引言

 

　　臨床醫(yī)生通常需要長時(shí)間技能培養(yǎng)和經(jīng)驗(yàn)積累才有足夠的能力參與手術(shù)，尤其是脊柱外科的手術(shù)更需要醫(yī)生操作的精確性，因?yàn)榧?xì)小的差錯(cuò)就會(huì)帶來災(zāi)難性的后果。就脊柱外科最常見的椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)來講,首先需要用尖錐和開路器在椎弓根中鉆出螺釘置入通道，然后才能將螺釘擰入。在這個(gè)過程中，必須保證螺釘置入通道一直在椎弓根內(nèi)部。一般來講，亞洲人種腰椎椎弓根的直徑僅僅在8 mm左右,而其他椎體的椎弓根直徑甚至比8 mm還要小。這也就意味著螺釘置入通道周圍幾毫米就是脊髓和神經(jīng)根，所以整個(gè)螺釘置入過程 即使經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生長時(shí)間精神高度集中，仍然不能保證螺釘置入的精確性和安全性。并且，醫(yī)生在長時(shí)間的手術(shù)過程中不可避免會(huì)出現(xiàn)肌肉疲勞，這也就導(dǎo)致了醫(yī)生在使用尖錐和開路器鉆制螺釘置入 通道時(shí)發(fā)生手部肌肉顫抖，甚至引起尖錐或開路器滑移的可能。所以如何有效減少手術(shù)時(shí)間并盡可能提高螺釘置入通道的安全性和精確性是一直以來的研究方向。

 

　　近年來，隨著計(jì)算機(jī)導(dǎo)航輔助技術(shù)和機(jī)械工業(yè)的發(fā)展我們已經(jīng)研發(fā)出了眾多的手術(shù)輔助機(jī)器人，這些機(jī)器人大部分已經(jīng)證明了其在臨床領(lǐng)域的重要作用，比如Da Vinci Robot手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)廣 泛地應(yīng)用于腹腔鏡手術(shù)和泌尿外科手術(shù)中。機(jī)器人具有精度高、重復(fù)性好、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)器人的機(jī)械臂還可以轉(zhuǎn)出人手腕、手指無法企及的角度，這使得手術(shù)輔助機(jī)器人在臨床上具有很大的潛力，也注 定手術(shù)輔助機(jī)器人會(huì)成為外科醫(yī)生的理想幫手。由于脊柱周圍的復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)，脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人領(lǐng)域一直是個(gè)禁地。而如今，脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人的研究終于取得了突破性的進(jìn)展，也展示了其在輔助手術(shù)方面優(yōu)良的能力。但是脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人仍舊處于其初步發(fā)展階段,還有很長的路要走，要完善的不足也還很多。

 

　　1 現(xiàn)狀

 

　　應(yīng)用傳統(tǒng)方法進(jìn)行椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)即盲打技術(shù)進(jìn)行椎弓根螺釘置入的時(shí)候,最終路徑與設(shè)計(jì)最優(yōu)路徑發(fā)生位移大于1 mm的概率很高，在一組實(shí)驗(yàn)中甚至達(dá)到了37.5%。產(chǎn)生這么高位移率的主要原因可能是由于術(shù)中不能夠時(shí)時(shí)看到開路器以及螺釘?shù)奈恢盟鶎?dǎo)致的?，F(xiàn)在很多醫(yī)院已經(jīng)開始應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，以期減少椎弓根螺釘內(nèi)固定手術(shù)過程中的螺釘偏移，的確應(yīng)用導(dǎo)航系統(tǒng)可以有效提高椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)的精確性與安全性,甚至可以在椎體軸向發(fā)生旋轉(zhuǎn)的情況下保證螺釘置入的精確性。但是由于手術(shù)時(shí)間較長，并且 依舊依靠醫(yī)生徒手進(jìn)行螺釘置入難免會(huì)受到人的生理情況限制，可能會(huì)由于顫抖和滑移導(dǎo)致螺釘置入精確性下降。同時(shí)醫(yī)生在操作導(dǎo)航器械的同時(shí)還需要時(shí)時(shí)關(guān)注導(dǎo)航顯示器上顯示的器械末端的位置，這也可能會(huì)分散手術(shù)醫(yī)生的精力。有一些器械以及輔助系統(tǒng)試圖通過標(biāo)記術(shù)前設(shè)計(jì)的最佳釘?shù)纴硖岣呗葆斨萌氲木_性,但是由于種種限制而沒有被廣泛應(yīng)用于臨床。

 

　　為了解決上述問題，大量研究機(jī)構(gòu)開始研發(fā)脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人，部分脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人已經(jīng)上市,也有很多相關(guān)文章被發(fā)表。根據(jù)巳經(jīng)發(fā)表的文章，與脊柱外科相關(guān)的手術(shù)輔助機(jī)器人一共有18款。這18款機(jī)器人當(dāng)中被脊柱外科醫(yī)生們關(guān)注最多的是以色列的SpineAssist ( 2003 年）、韓國的 SPINEBOT vl ( 2005 年）和 SPINEBOT v2 ( 2010 年）、德國的 VectorBot （2006）和瑞士的 Neuroglide（2012）。這些機(jī)器人根據(jù)結(jié)構(gòu)不同又被分為基于串聯(lián)系統(tǒng)的脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人和基于并聯(lián)系統(tǒng)的脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人。

 

　　1.1基于串聯(lián)系統(tǒng)的脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人

 

　　顧名思義，串聯(lián)式機(jī)器人的特征就是機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械臂以串聯(lián)的方式連接在一起。串聯(lián)式機(jī)器人研究得較為成熟，其具有結(jié)構(gòu)簡單、控制簡單、靈活性高、運(yùn)動(dòng)空間大、能夠精確完成系統(tǒng)要求的動(dòng)作等特性。串聯(lián)式機(jī)器人已經(jīng)成功地應(yīng)用于很多領(lǐng)域，比如各種機(jī)床、裝配車間等。在脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人領(lǐng)域中，比較有代表性的串聯(lián)式機(jī)器人是 SPINEBOT vl、SPINEBOT v2、VectorBot 和 Neuroglide 等。2005年韓國漢陽大學(xué)的一個(gè)研究小組展示了能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)鉆孔的SPINEBOT vl。SPINEBOT vl具有7個(gè)自由度，采用名為HexaView的術(shù)前設(shè)計(jì)軟件，該軟件可以從6個(gè)不同的角度展示患者的術(shù)前CT或MR，從而能夠更精確地進(jìn)行術(shù)前設(shè)計(jì)。SPINEBOT vl的光學(xué)追蹤系統(tǒng)采用的是NDI Polaris光學(xué)組件，依靠定位球面反射的位置來確定手術(shù)器械和患者的相對位置。SPINEBOT vl還劃時(shí)代地使用了呼吸運(yùn)動(dòng)校正系統(tǒng),可以有效地減小由于患者呼吸運(yùn)動(dòng)所造成的器械末端定位誤差。2010年展示的SPINEBOT v2雖然命名為SPINEBOT v2，但是卻是一臺(tái)全新設(shè)計(jì)的脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人，這臺(tái)機(jī)器人僅有5個(gè)自由度，更重要的是它的末端使用的是更為簡單的器械把持裝置而非SPINEBOT vl 所使用的鉆孔設(shè)備,其對手術(shù)器械和患者位置的定位也改由通過雙平面連續(xù)透視實(shí)現(xiàn)。SPINEBOT v2在尸體骨的14枚椎體上進(jìn)行了 28枚螺釘?shù)闹萌雽?shí)驗(yàn)，術(shù)后CT證實(shí)28枚螺釘中的26枚（92. 86%）螺釘位置滿意，平均軸向角度誤差為2.45°± 2.56°,平均側(cè)向角度誤差為0.71°± 1.21°。

 

　　盡管基于串聯(lián)系統(tǒng)的脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人的尸體骨實(shí)驗(yàn)精度較高，但是，還是不能夠達(dá)到臨床要求。串聯(lián)式機(jī)器人由于其串聯(lián)的特征存在以下問題：①機(jī)器人體積較大，占據(jù)了手術(shù)室有限的空間，機(jī)械臂在活動(dòng)過程中容易碰到手術(shù)室的其他物體。②串聯(lián)機(jī)構(gòu)各個(gè)機(jī)械臂的誤差是疊加的，累計(jì)誤差有可能導(dǎo)致機(jī)器人末端的定位精度降低。③串聯(lián)機(jī)構(gòu)只有一個(gè)底座，而隨著串聯(lián)機(jī)械臂的增多，器械末端的穩(wěn)定性將降低，容易導(dǎo)致器械末端的不穩(wěn)定。

 

　　1.2基于并聯(lián)系統(tǒng)的脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人

 

　　并聯(lián)式機(jī)器人的研究與串聯(lián)式機(jī)器人相比則起步較晚，但發(fā)展速度卻比串聯(lián)式機(jī)器人快。并聯(lián)式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)決定了其具有體積小、定位精度高、狀態(tài)維持性好、器械末端穩(wěn)定性佳等優(yōu)點(diǎn)。而其中最具有代表性的就是已經(jīng)獲得美國FDA（Food and Drug Administration ）及歐洲 CE （Communate Europpene）認(rèn)證的SpineAssist。SpineAssist直徑50mm，高80mm，總質(zhì)量僅為250g，依靠其相互平行的6臺(tái)電機(jī)而具有6個(gè)自由度，工作范圍由其外伸的導(dǎo)向臂決定，其工作平臺(tái)使用獨(dú)自開發(fā)的用戶交互平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上可以完成術(shù)前影像學(xué)數(shù)據(jù)的注冊,并根據(jù)影像學(xué)數(shù)據(jù)為手術(shù)設(shè)計(jì)螺釘置入通路。 SpineAssist將術(shù)前影像學(xué)資料和術(shù)中C形臂掃描的影像學(xué)資料相互對應(yīng)，從而將術(shù)前設(shè)計(jì)的螺釘置入通路導(dǎo)入到術(shù)中的圖像中，并依靠工作平臺(tái)中的操作系統(tǒng)進(jìn)行控制置釘。SpineAssist主機(jī)平臺(tái)固定在特制的T形架上，主機(jī)平臺(tái)可以在這個(gè)特制的T形架上移動(dòng)到手術(shù)部位，T形架上有19個(gè)可供移動(dòng)位置，移動(dòng)到哪個(gè)位置進(jìn)行手術(shù)是由SpineAssist根據(jù)術(shù)前設(shè)計(jì)而決定的。T形架則依靠一枚克氏針和兩枚骨圓針固定在棘突及兩側(cè)的髂后上棘上。術(shù)中SpineAssist依據(jù)術(shù)前影像學(xué)與術(shù)中C形臂影像學(xué)數(shù)據(jù)相對應(yīng)的結(jié)果，并參照術(shù)前設(shè)計(jì)螺釘置入通路的位置和角度調(diào)整6臺(tái)電機(jī)的姿態(tài)，手術(shù)醫(yī)生只需要連接導(dǎo)向臂，并沿著導(dǎo)向臂所給出的方向用電鉆打孔置釘即可。SpineAssist有效地提高了椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)的安全性和精確性，并有效地減少了醫(yī)生暴露在射線下的時(shí)間。

 

　　關(guān)于SpineAssist的更進(jìn)一步資料可以參考之前報(bào)道過的內(nèi)容。這個(gè)脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人不僅可以用來為電鉆鉆制釘?shù)雷鲋敢€可以為尖錐及開路器提供導(dǎo)航，保障椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)的精確性。其安全性和精確性已經(jīng)經(jīng)過大量體外實(shí)驗(yàn)和多中心臨床實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。體外實(shí)驗(yàn)中，SpineAssist 實(shí)際螺釘置入通路相較于術(shù)前設(shè)計(jì)的螺釘置入通路平均偏移1.02 mm ±0.56 mm。Hu等在95名患者身上應(yīng)用SpineAssist進(jìn)行椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)，年齡分布為12～79歲，共置釘960枚，其中949枚(98.9%)置入成功并且保證了精度。S. R. Kantelhardt也在SpineAssist地輔助下為55名患者進(jìn)行了椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)，年齡分布為24～86歲，植入共250枚螺釘,其中置釘精確度分布在0 ～ 1級(jí)的占94. 5%，輕度偏移的也就是2級(jí)的為4.3%，中度3級(jí)偏移及重度4級(jí)偏移的比率為0.7%和0.4%，而作為對比，用傳統(tǒng)方法置釘各個(gè)級(jí)別的偏移比率分別為91.5%、5.0%、1.9% 和 1.6%。

 

　　盡管并聯(lián)式機(jī)器人的精度很高，也達(dá)到了臨床要求，但并聯(lián)式脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人也存在著一些問題：①并聯(lián)式機(jī)器人的硬件及軟件設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期更長。②并聯(lián)機(jī)器人的工作空間有限，尤其是繞軸位的工作范圍小。

 

　　自從脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人面世以來，不論是串聯(lián)式或是并聯(lián)式脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人，大量的文章以及實(shí)驗(yàn)不斷證實(shí)脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人存在以下的優(yōu)點(diǎn)：①減少醫(yī)生和護(hù)士的輻射暴露；②螺釘置入的精確性更高；③根據(jù)術(shù)前CT提前制定手術(shù)方案；④更容易注冊并減少了手術(shù)時(shí)間。

 

　　2 遠(yuǎn)期展望

 

　　脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人的發(fā)展在脊柱外科領(lǐng)域是一個(gè)了不起的突破，但是還有許多問題需要進(jìn)一步研究。比如如何設(shè)計(jì)更好的術(shù)前設(shè)計(jì)界面，如何更好地展現(xiàn)手術(shù)相關(guān)部位的影像學(xué)資料，如何使機(jī)器人更好地匹配手術(shù)部位的解剖結(jié)構(gòu)等。脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人還必須改進(jìn)其在臨床上的實(shí)用性，上述提到的串聯(lián)式及并聯(lián)式導(dǎo)航輔助手術(shù)機(jī)器人都存在工作空間過大或過小的問題，所以有必要解決這一問題。為了同時(shí)保障手術(shù)過程的精確度和手術(shù)操作的簡單性，可以研究混聯(lián)機(jī)器人，雖然目前開展的研究還不多,但其具有良好的發(fā)展前景。

 

　　已有的脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人在眾多的實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)證明了它的精確性，在臨床中的應(yīng)用也已經(jīng)證明了其在退變椎體乃至畸形椎體進(jìn)行椎弓根螺釘置入的良好效果?，F(xiàn)在可以應(yīng)用脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人在 腰椎甚至胸椎做螺釘內(nèi)固定術(shù)并實(shí)現(xiàn)良好的精確性，但更希望出現(xiàn)可以為頸椎實(shí)施手術(shù)的脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人。 頸椎椎弓根直徑僅有5～7 mm，枕頸交界區(qū)、寰樞關(guān)節(jié)及上頸椎還毗鄰有復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，復(fù)雜病變造成解剖結(jié)構(gòu)的變化對臨床醫(yī)生來說仍舊是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，手術(shù)過程中極易對脊髓、神經(jīng)根及周圍血管造成損傷，嚴(yán)重的甚至可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果。當(dāng)然這其中一部分原因是由于影像學(xué)誤差及手術(shù)過程中手部肌肉的顫抖和滑移導(dǎo)致的，但其本質(zhì)還是由于上頸椎本身過于復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致。所以應(yīng)提高頸椎手術(shù)的精確性與安全性，這還有賴于脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人的發(fā)展。Kostrzewski已經(jīng)在研究可以為頸椎實(shí)施手術(shù)的脊柱輔助機(jī)器人Neuroglide，并已經(jīng)開始在尸體骨上進(jìn)行試驗(yàn)，希望Neuroglide可以早日應(yīng)用于臨床。

 

　　脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人發(fā)展的關(guān)鍵，還在于術(shù)前、術(shù)中圖像的匹配精度及術(shù)中注冊精度、追蹤精度的提高。目前大部分機(jī)器人術(shù)前設(shè)計(jì)是依據(jù)患者術(shù)前 CT進(jìn)行，再經(jīng)由術(shù)中C形臂或者0形臂的掃描進(jìn)行對比重疊，然后依據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)的NDI Polaris光學(xué)組件完成注冊以及器械的追蹤，但是脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人技術(shù)卻剛好被上述圖像系統(tǒng)的成像方式所限制，通過CT、C形臂、0形臂等儀器得到的影像學(xué)數(shù)據(jù)一旦進(jìn)行三維重建則都會(huì)存在一定的誤差，可能會(huì)增加椎弓根螺釘置入過程中發(fā)生的偏移，同時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)的NDI Polaris光學(xué)組件本身也存在著精度問題，其誤差在0.35mm左右。如果能夠改進(jìn)影像學(xué)成像系統(tǒng)，比如應(yīng)用更好的三維成像算法并改進(jìn)導(dǎo)航的追蹤系統(tǒng)，甚至應(yīng)用其他精度更高導(dǎo)航追蹤系統(tǒng)，提高整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)精度，則可以減少螺釘置入過程中發(fā)生的偏移。為了減少導(dǎo)航導(dǎo)引器與患者間的相對位移,一方面可以改進(jìn)導(dǎo)引器的設(shè)計(jì)，使其與患者的骨性結(jié)構(gòu)連接得更為緊密，另一方面還可以采用更精確的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，時(shí)時(shí)修正誤差來保證導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。

 

　　隨著脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人的發(fā)展，可以預(yù)見不遠(yuǎn)的將來，手術(shù)過程中導(dǎo)航輔助機(jī)器人會(huì)占有越來越多的份額，其應(yīng)用也會(huì)從初期的輔助工具慢慢過渡到可以獨(dú)自完成手術(shù)的手術(shù)機(jī)器人，而臨床醫(yī)生的操作份額將會(huì)逐漸減少，從由一名操作者漸漸轉(zhuǎn)為一名輔助手術(shù)的觀察者。這種角色轉(zhuǎn)換必須在機(jī)器人硬件和軟件能夠提供完美的安全保障的條件下才能夠?qū)崿F(xiàn)。盡管現(xiàn)階段的脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人已經(jīng)表現(xiàn)出了很好的安全性，但是對于脊柱外科醫(yī)生來說還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。輔助機(jī)器人至少要有雙重安全保障系統(tǒng)，甚至多重安全保障系統(tǒng)?？梢詰?yīng)用額外的傳感器比如力反饋傳感器、音頻傳感器以及視頻傳感器來提高機(jī)器人的安全系數(shù)，這些傳感器要專門設(shè)計(jì)，擁有自動(dòng)防故障裝置，可以根據(jù)力反饋信號(hào)的變化或者音頻信號(hào)、視頻信號(hào)的變化來判斷是否發(fā)生或者即將發(fā)生錯(cuò)誤，如穿出皮質(zhì)到達(dá)椎管內(nèi)，然后根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序強(qiáng)制停止機(jī)器人的活動(dòng)，轉(zhuǎn)由醫(yī)生介入，判斷是否在機(jī)器人的輔助下繼續(xù)完成手術(shù)或者轉(zhuǎn)換由醫(yī)生親自完成手術(shù)。還可以設(shè)計(jì)機(jī)器 人的自檢軟件，強(qiáng)制機(jī)器人在每次手術(shù)前進(jìn)行精度的檢驗(yàn)，從而保證手術(shù)過程的安全性。

 

　　脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人領(lǐng)域是一個(gè)由軟件設(shè)計(jì)、 硬件設(shè)計(jì)、用戶界面設(shè)計(jì)、影像學(xué)兼容性設(shè)計(jì)等領(lǐng)域相互結(jié)合、相互合作而產(chǎn)生的醫(yī)療尖端領(lǐng)域，完成這樣精細(xì)的脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人要求以上各個(gè)領(lǐng)域的 相互合作，但是脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人的最終使用者是醫(yī)生，也只有醫(yī)生知道需要導(dǎo)航輔助機(jī)器人在手術(shù)中起到什么作用，所以這就要求醫(yī)生與上述各個(gè)領(lǐng)域的專家相互交流，相互促進(jìn)。醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及機(jī)械工業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人的發(fā)展，SpineAssist就是一個(gè)很好的例子，相信未來將會(huì)有更多脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人出現(xiàn)。