摘 要：现代骨科手术逐渐向精准和微创方向发展。与传统手术比较，精准化、微创化程度更高的骨科手术机器人逐渐走进医学研究者的视野，并成为当前骨科手术的研究热点。目前，骨科机器人在国际、国内已有丰富的研究成果，并已投入临床应用。伴随着科技的进步，骨科机器人正向智能化、远程化、个体化、普及化发展，并将更广泛地应用于骨科手术。
关键词：骨科机器人 微创 精准化
Research progress and prospect of orthopedic robot
WANG Huazheng LIU Peng ZONG Lujie JING Chengnan GAN Minfeng
Department of Orthopedics,the First Affiliated Hospital,Soochow University; Department of Medicine,Soochow University;
Abstract：Modern orthopedic surgery is more and more precise and minimally invasive. The orthopedic surgical robot has become the hotspot of medical researchers. At present, fruitful achievements have been made on orthopedic robot at home and abroad, which has been put into clinical application. With the progress of science and technology, orthopedic robot will be more intelligent, remote, individualized and widely used in orthopedic surgery.
Keyword：Orthopedic robot; Minimally invasive; Precision;
传统意义上的骨科手术通常会受到患者体位、手术器械精细度、医生个人操作经验和身体条件等因素的影响，难以精准执行事先设计好的手术方案，这不可避免地降低了手术精确性和安全性[1]。集医学、生物学、计算机学、机械学等学科为一体的医疗机器人的出现，在视觉、触觉、听觉方面为外科医生的决策和操作提供了充分支持，大大提高了手术操作的质量[2]。手术机器人可自行或在术者操控下严格按照手术方案执行手术操作，机械手臂代替术者进行各种手术操作，使得手术操作的精准性和安全性得到保障[3]。如今，机器人手术已成为未来骨科手术发展的重要方向。本综述主要对国内外骨科手术机器人的研究进展进行总结，并展望未来骨科手术机器人的发展趋势。
1 骨科手术机器人的类型及构成
20世纪80年代，机器人手术系统开始进入外科医生的视野。1985年，加拿大医师Kwoh用工业机器人进行了世界上第一次机器人辅助下脑瘤活检。自此，各种各样的机器人被用于外科手术。机器人参与骨科手术可以追溯到1992年，发展至今骨科机器人已有多种类型。按智能程度划分，其可分为主动型、半主动型和被动型：(1)主动型机器人：可以独立自主完成手术，不需要外科医生的限制和干预；(2)半主动机器人：配备触觉反馈系统，可以提高外科医生控制工具的能力，本质上依然需要医生操作；(3)被动型机器人：仅参与外科手术过程中的某一部分，且仍需在外科医生直接或间接控制下进行操作（例如在手术过程中，机器人将手术器械固定在预定位置，手术医生运用工具剥离筋膜、肌肉等组织，显露骨骼表面）[4]。根据机器人结构（臂的连接方式）分类，其可分为串联、并联两种类型。串联机器人操作范围更广，且更灵活，但其尺寸较大，手臂末端的精度和稳定性较差，操作的准确性相对较低；并联机器人体积更小，精度更高，稳定性更好，但其设计更复杂，工作范围更窄。按应用的部位分类，其可分为关节机器人（如Robo Doc）、脊柱机器人（如Spine Assist、Renaissance）、创伤机器人等。
骨科手术机器人主要由影像系统、计算机系统、机械系统三个系统构成[5]。影像系统可进行图像的采集、处理及分析，辅助制定手术策略；计算机系统通过测量仪器、传感器、定位仪等计算机软件对手术进行规划、导航和定位；机械系统的相关运行单元是手术的执行主体。
2 骨科手术机器人研究进程
2.1 国际进展
骨科机器人的首次应用是在关节骨科领域。1988年，美国加州大学和IBM公司联合研制出了一款用于人工髋关节置换手术的机器人。该机器人的优势在于可以通过操作器末端的压力传感器对骨骼的切割进行校准，并通过视觉系统保证骨切割的安全性，从而提高手术精确性。在这款机器人的基础上，1992年美国Integrated Surgical Systems公司推出了一款主动型骨科手术机器人——Robo Doc，这也是全球首个主动型骨科手术机器人。这款机器人主要用于关节置换术中辅助骨骼定位和假体成形、置入[6]，在其参与下，全球首例手术机器人辅助的人工全髋关节置换术成功开展，这是国际骨科领域的一个里程碑。作为第一个主动型手术机器人，Robo Doc仍存在诸多缺陷，如手术时间过长、坐骨神经损伤风险较高、系统稳定性不佳等。因此，有学者在Robo Doc的基础上对手术机器人不断进行改良、创新。
1997年，Ortho Maquet研制出了另一款机器人系统——CASPAR。它在设计和应用上与Robo Doc系统类似，可以在人工全膝和全髋关节置换手术中辅助进行骨面处理。同年，英国帝国理工学院的Davis等首次提出了“主动约束”的概念，同时研发了第一代Acrobot机器人系统。该机器人手术系统当时并未引起太多注意，直到2001年新一代的Acrobot机器人出世。这款用于膝关节手术的机器人是第一款真正意义上应用“主动约束”概念的骨科手术机器人，此进一步提高了机器人手术的安全性。此后，各国进一步研究，并相继开发出各自的骨科手术机器人，如美国开发的mbaRS系统和CRIGOS系统，用于辅助髌股关节成形术；韩国开发的Arth Robot系统，用于全髋关节置换术；以色列Technion公司开发的MARS系统等。2008年，美国研制出一款名为RIO的机械臂，其与“主动约束”的Acrobot系统相似，主要应用于全膝、单膝及全髋关节置换术。和其他针对人工关节置换术的机器人系统的不同点在于，RIO配备了实时导航技术，允许外科医生在术中根据手术需要调整患者肢体。RIO系统需要术者和机械臂配合，共同操作手术器械进行手术操作，并允许操作者在术中实时进行精细调整。临床发现，RIO系统辅助的关节置换手术的切口更小，恢复时间更短。2012年，Blue Belt Technologies公司研制出了Navio PFS机器人系统，与RIO系统的用途相同，PFS系统也应用于膝关节置换术中，并可在术中实时追踪并调整钻孔工具的位置。
在脊柱领域中，对机器人系统也同样有着深入的研究。2004年，以色列Mazor Surgical Technologies公司以自身开发的MARS系统为基础，开发出了Spine Assist引导系统。2011年该系列的第二代引导系统——Renaissance系统也成功诞生，相较于Spine Assist引导系统，Renaissance系统升级了用户界面和影像软件，可在术中通过C臂机透视进行三维重建。此外，该系统还搭载着“Hover-T”技术，在术前可用Hover-T框架固定在骨性解剖标志上，维持稳定的同时还可以定位患者需手术的脊柱节段，用于脊柱内固定手术中引导内固定置入和固定。Renaissance系统在2014年8月获得国家食品药品监督管理总局（CFDA）的注册证，临床研究曾报道在Renaissance系统引导下进行的椎弓根置钉的准确率高达98.5%，显著优于传统手术组。在保证高准确率的同时，该系统还能大大缩减手术时间，从而缩短医生和患者在手术中受到X线放射的时间，减少手术对医患双方的伤害。但它也有明显的缺陷，如操作过程过于繁复、无法进行实时监控等[7-9]。韩国从2005年开始研发SPINEBOT系列机器人，目前已有V1(2005年）和V2(2010年）两代机器人，该系统可以和双平面O型臂、外科操作系统相配合，三者组合成一个自动化双平面透视引导机器人系统[10-12]。2006年，德国航空航天中心开始研发Vector Bot系统，其以航空中心的Kinemedic机器人硬件和Vector Vision光学追踪软件为基础，将二者结合起来以实现术中追踪[13]。2012年，瑞士的研究机构报道了Neuroglide系统[14]。这是一款针对寰椎和枢椎融合术而设计的螺钉置入系统，目前该系统还在进行下一步临床试验，其临床实际效果还在观察中。2014年法国Medtech医疗公司推出了ROSA Spine产品，2016年通过欧洲CE认证[15-17]。该机器人系统一方面能通过6个自由度的机械臂和末端的力学反馈机制识别手术中的异常力学信号，从而提高手术的安全性；另一方面，它能配合3D O-arm CBCT的实时引导进行术中导航；同时，还能实现术中对呼吸系统的实时追踪和补偿。2017年，美国Globus公司推出的Excelsius gps机器获得FDA批准。Excelsius不但可以进行实时追踪、运动补偿，还可以通过其机械臂直接经皮置钉，而无需棘突夹固定[18]。
总之，骨科机器人自2000年发展至今已经有诸多系统在临床中投入使用，其中应用最广泛的Mazor系列、ROSA系列和Excelsius GPS均已获得美国FDA认证。Mazor系列在2016年推出最新型的Mazor X机器人，该型号通过加载串联式机械臂增加操作范围和灵活性，并减少手术过程中对手术器械的依赖[19]。此外，近年来达芬奇机器人开始应用于脊柱领域，它由控制台、机械臂、3D成像系统构成，术者可通过视频图像进行观测，并使用控制台手柄和脚踏进行手术操作。Lee J Y等[20]首次用达芬奇机器人完成了2例L5～S1的前路椎间融合术，随访1年未见明显泌尿生殖系统并发症，由此认为，达芬奇机器人相较传统腔镜下手术可以减少交感神经和血管的损伤。
2.2 国内进展
我国骨科机器人的研究虽然起步晚，但进展迅速，并取得了较为丰富的研究成果。其中，天玑机器人是科研成果转化为临床生产力的典型代表，数年来经受住了多次临床实践的检验。
2004年，为实现术中对靶点的精确定位，北京积水潭医院与北京航空航天大学联合提出一种双平面定位技术（以2-PPTC结构为基础），并研制出一种小型双平面骨科手术机器人系统（可以用于不同手术适应证）[21]。自此，我国骨科手术机器人的研发进入了新纪元。同年，北京积水潭医院完成了国内首例机器人辅助下的骨科手术，2006年完成国内首例远程遥控规划手术（北京-延安），为远程化骨科手术提供了经验。2008年，原第三军医大学与中科院沈阳自动化研究所合作研制了一款微创脊柱手术机器人，其用于手术中辅助医生打孔、减少患者和医生的辐射损伤。2010年，郑州大学第一附属医院报道了由其自主研发的无框架脊柱导航手术机器人，它用于引导椎弓根螺钉定位，不需要框架固定、导航注册等环节，而是通过术前CT调整C臂机角度，在椎弓根标准轴位片上用机械臂和尾端呈“十”字状的导针进行定位。一项临床实验显示手术中置入60枚螺钉，患者均成功置入[22]。2012年，香港中文大学威尔士亲王医院研制了Hybri Dot骨科手术机器人，这款机器人由主动、被动混合控制，即人工拖动机器臂进入已定位的手术目标位置，然后由机器人系统自主操纵机器臂进行小范围高精度操作进而完成手术。2014年，北京积水潭医院联合中科院深圳先进技术研究院开发了一款主/被动一体化脊柱手术机器人RSSS(Robotic spinal surgery system）。RSSS与ROSA Spine系统类似，它以力反馈系统为基础，额外加装了气钻，主要用于导航辅助下脊柱钉道钻孔，但由于没有搭配相应的导航系统，故临床应用较局限。
2015年，北京积水潭医院和北京天智航公司合作研发了“天玑”机器人，它包含了6个自由度的机械臂系统、光学追踪系统与手术规划和导航系统。在此基础上，北京积水潭医院主导、多单位配合开发的第三代骨科手术机器人系统（天玑）是国际上首个通用性骨科手术机器人，其亚毫米级的定位精确度足以满足45%以上骨科手术的需求[23]。2015年8月～2015年10月，北京积水潭医院在“天玑”机器人辅助下陆续完成了世界首例在术中实时三维影像辅助下的机器人辅助脊柱胸腰段骨折微创内固定手术、世界首例术中实时三维影像引导的机器人辅助寰椎枢椎经关节螺钉内固定术、世界首例术中实时三维影像引导的机器人辅助齿状突骨折内固定术[24-25]，其定位精度及临床适用范围均达国际领先水平。自研发至今，我国“天玑”系列骨科机器人在辅助椎弓根螺钉置入方面经受了多次临床实践，具有更高的准确性和安全性。在一项针对颈椎椎弓根螺钉的随机对照研究[26]显示，“天玑”机器人的成功率达到98.9%，精度优于传统透视置钉（0.83mm Vs 1.79mm），而且术中出血更少，住院时间更短。近年来，我国借助5G技术应用“天玑”机器人多次进行一站对多地远程控制骨科机器人手术的临床实践[27]，并取得了良好的临床效果。2019年，烟台市烟台山医院、北京积水潭医院、嘉兴市第二医院共三地协作，在全球范围内首次将5G技术运用于骨科手术机器人多中心联合远程手术，创新性地将第五代移动通信技术、人工智能技术、骨科手术完美地结合在一起，通过5G网络远程开展骨科手术机器人辅助下经皮螺钉复位内固定手术。
苏州大学附属第一医院也开展了脊柱机器人的研究，与北京航空航天大学和北京大学第三医院合作，设计了只需C臂机和12个金属基准点就可以将二维坐标进行三维重建的算法[28]，进一步完善该系统后可进行基于C臂机透视下的实时三维重建，同时加入光学跟踪系统，体外验证精度为（2.54±0.15)mm，螺钉合格率达到了100%[29]。
3 骨科手术机器人的展望
3.1 精准化、微创化
骨科机器人手术较传统手术的优点在于精确性较高，同时对患者造成的创伤小。目前的骨科机器人仍然存在精确度不足或可重复性较差的缺点，未来骨科机器人的研发进程中精准与微创仍然是首要的发展方向。
3.2 智能化
随着计算机软件的开发及人工智能的迅速发展，骨科机器人高度智能化已成为必然趋势。现阶段，主动型机器人仍然存在误操作的风险，相对于半自动型及被动型机器人，其应用较局限。若骨科机器人的高度智能化迅速发展，则精确性、可重复性更高的主动型机器人便有机会成为未来骨科机器人的主流，并可进一步解放医生的双手，提高手术效率。
3.3 远程化
随着5G技术的出世，骨科手术机器人迎来一个新的发展方向——远程手术。5G技术支持下，远程手术延迟将会低于毫秒级，大大增加了远程手术的精确性和稳定性。远程手术的普及在技术上成为可能，为医生异地手术提供了技术支持，使优质的医疗资源能辐射至更广泛的区域。
3.4 个体化
不同患者之间存在个体差异，目前仍需要医生根据不同患者的实际情况制定具体的手术方案。应用骨科机器人时，可根据不同患者个体的实际情况制定相应的手术方案，使用合适规格的手术器材进行不同手法的手术操作，从而达到对患者最有利的疗效，以实现个体化手术的效果，这将是骨科机器人的研发趋势之一。
3.5 普及化
目前的骨科机器人手术与传统手术相比，成本较高，价格较为昂贵。就我国目前的国情而言，难以实现该手术的全面普及。降低骨科机器人成本的同时，保证机器人手术的高质量和高精确度势必成为骨科机器人普及化的重要一环。
4 小结
二十多年前，骨科手术机器人诞生并应用于骨科手术中，经过不断更新与发展，如今机器人手术已成为骨科手术的重要发展方向。目前，国际上已形成了多个相对较完善的骨科机器人系统，如Mazor系列、ROSA系列和Excelsius GPS等。虽然我国骨科机器人的研究在起跑线上落后于国外，但近年来发展迅速，硕果累累，尤其是“天玑”系列机器人，经过多次临床实践，效果显著。随着现代科技的进一步发展，未来骨科手术机器人势必追求更高的精准化和微创化。同时，现代社会中个体意识的觉醒也促使骨科手术机器人向智能化、远程化、个体化、普及化方向发展，以满足人们的需求。
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