腰椎手術機器人系統(tǒng)研究

付宜利，王學占，高文朋

（哈爾濱工業(yè)大學機器人技術與系統(tǒng)國家重點實驗室，哈爾濱150001）

腰椎手術機器人系統(tǒng)研究

付宜利，王學占，高文朋

（哈爾濱工業(yè)大學機器人技術與系統(tǒng)國家重點實驗室，哈爾濱150001）

手術機器人是機電一體化的典型代表，能夠顯著提高手術的精度和穩(wěn)定性.伴隨著計算機技術和人工智能的發(fā)展，現(xiàn)已成為世界各國的研究熱點.腰椎是人體脊柱的一部分，特殊的結構使得腰椎手術風險大，對手術安全性要求高.近年來，多種不同的機器人系統(tǒng)被應用于腰椎的手術中.討論了當前可用于腰椎手術的機器人系統(tǒng)現(xiàn)狀，對它們各自的結構、功能進行了簡要介紹，并對存在的問題和未來的發(fā)展方向做了簡明闡述.

手術機器人；腰椎手術；輔助型機器人，主從型機器人

在現(xiàn)代社會，人們期望能夠設計出機器人來代替人類進行各種繁雜的工作.尤其是在勞動密集型產業(yè)，如電子產業(yè)，機器人的使用非常廣泛.以Da Vinci機器人為代表的醫(yī)療機器人在臨床上得到了應用，體現(xiàn)出機器人在手術中具有的優(yōu)勢.首先，機器人定位精度高、穩(wěn)定性好、靈活性高，可以提高手術效率和效果并降低手術風險.其次，機器人可以方便與其他設備結合，組成機器人系統(tǒng)為醫(yī)生手術提供支持［1］.目前，機器人系統(tǒng)已經被應用在泌尿科、心血管外科、普通外科、婦科和骨科手術中［2］，其中在腰椎手術上使用得也非常廣泛.

由于腰椎手術數量較多，面向腰椎手術的機器人也成為手術機器人研究領域的一個重要研究方向.相比于其他部位，腰椎有其特殊的結構.人體有五個腰椎，每一個腰椎由前方的椎體和后方的附件組成.椎板內緣成弓形，椎弓與椎體后緣圍成椎孔，上下椎孔相連，形成椎管，內有脊髓和神經通過，如圖1所示.在椎板切除術或者螺釘置入手術中，手術器械極易對腰椎周圍的神經造成損傷，任何輕微的失誤都有可能給患者帶來災難性后果［3］.在這種背景下，精確性高并且可結合多種最新技術于一體的手術機器人系統(tǒng)被越來越多得應用于腰椎手術中.

圖1　腰椎及其周圍結構

1　機器人系統(tǒng)概述

最早的腰椎手術機器人是1992年法國的科學家利用Puma 260改裝而成的.該系統(tǒng)包括一個帶光學跟蹤系統(tǒng)的6軸Puma 260機器人，一對X射線成像系統(tǒng)和一個DEC5000工作站［4］.手術前，利用CT掃描數據，將末端手術器械按照正確的方位和姿態(tài)放置于腰椎骨的特定位置.手術中X射線設備可以通過2D投影確定脊柱位置，從而提高手術器械的定位精度.研究者利用該系統(tǒng)成功進行了螺釘置入手術實驗，證明了系統(tǒng)的可行性.雖然最終該系統(tǒng)未能真正應用于臨床手術，但是吸引了大批科學家開始進行腰椎手術機器人的研究.從1992年開始，有關腰椎手術機器人的研究進入繁榮期，大量的機器人系統(tǒng)問世.根據在手術中的工作方式，將這些機器人系統(tǒng)分為輔助型和主從型兩種類型.輔助型是指在人工進行手術時，機器人作為輔助工具幫助醫(yī)生對手術器械進行定位，從而提高手術精度.主從型是指由醫(yī)生遠距離控制主手，機器人作為從手復制主手的各種運動，從而按照醫(yī)生的動作操縱手術器械來執(zhí)行手術.

1.1輔助型機器人

1）MARS

2003年，以色列的研究團隊專門針對脊柱手術開發(fā)出了MARS機器人系統(tǒng)［5］.MARS可被應用于椎板固定術和椎體成形術.MARS采用并聯(lián)機器人結構，有上下兩個平臺.其中下平臺固定于手術床，上平臺通過6根移動桿與下平臺連接并聯(lián)運動，機器人具有6個自由度.與上平臺相連的機械臂可以幫助醫(yī)生把持手術器械，使手術器械維持在正確位置而不會產生抖動.MARS的結構非常小巧，上下平臺的直徑為5 cm，高7 cm，總重200 g.這種小巧的結構，使得機器人能適應很多工作空間小的手術，在保證可行性的同時提高了運動精度，從而提高了安全性.即使在手術中出現(xiàn)了意外情況，輕小的MARS也可以將對患者的傷害降到最低.但另一方面，MARS可承受的最大載荷比較小.只有10 N.研究人員在使用MARS進行試驗時，發(fā)現(xiàn)某些手術中載荷可達到15 N，即超出了機器人的最大載荷，有損傷患者神經和血管的風險.最終MARS只能停留于試驗階段，未能應用于臨床手術.

2）SpineAssist

SpineAssist是在MARS基礎上發(fā)展而來，并已成為惟一獲得FDA和CE雙認證的脊柱手術機器人系統(tǒng)，且已實現(xiàn)商業(yè)化.SpineAssist上下平臺直徑8 cm，質量250 g，無論在尺寸還是質量上都比MARS有了提高.SpineAssist應用范圍也更廣，無論是開放式手術還是微創(chuàng)手術中都能使用.在開放式手術中，需要借助于Hover-T裝置來固定機器人.Hover-T連接于患者椎骨和骨盆上，這樣機器人與患者之間就不會有相對運動，因此系統(tǒng)不再需要手術器械位置追蹤裝置［6］見圖2.后來，SpineAssist在軟件與用戶交互方面做了進一步優(yōu)化，良好的性能使得它能在世界范圍內被廣泛使用.迄今為止，已有超過2 500例成功使用SpineAssist的手術報道.

圖2　SpineAssist機器人

3）SPINEBOT

2005年，韓國漢陽大學的研究組開發(fā)出一種可自動將螺釘旋入腰椎骨的手術機器人系統(tǒng)，命名為SPINEBOT［7］.除了機器人以外，該系統(tǒng)還包含可實時確定患者和手術器械位置的光學跟蹤系統(tǒng)，以及相應的HexaView軟件包.手術前，醫(yī)生可借助于CT或MR掃描設備，利用HexaView來制定手術方案.光學跟蹤系統(tǒng)以30 Hz的頻率檢測手術器械運動狀態(tài)，并能自動修正由于醫(yī)生呼吸、抖動產生的運動偏差，提高運動精度.該系統(tǒng)已被NDI公司推廣并商業(yè)化.

2010年，新一代的SPINEBOT問世，機器人自由度由第一代的7個減少為5個，使用最新的雙面透視技術代替了原來的光學跟蹤系統(tǒng)，并對軟件進行了升級.新的產品取消了自動手術的功能，而只能輔助醫(yī)生進行手術操作，使用起來更加安全方便.

4）VectorBOT

德國宇航中心開發(fā)出的輕量級機器人Vector-BOT可應用于多種脊柱手術中.VectorBOT系統(tǒng)包括一個7自由度的Kinemedic機器人和VectorVision光學跟蹤系統(tǒng)［8］見圖3.手術前，醫(yī)生要在患者身上粘貼一些標記物，光學跟蹤系統(tǒng)通過檢測這些標記物來確定患者的位置，并指導手術器械的運動.在手術時不再需要任何的X射線設備，消除了這些設備對患者和醫(yī)生產生的輻射傷害.但同時，手術對患者造成的創(chuàng)傷比較大，這會增加患者術后恢復的時間.雖然一系列實驗結果表明，VectorBOT確實能顯著得提高手術精度，有效降低手術風險，但由于贊助商Brainlab公司停止了對該項目的贊助，使得項目停止，VectorBOT未能實現(xiàn)商業(yè)化.

圖3　VectorBOT手術機器人

5）RSSS

Jin等基于安全性設計出一款可用于脊柱手術的機器人系統(tǒng)，并命名為RSSS.該系統(tǒng)由機器人、術前規(guī)劃系統(tǒng)、術中導航系統(tǒng)和跟蹤系統(tǒng)四部分組成［9］.機器人具有6個自由度，其中的5個轉動關節(jié)可以控制機器人末端到達指定位置，這種特殊的結構可以保證機器人在遇到意外情況時不會對患者造成嚴重傷害.末端控制器被命名為BSID，可以夾持螺釘并將其旋入椎骨.手術前，醫(yī)生可借助CT和術前規(guī)劃系統(tǒng)對患者手術進行規(guī)劃.跟蹤系統(tǒng)包含成像裝置，可對患者于手術器械之間的相對位置關系進行實時跟蹤.成像系統(tǒng)可將追蹤系統(tǒng)獲得的信息與3D顯示系統(tǒng)連接，在3D顯示器中顯示.相關實驗表明，與人工手術相比，醫(yī)生借助該系統(tǒng)對腰椎部位進行手術時，手術精度提高顯著，且工作空間能達到600 mm長，240 mm寬和300 mm高，可達到絕大多數腰椎手術空間要求.

6）AcuBot

為了解決微創(chuàng)手術中圖像引導技術的一些技術難題，Cleary等在2003年開發(fā)出AcuBot手術機器人系統(tǒng)［10］見圖4.該系統(tǒng)解決了以往機器人手術過程中存在的光學跟蹤和術前影像、信息融合、三維顯示以及跟蹤方面存在的一系列問題.該機器人有6個自由度，手術中需要和CT一起配套使用來執(zhí)行穿刺手術.機器人由一個可水平旋轉和移動的支架固定在手術床上，末端夾持穿刺針到達指定位置.手術中，先通過操作支架，將穿刺針放置于指定位置附近.然后通過操作機械臂，將穿刺針精確地送至指定位置.AcuBot在軟件方面圍繞微創(chuàng)手術中的圖像引導問題做了集成化處理，系統(tǒng)可實現(xiàn)CT與MRI圖像配準融合、位置追蹤、3D成像功能.AcuBot已經得到FDA認證，并已經投入臨床使用.

圖4　AcuBot手術機器人

1.2主從式機器人

主從式機器人通過復制醫(yī)生在主手的操作，從手控制手術器械進行手術.這種工作方式使醫(yī)生不再局限于手術室，通過遠程操作也可完成手術，在技術上是一次巨大的突破.

1）RIME

2005年，Boschetti等人研究出一種可供醫(yī)生遠程操作的機器人［11］，并命名為“RIME”.該機器人系統(tǒng)采用主從操作控制方式，并具有觸覺力反饋功能.醫(yī)生控制主手進行手術中的各種操作，從手則復制醫(yī)生的運動，控制手術器械執(zhí)行同樣的操作，為患者執(zhí)行手術.觸覺反饋系統(tǒng)將觸覺信息實時反饋給醫(yī)生，結合圖像信息為醫(yī)生提供臨場感，使醫(yī)生能夠順利完成遠程手術.2007年，研究者利用RIME系統(tǒng)進行試驗，證明了觸覺反饋系統(tǒng)的實用性.現(xiàn)在，相關團隊正在開發(fā)相配套的光學跟蹤系統(tǒng)，將RIME應用于臨床手術.

2）SpineNav

2008年，Ju等開發(fā)出一種新的機器人系統(tǒng)，可協(xié)助醫(yī)生完成經皮椎體成形術.該系統(tǒng)不再需要光學跟蹤系統(tǒng)，而是利用CT數據進行成像，實時監(jiān)測手術器械和患者相對位置.機器人本身具有5個自由度，3個移動自由度和2個轉動自由度.手術時，患者躺在手術床上，用CT對患者和手術器械進行掃描，掃描結果可傳輸至系統(tǒng)工作站，處理后進行成像，實時顯示了手術器械和患者相對位置.醫(yī)生可根據獲取到的信息，在術規(guī)劃系統(tǒng)中完成手術規(guī)劃，然后操作主手進行手術操作，從手則通過復制醫(yī)生手部運動來操作手術器械完成手術.手術中，醫(yī)生和助手可通過控制臺控制整個系統(tǒng)的運行，保證手術安全有效得進行.

3）Da Vinci

1999年，美國Intuitive Surgical公司開發(fā)出了Da Vinci手術機器人系統(tǒng)［12］.見圖5.該手術系統(tǒng)參照心胸外科、泌尿外科、婦科及腹部外科相關手術設計，但近年來有醫(yī)生嘗試采用該系統(tǒng)進行腰椎手術.該系統(tǒng)主要由床旁機械系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和醫(yī)生控制系統(tǒng)三部分組成.其中機械系統(tǒng)包含3個用于夾持手術器械的機械臂和一個用于夾持腹腔鏡的持鏡臂.每個機械臂均有7個自由度，可將手術器械置于指定位置并進行旋轉、開合等相關的手術操作.成像系統(tǒng)可實時獲得手術部位圖像實現(xiàn)立體顯示，將圖像信息傳遞給醫(yī)生.醫(yī)生在控制臺獲取各種信息后進行綜合分析，規(guī)劃手術路徑，并操作主手進行相應運動，從手重復醫(yī)生動作而完成手術.醫(yī)生可通過聲控、手控和踏板控制等方式控制設備，并提供接口和CT、超聲、MR等多種成像技術聯(lián)合使用.Da Vinci的成像系統(tǒng)可以使手術視野放大20倍，且高清三維影像系統(tǒng)可以使醫(yī)生更直觀、清晰得觀察病灶部位，提高手術效率和質量.該系統(tǒng)已通過美國FDA和歐洲CE雙認證，是目前世界上最先進、最復雜、應用最廣泛的外科手術機器人系統(tǒng)之一.

圖5　Da Vinci手術機器人

2　存在問題

各種各樣的適用于腰椎手術的機器人系統(tǒng)問世，雖然給手術治療帶來了極大的便捷，大大提高了手術水平，但也仍然存在一些不可忽視的問題.

首先是安全性的問題.在手術中，安全性永遠是醫(yī)生和患者關心的最大問題.手術機器人在使用時必須要進行消毒，復雜的結構會影響消毒效果，有染菌的風險，在手術中易對患者造成感染［13］.因此在設計機器人結構時，要滿足消毒過程簡便、消毒效果好的要求.另外，當前絕大多數的手術機器人缺少觸覺反饋系統(tǒng)，醫(yī)生在手術時缺少了觸覺信息，加大了手術的風險性［14］.

其次，手術機器人缺乏相應的標準.從首臺手術機器人系統(tǒng)問世至今，已有幾十年，但時至今日，行業(yè)內仍沒對這種復雜、尖端的科技產品制定相應的標準.國際標準組織（ISO）和國際電子技術委員會正在考慮為手術機器人制定國際標準，但在相應法規(guī)問世前，手術機器人行業(yè)仍將魚龍混雜.

最后，費用太高.除去購置一臺手術機器人系統(tǒng)的天價費用，手術時的使用費、日常的維護費用都很高，給患者和醫(yī)院增加了沉重負擔.以Da Vinci手術機器人為例，購置系統(tǒng)的費用約為2 000萬人民幣.由于所使用的一些手術器械屬于耗材，每次手術的耗材費用都在2萬元左右.再加上設備的開機費、日常維護費、醫(yī)生的培訓費等等各種費用，使用Da Vinci比常規(guī)手術要多花3～4萬元左右，很多普通百姓只能望而卻步.

3　結語

本文介紹了幾種與腰椎手術相關的手術機器人系統(tǒng).利用機器人精確性好、穩(wěn)定性高、適應性強的特點來執(zhí)行手術操作，已經成為未來的發(fā)展趨勢.但與腹腔微創(chuàng)手術相比，專門為腰椎手術設計的機器人系統(tǒng)數量偏少，目前也只有SpineAssist一種產品實現(xiàn)商業(yè)化.研究者還要針對腰椎的特殊結構，開發(fā)出更安全、更實用的機器人系統(tǒng).相關組織部門則要盡快出臺相關法規(guī)，為手術機器人系統(tǒng)制定相應的標準，使更優(yōu)質的產品能早日服務于患者.

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Review of robotic systems for lumbar spine surgery

FU Yi-li，WANG Xue-zhan，GAOWen-peng
（State Key Laboratory of Robotics and System，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

As a typical representative ofmechatronics，surgical robot can increase the precision and stability significantly.Lumbar is part of spine and its special structure makes the operation dangerous and sensitive.Various robotic systems came into application in lumbar spine surgery.This paper aimed to show the current state of surgical robots for lumbar spine surgery，including the structures and functions.Moreover，the problems remained and the development directions in the future were showed.

surgical robot；lumbar spine surgery；assistive robot；master-slave robot

TP242

A

1672-0946（2016）02-0176-05

2015-06-16.

國家自然科學基金（81201150）

付宜利（1966-），男，博士，教授；研究方向：醫(yī)療機器人，機器人智能自主控制理論.