引言：

骨科机器人系统目前在临床上已经取得了一定的应用。但是存在明显的局限，北京积水潭医院自主研发了基于三维虚拟影像的骨科手术机器人，该机器人系统结合了机器人技术和导航技术，达到世界首创的多部位使用和最高精度的领先水平。2015年8月，北京积水潭医院成功实施了世界首例机器人辅助上颈椎手术。

北京积水潭医院自主研制的实时三维影像骨科手术机器人

北京积水潭医院院长田伟教授率领其团队运用自主研制的实时三维影像的机器人，成功完成的上颈椎畸形手术实现了外科手术史上一项革命性的进步。2016年1月， 田伟院长带领的科研团队与北京航空航天大学共同研发的“基于影像导航和机器人技术的智能骨科手术体系建立及临床应用”获2015年度国家科技进步奖二等奖。

该成果通过“医工企”协同创新，突破了手术导航、手术机器人、远程手术等关键技术群，形成了一套符合我国临床实际、拥有完全自主知识产权的骨科智能化手术体系。骨科手术机器人实现了“常规手术微创化、复杂手术安全化、关键操作智能化”，把骨科的发展推进了新时代，对提升我国骨科综合治疗水平具有重要的现实意义。

现将世界首例机器人辅助上颈椎手术报道如下。

方法：

患者全麻及体位摆放完成后，采用ARCADIS Orbic 3D C型臂进行一次术中三维影像扫描，图像被同步传输至骨科机器人系统(TiRobot system)(图1)。


图1. TiRobot示意图及手术室布局

术者在TiRobot的导航系统屏幕上设计钉道后，机械臂会根据术者设计钉道自动移动至准确的位置，使得导向器指向目的钉道的进钉点。通过套筒钻入定位针，确认无误后置入螺钉。术后CT用来评价置钉位置和设计位置的偏差。

病例：

作为全世界首例机器人辅助寰枢椎手术，在本例人体手术之前，北京积水潭医院脊柱外科还进行了多次活体动物螺钉置入试验，均取得了满意的置钉效果。

患者男，43岁，无明显诱因出现右侧肢体麻木，颈椎活动度前屈-后伸60°-30°，左右侧屈30°，左右旋转30°。双上肢腱反射正常，双侧膝腱反射、跟腱反射均亢进，双侧Babinski征阳性。双下肢髌阵挛、踝阵挛阳性，双侧上下肢肌力V级。颈椎X线片提示颈胸段右侧弯，颅底凹陷，C1、2、3畸形。颈椎CT提示颅底凹陷畸形，C2/3分节不良，C7右侧椎板不连续，C7骨性椎管闭合不全，枕骨大孔水平椎管狭窄。颈椎MRI提示颅底凹陷伴延髓变性，C2、3及C6、7附件结构发育异常(图2)。诊断为”寰枢椎畸形，颅底凹陷症”。属于上颈椎畸形中的高难病例。人工置钉无法达到所需精度，患者被多家著名医院谢绝治疗。

图2. 术前X线CT及MRI

鉴于患者罕见的复杂性，经院内专家讨论，认为可以通过机器人高精度的长处辅助手术成功。患者于2015年8月12日行枕骨大孔及颈1后弓减压，机器人辅助C0-2固定融合术，Magerl+Brooks术。首先进行枕骨大孔及颈1后弓减压，进行三维影像扫描(图3)。

图3. 螺钉植入前规划

由于C2右侧畸形缺损严重无法置钉，左侧C1/2外侧关节面虽然畸形严重，但有一勉强可以置钉通道，但必须一次成功，没有二次机会。术者通过机器人螺钉设计三维软件，在此通道设计好螺钉置入方案。设计于左侧置入长36mm、直径4mm的C1、C2经关节突螺钉，医生发出指令后，机器人按照设计自动调整达到置入部位，系统总误差达到0.5mm以内，沿机器人导向器从C2侧块向C1侧块穿入克氏针，确认位置无误后沿克氏针置入直径4mm半螺纹松质骨螺钉1枚，再次予3D扫描，确认螺钉位置与规划一致，手术圆满成功。术后患者神经障碍获得改善，并满意出院。复查CT见内固定位置良好(图4)。

图4. 术后CT

讨论：

1985年第一代手术辅助机器人PUMA 200的诞生掀起了国内外众多医生对机器人手术的研究热潮。近年来，随着计算机导航技术和机械工业的发展，世界范围内已经诞生了多达31种的机器人系统，这些机器人大部分已经证明了其在临床领域的重要作用，其中包括被广泛应用于腹腔镜手术和泌尿外科手术中的Da Vinci Robot(达芬奇)系统。

Da Vinci Robot属于动作模仿型机器人，其劣势是无法超过人的能力，也无法避免医生的操作失误。应用于脊柱外科的机器人，以以色列的Renaissance为代表，需要固定在患者的脊柱和髂骨上，并且只能用于腰椎，精度在1mm以上，动作范围也相对较小。目前国际上尚没有能用于上颈椎手术的机器人。

我们研发的机器人系统，以超越旧的骨科机器人为目标。精度达到小于0.8mm，并且不需要固定于患者身上，可以在全脊柱范围甚至其他骨关节部位广泛使用，由于机器人嵌入导航系统，可以随时跟踪患者的细微变动，精度大大提高，是目前世界上最先进的骨科机器人。

骨科机器人技术目前正在快速发展，将来会实现更为复杂的技术能力，帮助提高外科手术的水平。我们有理由相信骨科机器人系统在未来的发展中一定会超出我们的想象，并成为骨科医生的最有利帮手!

专家简介：

田伟教授

现任北京积水潭医院一级主任医师、博士生导师、院长，中华医学会骨科学分会主任委员，北京市卫生系统215人才工程骨科领军人才、北京市突出贡献专家、享受国务院政府特殊津贴。全国卫生系统抗击非典先进个人，北京市劳动模范，第二届“首都十大健康卫士”。2014年，荣获全国优秀医院院长。

田伟教授从事医学临床及科研工作30年，日本留学回国后于1997年创建了脊柱外科，并始终工作在临床及科研第一线。获得了国家自然科学基金、国家科技攻关计划、国家高技术研究发展计划(863计划)等18项国家及省部级课题项目，其中《骨科退行性疾病防控研究》获国家科技部十二五支撑计划项目，《HIF-2A在骨关节退行性病变中的调控作用机制及其应用基础研究》获得国家自然科学基金-重点项目。

他主持研究的《复合振动的超声骨骼手术仪》、《基于影像导航和机器人技术的智能骨科手术体系研究及临床应用》取得了北京市科技进步一等奖2项、《珊瑚人工骨在颈椎前路融合术中的应用研究》三等奖1项、《计算机导航系统在脊柱外科应用研究》中华医学科技二等奖1项。

主持制定了《颈椎人工椎间盘置换手术标准》、《脊柱外科导航技术规范》国家卫生行业标准2项。主编《计算机辅助骨科手术学》、《骨折》等6部专著，主编全国高等学校医学研究生规划教材第一、二版《骨科学》。发表专业论文138篇，其中包括本领域权威杂志Spine等SCI期刊论文 30篇。专利13项。培养博/硕士92人。

田伟教授还担任《中华医学杂志》副总编辑，《中国骨科临床与基础研究杂志》副主编，《中华骨科杂志》等10余家核心期刊编委。任亚洲计算机辅助骨科学会(CAOS-Asia)第八届主席，第三届亚洲颈椎外科研究会(CSRS-Asia)主席，现任国际脊柱创新学会(ISASS)常委和中国分会主席。香港中文大学矫形骨科与创伤学系客座临床教授，香港骨科医学院荣誉院士和2014年度全国优秀科技工作者。