中圖分類號 R681.5 文獻標識碼 A 文章編號 2096-7721（2025）04-0547-05

Application and research progress of orthopaedic surgical robot in spinal surgery

SUN Jinguil，2， YANHuanxin1，2，SI Zebing2，TIAN Gaoqiang2，LAI Tianjie2，HU Konghe1，2 （1.FirstClinicaledicalCollge，GuangdongedicalUivesity，Zhanjiang24o，Cina；2.DepartmentofSpineSurgeryYebei People's Hospital，Shaoguan 51200o， China）

AbstractInrecentyears，withcontiuousresearch intoorthopedicsurgicalrobots bydomesticandinternationalscholars，their clinicalappicationhasbecomeamajorfocusandachievedsignificantadvancements.Withhighpositionngacuracyandoperational stabilityrthodicrgialbotsnlducergesopatiedtposredlowertdeceolcatis highlightingthirsubstatialcliicallue.Teprogessintapplicationofotopdicsurgicalobotsinspialsurgeysvidn thispaper，ndeieeachas，ois，caldaagstueelotsly Key WordsOrthopedic Surgical Robot； Spinal Surgery； Artificial intelligence； Navigation

隨著人口老齡化問題加重，脊柱退行性疾病的發(fā)病率逐漸升高，且越來越年輕化[1-2]。部分脊柱退行性疾病患者已無法進行保守治療，需要進行外科手術。然而，人體脊柱生理結構十分復雜，脊柱周圍有重要神經、血管分布，一旦手術操作不慎會直接損傷患者神經及脊髓，嚴重影響患者日常生活[3-4]。隨著醫(yī)學技術的不斷發(fā)展，骨科手術機器人的出現使脊柱外科手術取得了較好的效果，確保了手術更微創(chuàng)、更安全，有利于改善患者預后[5-6]。目前，骨科手術機器人在脊柱外科領域的應用主要集中于椎弓根釘的置入及固定、脊柱矯形及椎間融合手術等[7-9]。本研究主要對骨科手術機器人在脊柱外科手術中的應用及其研究進展進行了綜述，分析了骨科手術機器人的研究現狀、關鍵技術、臨床優(yōu)勢及未來發(fā)展方向，為骨科手術機器人的臨床應用提供依據。

1骨科手術機器人的國內外發(fā)展現狀

1986年一款經美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）認證批準，并應用于髖關節(jié)置管術的智能系統(tǒng)出現。ISS公司在此基礎上于1992年推出Robodoc機器人，該系列機器人是第一款經FDA認證的手術機器人，可應用于全膝關節(jié)及全髖關節(jié)置換術[10]。2017年，美國GM公司推出脊柱手術機器人ExcelesiusGPS（如圖1A），并經FDA批準，該機器人可實時展示術中圖像，實現椎弓釘植人[11]。2022年，GM公司發(fā)布Excelesius3D智能系統(tǒng)（如圖1B），特意為2D數字照相、透視及3D成像所設計，其與ExcelesiusGPS機器人結合可有效提高放置植入物的精準度，減少輻射暴露，有效縮短患者手術時間，促進患者術后康復。2022年5月，二者相結合首次完成了“三合一”成像脊柱手術。

2010年我國研發(fā)出一款脊柱微創(chuàng)手術機器人，該機器人在術中可由機械臂末端的傳感器實時觀察機械臂受力情況[12]。2012年，中國科學院研制出RSSS脊柱手術機器人（如圖2），該機器人主要用于脊柱鉆釘輔助，其配備手術導航與規(guī)劃系統(tǒng)、光學追蹤系統(tǒng)，另外還具備六維力傳感的機械臂，可通過信號及圖像感知操作情況，在后續(xù)實驗中發(fā)現該機器人具有較高的定位準確度及距離分辨能力[13]。2019年，我國研制出天璣？骨科手術機器人（如圖3），該機器人是世界上獨有的可應用于多種脊柱外科手術的機器人系統(tǒng)。天璣？骨科手術機器人主要由主控工作臺、機械臂及光學定位跟蹤系統(tǒng)構成，可以協助醫(yī)師規(guī)劃手術方案、把持導針，達到人機協同運動，確保手術安全性[14-15]。截至 2022年，天璣系列機器人的應用已覆蓋我國近30個省，所完成手術量已突破30000例。

2 骨科手術機器人的基本結構與關鍵技術

2.1基本結構目前國內外推出的骨科手術機器人種類繁多，但構造大致相同，主要是由醫(yī)生工作臺、機械臂及導航追蹤系統(tǒng)等三大部分構成。

2.1.1醫(yī)生工作臺主要用于圖像顯示及操作系統(tǒng)控制，醫(yī)生工作臺可通過獲取醫(yī)生手部動作信息，將狹窄的手術視野放大展示于顯示屏上[16]。

2.1.2機械臂 主要包括機械臂固定裝置、運動裝置及執(zhí)行裝置。固定裝置主要用來固定機械臂及執(zhí)行器，運動裝置用來完成機械臂的動作，目前已具備較為成熟的高精度技術[17]。執(zhí)行裝置的工作頭部可以替換，從而滿足不同手術的需求，其內還有裝置定位，可以配合手術導航，捕捉手術器械的坐標，展示手術空間位置等。

2.1.3導航追蹤系統(tǒng)主要包括導航系統(tǒng)及定位器示蹤器等配套系統(tǒng)。導航系統(tǒng)以現有CT數據作為地圖，通過機械臂的感應元件定位手術器械，可幫助醫(yī)生在術中透過體表組織的遮蓋，更直觀地展示手術部位，此外也可幫助醫(yī)生避開重要神經及血管的解剖位置[18-19]。

2.2關鍵技術

2.2.1三維可視化技術在脊柱外科手術中，圖像分割技術可幫助醫(yī)生追蹤、識別患者單椎體的變化情況，協助醫(yī)生診療及合理規(guī)劃手術方案[20]。由于環(huán)境及技術方面的因素影響，在采集CT圖像時可能會混人噪聲，影響CT圖像分割效果，故可以選擇高斯平滑或中值平滑等技術進行降噪處理。在降噪處理時，醫(yī)生可在圖片目標區(qū)域應用小窗口滑動，使圖像變得更平滑，圖片內亮度變得更平緩，提升圖片質量，減少圖片噪聲干擾。圖片降噪后應用醫(yī)學圖像處理系統(tǒng)對其進行分割及三維重建[21]。醫(yī)生可以對三維立體模型進行移動、放大、旋轉等操作，以便于觀察患者脊柱不同情況下的形態(tài)及不同切層情況。將患者術前CT及核磁共振等圖像進行分割處理及三維重建，即圖像的三維可視化，這一技術有利于構建病變部位的數字解剖模型，協助醫(yī)生準確判斷病變部位，有助于醫(yī)生規(guī)劃手術方案及術中導航。

2.2.2導航技術骨科手術機器人的導航系統(tǒng)是其關鍵技術之一，醫(yī)生可憑借導航準確判斷病變部位，并將其作為目標靶點，結合圖像規(guī)劃出合理的手術方案，以便順利完成手術[22-23]。目前骨科手術機器人多配備光學導航技術，該技術主要由國外的NDI公司所提供，其定位精確度較高，可以將誤差控制在0 . 5 m m 以內。近年來隨著我國科技的飛速發(fā)展，我國亦研發(fā)出艾自易Aimooe光學定位手術導航系統(tǒng)。

2.2.3識別及感知技術脊柱外科手術中的另一個重點即是對骨層的感知，準確判斷骨層是手術成功的關鍵。利用骨科手術機器人進行脊柱外科手術，需要手術機器人能夠實時感知骨組織的狀態(tài)，以在手術中最大程度避開重要神經血管，確保手術安全性[24]。目前，在5G技術支持下，骨科手術機器人可通過導航系統(tǒng)并結合導航位置信息對當前手術狀態(tài)進行量化，利用聲音及顏色等變化實現狀態(tài)預警。圖像可以反映出鄰近的骨組織結果，骨皮質相較于骨松質灰度值更高。手術機器人可以通過圖像獲取當前位置的周圍環(huán)境，比如當區(qū)域內出現骨皮質時，則提示可能發(fā)生穿透、接觸等問題，手術機器人可結合自身狀態(tài)進行安全性評估[25-26]。目前，對骨組織的感知方式有多種，諸如振動、力學等，可以通過裝載傳感器，收集分析骨組織信息，建立模型識別脊柱骨組織，從而提高手術操作的安全性。

3骨科手術機器人在脊柱外科的應用

3.3.1引導式脊柱手術機器人現階段引導式手術機器人在脊柱外科臨床的應用較為廣泛，其主要側重于導航方面，適用于脊柱矯形術及椎間融合手術等，機器人可輔助完成椎弓根釘的植入及固定[27-28]。

現今，多個系列引導式手術機器人均通過FDA認證，各系列手術機器人的功能結構及系統(tǒng)組成相差無幾。2003年國外MazorRobotics公司推出了SpineAssist機器人系統(tǒng)，并將該機器人系統(tǒng)應用于脊柱外科手術。該系統(tǒng)由6自由度Stewart并聯構成，可完成對脊柱的精確定位引導。2016年MazorRobotics公司推出MazorX機器人系統(tǒng)（如圖4），將并聯機械臂升級為串聯機械臂，且具有高自由度，很大程度上增加了手術的可操作性及機械臂靈活性，還可應用自身配備的攝像頭精準判斷手術空間位置，避免術中發(fā)生不必要的損傷[29]。 M a o G 等人[30]比較了在置釘時應用傳統(tǒng)導航（O型臂）及MazorX導航的精準度，結果顯示，應用MazorX導航系統(tǒng)的患者中有 8 6 . 1 6 % 術后Gertzbein-Robbins評分為A級，而應用傳統(tǒng)導航系統(tǒng)的患者中僅有 6 5 . 9 9 % 術后Gertzbein-Robbins評分為A級。有研究顯示[31]，應用ROSA機器人置釘的患者中有 9 8 . 9 % Gertzbein-Robbins評分為A級或B級。2017年，獲得FDA認證的ExcelsiusGPS機器人可在術中進行實時追蹤及運動補償。VardimanAB等人[32]報道了應用ExcelsiusGPS機器人進行椎弓根螺釘置入術，結果發(fā)現其成功置入率高達 9 7 . 4 % 。國產天璣？骨科手術機器人已獲得我國國家藥品監(jiān)督管理局認證，該系列機器人的引導定位精準度極高，還可進行遠程操作。閻凱等人[33]報道了應用天璣 骨科手術機器人（如圖5）進行胸腰椎椎弓根螺釘置入術，20例患者均手術順利，成功置入92枚螺釘，其中螺釘位置優(yōu)秀率高達 9 0 . 2 % 。劉瑩等人[34]報道了應用天璣？骨科手術機器人治療腕舟骨骨折，結果發(fā)現，相對于傳統(tǒng)徒手操作手術，應用天璣？骨科手術機器人治療6個月后患者的腕關節(jié)功能恢復更好。一項 Meta分析[35]中納入了13篇文獻，總計748例患者，其中機器人組430例，徒手組318例。結果顯示，與徒手組相比，機器人組患者的螺釘優(yōu)良率更高，術后并發(fā)癥發(fā)生率更低。

3.3.2主動操作式脊柱手術機器人主動操作式手術機器人的末端執(zhí)行器可進行多個動作，如置入釘（針）、椎板磨削及鉆孔[36]。脊柱鉆孔及置釘機器人是自前應用較為廣泛且發(fā)展時間最長的手術機器人系統(tǒng)，可用于脊柱矯形術、椎體成形術及椎間融合術等多種術式[37]。2004年，韓國漢陽大學研發(fā)了SPINEBOT脊柱手術系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現自動鉆孔及器械引導等功能，提高了鉆孔及置釘的精確度。2010年中國研發(fā)出脊柱微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)裝載了六維力傳感器，可完成自主鉆孔操作，很大程度上減少了輻射暴露[38]。2022年，中國Point Robotics公司推出Kinguide機器人輔助手術系統(tǒng)（如圖6），該機器人系統(tǒng)為半自動執(zhí)行機器人系統(tǒng)，可通過控制手持執(zhí)行器完成鉆孔及置釘，減輕術中醫(yī)生負擔，但其適應證還需后續(xù)試驗驗證。脊柱椎板磨削機器人多應用于脊柱退行性病變，通過磨削部分或全部椎板減輕脊髓壓迫，同時進行椎弓根螺釘置入，還原脊柱穩(wěn)定性[39]。因脊柱椎板周圍結構較為復雜，椎板磨削機器人的高精準性及高穩(wěn)定性可保障手術安全性。

4 總結與展望

隨著機器人技術的不斷進步與發(fā)展，骨科手術機器人在精準性、安全性等方面均明顯優(yōu)化，有效改善了傳統(tǒng)手術中的植入物位置偏差、過分依賴醫(yī)生經驗等問題。但目前骨科手術機器人在臨床應用中仍存在不同程度的問題，如結構較為復雜，學習曲線較長；手術成本昂貴；適應證相對較少；智能化程度不足等。因此，未來還需進一步提升骨科手術機器人的智能化、微創(chuàng)化、自動化及普及化，使其更全面、更深人地參與到脊柱外科手術中。① 智能化。隨著醫(yī)學技術與人工智能的發(fā)展，骨科手術機器人的機器學習及自然語言模型等已成為研究熱點。因此，骨科手術機器人的高智能化是發(fā)展的大方向。現階段主動操作式機器人尚存在誤操作等風險，若骨科手術機器人具有高度智能化，可在手術過程中根據患者實際情況更好地進行智能化決策，以應對突發(fā)事件，確保手術的安全性。 ② 微創(chuàng)化。在脊柱外科手術中，精準、微創(chuàng)的術中操作可減少手術創(chuàng)傷，降低術后并發(fā)癥發(fā)生率，有利于患者術后恢復。因此，骨科手術機器人的微創(chuàng)化仍是重要發(fā)展目標。 ③ 遠程化。隨著5G技術的發(fā)展，很大程度上提高了遠程手術的穩(wěn)定性及精準度，已經可以解決部分遠程手術問題。近年來，我國相關政策提出讓偏遠地區(qū)也能享受優(yōu)質醫(yī)療資源，故將5G技術同骨科手術機器人相結合可作為重要發(fā)展方向。 ④ 多功能化。目前各系列骨科手術機器人功能相對單一，其大多數僅適用于某種脊柱外科手術。因此，骨科手術機器人還需以多功能化為發(fā)展目標，降低醫(yī)療成本。 ⑤ 普及化。現階段，骨科機器人手術費用高昂，普通家庭尚無法承擔；同時骨科手術機器人操作復雜，醫(yī)生的學習曲線較長，限制了其在臨床的普及與推廣。因此，骨科手術機器人的普及化亦是一個亟待解決的問題，或許可以通過規(guī)模性生產來解決這一問題。綜上所述，雖然骨科手術機器人在脊柱外科手術中已獲得較好的臨床效果，但仍存在一些局限性和挑戰(zhàn)，需要不斷完善和改進。

利益沖突聲明：本文不存在任何利益沖突。

作者貢獻聲明：孫金貴負責設計論文框架，起草論文；孫金貴、晏歡欣、司澤兵、田高強、賴添杰、胡孔和均參與該項目具體操作及研究過程的實施；孫金貴、晏歡欣、司澤兵負責論文修改；田高強、賴添杰、胡孔和負責擬定寫作思路，指導撰寫文章并最后定稿。

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收稿日期：2024-01-26編輯：魏小艷