骨科機器人在脊柱微創手術中的應用效果與研究進展

趙 彤，黃承夸

（1.右江民族醫學院研究生院；2.百色市人民醫院脊柱外科，廣西 百色 533000）

脊柱疾病是骨科較為常見的疾病，其包括腰椎間盤突出、骨折、腫瘤、脊柱側凸等[1]。目前采取藥物治療的方法較多，部分仍以局部手術治療方法為主。Boucher等于1959年正式提出了椎弓根螺釘內固定術，由于其三柱支撐、堅強的內固定而廣泛應用于脊柱的相關疾病中[2]。既往此類患者較多采用傳統骨科開放手術，常見有脊柱后路切開減壓復位椎弓根釘內固定術，手術創傷比較大、出血較多、并發癥相對較多等幾個致命的缺點，同時需要骨科手術醫生自身擁有扎實、豐富、獨特且十分精湛的相關專業和臨床操作經驗。

1 天璣骨科機器人系統的功能及其組成

骨科機器人的發展史：1987年微創手術（MIS）和機器人系統的分離技術概念在世界上首次被正式提出，1997年機器人系統首次成功地應用于腹腔鏡膽囊手術，1998年由美國Intuitive和德國surgical公司首次成功設計、研制并發展出了第一臺達芬奇手術機器人（DaVinci）系統，在當今國際機器人手術應用領域意義重大，是重要的科技里程碑[3]。醫學界開始了巨大的努力，以向所有外科學科推廣和擴展這一新穎概念。2004年由以色列Medtronic公司設計的第一代Mazor系列機器人SpineAssist，是第一個被美國FDA批準用于脊柱外科手術，時至今日仍是使用最廣泛的臨床手術機器人。之后又相繼推出了第二代Renaissance及第三代Mazor X機器人[4]。其工作原理是術前完善CT，術中行C型臂X線機獲取圖像，并傳輸給主機，與術前CT圖像進行匹配，規劃出預定的螺釘軌跡[5]。法國MedTech公司及美國Globus公司相繼推出ROSA、Excelsius GPS等機器人。我國在骨科機器人使用方面起步較晚，隨著在美國、德國、以色列和韓國等機器人在脊柱疾病方面的廣泛應用[6]，2015年，北京積水潭醫院田偉團隊和北京天智航公司合作共同研發制造了天璣骨科機器人，該機器人是迄今為止國際意義上的第一個通用性骨科手術機器人[7]，并且全球范圍內第一臺輔助上頸椎手術的骨科機器人[8]。臨床研究結果顯示，骨科手術機器人在提高脊柱椎弓根置釘準確率等方面具有顯著的優越性[9-10]，使脊柱骨科手術向著微創化、精準化等方向進一步發展[11]。目前國內外多項研究成果[12-13]表明，與傳統的徒手置釘手術相比，機器人輔助脊柱微創手術方法可以明顯提高椎弓根螺釘置入的準確性和安全性，且對脊柱小關節的損傷更小[10,14]。目前骨科手術機器人在我國醫院仍未得到廣泛推廣，其相較傳統切開內固定術的具體優、缺點也需大量數據佐證。現就“天璣”骨科機器人在治療脊柱疾病方面的應用進展進行闡述。

天璣骨科手術機器人控制系統擁有當今世界骨科同領域較為先進的自動化技術水平，分為下列3個子部分：光學自動定位跟蹤系統、擁有6個自由度的獨立運動控制機械臂系統和一組能自動進行各種復雜骨折手術路徑規劃、跟蹤定位及實時自動導航與監控工作的主控臺系統。機器人通過術前的三維C臂掃描來獲得患者影像資料數據，并可以實時地傳至機器人主控臺，醫生直接在機器人的主控臺上完成整個的手術規劃，末端帶有引導套管的機械臂根據術前規劃結果調整到合適位置。此外在骨科機器人手術操作過程中，導航機器人還能對負責的位置進行全程自動監控，一旦手術位置坐標出現明顯的誤差，它能實時地進行自動跟蹤、自動調整。骨科醫生在以后的日常手術操作中基本已經可以實現直接通過機器人導航來進行骨科手術位置精準、快速的自動定位，具有置釘準確率高、創傷小、低輻射等優點。

國際上第一個通用性天璣骨科手術機器人是由北京積水潭醫院田偉院長團隊研發；其應用范圍包含所有骨科相關疾病，如脊柱、關節、創傷等，脊柱骨科手術的精準難、不穩定、視野差等難題被其“透視眼”（光學跟蹤系統）及“穩定手”（機械臂）予以解決，骨科手術對醫生來說難度大大降低，高難度手術在地級市等基層醫院也能順利開展。本文主要討論“天璣”骨科機器人在脊柱不同部位的應用及效果。

1.1 天璣骨科機器人在頸椎手術方面的應用在1994年，Abumi等[15]首次提出頸椎椎弓根螺釘固定技術。雖然已有幾十年的發展和完善，頸椎椎弓根螺釘固定術的臨床應用仍然受到很多限制。頸椎椎弓根的直徑較小和頸椎椎弓根的性質為高度皮質為主要原因[16]，同時頸椎的活動性相對較大，骨結構較小，周圍毗鄰重要的神經、血管等結構，一旦螺釘錯位，可能出現嚴重的并發癥，因此必須準確放置螺釘[17]。與胸椎和腰椎相比，由于解剖結構變異、陡峭的椎弓根角度，頸椎的尺寸相對較小和較薄，此外，75%的C3～C4椎弓根平均直徑＜4 mm[18]，有報道，一些頸椎椎弓根沒有髓管[19]，所以頸椎椎弓根螺釘放置的成功率一直相對較低。據報道，在常規透視手術中，螺釘錯位率為6.7%～29.1%[20]。我國在骨科機器人方面起步較晚，但發展迅速，隨著我國“天璣”骨科機器人的應用，我國已實現全球范圍內第一臺機器人輔助上頸椎螺釘內固定術。Farah等[21-22]已報道了多例“天璣”骨科機器人在復雜上頸椎方面的應用，均取得了良好效果，說明骨科機器人相較于傳統熒光透視方法在復雜的上頸椎手術方面有明顯的優勢。李青青等[23]在其評估骨科手術機器人系統輔助頸椎椎弓根螺釘固定的準確性和手術安全性問題的相關研究資料中顯示，機器人輔助置入的138枚螺釘評價為Neo 0級，其中上頸椎（C1～C2）置釘準確率為94.6%，下頸椎（C3～C7）置釘準確率為88.3%。但螺釘置入準確率最高的是C7（100%）、其次是C1（97.1%），最低的是C4（71.4%），說明“天璣”骨科機器人在下頸椎方面同樣擁有完美的準確率。Farah在其研究中顯示機器人輔助頸椎椎弓螺釘置入87.5%被評為合格，12.5%被評為差。Fan等在其前瞻性隨機對照研究中發現，機器人輔助相較于傳統熒光引導螺釘置入頸椎，不但準確性更高，而且失血量減少和術后住院時間更短。相反，Mao等在一項研究中顯示機器人輔助頸椎椎弓根置入的“臨床可接受”準確率僅為71.43%，考慮是由于頸椎的急性軌跡角度和傾斜的椎板增加了電鉆滑動的可能，以后可以通過術中使用防滑套筒先定位在小關節的坡度上，以此來糾正螺絲偏差。

1.2 天璣骨科機器人在胸椎手術方面的應用胸椎相關疾病相對于頸椎、腰椎較少，同時，手術難度相對較大。胸椎先天畸形、骨折、感染、腫瘤壞死等脊柱疾病嚴重威脅到著現代人類生殖健康，治療方式不當易造成下肢癱瘓、疼痛異常等并發癥[24]。一方面由于胸椎椎弓根較小，特別是上胸椎（T1～T4），據相關研究，不同國家人群胸椎椎弓根寬度最小值均位于T4或T5，中國人平均胸椎椎弓根寬度僅為5～6 mm[25]。傳統手術方式由于胸椎椎體和椎弓根過于細小，解剖標記點位置不固定，而且因為肱骨頭節和后肩胛骨節的遮擋也導致在術區中進行透視探查時難以被清晰有效地手術辨認，增大到了手術區穿刺和定位探查的工作難度系數和風險。再者，胸椎活動范圍小，胸脊髓在椎管內占位率高，脊髓周圍的代償活動空間太少，即使是手術經驗豐富的醫生，手術時椎弓根輕度錯位，也可能導致嚴重的并發癥。機器人輔助手術在胸椎方面的研究也相對較少，與傳統手術方式相比，機器人輔助手術能克服解剖結構不清晰的劣勢，機器人根據術前3D-C臂掃描的數據，計算出椎弓根方向、大小及進釘深度，精準置入椎弓根，可有效避免胸椎前方心臟、大血管、肺臟及周圍脊髓、血管神經損傷的風險[26]。2021年9月北京積水潭醫院袁強主任利用超聲骨刀手術機器人完成了全球首例胸椎黃韌帶骨化灶切除術，術后患者恢復良好。同時Güngor等[27]也證明了使用Davinci手術機器人輔助在豬模型中行胸椎椎間融合的可行性。雖然手術機器人在國外應用時間較長，但在胸椎方面的文獻較少。隨著天璣骨科手術機器人在臨床中的應用，我國在這方面的研究較多，因下胸椎與腰椎在椎體大小、椎弓根的寬度等方面表現相似，所以我國醫生著重于上胸椎方面的研究。鄭博隆等在其一項回顧性資料分析中比較天璣骨科手術機器人輔助操作和徒手穿刺椎體成形術在治療上胸椎骨質疏松性椎體壓縮骨折患者的遠期療效和短期療效時，結果表明，相較于傳統手術組，機器人輔助組擁有更好的療效。王飛等[28]也在一項回顧性分析研究中顯示，天璣骨科機器人組置釘準確率為99.04%，不但提高了椎弓根螺釘植入的準確度，而且沒有增加術中、術后出血量。侯海濤等[29]在一項前瞻性研究中，分析了62例胸椎骨折患者，通過使用Renaissance脊柱手術機器人顯示在置釘準確率、一次成功率和椎體前緣穿透方面亦具有優勢。然而，胸椎節段較多，胸椎椎弓根的寬度若有隨著椎序增加呈現先減小后增加的趨勢[30]，且在胸椎不同分段位置上置釘準確度不相同。李宗澤等[31]應用一新型全自動骨科手術機器人“Orthbot”系統，通過在尸體的研究中做了比較，結果顯示機器人輔助組螺釘位置臨床可接受率為84.7%，胸椎不同分段間螺釘位置臨床可接受率無明顯出差別，但在下胸椎置釘時螺釘位置優秀率最高，而中胸椎最低，這可能與下胸椎的椎弓根較粗而中胸椎的椎弓根較細有關。由于現階段我國在上胸椎手術工作中普遍缺乏一個合適尺寸的空心螺釘，無法全部通過經皮置釘，這樣就無形中增加了手術時間及術中出血量，且因肋橫突關節及剝離肌肉時張力作用的遮擋，對置釘的準確率有一定影響[28]。

1.3 天璣骨科機器人在腰椎手術方面的應用下胸椎及腰椎是脊柱骨科常見病中最常見的區域，包括胸腰椎骨折、腰椎管狹窄、腰椎結核等，其中約90%的脊柱骨折發生于胸腰段[32]，同時隨著我國經濟、社會的發展，人們工作強度增大，人口老齡化加劇，椎管狹窄的發病率也逐漸升高，達到了約10%[33]，目前手術切開椎弓根固定仍是最主要的治療方法。由于發病率高，同時其椎弓根及椎管的寬度較大，手術的風險及難易程度相對較低。但使用傳統手術技術的椎弓根螺釘錯位率在腰椎中為5%～41%，而在胸椎中達到3%～55%[34]。機器人輔助技術的誕生，不但克服了人體生理疲勞的局限，而且具有更高的操作精度、操作重復性好、穩定性強等優點[35]。國內外多項研究顯示，機器人輔助技術在腰椎手術中不僅置釘準確率高、近端小關節損傷小，而且醫務人員的輻射暴露更低[13,34,36]。鑒于機器人輔助技術的優勢，其應用范圍也逐漸擴大，在脊柱腫瘤[37]、脊柱側彎[38]和經皮穿刺活檢[39]等方面亦有應用。

2 天璣機器人在應用中存在的問題

隨著機器人產業的快速發展，機器人輔助手術治療已逐步在臨床應用，為實現臨床疾病微創、精準、個性化治療提供了一個新的研究方向[40]。然而機器人購置成本較大及設備相關的維護費高[41]也是絕對不能輕易忽略的問題，平均每一臺機器人輔助手術成本至少比其他傳統術式要高出近2～3萬，這同樣也是其難以快速在我國基層醫院內普及起來的很重要原因[42]。田野等[43]在其臨床研究中顯示機器人組的費用高于傳統組。但國外最近的一項研究[44]顯示，機器人技術提高了椎弓根螺釘的準確性，減少了住院總天數和并發癥，避免了多次翻修，不但節省了醫院的維護成本，而且減輕了患者的經濟負擔，這表明了成本效益。因此，其費用有可能隨著醫生對機器人手術學習曲線的提高而降低。但考慮到我國機器人手術和長時間學習曲線的經濟負擔，推廣機器人技術仍然是一個挑戰。此外骨科機器人在臨床應用方面上的倫理問題也是值得我們思考并且急需解決的問題[45]。

3 小結

隨著我國天璣骨科機器人技術在脊柱外科方面應用的不斷發展，其在椎弓根置釘的準確性、術中出血量、住院時間、術后并發癥等方面的優勢逐漸顯現。誠然，現在還有很多的問題需要去解決，如其相關的成本及安全問題，但隨著更新的技術，天璣骨科機器人的未來具有更大的潛力，可以為患者和醫務人員更好地服務。