骨科机器人应用现状与研究进展分析

郝宝喜 天津市第四中心医院骨二科 （天津 300140）

内容提要： 医学技术持续发展的当下，逐渐向智能化、精准化、微创化方向发展，骨科机器人的出现，为骨科手术发展开辟了新道路，衍生出更多新颖的治疗理念及治疗方案。在骨科治疗中应用机器人，为解剖结构、生物力学结构极其复杂的众多骨科疾病，提出了非常多精准化、智能化且个体化的治疗方案，骨科机器人目前的主要应用范围如关节置换手术、脊柱微创手术、创伤骨折手术等，规避了传统手术方案的不足，大大提高了手术效率和效果。

近年来，随着机器人技术的迅速发展，手术机器人在临床上的应用和优势逐渐凸显，骨科机器人作为机器人的一种，在精确性和可重复性上具有巨大的优势。1985年，一名加拿大医生（Kwoh）第一次应用PUMA560型工业机器人进行脑肿瘤活检手术，这是世界上机器人在外科手术中应用的第一例，之后各种结构、各种用途的机器人相继诞生，但因功能或结构等方面的局限性，当时在骨科手术中的应用情况较少[1]。1992年，机器人第一次用于骨科手术，至今已可以将骨科机器人分为三种类型：①主动型；②半主动型；③被动型[2]。骨科医师在手术方面，不断追求智能性、微创性以及精准性，骨科机器人利用多种先进技术，例如电子信息技术、人工智能技术、自动化技术等，帮助骨科医师在视觉方面、触觉方面，所涉范围都进一步扩大，进而手术可获得更加安全、精准的效果，并且实现了可重复性操作，既往难以完成的复杂高风险手术也可在机器人辅助下完成[3]。目前骨科机器人已经用于多个领域，如骨肿瘤、脊柱外科、关节外科等，慢慢改变了传统局限性较大的诊疗模式，为骨科手术治疗开辟了一条新道路。现将从骨科手术的难点、国内骨科机器人的分类、应用现状等方面展开充分的分析总结，报告如下。

1.骨科手术难点

医疗机器人属于新型交叉研究领域，集合了数学分析、计算机视觉、计算机图形学、材料学、生物力学、医学等学科领域，医疗机器人领域的一个重要分支即为骨科机器人[4]。21世纪后，社会经济发展速度发生了非常大的提升，交通业、建筑业等在快速发展的同时，也间接地提高了骨科疾病发生率，且疾病类型日益复杂化，传统骨科手术已无法适应时代的发展，需提供一些更加新颖的治疗方式和理念[5]。骨科手术难点是手术操作者的视野、空间均存在很大局限性，可能导致误伤，微创手术经多次的X射线透视观察，能一定程度上缩小局限性，但是X射线透视会产生大剂量辐射，危害医护人员身体健康，并且微创手术无法实现重要神经血管结构的直视观察，潜在风险比较大[6]。骨科机器人问世后，发挥了微创精准定位、规划模拟以及手术导航等功能，利于医生的手术操作和决策判断，手术精准度大大提高，减少损伤、并发症的同时，手术放射线辐射污染减少，手术成功率大大提高。

2.骨科机器人分类

以国内为例，虽然发展起步时间较国外更晚，但是也不断有新的突破，目前，北京积水潭医院、中国人民解放军总医院、第三军医大学新桥医院等医疗机构，再加上哈尔滨工业大学、北京航空大学等科研机构，都致力于骨科机器人的研究和使用。将其分为如下两类：①遥控型脊柱机器人。第一个遥控型脊柱机器人是中国科学院沈阳自动化研究所机器人实验室联合周跃教授（任职于第三军医大学新桥医院骨科）研发，共六个自由度，目前将其用于脊柱微创手术中置入椎弓根螺钉，因尖端夹持气钻，可实现遥控完成打孔操作，缩短术者术中辐射暴露时间，但因无法结合导航系统，使其临床应用备受限制[7]。②导航辅助机器人。“天玑”手术机器人在2016年的年底获得国家Ⅲ类医疗器械资格证，能够用于四肢手术中、骨盆手术中、脊柱全节段手术中。北京积水潭医院等众多单位，曾经进行了关于计算机导航下长骨干骨折的研究，研发出骨折复位机器人，所涉范围包括骨盆骨折、股骨骨折等。

3.骨科机器人的应用

3.1 脊柱微创骨科机器人

作为人体比较复杂的一个运动系统：脊柱，其不仅存在复杂的解剖结构，而且毗邻重要神经和血管组织，例如静脉丛、椎动脉、脊髓等[8]。传统的脊柱外科手术术中视野存在很大局限性，此外患者本身存在较多不确定因素，常出现手术精准度低、创伤大、并发症多等问题，微创脊柱外科手术需要术者具有丰富的临床经验和高超的操作技术，可能因操作疲劳影响手术效果，并且无法避免辐射问题，脊柱微创骨科机器人的应用，对于术者来说，手术学习曲线较短，很大程度上规避了传统手术、微创手术存在的一些问题[9]。脊柱微创骨折机器人结合了自动化技术以及先进的医疗技术，目前制造技术比较成熟的属法国Medtech医疗公司，其所研制的ROSA Spine，还有以色列Mazor公司，其研制的Spine Assist/Renaissance，目前均已获得美国FDA、欧洲CE的双重认证。Renaissance目前主要应用在脊柱外科手术中椎弓根螺钉术、经椎板关节突螺钉固定术，属于Spine Assist升级版，二者均可大大提高椎弓根螺钉置入的精准性，我国在2014年将其引入[10]。目前已有研究对其实际使用效果进行了研究评价，得出结论如下：机器人辅助下的手术时间大大缩短，医护人员射线暴露时间也缩短，置钉准确率提高，术中出血量减少。国内骨科机器人的研究起步时间相较于国外更晚，目前已有多个单位致力于脊柱微创骨科机器人的研究[11,12]。第三军医大学新桥医院联合中国科学院沈阳自动化研究所研发脊柱微创骨科机器人，中国科学院深圳先进技术研究院联合多家机构一同研发的RSSS，虽然都在国内处于领先的水平，但是还未大规模投入使用[13]。目前的“天玑”骨科机器人是我国顶尖水平，精准度甚至已经达到了国际的领先水平。谢海清等[14]在《骨科机器人辅助与传统透视下经皮椎体成形术治疗骨质疏松性椎体压缩性骨折的比较》研究中，选择180例骨质疏松行椎体压缩性骨折患者为研究对象，分为两组，一组利用C型臂透视辅助下完成经皮椎体成形术（对照组），另一组应用“天玑”骨科机器人系统进行经皮椎体成形术，结果显示，观察组于手术时间、住院时间、骨水泥灌注量、穿刺内倾角度方面，均优于对照组，两组术后第1天、术后1周、术后1个月的疼痛评分、功能障碍指数都低于术前，伤椎Cobb角和术前无较大差异，骨水泥渗漏情况对照组发生15例，观察组发生4例，总体而言，两种手术方式的疗效都较好，但应用“天玑”骨科机器人系统进行经皮椎体成形术可提高手术效率，减少骨水泥渗漏情况发生，具有良好的应用前景。

3.2 创伤骨科机器人

按照功能来划分，可将创伤骨科机器人分为两种类型，第一种是定位机器人，第二种是复位机器人。其中，定位机器人的主要特点是微创、定位精准，常用于骨盆髋臼损伤的微创螺钉内固定术、股骨颈骨折空心螺钉内固定术、髓内钉内固定术等方面，电磁导航髓内钉远端瞄准系统应用于临床，能够将术中髓内钉、瞄准器位置通过三维动画的方式展示出来，大大减少射线暴露，缩短手术时间。目前，我国自主研发的GD2000骨科机器人导航定位系统用于股骨颈骨折手术，可明显缩短手术时间，减少术中透视次数。骨折复位机器人目前临床实际应用较少，国内外的发展速度都比较慢，原因在于复位阻力、复位前后骨块位置的变化以及术中意外伤害等原因，增加了其研发难度。

3.3 关节置换骨科机器人

第一次行人工全髋关节置换术、单髁膝关节置换术、人工关节置换术三种类型的手术，都可应用关节置换骨科机器人，分为三类系统：①主动式骨科手术机器人结合术前规划，机器人对扩髓、截骨等操作的指挥，自主完成手术，为最先进的一类骨科机器人，我国目前还处于研发阶段，国外研发技术已经比较成熟；②被动式骨科机器人无术中操作功能，主要代表计算机导航系统；③半主动式骨科机器人于计算机模拟、规划之后，再由手术操作者经触觉反馈系统来操控机械臂，于机器人规范区间内完成假体安置操作，这类机器人目前应用比较多[15]。

3.3.1 膝关节置换骨科机器人

膝关节置换手术成功的关键条件在于截骨是否精确、假体是否合适、下肢力线重建情况、软组织平衡情况，利用膝关节置换骨科机器人，于术前规划构建骨骼模型，将假体的大小、截骨量、截骨角度等均精准计算出来，相对于传统手术，该手术方法可实现下肢力线和关节对位趋于正常生物力学，但是也可能因定位针移位或者是骨水泥技术等而影响到下肢力线重建效果，目前相关研究仅局限于短期疗效的评价层面，长期随访还有待进一步收集病例完成研究。

3.3.2 全髋关节置换骨科机器人

全髋关节置换术术后假体是否稳定，假体寿命长短，和假体位置、周围软组织平衡性有关，全髋关节置换骨科机器人的使用，可促进假体和骨皮质连接更加紧密，且安置更加精准，并且于髋关节生物力学解剖精准度方面，有很大潜力，目前我国全髋关节置换骨科机器人还处于探索期。

4.骨科机器人应用问题

虽然骨科机器人为骨科手术治疗开辟了新途径，但是也不可忽视其所存在的系列问题，例如自身缺陷、用途单一、成本昂贵等问题，手术室的空间有限，而机器人大多体积庞大，需要较长时间来安装调试，再加上系统技术比较复杂，若出现故障后处理的难度比较大，目前为止，大部分骨科机器人都只适用于一种手术类型，或者是适用于多种复杂手术类型，但只针对其中的一个步骤，功能相对单一，此外，系统定期维护、专利保护等问题，增加了其购置成本。

5.对骨科机器人的展望

就目前而言，我国医疗研究中主要矛盾依旧是以医生为主，其医疗资源供给远远不能满足患者的增长速度，这也在一定程度上导致我国医疗行业对骨科机器人的依赖性较大，其需求也有所增加。对现有骨科手术机器人而言，无论脊柱外科、关节骨科还是创伤骨科机器人，能够解决的问题主要以定位、骨切除、复位动作操作为主，以替代医师体力和不精确操作。再者，临床数据也是对骨科机器人发展的基石，如何将大数据变得更直观化，并在后期转变为通用性工具十分重要。骨科机器人系统相对人类手动统计而言，更有收集数据、管理数据的能力，但无法做出恰当的决策，因此，骨科机器人系统依旧只能充当医生的工具及助手，最终的决策能力依旧在医生手上。对于未来的骨科机器人，还应开发出更多不同深度学习算法之间的移植和优化，还可对骨科机器人进行创新和突破，研究出更智能、更人性化的骨科机器人。

6.小结

骨科机器人已不止数十年的发展历程，其应用潜力很大，但也存在局限性，联合超声技术、电磁技术、光学技术、自动化技术、智能化控制技术等，获取准确的定位信息，完成多目标监控导航，帮助骨科手术走向更高的台阶，相信在不就的将来，对骨科机器人进行改良优化，并同时研发出功能更强大的型号，可为骨科疾病治疗带来质的改变。