李金泉，王九龍，羅楊宇

（1.北京郵電大學現(xiàn)代郵政學院（自動化學院），北京 100876；2.中國科學院自動化研究所，北京 100190）

0 引言

現(xiàn)代骨科手術對精細、微創(chuàng)治療的要求使得常規(guī)骨科治療常常無法滿足社會需求[1]。隨著骨科手術機器人的發(fā)展，骨科手術中假體的準確放置、人為偏差的去除和校準等問題的解決，大大地促進了骨科手術往精細化、個性化、微創(chuàng)化等方向發(fā)展[2-3]。骨科手術機器人能夠提供手術規(guī)劃模擬、導航及微損傷精確定位操作等功能，為醫(yī)師的決策判斷和操作提供了參考，有效提高了骨科手術的操作質量，具有重要的臨床應用價值。本文介紹骨科手術機器人在關節(jié)骨科、脊柱外科和創(chuàng)傷骨科領域的研究進展，并對現(xiàn)有骨科手術機器人的優(yōu)勢和不足進行系統(tǒng)分析，提出骨科手術機器人的研究熱點和發(fā)展趨勢，以為骨科手術機器人的發(fā)展提供參考。

1 骨科手術機器人的研究進展

1.1 關節(jié)骨科手術機器人

最早出現(xiàn)在商業(yè)應用中的是關節(jié)骨科手術機器人[4]，其主要任務是完成對人體關節(jié)的置換任務，如髁膝關節(jié)置換、全髖關節(jié)置換[5]。人體關節(jié)置換術中的主要考慮因素是人體關節(jié)假體的關節(jié)線和位置的準確性。在關節(jié)骨科手術機器人應用之前，關節(jié)假體的擺放位置由醫(yī)生根據(jù)經(jīng)驗進行判斷和決定[6]，醫(yī)生的主觀經(jīng)驗是手術能否順利完成的關鍵。

1992 年，Integrated Surgical Systems 公司推出了主動操作型的Robodoc 機器人，用于輔助關節(jié)置換手術[7-8]。Robodoc 機器人[如圖1（a）所示][2]以水平關節(jié)型串聯(lián)結構為基礎，聯(lián)合末端執(zhí)行器，在完成手術規(guī)劃后，可自行進行切割磨削操作。但其存在手術時間過長、系統(tǒng)穩(wěn)定性較差、較高的術后并發(fā)癥等風險和缺點，還需要不斷改良。TSolution One 為該公司最新推出的主動式關節(jié)置換機器人[如圖1（b）所示]，其由三維術前規(guī)劃工作站和膝關節(jié)、髖關節(jié)計算機輔助工具組成，主要用于全膝關節(jié)置換手術，支持多家制造商的關節(jié)植入物[9-10]。相對前代Robodoc 機器人，其手術時間及并發(fā)癥發(fā)生率有所減少，系統(tǒng)穩(wěn)定性有所提升，可以在沒有醫(yī)師介入的情況下實現(xiàn)自動磨骨操作。但由于缺乏長期、高質量的臨床數(shù)據(jù)，該機器人的有效性仍有待確定。

圖1 國外關節(jié)骨科手術機器人

2008 年，MAKO Surgical 公司推出具備實時導航系統(tǒng)的RIO 機器人[如圖1（c）所示][2]，該機器人由操作平臺、攝像立架和機械臂3 個部分組成，通過對患者術前的CT 影像分析來完成術前規(guī)劃和術中導航，在手術中可以計算髖關節(jié)聯(lián)合前傾角、長度和偏心距，也可以輔助操作醫(yī)師對假體的位置進行修正和調整[11]。同時，其采用主動約束控制方式，通過多個動態(tài)虛擬邊界對器械進行引導，系統(tǒng)精度可達到1 mm。

2012 年，Blue Belt Technologies 公司推出無圖像、手持式、半主動型Navio PFS 機器人[如圖1（d）所示]，用于膝關節(jié)置換[12-13]。該機器人由手持切削工具、顯示系統(tǒng)和器械跟蹤系統(tǒng)組成，其中顯示系統(tǒng)用于可視化手術過程，跟蹤系統(tǒng)用于監(jiān)視手持切削工具的位姿，以便手術醫(yī)師在操作過程中對鉆孔工具的位置進行調整和追蹤。其無需借助術前預成像進行導航，而是術中在患者關節(jié)表面安裝解剖標記點，利用紅外影像進行定位導航，以按照規(guī)劃完成精確的截骨操作，在踝膝關節(jié)置換手術中測試，該機器人術后角度誤差為1.46°，平移誤差為0.61 mm[14]。同時，該機器人還具有獨特的可伸縮切割模塊鉆頭，當術中切割器械超出規(guī)劃范圍時，鉆頭自動回縮到保護套內，以防止對患者造成損傷。Lonner 等[15]采用Navio PFS 機器人輔助開展踝膝關節(jié)置換手術，結果表明患者術后關節(jié)恢復較好，置入假體位置準確，沒有位置旋轉和偏移。

2020 年，Smith&Nephew 旗下的Cori 單踝和全膝關節(jié)置換手術機器人獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）批準[16]。Cori機器人采用無圖像智能映射來構建患者解剖3D 模型，從而減少術前CT 成像時間、成本和輻射暴露。同時該機器人采用便攜式設計，具有十分小巧的體積，是目前骨科手術機器人市場上體積最小、最便攜的機器人之一。

2021 年，F(xiàn)DA 批準了美國強生公司的VELYS機器人，該機器人無需術前成像，采用NATURAL CONTROL 技術，可在全膝關節(jié)置換手術中協(xié)助外科醫(yī)生精準切除骨骼[17]。同時，該機器人高效精巧的設計，使其可固定在手術床上即插即用，大大擴展了手術場景。

關節(jié)骨科領域成熟的機器人還有OMNI Botics機器人[如圖1（e）所示][18]和ROSA Knee 機器人（Zimmer Biomet 公司）[如圖1（f）所示][19]等。OMNI Botics機器人用于全膝關節(jié)置換手術，該機器人無需術前CT 影像，切割模塊固定在股骨或脛骨上，完成切割模塊的固定后，醫(yī)生在輔助模塊的精確限制下分次完成截骨操作機器人[18，20]。與其他機器人不同的是，其具有機器人軟組織張力測定技術，可以用預測平衡工具（OMNIBotics BalanceBotTM）規(guī)劃植入物的位置。在進行截骨之前，使用OMNIBotics BalanceBotTM測量軟組織平衡，并規(guī)劃骨骼切割路徑，以在整個膝蓋運動范圍內實現(xiàn)所需的平衡。同時使用OMNIBotics BalanceBotTM能夠在進行切割之前預測由此產(chǎn)生的韌帶張力，從而減少對軟組織的創(chuàng)傷和局部炎癥反應及術后疼痛，以最快的時間實現(xiàn)功能恢復。ROSA Knee 機器人是半開放（可以與一家制造商的幾個植入物一起使用）、半主動型的機器人[19，21]，在進行全膝關節(jié)置換手術中[22]，不需要術前影像數(shù)據(jù)，配準時參考系靜態(tài)地固定在股骨和脛骨上。與其他骨科手術機器人不同，其截骨過程中沒有觸覺反饋，機械臂僅協(xié)助放置傳統(tǒng)切割夾具，最后由醫(yī)師按常規(guī)方式完成切骨操作。

國內對關節(jié)骨科手術機器人的研究起步相對國外比較晚。上海長征醫(yī)院2009 年研制出全膝關節(jié)置換手術系統(tǒng)——華佗，該系統(tǒng)采用了一臺配備立體視覺系統(tǒng)的工業(yè)機器人作為機械臂[23-24]。該機器人的視覺系統(tǒng)由2 個紅外攝像頭組成，位于機械臂的末端，紅外攝像頭可以捕捉到固定在病患骨骼上的紅外標記物和紅外定位探針的圖像，從而生成病患骨骼的立體視覺顯示，以指導手術工具的精確定位和安置，同時機械臂上還裝有電動切割設備，作為手術工具使用。與標準全膝關節(jié)置換工具的對照實驗結果表明，傳統(tǒng)手術器械組在準確性和穩(wěn)定性等方面的表現(xiàn)都遜色于該機器人[24]。

2019 年，和華外科自主研發(fā)的基于CT 影像、半主動的全膝關節(jié)置換手術機器人[HURWA?和華TM機器人，如圖2（a）所示]完成注冊檢驗[25]。該機器人兼具手術導航和截骨功能，其主要由3 個部分組成：一個光學偵察單元、一個用戶界面模塊和一個醫(yī)用七軸機械臂。光學偵察單元使用光學跟蹤技術將切割導板固定并保持在所需位置，以實現(xiàn)術中規(guī)劃。七軸機械臂使用刀臂一體化設計，可實現(xiàn)自動對刀，滿足全部截骨位置需求，且無需更換刀具，同時該機械臂可鎖定截骨平面，精準控制截骨量和角度，實現(xiàn)輕松的截骨操作。此外，其導航系統(tǒng)可實現(xiàn)亞毫米級精準定位，術中無需開髓，可減少軟組織損傷和骨折等風險。對比研究顯示，與傳統(tǒng)的截骨技術相比，HURWA?和華TM機器人顯著提高了截骨的切除水平和角度的準確性，使用HURWA?和華TM機器人的所有截骨切除水平精度均低于0.6 mm（標準偏差低于0.6 mm），骨切除角度均低于0.6°（標準偏差低于0.4°）[25]。2020 年，北京協(xié)和骨科使用其完成中國首例機器人全膝人工關節(jié)置換手術[26]。2022 年，該機器人獲得國家藥品監(jiān)督管理局（National Medical Products Administration，NMPA）上市批準，成為國內首款獲NMPA 認證的國產(chǎn)膝關節(jié)手術機器人。

圖2 國內關節(jié)骨科手術機器人

2020 年，天智航推出TiRobot Recon 全膝關節(jié)置換手術機器人，該機器人由機器臂引導截骨，無需更換工具、打骨針和開髓即可完成定位截骨，大大地減少了手術創(chuàng)傷，提高了切骨精度[27]。同時其創(chuàng)新地將膝關節(jié)力負荷和伸屈間隙平衡等多種信息進行整合分析，構建出全膝關節(jié)置換術中的決策模型及術后療效評估系統(tǒng)，幫助術中更好地實現(xiàn)自然下肢力線的重建和軟組織平衡的兼顧，以實現(xiàn)最佳的臨床效果和患者滿意度。但目前還沒有該機器人臨床應用的案例。

2021 年，鍵嘉ARTHROBOT HIP 髖關節(jié)置換機器人[如圖2（b）所示][13]完成臨床實驗，該機器人主要由腳踏開關、加密裝置、機械臂系統(tǒng)、光學定位系統(tǒng)、導航控制系統(tǒng)、術前規(guī)劃軟件6 個部分組成，可輔助醫(yī)師完成髖臼打磨、股骨截骨、髖關節(jié)假體安裝等工作，與傳統(tǒng)人工髖關節(jié)置換術相比，可以保證手術定位精度，降低不良事件和并發(fā)癥的發(fā)生概率，減輕X 射線對醫(yī)生和患者的輻射損傷[28]。臨床實驗結果表明，其髖關節(jié)置換術中髖臼杯的外展角和前傾角誤差在1°以內，術后雙肢長度差異在5 mm 以內[29]。2022 年，ARTHROBOT HIP 獲得上市批準，成為NMPA 認證的中國首款髖關節(jié)手術機器人。

2022 年，骨圣元化自主研發(fā)的錕铻?膝關節(jié)置換手術導航定位系統(tǒng)獲得NMPA 的上市批準[30]。該機器人為半主動型骨科機器人，主要由導航儀系統(tǒng)、機械臂系統(tǒng)（齒輪驅動、七自由度）、主控車系統(tǒng)和手術電動工具組成。其通過機械臂末端控制截骨擺鋸姿勢及角度，并將擺鋸運動限定在截骨平面內，通過主動約束增加了截骨操作的安全性。動物實驗和尸體實驗均證明該機器人能按照術前規(guī)劃的截骨角度及厚度進行截骨[31]。

2022 年鴻鵠?骨科機器人[如圖2（c）所示]獲得NMPA 批準[32-33]。該機器人為半主動、輕便型膝關節(jié)置換手術機器人，具有高精度、動態(tài)追蹤和輕量化的靈巧構型設計及邊界控制等特性。鴻鵠?骨科機器人基于CT 影像可以提供具有更多細節(jié)的3D 骨骼模型來定義假體的擺位，包括橫斷面、冠狀面和矢狀面的假體對線。術前醫(yī)師根據(jù)CT 數(shù)據(jù)及患者生理解剖學特征生成個性化假體植入手術方案，術中截骨工具前端結合光學導航引導，配合輕量化高靈巧機械臂高精度地執(zhí)行術前規(guī)劃方案，同時引入了關鍵電氣硬件冗余設計、核心部件控制系統(tǒng)安全監(jiān)控與報警、導航系統(tǒng)路徑規(guī)劃與監(jiān)控3 層安全保護體系，可全方位保證患者術中安全。2021 年，Xia 等[33]對采用鴻鵠?骨科機器人進行全膝關節(jié)置換手術的31 例患者的臨床數(shù)據(jù)進行了分析，顯示患者下肢比對角、冠狀股成分角和冠狀脛骨成分角的實際術后角與術前計劃角之間的絕對誤差分別為（1.46±0.95）°、（1.13±1.01）°和（1.05±0.73）°。且所有患者術后沒有發(fā)生手術部位感染、沒有形成靜脈血栓和神經(jīng)損傷等相關并發(fā)癥，進一步表明其具有良好的截骨精度，可以很好地達到假體術前規(guī)劃角度。

關節(jié)骨科手術機器人經(jīng)過30 余年的發(fā)展，技術相對其他骨科手術機器人已經(jīng)相對比較成熟。但是這些關節(jié)骨科手術機器人大多集中在膝關節(jié)和髖關節(jié)等部位的置換手術，而對于肘關節(jié)和肩關節(jié)等部位還沒有相應的機器人。

1.2 脊柱外科手術機器人

椎弓根釘?shù)墓潭ㄊ羌怪饪剖中g機器人主要針對的手術術式[23]。脊柱外科手術機器人致力于降低手術對血管神經(jīng)的損傷、減少術中輻射傷害和提高螺釘?shù)闹萌刖鹊葐栴}，保證脊柱手術操作的精確性和安全性。

2004 年，F(xiàn)DA 批準了使用2D 透視導航技術的SpineAssist 機器人[（如圖3（a）所示]用于脊柱手術，其采用Stewart 并聯(lián)機構構型，重復定位精度可達0.01 mm[34]。SpineAssist 機器人設計十分輕量化和小型化，質量不超過250 g，可以直接放置于患者脊柱上，同時由于Hover-T 技術在該機器人上的應用，安裝更加方便，適應能力更強。2011 年，F(xiàn)DA 批準了由SpineAssist 機器人升級的Renaissance 機器人[如圖3（b）所示][2]，Renaissance 機器人在核心技術上與SpineAssist 機器人相同，但更側重于高風險的脊柱手術，原本的2D 圖像被3D 圖像所取代[34]，手術醫(yī)師能獲得更加準確的圖像來指導手術。根據(jù)椎弓根螺釘內固定術臨床研究顯示，Renaissance 機器人精確置入比例為94.5%，遠遠高于傳統(tǒng)方法的91.5%[35]。但Renaissance 機器人也存在無法在術中進行實時監(jiān)控和手術操作過程十分煩瑣等缺陷。

圖3 國外脊柱外科手術機器人

2016 年，歐盟CE 和美國FDA 通過了Zimmer Biomet 公司的ROSA Spine 機器人[如圖3（c）所示]的認證，其由一個立體導航攝像頭和一個機械臂組成[36]。其中機械臂為六自由度串聯(lián)機器人，并且末端裝有力反饋裝置，可識別不同的力學信號，與醫(yī)師進行柔順交互并輔助進行手術[36-37]。立體導航攝像頭用于跟蹤機械臂末端和患者脊柱上固定的紅外靶點，并進行呼吸補償和空間定位，以適應患者的呼吸運動和位置變化。實驗研究表明，使用ROSA Spine機器人進行脊柱手術是安全可靠的，且精度優(yōu)于傳統(tǒng)手術操作[38-39]。

2017 年，Globus Medical 公司的Excelsius GPS機器人[如圖3（d）所示]獲得FDA 批準上市，其采用串聯(lián)的機器人結構，能夠實現(xiàn)椎弓釘植入導航操作，可以在術中實時生成圖像，主動補償患者在術中的位置移動[40-41]。2019 年，Huntsman 等[41]采用該機器人對55 例患者進行單位置外側腰椎椎間融合（singleposition lateral lumbar interbody fusion，SP-LLIF）手術，共置釘328 枚，準確率達到98%，且無相關并發(fā)癥。2022 年，GlobusMedical 公司最新發(fā)布了Excelsius3D，其是一種智能的術中三合一成像平臺，是Excelsius生態(tài)系統(tǒng)的最新產(chǎn)品，專為2D 透視、2D 數(shù)字放射照相和3D 成像而設計[42]。Excelsius GPS 機器人可以和Excelsius3D 相結合，為術中圖像引導機器人導航提供解決方案，大大提高了植入物放置精度，降低了輻射暴露并縮短了手術時間[43]。2022 年5 月，Excelsius GPS 機器人與Excelsius3D 相結合，完成了首次Excelsius3D 三合一成像脊柱手術[44]。

脊柱外科領域除上述成熟的機器人外，還有正處于研發(fā)和改善階段的機器人，如：韓國漢陽大學的SPINEBOT 脊柱機器人，該機器人將圖像信息和機器人相融合，用來確保該機器人的定位精度和呼吸補償能力，在對脊柱標本的測試中其系統(tǒng)誤差小于2 mm[45-46]。德國慕尼黑Brainlab 公司的Cirq 機器人，與其他大多數(shù)脊柱領域的機器人不同的是其采用的是七自由度輕便型機械臂平臺，可適應不同的手術場所，具有很高的靈活性和環(huán)境適應性。德國宇航中心的Vector-Bot 脊柱機器人，其由輕型機械臂和圖像導航系統(tǒng)組成，其中，機械臂的每個關節(jié)都配備了力傳感器，用來實現(xiàn)機械臂的阻抗控制；圖像導航系統(tǒng)則主要用于術中手術器械的定位和姿勢誤差補償，用來確保最終的操作精度[47]。雖然該機器人具備臨床條件，但還需要進一步的實驗驗證。

國內的脊柱外科手術機器人起步較晚。2008年，鞠浩等[48]研發(fā)出通過CT 來進行引導的五自由度脊柱手術機器人，但缺少力反饋。

2010 年，陸軍軍醫(yī)大學和沈陽自動化研究所研制了脊柱微創(chuàng)手術機器人，其由醫(yī)生控制臺、視覺監(jiān)視系統(tǒng)、手術機械臂和機械臂基座4 個部分組成，其機械臂末端安裝六維力/力矩傳感器，可實時反饋機械臂受力/力矩情況。在對牛脊骨實施打孔操作中，其偏差在2 mm 以內，植入成功率達99.5%[49]。

2012 年，中科院深圳技術研究所研制了脊柱手術機器人RSSS，其由手術導航系統(tǒng)、光學跟蹤系統(tǒng)和手術規(guī)劃系統(tǒng)及一個配備了六維力傳感器的機械臂組成，主要使用圖像信息和強迫信號來感知操作狀態(tài)，主要用于脊柱鉆釘?shù)妮o助導航[50]。在對豬椎體的磨削實驗中，該機器人的定位精度達1 mm，距離分辨力高達0.125 mm[40]。

2016 年，TiRobot 骨科手術機器人（又名“天璣”）[如圖4（a）所示]完成注冊并上市，可用于脊柱全長、四肢骨折、骨盆骨折等多種手術[51-52]。該機器人由六自由度串聯(lián)機械臂、光學定位跟蹤系統(tǒng)和可實時導航及監(jiān)控工作的主控工作臺3 個部分組成。其中主控工作臺可輔助醫(yī)生完成整個手術規(guī)劃，機械臂可完成手術導針把持、手術路徑定位等功能。該機器人還具有主動定位和人機協(xié)同運動功能，可通過醫(yī)生拖動的粗定位和系統(tǒng)主動定位的精確定位實現(xiàn)安全準確的手術定位。2019 年，積水潭醫(yī)院的Tian 等[52]在5G 網(wǎng)絡環(huán)境下遙控“天璣”機器人，成功為12 例患者置入椎弓釘62 枚（置釘A 級59 例，B 級3 例）。2022年9 月“天璣”系列骨科機器人手術數(shù)量突破30000例，臨床應用覆蓋近30 個省份，150 余家醫(yī)療機構[53]。

圖4 國內脊柱外科手術機器人

2021 年，南方醫(yī)科大學與鑫君特公司聯(lián)合研發(fā)了半自動脊柱外科專用手術機器人Orthobot[如圖4（b）所示]，由醫(yī)生工作站、坐標定位板和手術操作臂（六關節(jié)機械臂、智能骨鉆、雙目識別攝像頭）3 個部分組成[54]。其中醫(yī)生工作站可進行術前規(guī)劃、圖像獲取和配準、機械臂運動計算和監(jiān)督控制。該機器人利用術前CT 影像與術中X 射線二維圖像進行配準融合和三維重建，再利用其自主研發(fā)的導航跟蹤技術自主規(guī)劃置入克氏針和輔助腰椎弓根螺釘?shù)闹萌?。與其他國內脊柱機器人不同的是，其可以在醫(yī)師的監(jiān)督下實現(xiàn)半自動化，在整個手術過程中，醫(yī)師主要起到監(jiān)督的作用，以應對突發(fā)情況的發(fā)生。臨床實驗研究表明，該機器人螺釘置入位置優(yōu)秀率（A 級）達90.6%，臨床可接受率（A 級與B 級）達100%[55-56]。

2022 年，F(xiàn)DA 批準了臺灣省Point Robotics 公司研發(fā)的名為Kinguide 的半主動型脊柱手術骨科機器人[如圖4（c）所示]，該機器人嵌入了高精度和獨特的手持末端執(zhí)行器，可幫助外科醫(yī)生比以往更有效地鉆孔和植入螺釘[57]。

國內外脊柱骨科手術機器人的研究比較成熟，大批研究機構和公司已經(jīng)有了20 多年的積淀，涌現(xiàn)了一批批各有特色的機器人。但是目前臨床上現(xiàn)有的脊柱外科手術機器人在使用便捷性、環(huán)境兼容性等方面仍有優(yōu)化空間。

1.3 創(chuàng)傷骨科手術機器人

創(chuàng)傷骨科主要以各種骨折治療為主。創(chuàng)傷骨科手術機器人目前仍處于初步、摸索、探討和試驗階段，距在臨床的廣泛使用推廣還有很長的路需要走。

創(chuàng)傷骨科領域的機器人國外研究較早。1994年，Taylor 利用Stewart 平臺原理設計出泰勒空間支架（Taylor spatial frame，TSF），這是一種六自由度的骨科矯正支架機器人[58]。

2000 年，英國拉夫堡大學的Browbank 等[59]采用2D X 射線片導航股骨干骨折復位手術，其將機械控制技術、計算機技術和創(chuàng)傷骨科骨折治療方法相結合，設計了專用于骨折復位的機械手和機器人視覺系統(tǒng)，但只分析了骨折復位的基本流程，并無真正的實驗研究，也未見進一步的實驗報道。

2004 年，Seide 等[60]以Stewart 和TSF 為基礎，設計出六軸自動固定器來進行畸形和骨折復位操作。該機器人在Stewart 平臺上安裝了控制部件及載荷感應裝置，醫(yī)師可以通過用戶操作模塊輸入目標動作，系統(tǒng)控制固定架來進行骨折復位操作。同年，F(xiàn)üchtmeier 等[61]基于St?ubli RX 130 工業(yè)機器人（串聯(lián)式）研發(fā)了RepoRobo 骨折復位機器人[如圖5（a）所示][62]，其有6 個自由度，最大可以承受240 N 的負載，通過機器人末端抓持器與骨折遠端固定架形成穩(wěn)定連接，實現(xiàn)牽拉和復位操作。該機器人機械臂末端配有六維力/力矩傳感器，用于采集手術過程中的力學信息給醫(yī)師參考，以防止醫(yī)療事故的發(fā)生，其復位效果依然取決于醫(yī)師的經(jīng)驗性判斷。

圖5 國外創(chuàng)傷骨科手術機器人

2006 年，Graham 等[63]研制出一款六自由度并聯(lián)骨折復位機器人，其通過動/靜平臺、霍爾傳感器配合骨骼3D 模型來完成骨折復位。

2008 年，Graham 等[64]研發(fā)出采用六自由度的長骨復位機器人[如圖5（b）所示]，通過足套將患側足部固定來進行復位，但該機器人和患者骨骼之間缺乏剛性連接。同年，日本大阪大學和東京大學聯(lián)合開發(fā)了六自由度串聯(lián)型骨折復位手術機器人FRACRobo[如圖5（c）所示][62]，該機器人可提供平移、旋轉和牽引操作，通過機器人和足靴固定患者足部，輔助醫(yī)生間接完成股骨干骨折復位[65]。但術中患者骨折近端位置并不能實現(xiàn)完全固定，在復位的過程中肌肉和軟組織會發(fā)生一定的旋轉和牽拉，不能精準地控制骨折兩端的相對運動，導致復位效果受醫(yī)師經(jīng)驗影響較大。

2016 年，Dagnino 等[66]研制并開發(fā)了基于Stewart平臺的串聯(lián)型關節(jié)骨折復位機器人，該機器人大大減少了對患者軟組織及神經(jīng)血管的損傷，但負載小限制了其實用性。

2017 年，Abedinnasab 等[67]研制并開發(fā)了長骨干骨折復位機器人，該機器人為三支鏈開環(huán)六自由度機器人，其驅動電動機安裝在定平臺上，使得其動平臺移動十分輕便。

國內在創(chuàng)傷骨科領域的手術機器人發(fā)展同國外一樣，仍多限于試驗階段。2002 年，哈爾濱工業(yè)大學研制出基于Stewart 平臺的正骨機器人[如圖6（a）所示][58]，綜合考慮了機器人運動學逆解、奇異性和空間干涉等問題，創(chuàng)新地提出虛擬建模和醫(yī)學圖像導航相結合的方式來指導骨折復位操作，在進行手術的過程中，醫(yī)師只需要將該機器人放置到患者斷骨兩端，為醫(yī)師提供了很大的便利[68]。對模型骨的實驗研究初步驗證了該機器人的有效性[69]。

圖6 國內創(chuàng)傷骨科手術機器人

2009 年，香港大學的Ye 等[70-71]借鑒了串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人各自的優(yōu)點，研制出六自由度串并聯(lián)型骨折復位機器人系統(tǒng)，其由牽引機構和斷端復位機構兩部分組成，可實現(xiàn)骨折端的空間旋轉與位移，其中牽引機構主要用于承載骨折復位過程中肌肉的收縮力，骨折復位工作則由斷端復位機構來完成。術中，骨折近端固定，遠端與復位機構相連接，牽引機構同患者足部相連接，以執(zhí)行牽引完成骨折復位。

2012 年，解放軍總醫(yī)院研制出基于Steward-Gought 平臺的新型骨折復位機器人[如圖6（b）所示]，該機器人術前掃描患者雙側股骨CT 數(shù)據(jù)，以健側作為患側骨折部位的復位標準，同時該機器人引入一種特殊的間接定位結構，用來提高系統(tǒng)的重復定位精度[72]。同時，該機器人還融入了視覺伺服控制對術中復位過程進行實時檢測和反饋，來保證患者手術過程的安全。動物骨實驗結果顯示，該機器人具有較高的復位精度。

2013 年，積水潭醫(yī)院的Wang 等[73]將Steward 平臺和牽引床相結合研制出一種復位機器人[如圖6（c）所示]，該機器人主要由一個2/3 圓環(huán)動平臺、一個圓環(huán)靜平臺和一個牽引床組成，其中動平臺和靜平臺通過6 個驅動器連接[74]。在手術過程中，機器人固定于牽引床上，患者膝關節(jié)彎曲平躺在牽引床上，機器人采用X 射線圖像進行導航，以患者健康的一側股骨作為手術復位的參考側，進而驅動平臺運動，來實現(xiàn)斷骨復位。

2015 年，北京市工程實驗室的韓巍等[75]研制了用于長骨骨折的并聯(lián)型主從式手術機器人，該機器人作為系統(tǒng)從手和手術床固定連接，從手兩端與骨折斷端固定連接，醫(yī)生操作主手實現(xiàn)術中骨折復位。利用統(tǒng)計學方法對該機器人的復位精度、操作次數(shù)進行單因素方差分析，證實了該機器人的性能良好。

2021 年，全球首個智能化骨折復位機器人由羅森博特科技公司推出，積水潭醫(yī)院用其完成了世界上首個智能骨折復位機器人的臨床試驗[76]。22 例臨床試驗中，盆骨閉合復位優(yōu)良率高達95%，閉合復位成功率高達100%，遠高于傳統(tǒng)醫(yī)師的操作。

雖然創(chuàng)傷骨科手術機器人研究開展較早，但是由于創(chuàng)傷骨科手術分型的多樣性，導致手術需求的復雜性，大多數(shù)創(chuàng)傷骨科手術機器人仍停留在實驗設計和尸體骨層面，技術成熟度和市場化也相對關節(jié)、脊柱骨科手術機器人有較大差距。

2 骨科手術機器人存在的問題及展望

與傳統(tǒng)手術相比，采用骨科手術機器人手術具有以下優(yōu)點：（1）精確度和準確度高[73]。相對傳統(tǒng)骨科手術，骨科手術機器人具有更好的精確度和準確度。以脊柱手術為例，相關實驗數(shù)據(jù)表明，螺釘通過骨科手術機器人置入，誤差超過2 mm 的概率只有1.7%左右[40]。（2）并發(fā)癥發(fā)生率低。采用骨科手術機器人手術術中發(fā)生神經(jīng)損傷和術后功能紊亂、術區(qū)感染等相關并發(fā)癥的概率相對于傳統(tǒng)醫(yī)師操作的手術大大降低。（3）手術穩(wěn)定性好。骨科手術時間長、手術復雜煩瑣，機器人不存在因手術時間過長產(chǎn)生疲勞問題，具有很好的穩(wěn)定性。（4）術后恢復快。骨科手術機器人手術切口小、患者失血量較少、對患者損傷小，可使患者較快恢復。

盡管相較于傳統(tǒng)骨科手術，骨科手術機器人有著眾多優(yōu)勢，但依然存在以下不足：（1）體積龐大[77]，調試和安裝麻煩。（2）成本昂貴。系統(tǒng)技術復雜、專利問題和需要定期維護等原因導致骨科手術機器人成本昂貴，基層醫(yī)院無法負擔，普及率較低。（3）用途單一。多數(shù)骨科手術機器人只服務于特定類型骨科手術，功能較單一。（4）缺少感覺反饋系統(tǒng)。骨科手術機器人術中觸覺、韌性、溫度等反饋的缺失，容易出現(xiàn)醫(yī)源性損傷。（5）無法完成復雜手術操作，智能化程度低。骨科手術機器人發(fā)展幾十年也無法像胸腹腔鏡手術機器人獲得廣泛關注的原因之一就是其智能化程度低，對于復雜的手術操作（如關節(jié)置換后的翻修等）依然依靠手術醫(yī)生來實現(xiàn)。未來骨科機器人可以從以下幾點進行發(fā)展和突破：

（1）多功能化。

目前每款骨科手術機器人只服務于特定類型的骨科手術，功能比較單一，因此未來骨科機器人應向多功能化方向發(fā)展，以適應更多種類的骨科手術。

（2）普及化。

與傳統(tǒng)手術相比，骨科手術機器人價格昂貴，手術成本較高，一般家庭難以承受如此高昂的手術費用。為了讓更多骨科疾病患者享受到更好的醫(yī)療資源，骨科手術機器人普及化也是未來發(fā)展的一個很重要的方向。

（3）遠程化。

近年來，隨著5G 技術的快速發(fā)展，遠程手術在技術上已經(jīng)不是問題。同時，政府和醫(yī)療機構為了緩解各地經(jīng)濟發(fā)展不平衡導致的醫(yī)療水平和資源的差異，為偏遠地區(qū)提供高質量的診療服務，也在大力推動相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，骨科手術機器人應和5G技術緊密結合，擴展遠程手術的發(fā)展方向。

（4）精準和微創(chuàng)化。

在醫(yī)學手術領域，更加精準、微創(chuàng)的操作意味著更小的手術切口、更小的創(chuàng)傷、更少的術后并發(fā)癥[78]，易于患者更快恢復。雖然相對傳統(tǒng)的骨科手術，骨科手術機器人精度更高，但是對微創(chuàng)手術來說，其精度依然有待提高。未來更加精準和微創(chuàng)的操作依然是骨科手術機器人的主要發(fā)展方向。

（5）智能化和人機交互全面化。

隨著人工智能的快速發(fā)展，機器學習、深度學習、大數(shù)據(jù)和自然語言模型在骨科手術機器人中廣泛應用[79]，未來骨科手術機器人高度智能化將勢不可擋，主要體現(xiàn)在機器人的智能化規(guī)劃導航、自主決策能力和人機交互能力。例如，術前機器人可以根據(jù)患者的醫(yī)學影像數(shù)據(jù)和手術需求進行智能化的手術規(guī)劃，術中機器人可根據(jù)患者病情、手術部位和手術器械等信息進行智能化決策，調整手術方案。同時，隨著自然語言處理技術的發(fā)展，未來骨科手術機器人將具有更加智能化的交互技術，可以與患者和醫(yī)師進行更加自然和人性化的交互操作。

3 結語

從1992 年全球第一個骨科機器人Robodoc 誕生到現(xiàn)在各類骨科手術機器人百花齊放，其憑借微創(chuàng)、精準、安全和智能等特性，有力地改善了傳統(tǒng)骨科手術中假體位置安裝偏差大、術中輻射量高、手術對患者造成損傷、操作精度差和手術效果對醫(yī)師經(jīng)驗依賴性高等不足，但是依然存在機器人體積龐大、用途單一、手術成本昂貴、智能化程度不足、精準性和微創(chuàng)性有待提高等各種問題。因此，提高骨科手術機器人的穩(wěn)定性和精度、智能化程度及普及率，改善人機交互體驗是未來骨科手術機器人的主要發(fā)展方向。