004年Mazor 公司开发的SpineAssis是首款经美国食品药品监督管理局批准可用于脊柱手术的机器人[2]。目前临床用于脊柱手术的机器人主要有Mazor公司SpineAssist/Renaissance机器人、Zimmer Biome公司的ROSA机器人、Globus Medical公司的ExcelsiusGPS机器人、天智航公司的天玑机器人，尽管细节方面可能有差异，但主要部件结构及工作原理较为类似。机器人系统主要由机械臂系统、光学跟踪系统、手术规划系统及导航系统构成[3]，其主要工作原理可分为三步，第一步通过C臂或O臂收集患者信息，完成定位、图像重建，第二步为路径规划，术者在重建的图像上依据手术要求规划完成路径的设置，最后一步即执行规划，机械臂根据光学示踪器定位至指定位置，最后再由术者进行操作，在这一过程中多数机器人能实现术中实时成像，自动补偿患者体位移动造成的误差[4]。

2 机器人辅助置钉

在脊柱手术中，安全合适的放置椎弓根螺钉是内固定最为关键的步骤之一，而错误的螺钉位置或置钉操作可能会导致严重并发症。目前，临床手术中螺钉的置入仍以徒手为主，这对术者经验要求较高，且主观性较强，术中可能出现多次透视、反复调整钉道等问题，数据统计显示，徒手放置胸腰椎椎弓根螺钉的错位几率接近10%[5]。目前多数研究报道均认为机器人系统在螺钉置入精度方面要优于徒手置入。机器人系统可根据术中实时扫描重建，有效了解患者椎弓根形态结构、神经脊髓受压情况，进而选取合适的螺钉规格、进针角度、方向、深度等。Granit等[6]的荟萃分析纳入了169例患者880枚椎弓根螺钉比较机器人辅助与徒手置钉的准确性，采用Gertzbein Robbins分级对螺钉精度进行评估，机器人组达到A级或B级为93.4%，显著高于徒手组88.9%。Li等[7]的荟萃分析纳入9项研究696例手术，结果表明，与徒手技术相比，机器人辅助技术在椎弓根螺钉置入中的准确性更高，且TINAVI机器人精度要优于Renaissance机器人。Keric等[8]回顾研究了413例患者2067枚由机器人辅助置入的螺钉，96.9%的螺钉具有良好的位置，仅有20颗螺钉的偏差大于6毫米。除常规置钉外，在面对脊柱畸形患者时，机器人辅助置钉展现出了巨大优势，陈豪杰等[9]报道在青少年特发性脊柱侧弯矫形手术中应用机器人辅助置钉，机器人手术组的术中出血量、置钉时间及螺钉位置调整次数均显著低于传统手法置钉，且术后影像学复查显示机器人手术组的置钉准确率要明显高于徒手组(89.5%VS79.1%)。宋玉鑫等[10]报道在脊柱畸形矫形中应用机器人辅助置钉，其A级别螺钉数量显著高于应用3D打印导板置钉。

机器人辅助置钉尽管有着较高的精确度，但在置钉过程中较易受到患者呼吸运动及患者不自主身体移动影响，此外当切口较小或螺钉外展角度较大时，皮肤肌肉等组织对导针的阻挡牵拉亦会影响螺钉精度，因此术者操作时应当注意细节，减少偏移[11]。此外有研究发现机器人辅助置钉，螺钉距小关节更远，对于小关节侵犯更小，有利于减少术后邻近关节的退变[12-13]。在术中出血方面，Fan等[14]对127名颈椎手术患者研究发现，机器人辅助置钉组患者的手术失血量显著少于常规徒手置钉组，且术后住院时间也明显缩短。机器人术中、术后并发症也是值得关注的问题。徒手置钉过程中常需要剥离较多肌肉组织、多次调整钉道来完成置钉，这一过程无疑增加了组织损伤及出血量，而机器人辅助置钉无需观察解剖标志，仅需依靠机械臂经皮体表定位即可完成置钉，因此可以减少组织剥离[15]。

3 手术时间及辐射暴露

现有研究对于机器人是否能够减少手术时间尚存争议。Fu等[16]的荟萃分析认为，机器人辅助组的整体手术时间与传统徒手组并无显著差异。Peng等[17]研究发现，机器人辅助手术时间较常规手更长，这可能是因为机器人系统需要更多的仪器设备，且设备的位置常需要根据手术的需要进行多次移动。但也有学者研究认为机器人手术较传统手术时间更短，俞阳等[18]报道在胸腰椎多椎体病理性骨折手术中应用机器人辅助骨水泥注射，较传统手术显著缩短了手术时间，冯硕等[19]研究机器人辅助手术在斜外侧腰椎椎间融合治疗效果发现，机器人显著缩短了手术时间、减少了术中出血。通过以上研究可以发现，应用机器人辅助能够缩短手术时间通常是由于以下几个主要原因：1、减少透视次数；2、在较复杂的手术中降低螺钉位置调整次数；3、减少出血，便于手术进行。

在辐射暴露方面，机器人系统相较于传统徒手置钉免去了多次透视调整螺钉位置、角度这一过程，通常仅需重建过程及置钉完成后的透视，而且患者图像信息重建过程中医护人员无需暴露，因此辐射时间及暴露量较徒手置钉可能更低。Hyun等[13]研究显示，在传统常规手术和机器人引导的手术中，放置一枚螺钉所需放射时间分别为13.3秒、3.5秒，Jamshidi等[20]的一项前瞻性、多中心的研究结果显示，在短节段微创腰椎融合术中应用机器人辅助手术能够减少50.8 % 的手术透视时间，此外多项研究表明，机器人辅助手术可以显著降低术中放射时间和辐射剂量[21-22]。

4 机器人手术局限性

尽管机器人系统手术取得了可喜的成果，但回顾以往文献可以发现，目前机器人系统仍存在着诸如应用范围较局限，学习曲线较长，成本效益比等问题。在目前的大多脊柱外科手术中，机器人只是作为辅助置钉的向导，似乎缺乏其他方面的应用，且关于机器人辅助置钉的研究也已较多，因此未来机器人系统不能仅局限于完成置钉这一初步操作，还应当在其他不同手术、不同阶段展现自己的作用，它们在脊柱外科手术中的应用应当继续开发。脊柱机器人能够为脊柱的任何解剖区域提供精确的引导，因此在机器人的辅助下，术者可以非常容易地接近和切除椎板、关节突等骨组织进而进行一系列的操作[23]。目前已有关于机器人辅助经皮椎体成形术、辅助减压等方面的报道[24-25]，随着研究的不断加深，未来机器人在脊柱外科手术中也必能展现出更多技能。

机器人辅助手术学习曲线较长，尤其对于年龄较高的医生来说，熟悉机器人软件的规划、操作并非易事。HU等[26]连续追踪了150例应用机器人辅助置钉的手术发现，置钉准确度在30例手术后达到相对稳定的平台期，机器人引导成功放置螺钉成功率由82%上升至91%～93%，机器人辅助失败而转换为手动放置的螺钉的比率为由17%下降到4%～8%。Schatlo等[27]回顾了13名不同医生放置的1265枚机器人辅助椎弓根螺钉，发现在第20例手术后，螺钉放置错误的数量显著下降。范明星等[28]研究发现，在在手术数量达到8台、20台、32台时，手术时间逐渐缩短，螺钉精确性逐渐提高，后渐趋于稳定。基于上述的数据，作者建议对机器人技术不熟悉的外科医生在前30台机器人辅助手术应当接受监督指导。尽管脊柱手术机器人技术学习并非易事，但其他技术的不断发展也给其带来了新的助力，如新兴的虚拟现实技术有望能够降低初学者门槛。

机器人成本效益也是值得关注的问题。但目前对机器人成本效益的研究似乎并不多，中国作为人均医疗资源较为有限的国家，在推广一项新技术前有必要对其成本效益进行研究，尤其是面对机器人这类结构复杂、造价昂贵且后期需要额外维护的医疗设备。目前有研究者报导，机器人辅助手术能够提高置钉准确率、降低感染率，进而通过缩短住院时间减少患者费用[29]。但也有研究显示，与接受常规脊柱手术的患者相比，机器人辅助手术患者的并发症发生率相似[30]，并不能减少花费。因此临床应用机器人时，医生应当谨慎评估患者情况，权衡利弊，实现成本与效益的最优化。

5 小结

目前，机器人辅助手术在脊柱外科领域仍处于萌芽阶段，尽管现有研究已展现出了不少积极的成果，如机器人辅助螺钉放置的准确率更高、手术操作更为微创、手术人员所受辐射暴露更少等，但也存在着诸如应用范围窄、学习曲线较长、机器人智能化程度较低、缺乏人机交互等问题，迄今为止，手术机器人只能用于执行相对简单的程序，几乎没有自主权和决策权，此外尚缺乏机器人应用的指南或标准，关于机器人不良事件及风险事件管理研究也较少，但随着时间的发展，技术的不断进步，这些相应的问题也必将得到解决，机器人在未来临床应用中也将迎来更广阔的空间。