機(jī)器人輔助手術(shù)在脊柱外科應(yīng)用進(jìn)展

王向陽，劉永輝，石洋，崔宏勛(通信作者*)

(1.河南中醫(yī)藥大學(xué)，河南 鄭州 450000；2.河南省洛陽正骨醫(yī)院，河南省骨科醫(yī)院，河南 鄭州 450000)

1 脊柱外科機(jī)器人概述

手術(shù)機(jī)器人這一概念最早由Fisher 和Rosen博士于20年代中后期提出，但受當(dāng)時(shí)技術(shù)限制，其發(fā)展研究并未大規(guī)模開展。21世紀(jì)后，隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，以及對(duì)手術(shù)精準(zhǔn)化、微創(chuàng)化的要求提高，各類手術(shù)機(jī)器人紛紛出現(xiàn)，尤其在泌尿外科、心胸外科以及神經(jīng)外科發(fā)展迅猛，僅達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人輔助的腹腔鏡和胸腔鏡手術(shù)在2015年就已開展逾70萬例[1]。脊柱外科的機(jī)器人技術(shù)在過去十年中發(fā)展也相對(duì)較快，2004年Mazor 公司開發(fā)的SpineAssis是首款經(jīng)美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)可用于脊柱手術(shù)的機(jī)器人[2]。目前臨床用于脊柱手術(shù)的機(jī)器人主要有Mazor公司SpineAssist/Renaissance機(jī)器人、Zimmer Biome公司的ROSA機(jī)器人、Globus Medical公司的ExcelsiusGPS機(jī)器人、天智航公司的天璣機(jī)器人，盡管細(xì)節(jié)方面可能有差異，但主要部件結(jié)構(gòu)及工作原理較為類似。機(jī)器人系統(tǒng)主要由機(jī)械臂系統(tǒng)、光學(xué)跟蹤系統(tǒng)、手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)及導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成[3]，其主要工作原理可分為三步，第一步通過C臂或O臂收集患者信息，完成定位、圖像重建，第二步為路徑規(guī)劃，術(shù)者在重建的圖像上依據(jù)手術(shù)要求規(guī)劃完成路徑的設(shè)置，最后一步即執(zhí)行規(guī)劃，機(jī)械臂根據(jù)光學(xué)示蹤器定位至指定位置，最后再由術(shù)者進(jìn)行操作，在這一過程中多數(shù)機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)術(shù)中實(shí)時(shí)成像，自動(dòng)補(bǔ)償患者體位移動(dòng)造成的誤差[4]。

2 機(jī)器人輔助置釘

在脊柱手術(shù)中，安全合適的放置椎弓根螺釘是內(nèi)固定最為關(guān)鍵的步驟之一，而錯(cuò)誤的螺釘位置或置釘操作可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重并發(fā)癥。目前，臨床手術(shù)中螺釘?shù)闹萌肴砸酝绞譃橹?，這對(duì)術(shù)者經(jīng)驗(yàn)要求較高，且主觀性較強(qiáng)，術(shù)中可能出現(xiàn)多次透視、反復(fù)調(diào)整釘?shù)赖葐栴}，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，徒手放置胸腰椎椎弓根螺釘?shù)腻e(cuò)位幾率接近10%[5]。目前多數(shù)研究報(bào)道均認(rèn)為機(jī)器人系統(tǒng)在螺釘置入精度方面要優(yōu)于徒手置入。機(jī)器人系統(tǒng)可根據(jù)術(shù)中實(shí)時(shí)掃描重建，有效了解患者椎弓根形態(tài)結(jié)構(gòu)、神經(jīng)脊髓受壓情況，進(jìn)而選取合適的螺釘規(guī)格、進(jìn)針角度、方向、深度等。Granit等[6]的薈萃分析納入了169例患者880枚椎弓根螺釘比較機(jī)器人輔助與徒手置釘?shù)臏?zhǔn)確性，采用Gertzbein Robbins分級(jí)對(duì)螺釘精度進(jìn)行評(píng)估，機(jī)器人組達(dá)到A級(jí)或B級(jí)為93.4%，顯著高于徒手組88.9%。Li等[7]的薈萃分析納入9項(xiàng)研究696例手術(shù)，結(jié)果表明，與徒手技術(shù)相比，機(jī)器人輔助技術(shù)在椎弓根螺釘置入中的準(zhǔn)確性更高，且TINAVI機(jī)器人精度要優(yōu)于Renaissance機(jī)器人。Keric等[8]回顧研究了413例患者2067枚由機(jī)器人輔助置入的螺釘，96.9%的螺釘具有良好的位置，僅有20顆螺釘?shù)钠畲笥?毫米。除常規(guī)置釘外，在面對(duì)脊柱畸形患者時(shí)，機(jī)器人輔助置釘展現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢(shì)，陳豪杰等[9]報(bào)道在青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎矯形手術(shù)中應(yīng)用機(jī)器人輔助置釘，機(jī)器人手術(shù)組的術(shù)中出血量、置釘時(shí)間及螺釘位置調(diào)整次數(shù)均顯著低于傳統(tǒng)手法置釘，且術(shù)后影像學(xué)復(fù)查顯示機(jī)器人手術(shù)組的置釘準(zhǔn)確率要明顯高于徒手組(89.5%VS79.1%)。宋玉鑫等[10]報(bào)道在脊柱畸形矯形中應(yīng)用機(jī)器人輔助置釘，其A級(jí)別螺釘數(shù)量顯著高于應(yīng)用3D打印導(dǎo)板置釘。

機(jī)器人輔助置釘盡管有著較高的精確度，但在置釘過程中較易受到患者呼吸運(yùn)動(dòng)及患者不自主身體移動(dòng)影響，此外當(dāng)切口較小或螺釘外展角度較大時(shí)，皮膚肌肉等組織對(duì)導(dǎo)針的阻擋牽拉亦會(huì)影響螺釘精度，因此術(shù)者操作時(shí)應(yīng)當(dāng)注意細(xì)節(jié)，減少偏移[11]。此外有研究發(fā)現(xiàn)機(jī)器人輔助置釘，螺釘距小關(guān)節(jié)更遠(yuǎn)，對(duì)于小關(guān)節(jié)侵犯更小，有利于減少術(shù)后鄰近關(guān)節(jié)的退變[12-13]。在術(shù)中出血方面，F(xiàn)an等[14]對(duì)127名頸椎手術(shù)患者研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人輔助置釘組患者的手術(shù)失血量顯著少于常規(guī)徒手置釘組，且術(shù)后住院時(shí)間也明顯縮短。機(jī)器人術(shù)中、術(shù)后并發(fā)癥也是值得關(guān)注的問題。徒手置釘過程中常需要?jiǎng)冸x較多肌肉組織、多次調(diào)整釘?shù)纴硗瓿芍冕?，這一過程無疑增加了組織損傷及出血量，而機(jī)器人輔助置釘無需觀察解剖標(biāo)志，僅需依靠機(jī)械臂經(jīng)皮體表定位即可完成置釘，因此可以減少組織剝離[15]。

3 手術(shù)時(shí)間及輻射暴露

現(xiàn)有研究對(duì)于機(jī)器人是否能夠減少手術(shù)時(shí)間尚存爭(zhēng)議。Fu等[16]的薈萃分析認(rèn)為，機(jī)器人輔助組的整體手術(shù)時(shí)間與傳統(tǒng)徒手組并無顯著差異。Peng等[17]研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人輔助手術(shù)時(shí)間較常規(guī)手更長(zhǎng)，這可能是因?yàn)闄C(jī)器人系統(tǒng)需要更多的儀器設(shè)備，且設(shè)備的位置常需要根據(jù)手術(shù)的需要進(jìn)行多次移動(dòng)。但也有學(xué)者研究認(rèn)為機(jī)器人手術(shù)較傳統(tǒng)手術(shù)時(shí)間更短，俞陽等[18]報(bào)道在胸腰椎多椎體病理性骨折手術(shù)中應(yīng)用機(jī)器人輔助骨水泥注射，較傳統(tǒng)手術(shù)顯著縮短了手術(shù)時(shí)間，馮碩等[19]研究機(jī)器人輔助手術(shù)在斜外側(cè)腰椎椎間融合治療效果發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人顯著縮短了手術(shù)時(shí)間、減少了術(shù)中出血。通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用機(jī)器人輔助能夠縮短手術(shù)時(shí)間通常是由于以下幾個(gè)主要原因：1、減少透視次數(shù)；2、在較復(fù)雜的手術(shù)中降低螺釘位置調(diào)整次數(shù)；3、減少出血，便于手術(shù)進(jìn)行。

在輻射暴露方面，機(jī)器人系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)徒手置釘免去了多次透視調(diào)整螺釘位置、角度這一過程，通常僅需重建過程及置釘完成后的透視，而且患者圖像信息重建過程中醫(yī)護(hù)人員無需暴露，因此輻射時(shí)間及暴露量較徒手置釘可能更低。Hyun等[13]研究顯示，在傳統(tǒng)常規(guī)手術(shù)和機(jī)器人引導(dǎo)的手術(shù)中，放置一枚螺釘所需放射時(shí)間分別為13.3秒、3.5秒，Jamshidi等[20]的一項(xiàng)前瞻性、多中心的研究結(jié)果顯示，在短節(jié)段微創(chuàng)腰椎融合術(shù)中應(yīng)用機(jī)器人輔助手術(shù)能夠減少50.8 % 的手術(shù)透視時(shí)間，此外多項(xiàng)研究表明，機(jī)器人輔助手術(shù)可以顯著降低術(shù)中放射時(shí)間和輻射劑量[21-22]。

4 機(jī)器人手術(shù)局限性

盡管機(jī)器人系統(tǒng)手術(shù)取得了可喜的成果，但回顧以往文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，目前機(jī)器人系統(tǒng)仍存在著諸如應(yīng)用范圍較局限，學(xué)習(xí)曲線較長(zhǎng)，成本效益比等問題。在目前的大多脊柱外科手術(shù)中，機(jī)器人只是作為輔助置釘?shù)南驅(qū)?，似乎缺乏其他方面的?yīng)用，且關(guān)于機(jī)器人輔助置釘?shù)难芯恳惨演^多，因此未來機(jī)器人系統(tǒng)不能僅局限于完成置釘這一初步操作，還應(yīng)當(dāng)在其他不同手術(shù)、不同階段展現(xiàn)自己的作用，它們?cè)诩怪饪剖中g(shù)中的應(yīng)用應(yīng)當(dāng)繼續(xù)開發(fā)。脊柱機(jī)器人能夠?yàn)榧怪娜魏谓馄蕝^(qū)域提供精確的引導(dǎo)，因此在機(jī)器人的輔助下，術(shù)者可以非常容易地接近和切除椎板、關(guān)節(jié)突等骨組織進(jìn)而進(jìn)行一系列的操作[23]。目前已有關(guān)于機(jī)器人輔助經(jīng)皮椎體成形術(shù)、輔助減壓等方面的報(bào)道[24-25]，隨著研究的不斷加深，未來機(jī)器人在脊柱外科手術(shù)中也必能展現(xiàn)出更多技能。

機(jī)器人輔助手術(shù)學(xué)習(xí)曲線較長(zhǎng)，尤其對(duì)于年齡較高的醫(yī)生來說，熟悉機(jī)器人軟件的規(guī)劃、操作并非易事。HU等[26]連續(xù)追蹤了150例應(yīng)用機(jī)器人輔助置釘?shù)氖中g(shù)發(fā)現(xiàn)，置釘準(zhǔn)確度在30例手術(shù)后達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的平臺(tái)期，機(jī)器人引導(dǎo)成功放置螺釘成功率由82%上升至91%～93%，機(jī)器人輔助失敗而轉(zhuǎn)換為手動(dòng)放置的螺釘?shù)谋嚷蕿橛?7%下降到4%～8%。Schatlo等[27]回顧了13名不同醫(yī)生放置的1265枚機(jī)器人輔助椎弓根螺釘，發(fā)現(xiàn)在第20例手術(shù)后，螺釘放置錯(cuò)誤的數(shù)量顯著下降。范明星等[28]研究發(fā)現(xiàn)，在在手術(shù)數(shù)量達(dá)到8臺(tái)、20臺(tái)、32臺(tái)時(shí)，手術(shù)時(shí)間逐漸縮短，螺釘精確性逐漸提高，后漸趨于穩(wěn)定?；谏鲜龅臄?shù)據(jù)，作者建議對(duì)機(jī)器人技術(shù)不熟悉的外科醫(yī)生在前30臺(tái)機(jī)器人輔助手術(shù)應(yīng)當(dāng)接受監(jiān)督指導(dǎo)。盡管脊柱手術(shù)機(jī)器人技術(shù)學(xué)習(xí)并非易事，但其他技術(shù)的不斷發(fā)展也給其帶來了新的助力，如新興的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有望能夠降低初學(xué)者門檻。

機(jī)器人成本效益也是值得關(guān)注的問題。但目前對(duì)機(jī)器人成本效益的研究似乎并不多，中國(guó)作為人均醫(yī)療資源較為有限的國(guó)家，在推廣一項(xiàng)新技術(shù)前有必要對(duì)其成本效益進(jìn)行研究，尤其是面對(duì)機(jī)器人這類結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴且后期需要額外維護(hù)的醫(yī)療設(shè)備。目前有研究者報(bào)導(dǎo)，機(jī)器人輔助手術(shù)能夠提高置釘準(zhǔn)確率、降低感染率，進(jìn)而通過縮短住院時(shí)間減少患者費(fèi)用[29]。但也有研究顯示，與接受常規(guī)脊柱手術(shù)的患者相比，機(jī)器人輔助手術(shù)患者的并發(fā)癥發(fā)生率相似[30]，并不能減少花費(fèi)。因此臨床應(yīng)用機(jī)器人時(shí)，醫(yī)生應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎評(píng)估患者情況，權(quán)衡利弊，實(shí)現(xiàn)成本與效益的最優(yōu)化。

5 小結(jié)

目前，機(jī)器人輔助手術(shù)在脊柱外科領(lǐng)域仍處于萌芽階段，盡管現(xiàn)有研究已展現(xiàn)出了不少積極的成果，如機(jī)器人輔助螺釘放置的準(zhǔn)確率更高、手術(shù)操作更為微創(chuàng)、手術(shù)人員所受輻射暴露更少等，但也存在著諸如應(yīng)用范圍窄、學(xué)習(xí)曲線較長(zhǎng)、機(jī)器人智能化程度較低、缺乏人機(jī)交互等問題，迄今為止，手術(shù)機(jī)器人只能用于執(zhí)行相對(duì)簡(jiǎn)單的程序，幾乎沒有自主權(quán)和決策權(quán)，此外尚缺乏機(jī)器人應(yīng)用的指南或標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)于機(jī)器人不良事件及風(fēng)險(xiǎn)事件管理研究也較少，但隨著時(shí)間的發(fā)展，技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些相應(yīng)的問題也必將得到解決，機(jī)器人在未來臨床應(yīng)用中也將迎來更廣闊的空間。