骨科機(jī)器人在脊柱微創(chuàng)手術(shù)中的應(yīng)用效果與研究進(jìn)展

趙 彤，黃承夸

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

脊柱疾病是骨科較為常見(jiàn)的疾病，其包括腰椎間盤突出、骨折、腫瘤、脊柱側(cè)凸等[1]。目前采取藥物治療的方法較多，部分仍以局部手術(shù)治療方法為主。Boucher等于1959年正式提出了椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)，由于其三柱支撐、堅(jiān)強(qiáng)的內(nèi)固定而廣泛應(yīng)用于脊柱的相關(guān)疾病中[2]。既往此類患者較多采用傳統(tǒng)骨科開(kāi)放手術(shù)，常見(jiàn)有脊柱后路切開(kāi)減壓復(fù)位椎弓根釘內(nèi)固定術(shù)，手術(shù)創(chuàng)傷比較大、出血較多、并發(fā)癥相對(duì)較多等幾個(gè)致命的缺點(diǎn)，同時(shí)需要骨科手術(shù)醫(yī)生自身?yè)碛性鷮?shí)、豐富、獨(dú)特且十分精湛的相關(guān)專業(yè)和臨床操作經(jīng)驗(yàn)。

1 天璣骨科機(jī)器人系統(tǒng)的功能及其組成

骨科機(jī)器人的發(fā)展史：1987年微創(chuàng)手術(shù)（MIS）和機(jī)器人系統(tǒng)的分離技術(shù)概念在世界上首次被正式提出，1997年機(jī)器人系統(tǒng)首次成功地應(yīng)用于腹腔鏡膽囊手術(shù)，1998年由美國(guó)Intuitive和德國(guó)surgical公司首次成功設(shè)計(jì)、研制并發(fā)展出了第一臺(tái)達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人（DaVinci）系統(tǒng)，在當(dāng)今國(guó)際機(jī)器人手術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域意義重大，是重要的科技里程碑[3]。醫(yī)學(xué)界開(kāi)始了巨大的努力，以向所有外科學(xué)科推廣和擴(kuò)展這一新穎概念。2004年由以色列Medtronic公司設(shè)計(jì)的第一代Mazor系列機(jī)器人SpineAssist，是第一個(gè)被美國(guó)FDA批準(zhǔn)用于脊柱外科手術(shù)，時(shí)至今日仍是使用最廣泛的臨床手術(shù)機(jī)器人。之后又相繼推出了第二代Renaissance及第三代Mazor X機(jī)器人[4]。其工作原理是術(shù)前完善CT，術(shù)中行C型臂X線機(jī)獲取圖像，并傳輸給主機(jī)，與術(shù)前CT圖像進(jìn)行匹配，規(guī)劃出預(yù)定的螺釘軌跡[5]。法國(guó)MedTech公司及美國(guó)Globus公司相繼推出ROSA、Excelsius GPS等機(jī)器人。我國(guó)在骨科機(jī)器人使用方面起步較晚，隨著在美國(guó)、德國(guó)、以色列和韓國(guó)等機(jī)器人在脊柱疾病方面的廣泛應(yīng)用[6]，2015年，北京積水潭醫(yī)院田偉團(tuán)隊(duì)和北京天智航公司合作共同研發(fā)制造了天璣骨科機(jī)器人，該機(jī)器人是迄今為止國(guó)際意義上的第一個(gè)通用性骨科手術(shù)機(jī)器人[7]，并且全球范圍內(nèi)第一臺(tái)輔助上頸椎手術(shù)的骨科機(jī)器人[8]。臨床研究結(jié)果顯示，骨科手術(shù)機(jī)器人在提高脊柱椎弓根置釘準(zhǔn)確率等方面具有顯著的優(yōu)越性[9-10]，使脊柱骨科手術(shù)向著微創(chuàng)化、精準(zhǔn)化等方向進(jìn)一步發(fā)展[11]。目前國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)研究成果[12-13]表明，與傳統(tǒng)的徒手置釘手術(shù)相比，機(jī)器人輔助脊柱微創(chuàng)手術(shù)方法可以明顯提高椎弓根螺釘置入的準(zhǔn)確性和安全性，且對(duì)脊柱小關(guān)節(jié)的損傷更小[10,14]。目前骨科手術(shù)機(jī)器人在我國(guó)醫(yī)院仍未得到廣泛推廣，其相較傳統(tǒng)切開(kāi)內(nèi)固定術(shù)的具體優(yōu)、缺點(diǎn)也需大量數(shù)據(jù)佐證?，F(xiàn)就“天璣”骨科機(jī)器人在治療脊柱疾病方面的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行闡述。

天璣骨科手術(shù)機(jī)器人控制系統(tǒng)擁有當(dāng)今世界骨科同領(lǐng)域較為先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)水平，分為下列3個(gè)子部分：光學(xué)自動(dòng)定位跟蹤系統(tǒng)、擁有6個(gè)自由度的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)控制機(jī)械臂系統(tǒng)和一組能自動(dòng)進(jìn)行各種復(fù)雜骨折手術(shù)路徑規(guī)劃、跟蹤定位及實(shí)時(shí)自動(dòng)導(dǎo)航與監(jiān)控工作的主控臺(tái)系統(tǒng)。機(jī)器人通過(guò)術(shù)前的三維C臂掃描來(lái)獲得患者影像資料數(shù)據(jù)，并可以實(shí)時(shí)地傳至機(jī)器人主控臺(tái)，醫(yī)生直接在機(jī)器人的主控臺(tái)上完成整個(gè)的手術(shù)規(guī)劃，末端帶有引導(dǎo)套管的機(jī)械臂根據(jù)術(shù)前規(guī)劃結(jié)果調(diào)整到合適位置。此外在骨科機(jī)器人手術(shù)操作過(guò)程中，導(dǎo)航機(jī)器人還能對(duì)負(fù)責(zé)的位置進(jìn)行全程自動(dòng)監(jiān)控，一旦手術(shù)位置坐標(biāo)出現(xiàn)明顯的誤差，它能實(shí)時(shí)地進(jìn)行自動(dòng)跟蹤、自動(dòng)調(diào)整。骨科醫(yī)生在以后的日常手術(shù)操作中基本已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)直接通過(guò)機(jī)器人導(dǎo)航來(lái)進(jìn)行骨科手術(shù)位置精準(zhǔn)、快速的自動(dòng)定位，具有置釘準(zhǔn)確率高、創(chuàng)傷小、低輻射等優(yōu)點(diǎn)。

國(guó)際上第一個(gè)通用性天璣骨科手術(shù)機(jī)器人是由北京積水潭醫(yī)院田偉院長(zhǎng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)；其應(yīng)用范圍包含所有骨科相關(guān)疾病，如脊柱、關(guān)節(jié)、創(chuàng)傷等，脊柱骨科手術(shù)的精準(zhǔn)難、不穩(wěn)定、視野差等難題被其“透視眼”（光學(xué)跟蹤系統(tǒng)）及“穩(wěn)定手”（機(jī)械臂）予以解決，骨科手術(shù)對(duì)醫(yī)生來(lái)說(shuō)難度大大降低，高難度手術(shù)在地級(jí)市等基層醫(yī)院也能順利開(kāi)展。本文主要討論“天璣”骨科機(jī)器人在脊柱不同部位的應(yīng)用及效果。

1.1 天璣骨科機(jī)器人在頸椎手術(shù)方面的應(yīng)用在1994年，Abumi等[15]首次提出頸椎椎弓根螺釘固定技術(shù)。雖然已有幾十年的發(fā)展和完善，頸椎椎弓根螺釘固定術(shù)的臨床應(yīng)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(zhì)為高度皮質(zhì)為主要原因[16]，同時(shí)頸椎的活動(dòng)性相對(duì)較大，骨結(jié)構(gòu)較小，周圍毗鄰重要的神經(jīng)、血管等結(jié)構(gòu)，一旦螺釘錯(cuò)位，可能出現(xiàn)嚴(yán)重的并發(fā)癥，因此必須準(zhǔn)確放置螺釘[17]。與胸椎和腰椎相比，由于解剖結(jié)構(gòu)變異、陡峭的椎弓根角度，頸椎的尺寸相對(duì)較小和較薄，此外，75%的C3～C4椎弓根平均直徑＜4 mm[18]，有報(bào)道，一些頸椎椎弓根沒(méi)有髓管[19]，所以頸椎椎弓根螺釘放置的成功率一直相對(duì)較低。據(jù)報(bào)道，在常規(guī)透視手術(shù)中，螺釘錯(cuò)位率為6.7%～29.1%[20]。我國(guó)在骨科機(jī)器人方面起步較晚，但發(fā)展迅速，隨著我國(guó)“天璣”骨科機(jī)器人的應(yīng)用，我國(guó)已實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)第一臺(tái)機(jī)器人輔助上頸椎螺釘內(nèi)固定術(shù)。Farah等[21-22]已報(bào)道了多例“天璣”骨科機(jī)器人在復(fù)雜上頸椎方面的應(yīng)用，均取得了良好效果，說(shuō)明骨科機(jī)器人相較于傳統(tǒng)熒光透視方法在復(fù)雜的上頸椎手術(shù)方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。李青青等[23]在其評(píng)估骨科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)輔助頸椎椎弓根螺釘固定的準(zhǔn)確性和手術(shù)安全性問(wèn)題的相關(guān)研究資料中顯示，機(jī)器人輔助置入的138枚螺釘評(píng)價(jià)為Neo 0級(jí)，其中上頸椎（C1～C2）置釘準(zhǔn)確率為94.6%，下頸椎（C3～C7）置釘準(zhǔn)確率為88.3%。但螺釘置入準(zhǔn)確率最高的是C7（100%）、其次是C1（97.1%），最低的是C4（71.4%），說(shuō)明“天璣”骨科機(jī)器人在下頸椎方面同樣擁有完美的準(zhǔn)確率。Farah在其研究中顯示機(jī)器人輔助頸椎椎弓螺釘置入87.5%被評(píng)為合格，12.5%被評(píng)為差。Fan等在其前瞻性隨機(jī)對(duì)照研究中發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人輔助相較于傳統(tǒng)熒光引導(dǎo)螺釘置入頸椎，不但準(zhǔn)確性更高，而且失血量減少和術(shù)后住院時(shí)間更短。相反，Mao等在一項(xiàng)研究中顯示機(jī)器人輔助頸椎椎弓根置入的“臨床可接受”準(zhǔn)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(dòng)的可能，以后可以通過(guò)術(shù)中使用防滑套筒先定位在小關(guān)節(jié)的坡度上，以此來(lái)糾正螺絲偏差。

1.2 天璣骨科機(jī)器人在胸椎手術(shù)方面的應(yīng)用胸椎相關(guān)疾病相對(duì)于頸椎、腰椎較少，同時(shí)，手術(shù)難度相對(duì)較大。胸椎先天畸形、骨折、感染、腫瘤壞死等脊柱疾病嚴(yán)重威脅到著現(xiàn)代人類生殖健康，治療方式不當(dāng)易造成下肢癱瘓、疼痛異常等并發(fā)癥[24]。一方面由于胸椎椎弓根較小，特別是上胸椎（T1～T4），據(jù)相關(guān)研究，不同國(guó)家人群胸椎椎弓根寬度最小值均位于T4或T5，中國(guó)人平均胸椎椎弓根寬度僅為5～6 mm[25]。傳統(tǒng)手術(shù)方式由于胸椎椎體和椎弓根過(guò)于細(xì)小，解剖標(biāo)記點(diǎn)位置不固定，而且因?yàn)殡殴穷^節(jié)和后肩胛骨節(jié)的遮擋也導(dǎo)致在術(shù)區(qū)中進(jìn)行透視探查時(shí)難以被清晰有效地手術(shù)辨認(rèn)，增大到了手術(shù)區(qū)穿刺和定位探查的工作難度系數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)。再者，胸椎活動(dòng)范圍小，胸脊髓在椎管內(nèi)占位率高，脊髓周圍的代償活動(dòng)空間太少，即使是手術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生，手術(shù)時(shí)椎弓根輕度錯(cuò)位，也可能導(dǎo)致嚴(yán)重的并發(fā)癥。機(jī)器人輔助手術(shù)在胸椎方面的研究也相對(duì)較少，與傳統(tǒng)手術(shù)方式相比，機(jī)器人輔助手術(shù)能克服解剖結(jié)構(gòu)不清晰的劣勢(shì)，機(jī)器人根據(jù)術(shù)前3D-C臂掃描的數(shù)據(jù)，計(jì)算出椎弓根方向、大小及進(jìn)釘深度，精準(zhǔn)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(jīng)損傷的風(fēng)險(xiǎn)[26]。2021年9月北京積水潭醫(yī)院袁強(qiáng)主任利用超聲骨刀手術(shù)機(jī)器人完成了全球首例胸椎黃韌帶骨化灶切除術(shù)，術(shù)后患者恢復(fù)良好。同時(shí)Güngor等[27]也證明了使用Davinci手術(shù)機(jī)器人輔助在豬模型中行胸椎椎間融合的可行性。雖然手術(shù)機(jī)器人在國(guó)外應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，但在胸椎方面的文獻(xiàn)較少。隨著天璣骨科手術(shù)機(jī)器人在臨床中的應(yīng)用，我國(guó)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(xiàn)相似，所以我國(guó)醫(yī)生著重于上胸椎方面的研究。鄭博隆等在其一項(xiàng)回顧性資料分析中比較天璣骨科手術(shù)機(jī)器人輔助操作和徒手穿刺椎體成形術(shù)在治療上胸椎骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折患者的遠(yuǎn)期療效和短期療效時(shí)，結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)手術(shù)組，機(jī)器人輔助組擁有更好的療效。王飛等[28]也在一項(xiàng)回顧性分析研究中顯示，天璣骨科機(jī)器人組置釘準(zhǔn)確率為99.04%，不但提高了椎弓根螺釘植入的準(zhǔn)確度，而且沒(méi)有增加術(shù)中、術(shù)后出血量。侯海濤等[29]在一項(xiàng)前瞻性研究中，分析了62例胸椎骨折患者，通過(guò)使用Renaissance脊柱手術(shù)機(jī)器人顯示在置釘準(zhǔn)確率、一次成功率和椎體前緣穿透方面亦具有優(yōu)勢(shì)。然而，胸椎節(jié)段較多，胸椎椎弓根的寬度若有隨著椎序增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)[30]，且在胸椎不同分段位置上置釘準(zhǔn)確度不相同。李宗澤等[31]應(yīng)用一新型全自動(dòng)骨科手術(shù)機(jī)器人“Orthbot”系統(tǒng)，通過(guò)在尸體的研究中做了比較，結(jié)果顯示機(jī)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(wú)明顯出差別，但在下胸椎置釘時(shí)螺釘位置優(yōu)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(xì)有關(guān)。由于現(xiàn)階段我國(guó)在上胸椎手術(shù)工作中普遍缺乏一個(gè)合適尺寸的空心螺釘，無(wú)法全部通過(guò)經(jīng)皮置釘，這樣就無(wú)形中增加了手術(shù)時(shí)間及術(shù)中出血量，且因肋橫突關(guān)節(jié)及剝離肌肉時(shí)張力作用的遮擋，對(duì)置釘?shù)臏?zhǔn)確率有一定影響[28]。

1.3 天璣骨科機(jī)器人在腰椎手術(shù)方面的應(yīng)用下胸椎及腰椎是脊柱骨科常見(jiàn)病中最常見(jiàn)的區(qū)域，包括胸腰椎骨折、腰椎管狹窄、腰椎結(jié)核等，其中約90%的脊柱骨折發(fā)生于胸腰段[32]，同時(shí)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展，人們工作強(qiáng)度增大，人口老齡化加劇，椎管狹窄的發(fā)病率也逐漸升高，達(dá)到了約10%[33]，目前手術(shù)切開(kāi)椎弓根固定仍是最主要的治療方法。由于發(fā)病率高，同時(shí)其椎弓根及椎管的寬度較大，手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)及難易程度相對(duì)較低。但使用傳統(tǒng)手術(shù)技術(shù)的椎弓根螺釘錯(cuò)位率在腰椎中為5%～41%，而在胸椎中達(dá)到3%～55%[34]。機(jī)器人輔助技術(shù)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(fù)性好、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[35]。國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)研究顯示，機(jī)器人輔助技術(shù)在腰椎手術(shù)中不僅置釘準(zhǔn)確率高、近端小關(guān)節(jié)損傷小，而且醫(yī)務(wù)人員的輻射暴露更低[13,34,36]。鑒于機(jī)器人輔助技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)大，在脊柱腫瘤[37]、脊柱側(cè)彎[38]和經(jīng)皮穿刺活檢[39]等方面亦有應(yīng)用。

2 天璣機(jī)器人在應(yīng)用中存在的問(wèn)題

隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)器人輔助手術(shù)治療已逐步在臨床應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)臨床疾病微創(chuàng)、精準(zhǔn)、個(gè)性化治療提供了一個(gè)新的研究方向[40]。然而機(jī)器人購(gòu)置成本較大及設(shè)備相關(guān)的維護(hù)費(fèi)高[41]也是絕對(duì)不能輕易忽略的問(wèn)題，平均每一臺(tái)機(jī)器人輔助手術(shù)成本至少比其他傳統(tǒng)術(shù)式要高出近2～3萬(wàn)，這同樣也是其難以快速在我國(guó)基層醫(yī)院內(nèi)普及起來(lái)的很重要原因[42]。田野等[43]在其臨床研究中顯示機(jī)器人組的費(fèi)用高于傳統(tǒng)組。但國(guó)外最近的一項(xiàng)研究[44]顯示，機(jī)器人技術(shù)提高了椎弓根螺釘?shù)臏?zhǔn)確性，減少了住院總天數(shù)和并發(fā)癥，避免了多次翻修，不但節(jié)省了醫(yī)院的維護(hù)成本，而且減輕了患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，這表明了成本效益。因此，其費(fèi)用有可能隨著醫(yī)生對(duì)機(jī)器人手術(shù)學(xué)習(xí)曲線的提高而降低。但考慮到我國(guó)機(jī)器人手術(shù)和長(zhǎng)時(shí)間學(xué)習(xí)曲線的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，推廣機(jī)器人技術(shù)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。此外骨科機(jī)器人在臨床應(yīng)用方面上的倫理問(wèn)題也是值得我們思考并且急需解決的問(wèn)題[45]。

3 小結(jié)

隨著我國(guó)天璣骨科機(jī)器人技術(shù)在脊柱外科方面應(yīng)用的不斷發(fā)展，其在椎弓根置釘?shù)臏?zhǔn)確性、術(shù)中出血量、住院時(shí)間、術(shù)后并發(fā)癥等方面的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)。誠(chéng)然，現(xiàn)在還有很多的問(wèn)題需要去解決，如其相關(guān)的成本及安全問(wèn)題，但隨著更新的技術(shù)，天璣骨科機(jī)器人的未來(lái)具有更大的潛力，可以為患者和醫(yī)務(wù)人員更好地服務(wù)。