来源：北京积水潭医院脊柱外科

作者：何达 吴佳源

Pascal Sautot等^[1]于1992年报道了第一款脊柱手术机器人的临床研究，2004年SpineAssist(Mazor Robotics)成为第一款获得美国食品药品管理局(Food and Drug Administration，FDA)批准临床应用的脊柱机器人，经过30多年的发展，脊柱机器人技术在辅助医生提高手术精准度、安全性和稳定性方面取得巨大进步并获得临床医生的广泛认可^[2-4]。

本文在Web of Science(WOS)核心集以robot，robotic，robot-assisted，atlantoaxial，cervical，thoracic，lumbar等为关键词，检索2020-2022年间发表的脊柱机器人技术在临床效果、创新应用等领域相关研究，获得1526篇文章，经筛选纳入脊柱机器人临床相关文章119篇，包括研究类论文84篇，述评/系统综述/meta分析23篇，个案报道/创新应用12篇，采用VOSviewer等软件进行文献分析，对近年来脊柱机器人的应用和研究进展进行综述和探讨，并对未来发展方向进行展望。

图1 84篇研究性论文关键词聚类分析

通过对84篇研究类文章题目和摘要中关键词聚类分析(图1)，脊柱机器人研究主要围绕脊柱螺钉置入(placement)，就机器人辅助置钉技术(robotic assistance)与传统透视引导下置钉技术(fluoroscopy)在置钉准确性(screw accuracy)、手术时间(operative time)、出血量(blood loss)、住院时长(length of hospital stay)、临床结果(clinical outcome)比较、总结展开各类研究。

23篇综述中包括专家述评8篇，主要对脊柱机器人发展历程、当前脊柱主流应用机器人特点总结并展望未来发展方向；15篇系统综述/meta分析主要对机器人辅助与传统技术在脊柱置钉中对置钉精度、手术射线暴露、手术时间、并发症等方面证据汇总分析。12篇个案报道/创新应用主要涉及机器人辅助置钉新的轨迹应用、脊柱机器人模块化小型化、多技术融合等研究。

在84篇研究性文章中，以单纯腰椎段和胸腰段脊柱机器人应用研究型文章最多，分别为41篇和32篇(图2)，颈椎段脊柱机器人相关应用文章较少，包括上颈椎应用在内，近3年仅7篇相关研究，骶尾段脊柱机器人应用4篇。在这些研究作者分布上，以美国和中国最多，分别为36篇和31篇。在研究机构中，发表文章最多的前五名机构分别是北京积水潭医院(Beijing Jishuitan Hospital)、哥伦比亚大学(Columbia University)、弗吉尼亚脊柱研究所(Virginia Spine Institute)、纽约州立大学布法罗分校(University at Buffalo，the State University of New York)和迈阿密大学(University of Miami)。

图2 2020-2022脊柱机器人研究性文章手术部位分布

本文基于以上研究及近年脊柱机器人领域高引文献，对脊柱机器人的应用和研究进展进行综述及展望。

一、不同类型脊柱机器人发展及其特点

SpineAssist机器人(Mazor Robotics)作为美国FDA批准的第一款临床应用的脊柱机器人，使用Hover-T框架将SpineAssist导向装置固定于脊柱棘突等骨性结构，利用术中透视影像和术前CT影像及规划的配准，通过工作站控制导向器位置和方向(位姿)辅助术者完成符合规划螺钉入点和轨迹的螺钉置入^{[5, 6]}。在2011年Mazor公司推出了第二代脊柱机器人Renaissance，在SpineAssist基础上进行了界面优化和系统升级，并拓展了在脊柱截骨、穿刺活检等应用^[4]。第3代Mazor X脊柱机器人于2016年获得美国FDA批准，该机器人设计了全新的可固定于手术台和患者身体的机械臂，使用光学追踪相机将机械臂导向器引导至目标位姿，且系统允许独立注册每个椎体^[7]，并于2021年获得中国国家药品监督管理局(NMPA)批准。最新一代Mazor X Stealth脊柱机器人于2019年获得美国FDA批准应用于临床，整合了Medtronics公司的Stealth术中导航系统，实现了脊柱术中对内植物置入工具的实时追踪和导航^{[2, 4]}。

天玑骨科手术机器人是由北京积水潭医院和北京天智航医疗科技股份有限公司等单位共同研发，于2016年获得中国NMPA批准应用于临床，是全球首台通用型骨科机器人。该机器人通过光学跟踪系统实现机械臂的实时追踪和导航，配合二维/三维影像配准系统和末端导向工具，可应用于脊柱全节段^{[8, 9]}、骨盆^[10]、髋臼^[11]、股骨^[12]、跟骨^[13]、舟骨^[14]等多部位手术操作。2022年天玑II骨科手术机器人获得NMPA批准，新款机器人增加了机械臂末端集成控制和主动光学示踪，配合C臂跟踪定位功能，提高了机器人辅助脊柱手术的效率和操作的便易性^[15]。同时，天玑II机器人配合可视化操作工具，实现了内植物置入工具的实时定位和导航。

图3 田伟院士在“十二五”科技成果展向习近平主席汇报“天玑”机器人研发和应用

ROSA脊柱机器人(Zimmer Biomet)于2016年获得美国FDA批准用于胸腰椎手术，该机器人通过具有光学追踪器机械臂引导脊柱螺钉导针置入，并通过安装在患者棘突/髂嵴上的示踪器实现患者位置的动态追踪^[16]。新一代ROSA One脊柱机器人于2019年获得美国FDA批准，整合了脊柱、神外和关节置换模块，向通用型机器人转变^[17]，并于2021年获得中国NMPA临床应用许可。

Excelsius-GPS脊柱机器人(Globus Medical)于2017年获得美国FDA批准用于下颈椎、胸椎和腰骶椎的内固定置入，该款脊柱机器人可通过光学示踪器实时追踪内固定置入工具位姿并进行导航，同时增加了配准监测和力感应反馈，为术者安全操作提供更多信息^[18,19]。

Orthbot脊柱手术机器人(鑫君特智能医疗器械有限公司)于2021年获中国NMPA批准上市，该脊柱机器人可通过特殊坐标定位板实现无创图像匹配追踪，机械臂末端配置自动骨钻和力反馈监测装置，能够实现导针的自动置入和安全监测^[20]。

二、脊柱机器人应用对脊柱手术影响

1. 置钉准确性的提高

相比传统透视引导下手术，脊柱机器人技术最大的优势是显著提高了脊柱螺钉置入的准确率，避免了血管神经等重要结构的损伤，提高了手术的安全性。尽管作为最早关于脊柱机器人辅助置钉和透视引导下徒手置钉的随机对照研究(RCT)，2012年Ringel等人^[21]的研究显示SpineAssist脊柱机器人辅助置钉临床可接受率低于透视引导下徒手置钉组(85%vs93%，Gertzbein Robbins分级A+B)，但研究认为机器人和患者固定的稳定性欠佳、套管的滑移和脱位导致了更低的螺钉准确率，并在后续的机型(Mazor Renaissance，Mazor X和Mazor X Stealth)进行了针对性增强^[4]。

随着脊柱机器人辅助置钉技术的发展，前瞻性、大样本、多中心、随机对照研究的展开，脊柱机器人辅助置钉的准确率优于传统透视引导下徒手置钉的准确率获得脊柱医生的认可。表1展示了目前应用较广的几款脊柱机器人平台的置钉准确率^{[8,9,16,20,22-30]}。Tarawneh等人^[31]的系统综述认为机器人辅助胸腰椎椎弓根螺钉置入优秀率(Gertzbein Robbins分级A，90%vs86.4%，P=0.008)和准确率(Gertzbein Robbins分级A+B，97%vs95.4%，P=0.009)均明显优于传统徒手置钉组。Fatima等人^[32]的meta分析显示脊柱机器人辅助胸腰椎椎弓根螺钉置钉组临床准确率优于传统徒徒手置钉组(OR：1.54，95%CI：1.01-2.37；P=0.05)，且具有更低的近端小关节侵犯率(OR：0.08,95%CI:0.03-0.20；P<0.00001)。

表1：不同脊柱机器人平台的置钉准确率(Gertzbein Robbins分级A+B)

2. 广泛应用于微创手术，促进新术式的建立

脊柱微创手术带来了较传统手术更小的组织创伤和更快的术后恢复，基于计算机导航技术的发展，田伟院士^[33,34]提出了计算机辅助下的微创脊柱外科手术概念(computer assisted minimally invasive spine surgery,CAMISS)，计算机导航辅助技术可以更好的确保脊柱微创手术的安全性和有效性。脊柱机器人技术融合了计算机导航技术，使其广泛应用于CAMISS手术中，且在提高手术安全性、降低手术并发症和降低透视时间等方面较传统透视徒手操作具有明显优势。

Christopher等人^[35]的多中心前瞻性研究显示，在脊柱微创手术中，传统透视技术发生手术并发症的几率是机器人辅助技术的5.8倍(95%CI:3.5-9.6,P < 0.001)，术后1年随访翻修几率传统透视技术是机器人辅助技术的11倍(95%CI:3.5-9.6,P < 0.001)，同时每个螺钉透视时间机器人辅助技术较传统透视技术降低了80%(P< 0.001)。

脊柱机器人技术广泛应用于经椎间孔(TLIF)^[36],侧方(LLIF)^[37]和斜外侧(OLIF)^[38]腰椎融合术经皮微创和开放螺钉置入，尤其在侧方/斜外侧腰椎融合术单一体位减压置钉中显示了令人满意的置钉准确率和对手术效率的提高。同时，脊柱机器人也被应用于脊椎内镜和椎体成形术^[39,40]通道的建立，展现了较传统透视引导下手术更快的手术通道建立时间、更短的透视时间。

北京积水潭医院作为天玑骨科机器人的研发单位和全国最早开始骨科机器人研究中心之一，基于天玑骨科机器人精准置钉精度水平，开展了多项脊柱机器人辅助脊柱创新术式应用，且临床随访取得了令人满意的结果。田伟院士于2016年完成国际首例骨科机器人辅助后路C1-2经关节螺钉内固定手术^[41]和骨科机器人辅助前路齿状突螺钉内固定手术^[42]，且在回顾性研究中表现了良好的临床效果[43]。

袁强教授等^[45]将机器人辅助经关节置钉技术和OLIF手术结合，开创了机器人辅助经皮经小关节螺钉固定并腰椎斜外侧椎间融合术式，在OLIF手术术后1年的随访中，机器人辅助经小关节螺钉固定术式取得了和机器人辅助经椎弓根螺钉固定相似的椎间融合率(90.0%vs100%，P=1.000)，且具有更少的出血量(68.2mlvs113.6ml，P=0.024)和更小的组织创伤^[46]。

3. 促进远程手术技术的发展和应用

骨科机器人技术和网络通讯技术的进步促进了远程脊柱机器人手术的发展。2013年Beutler等人^[47]报道了第一例达芬奇手术机器人辅助前路腰椎融合术，为远程脊柱手术操作提供了可能。

2019年北京积水潭医院联合天智航研发的5G远程骨科机器人手术平台(图4)，田伟院士成功开展了一地对多地5G远程脊柱机器人手术，使远程机器人脊柱手术步入临床实用阶段^[48]。2021年11月，何达教授等完成第一例5G远程骨科机器人上颈椎手术。研究显示远程脊柱机器人手术螺钉置入具有高度的精准性(钉道设计轨迹和实际轨迹偏差小于0.8mm)，完成的96例远程脊柱手术无手术相关并发症，手术过程中未发生通讯错误或网络延迟^[44]。远程骨科机器人手术的开展提升了远程救治效率和质量，加速了医疗服务均质化发展，促进了对优质医疗资源的充分合理利用，同时远程骨科手术平台的搭建，为多中心手术合作提供了可能[49]。

图4 应用5G+远程骨科机器人手术平台进行腰椎和颈椎手术

三、脊柱机器人发展展望

1. 脊柱磨削机器人即将迈入临床应用

脊柱减压是脊柱手术重要组成部分，由于脊柱减压磨削需要在受限空间内进行精细操作，为避免神经血管损伤机器人需要较螺钉置入更高的精度追踪和路径实现，同时为安全控制机器人需要建立多源/多模信息收集和反馈机制^[50,51]，目前暂无脊柱磨削机器人在脊柱减压中临床应用研究报道。

北京大学第三医院设计的一款脊柱椎板磨削机器人，在动物标本骨实验中体现了较徒手磨削更少的椎板穿透次数，但在磨削效率方面仍需进一步提高^[52]。中国科学院深圳先进技术研究院在脊柱磨削机器人安全控制方面，提出了基于呼吸-脊柱运动模型的补偿控制方法，通过力反馈和机械臂主动模糊程序实现磨钻与椎板间接触力的精细调控(磨钻末端力控误差0.223N)^[53]。

北京积水潭医院与北京天智航医疗科技股份有限公司联合研制的超声骨刀脊柱磨削手术机器人系统，该机器人通过力与光学实时追踪的“主动约束”交互控制策略实现了磨削过程中的安全控制，同时结合超声骨刀切割硬组织同时保护软组织优势，实现了脊柱磨削过程中对骨组织的精确三维“刻取”，目前该机器人系统已完成动物试验和尸体试验，开始进行临床验证研究(图3)。

2. 现实增强技术与脊柱机器人技术优势融合

现实增强技术(Augmented reality，AR)是基于计算机数据将生成的数字图像投射到特殊屏幕或可穿戴设备上，实现虚拟图像在真实环境中叠加，“增加”外科医生所能推断的信息量，近年来该领域发展迅速，AR技术开始应用于脊柱手术中螺钉植入、穿刺通道建立等辅助导航^[54]。

Xvision脊柱手术AR可视化系统于2020年获得美国FDA批准应用于脊柱手术，尸体研究显示该系统辅助导航螺钉置入准确率在94.1-98.9%(Gertzbein Robbins 分级A+B)，和设计轨道的误差在1.7-2.0mm^[54,55]。AR技术通过可视化导航降低了手术难度、减少了辐射剂量，且可与人工智能、机器人导航技术整合进行优势增强，在未来发展中具有很大前景。

3. 通用型、小型化、模块化机器人迅速发展

通用型、小型化、模块化机器人是脊柱机器人的发展方向之一，通过增加脊柱机器人的应用范围和应用情景以降低机器人应用的综合成本。

Cirq脊柱机器人(BrianLAB AG，2019年获美国FDA批准)和Remi脊柱机器人(Accelus，2021年获美国FDA批准)具有轻巧化机械臂和模块化末端，可配套不同影像设备使用，应用于门急诊操作及局麻手术^[4]。佐航-300脊柱外科手术导航定位机器人(苏州铸正机器人有限公司)于2022年3月获我国NMPA批准，该机器人建立了直观图像定位技术，通过无框架立体定位技术和影像融合，实现了脊柱手术机器人在局麻情景下的应用。

4. 人工智能技术与脊柱机器人技术整合仍在探索

人工智能技术在带来了医学影像学研究的变革，在脊柱外科，基于机器学习、卷积神经网络等方法进行的椎体划分、椎间盘退变分级、畸形测量等获得一定临床应用^[56]。在脊柱机器人领域人工智能技术应用仍处于探索阶段，图像智能分割、影像重建增强、脊柱螺钉自动规划等技术与脊柱机器人技术的融合发展，将进一步促进脊柱机器人的自动化和智能化程度^[57]。

四、总结

脊柱机器人技术的发展使术者在手术过程中实现了较传统技术更精准、安全、微创的诊疗。但脊柱机器人技术发展仍处于初级阶段，自动化、智能化及不同技术的整合有待进一步提高。数字骨科技术和骨科机器人的飞速发展带来了新的医学伦理学、卫生经济学、医学社会学等领域问题和挑战，医生作为诊疗行为的主体，应坚持先进技术对医学的正向帮助并合理使用，未来将是医生和机器人深度合作开展诊疗的智能时代。

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