骨科机器人在脊柱微创手术中的应用效果与研究进展

赵 彤，黄承夸

（1.右江民族医学院研究生院；2.百色市人民医院脊柱外科，广西 百色 533000）

脊柱疾病是骨科较为常见的疾病，其包括腰椎间盘突出、骨折、肿瘤、脊柱侧凸等[1]。目前采取药物治疗的方法较多，部分仍以局部手术治疗方法为主。Boucher等于1959年正式提出了椎弓根螺钉内固定术，由于其三柱支撑、坚强的内固定而广泛应用于脊柱的相关疾病中[2]。既往此类患者较多采用传统骨科开放手术，常见有脊柱后路切开减压复位椎弓根钉内固定术，手术创伤比较大、出血较多、并发症相对较多等几个致命的缺点，同时需要骨科手术医生自身拥有扎实、丰富、独特且十分精湛的相关专业和临床操作经验。

1 天玑骨科机器人系统的功能及其组成

骨科机器人的发展史：1987年微创手术（MIS）和机器人系统的分离技术概念在世界上首次被正式提出，1997年机器人系统首次成功地应用于腹腔镜胆囊手术，1998年由美国Intuitive和德国surgical公司首次成功设计、研制并发展出了第一台达芬奇手术机器人（DaVinci）系统，在当今国际机器人手术应用领域意义重大，是重要的科技里程碑[3]。医学界开始了巨大的努力，以向所有外科学科推广和扩展这一新颖概念。2004年由以色列Medtronic公司设计的第一代Mazor系列机器人SpineAssist，是第一个被美国FDA批准用于脊柱外科手术，时至今日仍是使用最广泛的临床手术机器人。之后又相继推出了第二代Renaissance及第三代Mazor X机器人[4]。其工作原理是术前完善CT，术中行C型臂X线机获取图像，并传输给主机，与术前CT图像进行匹配，规划出预定的螺钉轨迹[5]。法国MedTech公司及美国Globus公司相继推出ROSA、Excelsius GPS等机器人。我国在骨科机器人使用方面起步较晚，随着在美国、德国、以色列和韩国等机器人在脊柱疾病方面的广泛应用[6]，2015年，北京积水潭医院田伟团队和北京天智航公司合作共同研发制造了天玑骨科机器人，该机器人是迄今为止国际意义上的第一个通用性骨科手术机器人[7]，并且全球范围内第一台辅助上颈椎手术的骨科机器人[8]。临床研究结果显示，骨科手术机器人在提高脊柱椎弓根置钉准确率等方面具有显著的优越性[9-10]，使脊柱骨科手术向着微创化、精准化等方向进一步发展[11]。目前国内外多项研究成果[12-13]表明，与传统的徒手置钉手术相比，机器人辅助脊柱微创手术方法可以明显提高椎弓根螺钉置入的准确性和安全性，且对脊柱小关节的损伤更小[10,14]。目前骨科手术机器人在我国医院仍未得到广泛推广，其相较传统切开内固定术的具体优、缺点也需大量数据佐证。现就“天玑”骨科机器人在治疗脊柱疾病方面的应用进展进行阐述。

天玑骨科手术机器人控制系统拥有当今世界骨科同领域较为先进的自动化技术水平，分为下列3个子部分：光学自动定位跟踪系统、拥有6个自由度的独立运动控制机械臂系统和一组能自动进行各种复杂骨折手术路径规划、跟踪定位及实时自动导航与监控工作的主控台系统。机器人通过术前的三维C臂扫描来获得患者影像资料数据，并可以实时地传至机器人主控台，医生直接在机器人的主控台上完成整个的手术规划，末端带有引导套管的机械臂根据术前规划结果调整到合适位置。此外在骨科机器人手术操作过程中，导航机器人还能对负责的位置进行全程自动监控，一旦手术位置坐标出现明显的误差，它能实时地进行自动跟踪、自动调整。骨科医生在以后的日常手术操作中基本已经可以实现直接通过机器人导航来进行骨科手术位置精准、快速的自动定位，具有置钉准确率高、创伤小、低辐射等优点。

国际上第一个通用性天玑骨科手术机器人是由北京积水潭医院田伟院长团队研发；其应用范围包含所有骨科相关疾病，如脊柱、关节、创伤等，脊柱骨科手术的精准难、不稳定、视野差等难题被其“透视眼”（光学跟踪系统）及“稳定手”（机械臂）予以解决，骨科手术对医生来说难度大大降低，高难度手术在地级市等基层医院也能顺利开展。本文主要讨论“天玑”骨科机器人在脊柱不同部位的应用及效果。

1.1 天玑骨科机器人在颈椎手术方面的应用在1994年，Abumi等[15]首次提出颈椎椎弓根螺钉固定技术。虽然已有几十年的发展和完善，颈椎椎弓根螺钉固定术的临床应用仍然受到很多限制。颈椎椎弓根的直径较小和颈椎椎弓根的性质为高度皮质为主要原因[16]，同时颈椎的活动性相对较大，骨结构较小，周围毗邻重要的神经、血管等结构，一旦螺钉错位，可能出现严重的并发症，因此必须准确放置螺钉[17]。与胸椎和腰椎相比，由于解剖结构变异、陡峭的椎弓根角度，颈椎的尺寸相对较小和较薄，此外，75%的C3～C4椎弓根平均直径＜4 mm[18]，有报道，一些颈椎椎弓根没有髓管[19]，所以颈椎椎弓根螺钉放置的成功率一直相对较低。据报道，在常规透视手术中，螺钉错位率为6.7%～29.1%[20]。我国在骨科机器人方面起步较晚，但发展迅速，随着我国“天玑”骨科机器人的应用，我国已实现全球范围内第一台机器人辅助上颈椎螺钉内固定术。Farah等[21-22]已报道了多例“天玑”骨科机器人在复杂上颈椎方面的应用，均取得了良好效果，说明骨科机器人相较于传统荧光透视方法在复杂的上颈椎手术方面有明显的优势。李青青等[23]在其评估骨科手术机器人系统辅助颈椎椎弓根螺钉固定的准确性和手术安全性问题的相关研究资料中显示，机器人辅助置入的138枚螺钉评价为Neo 0级，其中上颈椎（C1～C2）置钉准确率为94.6%，下颈椎（C3～C7）置钉准确率为88.3%。但螺钉置入准确率最高的是C7（100%）、其次是C1（97.1%），最低的是C4（71.4%），说明“天玑”骨科机器人在下颈椎方面同样拥有完美的准确率。Farah在其研究中显示机器人辅助颈椎椎弓螺钉置入87.5%被评为合格，12.5%被评为差。Fan等在其前瞻性随机对照研究中发现，机器人辅助相较于传统荧光引导螺钉置入颈椎，不但准确性更高，而且失血量减少和术后住院时间更短。相反，Mao等在一项研究中显示机器人辅助颈椎椎弓根置入的“临床可接受”准确率仅为71.43%，考虑是由于颈椎的急性轨迹角度和倾斜的椎板增加了电钻滑动的可能，以后可以通过术中使用防滑套筒先定位在小关节的坡度上，以此来纠正螺丝偏差。

1.2 天玑骨科机器人在胸椎手术方面的应用胸椎相关疾病相对于颈椎、腰椎较少，同时，手术难度相对较大。胸椎先天畸形、骨折、感染、肿瘤坏死等脊柱疾病严重威胁到着现代人类生殖健康，治疗方式不当易造成下肢瘫痪、疼痛异常等并发症[24]。一方面由于胸椎椎弓根较小，特别是上胸椎（T1～T4），据相关研究，不同国家人群胸椎椎弓根宽度最小值均位于T4或T5，中国人平均胸椎椎弓根宽度仅为5～6 mm[25]。传统手术方式由于胸椎椎体和椎弓根过于细小，解剖标记点位置不固定，而且因为肱骨头节和后肩胛骨节的遮挡也导致在术区中进行透视探查时难以被清晰有效地手术辨认，增大到了手术区穿刺和定位探查的工作难度系数和风险。再者，胸椎活动范围小，胸脊髓在椎管内占位率高，脊髓周围的代偿活动空间太少，即使是手术经验丰富的医生，手术时椎弓根轻度错位，也可能导致严重的并发症。机器人辅助手术在胸椎方面的研究也相对较少，与传统手术方式相比，机器人辅助手术能克服解剖结构不清晰的劣势，机器人根据术前3D-C臂扫描的数据，计算出椎弓根方向、大小及进钉深度，精准置入椎弓根，可有效避免胸椎前方心脏、大血管、肺脏及周围脊髓、血管神经损伤的风险[26]。2021年9月北京积水潭医院袁强主任利用超声骨刀手术机器人完成了全球首例胸椎黄韧带骨化灶切除术，术后患者恢复良好。同时Güngor等[27]也证明了使用Davinci手术机器人辅助在猪模型中行胸椎椎间融合的可行性。虽然手术机器人在国外应用时间较长，但在胸椎方面的文献较少。随着天玑骨科手术机器人在临床中的应用，我国在这方面的研究较多，因下胸椎与腰椎在椎体大小、椎弓根的宽度等方面表现相似，所以我国医生着重于上胸椎方面的研究。郑博隆等在其一项回顾性资料分析中比较天玑骨科手术机器人辅助操作和徒手穿刺椎体成形术在治疗上胸椎骨质疏松性椎体压缩骨折患者的远期疗效和短期疗效时，结果表明，相较于传统手术组，机器人辅助组拥有更好的疗效。王飞等[28]也在一项回顾性分析研究中显示，天玑骨科机器人组置钉准确率为99.04%，不但提高了椎弓根螺钉植入的准确度，而且没有增加术中、术后出血量。侯海涛等[29]在一项前瞻性研究中，分析了62例胸椎骨折患者，通过使用Renaissance脊柱手术机器人显示在置钉准确率、一次成功率和椎体前缘穿透方面亦具有优势。然而，胸椎节段较多，胸椎椎弓根的宽度若有随着椎序增加呈现先减小后增加的趋势[30]，且在胸椎不同分段位置上置钉准确度不相同。李宗泽等[31]应用一新型全自动骨科手术机器人“Orthbot”系统，通过在尸体的研究中做了比较，结果显示机器人辅助组螺钉位置临床可接受率为84.7%，胸椎不同分段间螺钉位置临床可接受率无明显出差别，但在下胸椎置钉时螺钉位置优秀率最高，而中胸椎最低，这可能与下胸椎的椎弓根较粗而中胸椎的椎弓根较细有关。由于现阶段我国在上胸椎手术工作中普遍缺乏一个合适尺寸的空心螺钉，无法全部通过经皮置钉，这样就无形中增加了手术时间及术中出血量，且因肋横突关节及剥离肌肉时张力作用的遮挡，对置钉的准确率有一定影响[28]。

1.3 天玑骨科机器人在腰椎手术方面的应用下胸椎及腰椎是脊柱骨科常见病中最常见的区域，包括胸腰椎骨折、腰椎管狭窄、腰椎结核等，其中约90%的脊柱骨折发生于胸腰段[32]，同时随着我国经济、社会的发展，人们工作强度增大，人口老龄化加剧，椎管狭窄的发病率也逐渐升高，达到了约10%[33]，目前手术切开椎弓根固定仍是最主要的治疗方法。由于发病率高，同时其椎弓根及椎管的宽度较大，手术的风险及难易程度相对较低。但使用传统手术技术的椎弓根螺钉错位率在腰椎中为5%～41%，而在胸椎中达到3%～55%[34]。机器人辅助技术的诞生，不但克服了人体生理疲劳的局限，而且具有更高的操作精度、操作重复性好、稳定性强等优点[35]。国内外多项研究显示，机器人辅助技术在腰椎手术中不仅置钉准确率高、近端小关节损伤小，而且医务人员的辐射暴露更低[13,34,36]。鉴于机器人辅助技术的优势，其应用范围也逐渐扩大，在脊柱肿瘤[37]、脊柱侧弯[38]和经皮穿刺活检[39]等方面亦有应用。

2 天玑机器人在应用中存在的问题

随着机器人产业的快速发展，机器人辅助手术治疗已逐步在临床应用，为实现临床疾病微创、精准、个性化治疗提供了一个新的研究方向[40]。然而机器人购置成本较大及设备相关的维护费高[41]也是绝对不能轻易忽略的问题，平均每一台机器人辅助手术成本至少比其他传统术式要高出近2～3万，这同样也是其难以快速在我国基层医院内普及起来的很重要原因[42]。田野等[43]在其临床研究中显示机器人组的费用高于传统组。但国外最近的一项研究[44]显示，机器人技术提高了椎弓根螺钉的准确性，减少了住院总天数和并发症，避免了多次翻修，不但节省了医院的维护成本，而且减轻了患者的经济负担，这表明了成本效益。因此，其费用有可能随着医生对机器人手术学习曲线的提高而降低。但考虑到我国机器人手术和长时间学习曲线的经济负担，推广机器人技术仍然是一个挑战。此外骨科机器人在临床应用方面上的伦理问题也是值得我们思考并且急需解决的问题[45]。

3 小结

随着我国天玑骨科机器人技术在脊柱外科方面应用的不断发展，其在椎弓根置钉的准确性、术中出血量、住院时间、术后并发症等方面的优势逐渐显现。诚然，现在还有很多的问题需要去解决，如其相关的成本及安全问题，但随着更新的技术，天玑骨科机器人的未来具有更大的潜力，可以为患者和医务人员更好地服务。