2023脊柱機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及展望(全文)

PascalSautot等⑴于1992年報(bào)道了第一款脊柱手術(shù)機(jī)器人的臨床研

究,2004年SpineAssist(MazorRobotics)成為第一款獲得美國食

品藥品管理局(FoodandDrugAdministration,FDA)批準(zhǔn)臨床應(yīng)

用的脊柱機(jī)器人，經(jīng)過30多年的發(fā)展，脊柱機(jī)器人技術(shù)在輔助醫(yī)生提

高手術(shù)精準(zhǔn)度、安全性和穩(wěn)定性方面取得巨大進(jìn)步并獲得臨床醫(yī)生的廣

泛認(rèn)可【2一%

本文在WebofScience(WOS)核心集以robot,robotic,

robot-assisted,atlantoaxialzcervical,thoracic,lumbar等為關(guān)

鍵詞，檢索2020-2022年間發(fā)表的脊柱機(jī)器人技術(shù)在臨床效果、創(chuàng)新

應(yīng)用等領(lǐng)域相關(guān)研究，獲得1526篇文章，經(jīng)篩選納入脊柱機(jī)器人臨床

相關(guān)文章119篇，包括研究類論文84篇,述評/系統(tǒng)綜述/meta分析

23篇，個案報(bào)道/創(chuàng)新應(yīng)用12篇，采用VOSviewer等軟件進(jìn)行文獻(xiàn)

分析，對近年來脊柱機(jī)器人的應(yīng)用和研究進(jìn)展進(jìn)行綜述和探討，并對未

來發(fā)展方向進(jìn)行展望。

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飛3*H'g>opydrvol^uome

IJ*,robotkRE?rurp

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*VOSvieweruu<M*n?n

圖184篇研究性論文關(guān)鍵詞聚類分析

通過對84篇研究類文章題目和摘要中關(guān)鍵詞聚類分析(圖1),脊柱

機(jī)器人研究主要圍繞脊柱螺釘置入(placement)，就機(jī)器人輔助置釘

技術(shù)(roboticassistance)與傳統(tǒng)透視引導(dǎo)下置釘技術(shù)(fluoroscopy)

在置釘準(zhǔn)確性(screwaccuracy)、手術(shù)時間(operativetime)、

出血量(bloodloss)、住院時長(lengthofhospitalstay)、臨床

結(jié)果(clinicaloutcome)比較、總結(jié)展開各類研究。

23篇綜述中包括專家述評8篇，主要對脊柱機(jī)器人發(fā)展歷程、當(dāng)前脊

柱主流應(yīng)用機(jī)器人特點(diǎn)總結(jié)并展望未來發(fā)展方向；15篇系統(tǒng)綜述

/meta分析主要對機(jī)器人輔助與傳統(tǒng)技術(shù)在脊柱置釘中對置釘精度、

手術(shù)射線暴露、手術(shù)時間、并發(fā)癥等方面證據(jù)匯總分析。12篇個案報(bào)

道/創(chuàng)新應(yīng)用主要涉及機(jī)器人輔助置釘新的凱跡應(yīng)用、脊柱機(jī)器人模塊

化小型化、多技術(shù)融合等研究。

在84篇研究性文章中，以單純腰椎段和胸腰段脊柱機(jī)器人應(yīng)用研究型

文章最多，分別為41篇和32篇(圖2),頸椎段脊柱機(jī)器人相關(guān)應(yīng)

用文章較少，包括上頸椎應(yīng)用在內(nèi)，近3年僅7篇相關(guān)研究，t氐尾段

脊柱機(jī)器人應(yīng)用4篇。在這些研究作者分布上，以美國和中國最多，

分別為36篇和31篇。在研究機(jī)構(gòu)中，發(fā)表文章最多的前五名機(jī)構(gòu)分

別是北京積水潭醫(yī)院(BeijingJishuitanHospital)、哥倫比亞大學(xué)

(ColumbiaUniversity)、弗吉尼亞脊柱研究所(VirginiaSpine

Institute)、紐約州立大學(xué)布法羅分校(UniversityatBuffalo,the

和邁阿密大學(xué)(

StateUniversityofNewYork)UniversityofMiami)o

圖22020-2022脊柱機(jī)器人研究性文章手術(shù)部位分布

本文基于以上研究及近年脊柱機(jī)器人領(lǐng)域高引文獻(xiàn)對脊柱機(jī)器人的應(yīng)

用和研究進(jìn)展進(jìn)行綜述及展望。

一、不同類型脊柱機(jī)器人發(fā)展及其特點(diǎn)

SpineAssist機(jī)器人(MazorRobotics)作為美國FDA批準(zhǔn)的第一款

臨床應(yīng)用的脊柱機(jī)器人,使用Hover-T框架將SpineAssist導(dǎo)向裝置

固定于脊柱棘突等骨性結(jié)構(gòu)，利用術(shù)中透視影像和術(shù)前CT影像及規(guī)劃

的配準(zhǔn)，通過工作站控制導(dǎo)向器位置和方向(位姿)輔助術(shù)者完成符合

規(guī)劃螺釘入點(diǎn)和軌跡的螺釘置入56］。在2011年Mazor公司推出了第

二代脊柱機(jī)器人Renaissance在SpineAssist基礎(chǔ)上進(jìn)行了界面優(yōu)化

和系統(tǒng)升級，并拓展了在脊柱截骨、穿刺活檢等應(yīng)用⑷。第3代Mazor

準(zhǔn)，整合了脊柱、神外和關(guān)節(jié)置換模塊，向通用型機(jī)器人轉(zhuǎn)變［17］，并

于2021年獲得中國NMPA臨床應(yīng)用許可。

Excelsius-GPS脊柱機(jī)器人(GlobusMedical)于2017年獲得美國

FDA批準(zhǔn)用于下頸椎、胸椎和腰舐椎的內(nèi)固定置入，該款脊柱機(jī)器人

可通過光學(xué)示蹤器實(shí)時追蹤內(nèi)固定置入工具位姿并進(jìn)行導(dǎo)航，同時增加

了配準(zhǔn)監(jiān)測和力感應(yīng)反饋，為術(shù)者安全操作提供更多信息口81叫

Orthbot脊柱手術(shù)機(jī)器人(鑫君特智能醫(yī)療器械有限公司)于2021年

獲中國NMPA批準(zhǔn)上市，該脊柱機(jī)器人可通過特殊坐標(biāo)定位板實(shí)現(xiàn)無

創(chuàng)圖像匹配追蹤，機(jī)械臂末端配置自動骨鉆和力反饋監(jiān)測裝置，能夠?qū)?/p>

現(xiàn)導(dǎo)針的自動置入和安全監(jiān)測【2叫

二.脊柱機(jī)器人應(yīng)用對脊柱手術(shù)影響

1.置釘準(zhǔn)確性的提高

相比傳統(tǒng)透視引導(dǎo)下手術(shù)，脊柱機(jī)器人技術(shù)最大的優(yōu)勢是顯著提高了脊

柱螺釘置入的準(zhǔn)確率，避免了血管神經(jīng)等重要結(jié)構(gòu)的損傷，提高了手術(shù)

的安全性。盡管作為最早關(guān)于脊柱機(jī)器人輔助置釘和透視引導(dǎo)下徒手置

釘?shù)碾S機(jī)對照研究(RCT),2012年Ringel等人的研究顯示

SpineAssist脊柱機(jī)器人輔助置釘臨床可接受率低于透視引導(dǎo)下徒手置

釘組(85%vs93%,GertzbeinRobbins分級A+B)，但研究認(rèn)為機(jī)

器人和患者固定的穩(wěn)定性欠佳、套管的滑移和脫位導(dǎo)致了更低的螺釘準(zhǔn)

確率，并在后續(xù)的機(jī)型(MazorRenaissance,MazorX和MazorX

Stealth)進(jìn)行了針對性增強(qiáng)也

隨著脊柱機(jī)器人輔助置釘技術(shù)的發(fā)展，前瞻性、大樣本、多中心、隨機(jī)

對照研究的展開，脊柱機(jī)器人輔助置釘?shù)臏?zhǔn)確率優(yōu)于傳統(tǒng)透視引導(dǎo)下徒

手置釘?shù)臏?zhǔn)確率獲得脊柱醫(yī)生的認(rèn)可。表1展示了目前應(yīng)用較廣的幾

款脊柱機(jī)器人平臺的置釘準(zhǔn)確率【8,9,16,20,22-3叫Tarawneh等人⑶〕的

系統(tǒng)綜述認(rèn)為機(jī)器人輔助胸腰椎椎弓根螺釘置入優(yōu)秀率(Gertzbein

Robbins分級A,90%vs86.4%,A0.008)不隹確率(Gertzbein

Robbins分級A+B,97%vs95.4%,^=0.009)均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)徒手

置釘組。Fatima等人因】的meta分析顯示脊柱機(jī)器人輔助胸腰椎椎弓

根螺釘置釘組臨床準(zhǔn)確率優(yōu)于傳統(tǒng)徒徒手置釘組(OR：1.54,95%Q:

1.01-2.37;P=0.05),且具有更低的近端小關(guān)節(jié)侵犯率(OR:0.08,

95%CI:0.03-0.20;P<0.00001)。

表1：不同脊柱機(jī)器人平臺的置釘準(zhǔn)確率(GertzbeinRobbins分級

A+B)

脊柱機(jī)器人平臺準(zhǔn)確率研究類型參考文獻(xiàn)

MazorX99.1%-100%回顧性22,23,24

MazorXStealth99.6%-100%回顧性24,25

天磯98.3%-98.9%前瞻性;RCT8,9,26

ROSA97.3%-98.9%回顧性/前瞻性16,30

Excelsius-GPS97.7%-99.0%回顧性27,28,29

Orthbot100%回顧性20

2.廣泛應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)，促進(jìn)新術(shù)式的建立

脊柱微創(chuàng)手術(shù)帶來了較傳統(tǒng)手術(shù)更小的組織創(chuàng)傷和更快的術(shù)后恢復(fù)，基

于計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，田偉院士133,34］提出了計(jì)算機(jī)輔助下的微創(chuàng)

脊柱外科手術(shù)概念(computerassistedminimallyinvasivespine

surgery,CAMISS),計(jì)算機(jī)導(dǎo)航輔助技術(shù)可以更好的確保脊柱微創(chuàng)手

術(shù)的安全性和有效性。脊柱機(jī)器人技術(shù)融合了計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)，使其廣

泛應(yīng)用于CAMISS手術(shù)中,且在提高手術(shù)安全性、降低手術(shù)并發(fā)癥和

降低透視時間等方面較傳統(tǒng)透視徒手操作具有明顯優(yōu)勢。

Christopher等人㈤的多中心前瞻性研究顯示，在脊柱微創(chuàng)手術(shù)中，

傳統(tǒng)透視技術(shù)發(fā)生手術(shù)并發(fā)癥的幾率是機(jī)器人輔助技術(shù)的5.8倍

(95%CI:3.5-9.6,P<0.001)，術(shù)后1年隨訪翻修幾率傳統(tǒng)透視技術(shù)

是機(jī)器人輔助技術(shù)的11倍(95%CI:3.5-9.6,P<0.001),同時每個

螺釘透視時間機(jī)器人輔助技術(shù)較傳統(tǒng)透視技術(shù)降低了80%(P<0.001)。

脊柱機(jī)器人技術(shù)廣泛應(yīng)用于經(jīng)椎間孔(TLIF)136］，側(cè)方(LLIF)⑼和

斜外側(cè)(OLIF)［38］腰椎融合術(shù)經(jīng)皮微創(chuàng)和開放螺釘置入,尤其在側(cè)方/

斜外側(cè)腰椎融合術(shù)單一體位減壓置釘中顯示了令人滿意的置釘準(zhǔn)確率

和對手術(shù)效率的提高。同時，脊柱機(jī)器人也被應(yīng)用于脊椎內(nèi)鏡和椎體成

形術(shù)［39,40］通道的建立，展現(xiàn)了較傳統(tǒng)透視引導(dǎo)下手術(shù)更快的手術(shù)通道

建立時間、更短的透視時間。北京積水潭醫(yī)院作為天磯骨科機(jī)器人的研

發(fā)單位和全國最早開始骨科機(jī)器人研究中心之一基于天磯骨科機(jī)器人

精準(zhǔn)置釘精度水平，開展了多項(xiàng)脊柱機(jī)器人輔助脊柱創(chuàng)新術(shù)式應(yīng)用，且

臨床隨訪取得了令人滿意的結(jié)果。田偉院士于2016年完成國際首例骨

科機(jī)器人輔助后路C1-2經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘內(nèi)固定手術(shù)【41】和骨科機(jī)器人輔助

前路齒狀突螺釘內(nèi)固定手術(shù)UR,且在回顧性研究中表現(xiàn)了良好的臨床

效果［4刃。

袁強(qiáng)教授等14習(xí)將機(jī)器人輔助經(jīng)關(guān)節(jié)置釘技術(shù)和OLIF手術(shù)結(jié)合，開創(chuàng)了

機(jī)器人輔助經(jīng)皮經(jīng)小關(guān)節(jié)螺釘固定并腰椎斜外側(cè)椎間融合術(shù)式，在

OLIF手術(shù)術(shù)后1年的隨訪中，機(jī)器人輔助經(jīng)小關(guān)節(jié)螺釘固定術(shù)式取得

了和機(jī)器人輔助經(jīng)椎弓根螺釘固定相似的椎間融合率(90.0%vs100%,

^=1.000),且具有更少的出血量(68.2mlvs113.6ml,夕=0.024)和

更小的組織創(chuàng)傷【4隊(duì)

3.促進(jìn)遠(yuǎn)程手術(shù)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

骨科機(jī)器人技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了遠(yuǎn)程脊柱機(jī)器人手術(shù)的

發(fā)展。2013年Beutler等人［47］報(bào)道了第一例達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人輔助前

路腰椎融合術(shù)，為遠(yuǎn)程脊柱手術(shù)操作提供了可能。

2019年北京積水潭醫(yī)院聯(lián)合天智航研發(fā)的5G遠(yuǎn)程骨科機(jī)器人手術(shù)平

臺(圖4)，田偉院士成功開展了一地對多地5G遠(yuǎn)程脊柱機(jī)器人手術(shù)，

使遠(yuǎn)程機(jī)器人脊柱手術(shù)步入臨床實(shí)用階段【48］。2021年11月，何達(dá)教

授等完成第一例5G遠(yuǎn)程骨科機(jī)器人上頸椎手術(shù)。研究顯示遠(yuǎn)程脊柱機(jī)

器人手術(shù)螺釘置入具有高度的精準(zhǔn)性(釘?shù)涝O(shè)計(jì)軌跡和實(shí)際軌跡偏差小

于0.8mm),完成的96例遠(yuǎn)程脊柱手術(shù)無手術(shù)相關(guān)并發(fā)癥，手術(shù)過

程中未發(fā)生通訊錯誤或網(wǎng)絡(luò)延遲［44］。遠(yuǎn)程骨科機(jī)器人手術(shù)的開展提升

了遠(yuǎn)程救治效率和質(zhì)量，加速了醫(yī)療服務(wù)均質(zhì)化發(fā)展，促進(jìn)了對優(yōu)質(zhì)醫(yī)

療資源的充分合理利用，同時遠(yuǎn)程骨科手術(shù)平臺的搭建，為多中心手術(shù)

合作提供了可能14叫

三、脊柱機(jī)器人發(fā)展展望

1.脊柱磨削機(jī)器人即將邁入臨床應(yīng)用

脊柱減壓是脊柱手術(shù)重要組成部分，由于脊柱減壓磨削需要在受限空間

內(nèi)進(jìn)行精細(xì)操作為避免神經(jīng)血管損傷機(jī)器人需要較螺釘置入更高的精

度追蹤和路徑實(shí)現(xiàn)，同時為安全控制機(jī)器人需要建立多源/多模信息收

集和反饋機(jī)制【5。，5U,目前暫無脊柱磨削機(jī)器人在脊柱減壓中臨床應(yīng)用

研究報(bào)道。

北京大學(xué)第三醫(yī)院設(shè)計(jì)的一款脊柱椎板磨削機(jī)器人在動物標(biāo)本骨實(shí)驗(yàn)

中體現(xiàn)了較徒手磨削更少的椎板穿透次數(shù)但在磨削效率方面仍需進(jìn)一

步提高〔52】。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院在脊柱磨削機(jī)器人安全控

制方面，提出了基于呼吸-脊柱運(yùn)動模型的補(bǔ)償控制方法，通過力反饋

和機(jī)械臂主動模糊程序?qū)崿F(xiàn)磨鉆與椎板間接觸力的精細(xì)調(diào)超磨鉆末端

力控誤差0.223N)15引。

北京積水潭醫(yī)院與北京天智航醫(yī)療科技股份有限公司聯(lián)合研制的超聲

骨刀脊柱磨削手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人通過力與光學(xué)實(shí)時追蹤的〃主

動約束〃交互控制策略實(shí)現(xiàn)了磨削過程中的安全控制，同時結(jié)合超聲骨

刀切割硬組織同時俁護(hù)軟組織優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了脊柱磨削過程中對骨組織的

精確三維〃刻取〃，目前該機(jī)器人系統(tǒng)已完成動物試驗(yàn)和尸體試驗(yàn)，開始

進(jìn)行臨床驗(yàn)證研究。

2.現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)與脊柱機(jī)器人技術(shù)優(yōu)勢融合

現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)(Augmentedreality,AR)是基于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)將生成的

數(shù)字圖像投射到特殊屏幕或可穿戴設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)虛擬圖像在真實(shí)環(huán)境中

疊加「增加〃外科醫(yī)生所能推斷的信息量，近年來該領(lǐng)域發(fā)展迅速，AR

技術(shù)開始應(yīng)用于脊柱手術(shù)中螺釘植入、穿刺通道建立等輔助導(dǎo)航〔53

Xvision脊柱手術(shù)AR可視化系統(tǒng)于2020年獲得美國FDA批準(zhǔn)應(yīng)用于

脊柱手術(shù)，尸體研究顯示該系統(tǒng)輔助導(dǎo)航螺釘置入準(zhǔn)確率在94.1-98.9%

(GertzbeinRobbins分級A+B)，和設(shè)計(jì)軌道的誤差在

1.7-2.0mm1545叫AR技術(shù)通過可視化導(dǎo)航降低了手術(shù)難度、減少了

輻射劑量，且可與人工智能、機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)整合進(jìn)行優(yōu)勢增強(qiáng)，在未

來發(fā)展中具有很大前景。

3.通用型、小型化、模塊化機(jī)器人迅速發(fā)展

通用型、小型化、模塊化機(jī)器人是脊柱機(jī)器人的發(fā)展方向之一，通過增

加脊柱機(jī)器人的應(yīng)用范圍和應(yīng)用情景以降低機(jī)器人應(yīng)用的綜合成本。

Cirq脊柱機(jī)器人(BrianLABAG,2019年獲美國FDA批準(zhǔn))和Remi

脊柱機(jī)器人(Accelus,2021年獲美國FDA批準(zhǔn))具有輕巧化機(jī)械臂

和模塊化末端，可配套不同影像設(shè)備使用，應(yīng)用于門急診操作及局麻手

術(shù)⑷。佐航-300脊柱外科手術(shù)導(dǎo)航定位機(jī)器人（蘇州鑄正機(jī)器人有限

公司）于2022年3月獲我國NMPA批準(zhǔn)，該機(jī)器人建立了直觀圖像

定位技術(shù)，通過無框架立體定位技術(shù)和影像融合，實(shí)現(xiàn)了脊柱手術(shù)機(jī)器

人在局麻情景下的應(yīng)用。

4.人工智能技術(shù)與脊柱機(jī)器人技術(shù)整合仍在探索

人工智能技術(shù)在帶來了醫(yī)學(xué)影像學(xué)研究的變革，在脊柱外科，基于機(jī)器

學(xué)習(xí)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法進(jìn)行的椎體劃分、椎間盤退變分級、畸形測

量等獲得一定臨床應(yīng)用［5%在脊柱機(jī)器人領(lǐng)域人工智能技術(shù)應(yīng)用仍處

于探索階段，圖像智能分割、影像重建增強(qiáng)、脊柱螺釘自動規(guī)劃等技術(shù)

與脊柱機(jī)器人技術(shù)的融合發(fā)展，將進(jìn)一步促進(jìn)脊柱機(jī)器人的自動化和智

能化程度［57］。

四.總結(jié)

脊柱機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展使術(shù)者在手術(shù)過程中實(shí)現(xiàn)了較傳統(tǒng)技術(shù)更精準(zhǔn)、

安全、微創(chuàng)的診療。但脊柱機(jī)器人技術(shù)發(fā)展仍處于初級階段，自動化、

智能化及不同技術(shù)的整合有待進(jìn)一步提高。數(shù)字骨科技術(shù)和骨科機(jī)器人

的飛速發(fā)展帶來了新的醫(yī)學(xué)倫理學(xué)、衛(wèi)生經(jīng)濟(jì)學(xué)、醫(yī)學(xué)社會學(xué)等領(lǐng)域問

題和挑戰(zhàn)，醫(yī)生作為診療行為的主體，應(yīng)堅(jiān)持先進(jìn)技術(shù)對醫(yī)學(xué)的正向幫

助并合理使用，未來將是醫(yī)生和機(jī)器人深度合作開展診療的智能時代。

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