骨科手術(shù)機(jī)器人目前主要使用領(lǐng)域包括：人工關(guān)節(jié)置換、復(fù)雜的骨盆及髖臼骨折、骶骨骨折脫位、髓內(nèi)釘遠(yuǎn)端鎖定和股骨頸骨折螺釘固定等。目前國(guó)內(nèi)外均有關(guān)于脊柱外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)研制或臨床應(yīng)用的文獻(xiàn)報(bào)道，在復(fù)雜脊柱畸形矯正手術(shù)的術(shù)前計(jì)劃中，機(jī)器人的三維成像和導(dǎo)航技術(shù)使平面影像資料無(wú)法看清的結(jié)構(gòu)成為動(dòng)態(tài)的三維圖像，從而實(shí)現(xiàn)活體解剖結(jié)構(gòu)立體可視化，有助于提高手術(shù)計(jì)劃和手術(shù)操作的精確度。脊柱手術(shù)機(jī)器人的研發(fā)已經(jīng)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視，尤其是微創(chuàng)脊柱外科手術(shù)機(jī)器人具有廣闊的臨床應(yīng)用前景?，F(xiàn)將脊柱外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)綜述如下。

    一、機(jī)器人系統(tǒng)在脊柱外科手術(shù)中的研究現(xiàn)狀

    骨科手術(shù)往往個(gè)體差異性很大，使得手術(shù)操作對(duì)醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)依賴(lài)很重。這是骨科手術(shù)機(jī)器人的操作能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他外科手術(shù)機(jī)器人的重要原因之一。從國(guó)內(nèi)外脊柱外科手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀看，我國(guó)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外，我國(guó)脊柱外科手術(shù)機(jī)器人的研制仍然處于實(shí)驗(yàn)研究階段，而國(guó)外已經(jīng)有成熟產(chǎn)品經(jīng)過(guò)美國(guó)食品及藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)并應(yīng)用于臨床。

    1.國(guó)外研究現(xiàn)狀：國(guó)外有關(guān)脊柱外科手術(shù)機(jī)器人的研制較多，甚至已經(jīng)有產(chǎn)品經(jīng)過(guò)FDA批準(zhǔn)并已應(yīng)用于臨床。Cruces和Wahrburg將機(jī)器人機(jī)械臂輔助與計(jì)算機(jī)導(dǎo)航相結(jié)合應(yīng)用于骨科，手術(shù)醫(yī)生可以通過(guò)手動(dòng)牽引機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)來(lái)提高骨科手術(shù)的準(zhǔn)確性和安全性，在不降低靈活性的同時(shí)，提高機(jī)器人的輔助功能。Ortmaier等在牛的脊椎骨和人工骨上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究機(jī)器人輔助導(dǎo)航的椎弓根螺釘置入前的鉆孔和磨削實(shí)驗(yàn)，結(jié)果指出機(jī)器人輔助手術(shù)可以提高手術(shù)操作的可靠性。東京大學(xué)的研究人員則研制出能夠在經(jīng)皮穿刺椎體成形術(shù)中進(jìn)行準(zhǔn)確的穿刺操作的小型機(jī)器人以避免醫(yī)生在此環(huán)節(jié)中的X線輻射。Kiｍ等采用雙平面透視引導(dǎo)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，通過(guò)術(shù)前圖像進(jìn)行手術(shù)計(jì)劃，通過(guò)術(shù)中圖像進(jìn)行導(dǎo)航來(lái)進(jìn)行微創(chuàng)脊柱椎弓根螺釘置入手術(shù)操作。該系統(tǒng)包括一臺(tái)O型雙平面透視機(jī)，手術(shù)計(jì)劃與手術(shù)操作系統(tǒng)和一個(gè)輔助機(jī)械臂構(gòu)成。通過(guò)兩具尸體標(biāo)本胸腰椎椎弓根螺釘置入實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示通過(guò)O型臂圖像建立坐標(biāo)系的精度是（0.30±0.15） mm，該機(jī)器人系統(tǒng)的復(fù)制值達(dá)到4.97 mm，精度達(dá)到0.358 mm，整個(gè)系統(tǒng)的誤差在（1.38±0.21）mm。術(shù)前計(jì)劃軸位角度與術(shù)后偏差在2.45°±2.56°，矢狀位角度偏差在0.71°±1.21°。結(jié)果顯示該系統(tǒng)能夠提高微創(chuàng)經(jīng)皮椎弓根螺釘植入的準(zhǔn)確性。

    Ponnusamy等率先應(yīng)用達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人通過(guò)改進(jìn)的人體工程學(xué)和控制功能，在豬胸腰椎脊柱標(biāo)本上進(jìn)行后路非螺釘置入的手術(shù)操作，機(jī)器人的應(yīng)用可以使手術(shù)醫(yī)生工作一整天，而不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重疲勞和手部顫動(dòng)。Yang等應(yīng)用達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人在豬標(biāo)本上進(jìn)行前路腰椎融合手術(shù)，整個(gè)手術(shù)時(shí)間為6 h，手術(shù)期間存在由于機(jī)械臂的碰撞等原因?qū)е碌囊恍┎l(fā)癥，但是沒(méi)有明顯的神經(jīng)、血管、周?chē)K器損傷，并且手術(shù)后椎間融合器位置滿意。該結(jié)果證實(shí)了應(yīng)用達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行豬腰椎前路融合手術(shù)的安全性及有效性，但是仍然需要在動(dòng)物標(biāo)本及人尸體標(biāo)本進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。Kim等在豬標(biāo)本上應(yīng)用達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行腹膜后腰椎前路減壓融合術(shù)，同樣證實(shí)了達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人在脊柱外科手術(shù)應(yīng)用中的可行性，并且體現(xiàn)了手術(shù)視野顯示較好，出血少等優(yōu)點(diǎn)。

    國(guó)外在脊柱手術(shù)機(jī)器人的臨床應(yīng)用主要以Spine Assist系統(tǒng)為主，該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)手術(shù)操作的實(shí)驗(yàn)探索和微創(chuàng)椎弓根螺釘植入實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，已被FDA批準(zhǔn)并應(yīng)用于臨床。Pechlivanis等采用Spine Assist系統(tǒng)對(duì)31例患者進(jìn)行微創(chuàng)經(jīng)皮后路腰椎融合術(shù)，共置入133枚椎弓根螺釘，91.0％～98.5％的系統(tǒng)準(zhǔn)確性與術(shù)前計(jì)劃偏差＜2 mm，29例患者均采用該機(jī)器人系統(tǒng)成功進(jìn)行手術(shù)治療。Sukovich等應(yīng)用Spine Assist系統(tǒng)微創(chuàng)經(jīng)皮內(nèi)固定治療14例臨床病例，成功率達(dá)到93%，96%椎弓根螺釘?shù)奈恢门c計(jì)劃進(jìn)釘偏差在1 mm之內(nèi)，該系統(tǒng)能夠與很多微創(chuàng)經(jīng)皮內(nèi)固定系統(tǒng)協(xié)同配合使用，明顯減少手術(shù)醫(yī)生的射線損傷。Kantelhardt等將傳統(tǒng)開(kāi)放手術(shù)與Spine Assist系統(tǒng)輔助開(kāi)放手術(shù)和Spine Assist系統(tǒng)輔助微創(chuàng)經(jīng)皮椎弓根螺釘置入進(jìn)行比較研究，分析了112個(gè)病例資料及CT數(shù)據(jù)，其中57例傳統(tǒng)開(kāi)放手術(shù)，20例Spine Assist系統(tǒng)輔助開(kāi)放手術(shù)和35例Spine Assist系統(tǒng)輔助微創(chuàng)經(jīng)皮椎弓根螺釘置入手術(shù)，機(jī)器人輔助手術(shù)組準(zhǔn)確率為94.5%，傳統(tǒng)開(kāi)放手術(shù)組為91.4%。Spine Assist系統(tǒng)輔助開(kāi)放手術(shù)和微創(chuàng)手術(shù)組之間無(wú)明顯差異。機(jī)器人輔助手術(shù)組平均射線暴露時(shí)間為34 s，而傳統(tǒng)開(kāi)放手術(shù)組為77 s。微創(chuàng)手術(shù)組圍手術(shù)期鴉片類(lèi)鎮(zhèn)痛藥物需要量少，住院時(shí)間短，不良事件發(fā)生率低。Devito等通過(guò)多中心大規(guī)?；仡櫺匝芯浚g(shù)后CT評(píng)估664例椎弓根螺釘?shù)奈恢们闆r，98.3%的螺釘位置在安全區(qū)域內(nèi)（89.3%的螺釘完全位于椎弓根內(nèi)，9％的螺釘超過(guò)椎弓根壁但在2 mm以?xún)?nèi)），1.4%的螺釘超過(guò)椎弓根壁在2～4 mm，0.3%的螺釘超過(guò)椎弓根壁4 mm。4例出現(xiàn)神經(jīng)功能損傷，經(jīng)過(guò)翻修手術(shù)后恢復(fù)正常。Spine Assist系統(tǒng)輔助螺釘置入較徒手內(nèi)固定方法明顯增加螺釘置入準(zhǔn)確性，降低神經(jīng)損傷風(fēng)險(xiǎn)。

    2.國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀：國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)報(bào)道最早的是Wang等針對(duì)脊柱椎管狹窄癥減壓手術(shù)中椎管壁磨削不安全這一問(wèn)題，介紹了一種基于力反饋控制策略的脊柱外科機(jī)器人系統(tǒng)；利用脊柱磨削手術(shù)過(guò)程中磨削力的變化特點(diǎn)，提出了基于力反饋的脊柱外科機(jī)器人控制策略，輔助醫(yī)生實(shí)現(xiàn)安全的脊柱手術(shù)操作，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)和模擬骨磨削實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了基于力反饋控制策略的脊柱外科機(jī)器人系統(tǒng)的可行性。鞠浩等為了解決脊柱微創(chuàng)外科手術(shù)中的高精度定位問(wèn)題，設(shè)計(jì)并研制出一套基于CT引導(dǎo)的5個(gè)自由度的脊柱微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人輔助定位系統(tǒng)；機(jī)器人可以在人的操作下定位到指定的位置姿勢(shì)，在機(jī)器人關(guān)節(jié)鎖定后保持穩(wěn)定，從而為醫(yī)生建立一個(gè)穩(wěn)固的手術(shù)平臺(tái)，醫(yī)生可以在沿著機(jī)器人末端執(zhí)行器的方向，進(jìn)行穿刺等微創(chuàng)手術(shù)。宋銀灝等設(shè)計(jì)了一套5個(gè)自由度醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)用于輔助脊柱微創(chuàng)外科手術(shù)操作，利用傳感機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人末端工具的位置姿勢(shì)反饋，并以此構(gòu)成了對(duì)機(jī)器人末端工具的閉環(huán)控制；實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了控制系統(tǒng)具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。

    張春霖等自主研發(fā)了無(wú)框架脊柱導(dǎo)航手術(shù)機(jī)器人，該機(jī)器人的空心機(jī)械手位移精準(zhǔn)到0.1 mm，角度旋轉(zhuǎn)精確到0.1°；應(yīng)用該機(jī)器人結(jié)合C型臂X線機(jī)，不僅能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)確保進(jìn)針的精度與安全，還能遙控操作減少或避免射線暴露，也無(wú)需進(jìn)行各種匹配與注冊(cè)等繁瑣操作，是一種高科技與普通影像技術(shù)相結(jié)合的、操作簡(jiǎn)便、易于掌握、具有良好應(yīng)用前景的新方法。新橋醫(yī)院骨科與中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所合作研發(fā)了第一代遙控型脊柱微創(chuàng)6個(gè)自由度串聯(lián)手術(shù)機(jī)器人，該機(jī)器人主要用于脊柱微創(chuàng)手術(shù)中椎弓根螺釘?shù)闹萌?；該機(jī)器人具有無(wú)顫動(dòng)鎖定的實(shí)時(shí)鎖定系統(tǒng)，機(jī)械臂末端安裝有骨鉆夾持器用于夾持氣動(dòng)骨鉆，并可進(jìn)行醫(yī)療消毒。骨鉆夾持器集成六維力/力矩傳感器，使手術(shù)者能夠通過(guò)操作手柄感知骨鉆鉆孔過(guò)程中受力變化；集成微型術(shù)野觀察攝像機(jī)，其視野與氣動(dòng)電鉆位置保持固定，可觀察術(shù)野局部清晰圖像（DVD畫(huà)質(zhì)）；醫(yī)生控制臺(tái)提供觸屏操作界面和操縱桿方便醫(yī)生進(jìn)行操作。前期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)該脊柱微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的準(zhǔn)確性及安全性。

    二、脊柱外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

    1.脊柱外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)目前存在的主要問(wèn)題：脊柱外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是機(jī)器人的機(jī)械臂外形設(shè)計(jì)大多偏重于工業(yè)機(jī)器人外形，硬件體積大，占地面積較大，影響其在手術(shù)室的安裝與手術(shù)操作。所以我們需要對(duì)脊柱外科手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行改進(jìn)，增加機(jī)器人系統(tǒng)的可用性和實(shí)用性，研制出適合于臨床應(yīng)用的外形人性化的機(jī)械臂。另外一個(gè)缺點(diǎn)是在醫(yī)療機(jī)器人對(duì)患者進(jìn)行操作時(shí)，機(jī)器人與患者的相對(duì)位置可能并不是恒定的，機(jī)器人操作過(guò)程中患者會(huì)發(fā)生微動(dòng)導(dǎo)致手術(shù)操作的不準(zhǔn)確。所以我們要確保手術(shù)機(jī)器人與患者相對(duì)位置的恒定，手術(shù)操作過(guò)程中，我們可以通過(guò)骨性結(jié)構(gòu)的識(shí)別，避免損傷肌肉、皮下脂肪組織等軟組織。目前已有文獻(xiàn)報(bào)道，應(yīng)用脊柱架或是安裝紅外系統(tǒng)，來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)參考和互補(bǔ)，減小誤差。在脊柱外科手術(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)過(guò)程中，手術(shù)醫(yī)生要與工程設(shè)計(jì)師密切合作，將需求與設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，研究出緊緊圍繞臨床需要的脊柱手術(shù)機(jī)器人。

    2.脊柱外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)未來(lái)的主要研究方向：脊柱外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)的微創(chuàng)化、手術(shù)導(dǎo)航的準(zhǔn)確性、手術(shù)操作的個(gè)性化及術(shù)中安全監(jiān)測(cè)功能的安全性是未來(lái)的主要研究方向。微創(chuàng)手術(shù)是目前外科手術(shù)領(lǐng)域的主要發(fā)展方向，然而，隨著微創(chuàng)手術(shù)領(lǐng)域的拓展，微創(chuàng)外科的代表技術(shù)腔鏡手術(shù)技術(shù)的局限性也顯露出來(lái)，手眼間協(xié)調(diào)性的降低、觸覺(jué)的減弱和手的不自主陣顫增加了腔鏡手術(shù)的困難。以突破這種局限為動(dòng)機(jī)而發(fā)展起來(lái)的脊柱微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，預(yù)示著微創(chuàng)外科新的時(shí)代的來(lái)臨。脊柱外科手術(shù)機(jī)器人研究將集中于設(shè)計(jì)和改進(jìn)與骨科手術(shù)操作相適應(yīng)的機(jī)器人部件或能進(jìn)行特定操作的小型機(jī)器人，使其滿足微創(chuàng)脊柱外科的需要。同時(shí)增強(qiáng)機(jī)器人的遠(yuǎn)程精確操作功能，使遠(yuǎn)在千里之外的脊柱外科專(zhuān)家能夠?yàn)椴』歼M(jìn)行精確的手術(shù)治療。

    脊柱外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)手術(shù)導(dǎo)航的安全性需要進(jìn)一步提高。傳統(tǒng)手術(shù)采用X線片及CT橫斷掃描對(duì)脊柱進(jìn)行椎弓根釘置入，表面輪廓和空間結(jié)構(gòu)關(guān)系不能清楚顯示，同時(shí)復(fù)雜的脊柱解剖結(jié)構(gòu)，影響內(nèi)固定放置的準(zhǔn)確性。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)可對(duì)手術(shù)區(qū)域附近結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維定向和定位，安全方便，可提高椎弓根釘置入的準(zhǔn)確率。可視化技術(shù)的進(jìn)步，將透視成像系統(tǒng)、影像導(dǎo)航系統(tǒng)與機(jī)器人結(jié)合，逐漸形成機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)，可以完成手術(shù)某一部分或?yàn)槭中g(shù)提供穩(wěn)定的支持平臺(tái)，機(jī)器人圖像導(dǎo)航技術(shù)使解剖結(jié)構(gòu)可視化，進(jìn)行詳細(xì)的術(shù)前計(jì)劃，提高手術(shù)的準(zhǔn)確性，及時(shí)評(píng)價(jià)和調(diào)整手術(shù)方法，顯著減少術(shù)中X線輻射量。

    脊柱外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)手術(shù)操作個(gè)性化設(shè)計(jì)及術(shù)中安全監(jiān)測(cè)功能的進(jìn)一步完善。醫(yī)生通過(guò)患者個(gè)性化CT或MRI數(shù)據(jù)重建三維模型，對(duì)模型確定手術(shù)操作流程，對(duì)手術(shù)入路和路徑進(jìn)行最優(yōu)規(guī)劃，對(duì)關(guān)鍵的解剖標(biāo)志進(jìn)行精確識(shí)別，編寫(xiě)手術(shù)操作的指令，監(jiān)控機(jī)器人手術(shù)正確無(wú)誤的完成。另外，機(jī)器人系統(tǒng)將集成術(shù)中神經(jīng)電生理監(jiān)測(cè)、三維定位功能等來(lái)為操作者提供實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高手術(shù)安全性，同時(shí)應(yīng)用更好光學(xué)性能的先進(jìn)*，為醫(yī)生提供更明亮、光線分布更均勻的全景圖像。

    機(jī)器人輔助脊柱外科手術(shù)是醫(yī)療機(jī)器人的一個(gè)新的發(fā)展方向，它有效解決了脊柱外科手術(shù)時(shí)間長(zhǎng)、醫(yī)生勞動(dòng)強(qiáng)度大、經(jīng)驗(yàn)要求高等問(wèn)題，提高了手術(shù)精度，縮短了手術(shù)時(shí)間，降低了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。脊柱外科手術(shù)機(jī)器人的研發(fā)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視，尤其是微創(chuàng)脊柱外科手術(shù)機(jī)器人的研制，不僅減小手術(shù)創(chuàng)傷、簡(jiǎn)化手術(shù)操作，而且能夠提高手術(shù)操作的精確性。相信在不久的未來(lái)，脊柱外科手術(shù)機(jī)器人將會(huì)應(yīng)用于臨床，大大促進(jìn)微創(chuàng)脊柱外科的發(fā)展。本文刊發(fā)于《中華外科雜志》2012年第50卷第9期856～858頁(yè)