脊柱手术机器人研究进展及趋势分析

骨科临床与研究杂志2020年5月第5卷第3期JClinOrthopRes,May2020,Vol.5,No.3・185・ .综述. 脊柱手术机器人研究进展及趋势分析 刘文勇胡蕊燕王再跃张津铭刘亚军 法国格勒诺布尔医学院（FacultedeMedecinedeGrenoble）于1992年开展了第1例机器人辅助脊柱临床手术m。自此以后，脊柱手术机器人技术快速发展，先后出现了多种原型系统或产品,并开展了广泛的临床应用。现总结脊柱手术机器人的临床功能特点，分析其发展过程与技术进展,并探讨其发展趋势。 一、脊柱手术机器人的临床功能 脊柱手术机器人具有高精准度、高稳定性和自动化、智能化等特点，在临床上主要有两类功能:导航定位和灵巧操作。 1.机器人的导航定位功能:导航定位是发展最早、应用最广泛的机器人辅助临床功能,多以经皮椎弓根钉植入等手术为适应证，用于追踪和定位手术过程中的末端手术器械⑵O 在功能实现上，导航定位过程主要分为两个阶段:路径规划和路径定位。第一阶段，医生在软件界面上规划出手术路径。这里的手术路径多为直线型，所用图像既可以是CT、MRI等术前图像，也可以是“C”型臂X线透视、“0”型臂或三维“C”型CT、超�等术中图像。第二阶段,机器人自动地将导向套筒等末端手术器械移动到设定的路径上，并稳定住路径的位姿（位置和姿态）［3］o 影响导航定位效果的因素,除了机器人自身的运动精度和稳定性之外，最主要的是手术配准的精度,也就是手术过程中涉及的图像坐标系、机器人坐标系与患者坐标系之间的空间配准性能。手术路径的规划是在图像坐标系;机器人的动作指令是在机器人坐标系。只有将两者统一在患者坐标系下,机器人才能够在患者身上准确地实现手术路径。 从手术安全性的角度分析,此类机器人的设计还需要考虑到术中可能存在的不确定因素和动态因素的影响⑷。不 确定因素主要包括患者突然移位、机器人动作出现偏差等。普遍性的做法是,在患者、机器人以及术中成像设备上安装跟踪标记，借助红外线、电磁、可见光等跟踪器，进行实时同步跟踪，从而形成机器人动作的闭环控制,实现动作误差的 D0I：10.19548/j.2096-269x.2020.03.013 基金项目:北京市自然科学基金项目（191205；6Z170001） 作者单位：10008北3京航空航天大学生物与医学工程学院生物医学工程高精尖创新中心（刘文勇、胡蕊燕、王再跃、张津铭）；10003北5京积水潭医院脊柱外科骨科机器人技术北京市重点实验室（刘亚军） 通信作者：刘亚军,E-mail：drliuyajun@163.com 即时修正⑸。动态因素主要是指由患者呼吸所带来的术区椎块的规律性移动。一般做法是，建立呼吸扰动反馈模型，集成进机器人的闭环控制过程O 机器人一旦稳固了导向套筒的位姿，余下的钻（磨）孔操 作，既可以由医生手动完成（目前的主流操作方式），也可以采用机器人来自动完成。机器人自动钻（磨）孔时，末端工具直接在机器人控制下侵入人体，因此，机器人必须具备充分的术区信息反馈途径和安全保障措施O 2.机器人的灵巧操作功能:随着微创脊柱手术技术的发展，脊柱手术机器人已不再满足于相对简单的导航定位操作。对于椎板减压等复杂脊柱手术，更需要机器人能够在术区操作空间（特别是受限、狭小的腔体空间）内实现灵巧操作叭 在功能实现上，灵巧操作过程通常也分为两个阶段:路径规划和路径实现。在第一阶段，手术路径已不再是简单的“直线型”，而是三维空间中的平面或曲面、体⑼。路径规划 方法也更为复杂,亟需提高规划效率和自动化程度。在第二阶段，机器人既可以自主地或人机协作地实现路径皿切；也可以采用主从操作模式,由医生通过主端手柄宜接控制从端机器人进行灵巧操作。 需注意的是,脊柱椎体上能够提供的通道或腔体空间是有限的。因此，如何在狭小受限空间内实现机器人的灵巧操作,是操作型微创脊柱手术机器人的核心问题之一。要解决这一问题，一方面,需要设计临床适宜的微小操作机构，实现灵巧精密操作;另一方面,需要建立术区信息的多源/多模信息反馈机制,实现安全闭环控制。这里的“多源”是指来自术区的不同部位的信息，如不同的骨骼、脊髓或神经等;“多模”是指来自术区的不同模态的信息,如:各种图像、力（力矩）、阻抗、位姿等。 二、导航定位型脊柱手术机器人的发展过程 此类机器人相对比较成熟。以色列的Mazor公司（已被美国Medtronics公司收购）、法国MedTech、中国的天智航公司、美国的GlobusMedical公司、德国的BrainLab公司等先后推出了各自的商业化产品。 Mazor公司在2001年推出了国际上第1个脊柱手术机器人产品SpineAssisto该机器人采用小型并联机构和“骨安装”（bone-mounted）方式,通过独特的Hover-T框架直接固定到脊柱棘突等骨性标志上［⑷，从而避免了呼吸的影响，保证 了定位精准性;随后，该公司改进了人机界面并优化了系统配置，推出了Renaissance。临床研究表明：SpineAssist/Renaissance在椎弓根钉植入手术中的置钉率达96%，优于传 •186•骨科临床与研究杂志2020年5月第5卷第3期JClinOrthopRes,May2020,Vol.5,No.3 统方法的效果⑴如，但“骨安装”方式的操作较复杂,手术过程中也缺少术中实时监控等措施血o有鉴于此,Medtronics公司在2018年收购Mazor公司之后，整合该公司已有的Stealth导航软件优势,结合串联机械臂（实质上是放弃了“骨安装”方式），迅速推出了MazorXStealth机器人，实现了光电导航下的机械臂实时定位。这种“机器人+导航”的组合,是导航定位型脊柱手术机器人的主流方式。采用这种方式的还有较早出现的MedTech公司的ROSASpine（2014年）、 天智航公司的天巩机器人（2015年）和GlobusMedical公司的ExcelsiusGPS（2017年）等皿如，其中：ROSASpine已开展了广泛的临床应用加，并于2020年1月以ROSAoneSpine 的新名称通过了中国国家药品监督管理局（NMPA）的批准;ExcelsiusGPS也被用于临床，展现出更短的学习曲线,表明了系统的易用性血却O 天现是天智航公司的第3代骨科手术机器人，也是国际首台通用型骨科手术机器人产品皿〕。该机器人包括1台六 自由度机械臂、1台主控台车和1套红外光学跟踪系统，并利用术中三维图像直接进行手术规划，最小化了配准误差。借助机械臂的人机协作功能，天现实现了主被动混合控制模式:首先，医生将机械臂拖动到术区,完成粗定位;然后，机械臂在术区小范围内，自动完成精准定位。在机械臂精准定位过程中，利用光学跟踪系统来检测呼吸运动和器械偏差,实现手术过程的动态安全控制。依托国家骨科手术机器人临床应用中心，天巩机器人在北京积水潭医院等数十家单位开展了广泛的临床应用妙如，机器人手术的学习曲线能够随手术病例数的增加迅速趋于平稳啰则。 有鉴于“骨安装”方式的复杂性,BrainLab公司采用“床边安装"方式（table-mounted:可直接固定在手术台的侧轨上），于2019年推出了七自由度的轻便型机械臂平台Cirq （总质量约11kg）。在结构上,Cirq采用了臂手组合的形式：基础臂（basearm）可以安装在不同的手术台上;手模块（handmodule）是可拆换的，能够适应不同手术适应证的需求⑶〕。 这种安装方式操作方便,所占空间较小,对手术室既有环境的影响也小,是脊柱手术机器人构型的发展趋势之一。 除产品之外，各种原型系统层出不穷，如:韩国汉阳大学的SpineBot系统两、瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的NeuroGlide[33]、韩国POSTECH机器人实验室的CoRASS[34]、郑州大学附属第一医院的无框架脊柱导航手术机器人3徊、 苏州铸正公司与北京航空航天大学的佐航机器人等O三、灵巧操作型脊柱手术机器人的最新发展 此类机器人目前仍处于研发阶段,尚未真正用于临床。德国宇航中心（DLR）、北京积水潭医院和深圳冼进技术研究院、北京大学第三医院和北京航空航天大学等都对此进行了研究。 最早进行尝试的是DLRO2006年,DLR在VectorBot机器人系统中增加了磨削功能。VectorBot由轻型机械臂和光学跟踪系统组成閑]，其中:机械臂的每个关节均安装了力传 感器,能够通过阻抗控制来实现粗定位;光学跟踪系统可以 实时检测VectorBot的位姿状态并补偿运动偏差，从而确保最终的操作精度。牛椎骨的磨削实验表明:位置误差的均值为0.4mm,最大为1.2mm;角度误差为0.5o[39]o同年，北京大学第三医院联合北京航空航天大学开发了脊柱磨削机器人系统。机器人采用双平面串并联机构，结构紧凑,整体刚度大;同时，采用力传感器来检测磨削力变化并实时识别被磨削的组织区域皿〕。该系统在国际上首次完成了机器人辅助下的椎板磨削人体标本试验⑷1。2014年,北京积水潭医院联合中科院深圳先进技术研究院开发了六自由度脊柱手 术机器人RSSS（roboticspinalsurgerysystem），并集成了术前规划、术中导航跟踪等功能模块““。活体动物（猪）椎板磨 削实验表明:腰椎（13~15）上的最大磨削误差仅0.125mm,具备了充分的操作精准度。此类系统对机器人的操作安全性要求极高，因此，一般都配置了力反馈控制、运动跟踪等功能模块来实时识别磨削状态，并对可能的误操作进行预判和处置。 美国IntuitiveSurgical公司的达芬奇机器人也在脊柱临床上得到了应用。2011年，奥克兰大学在胸椎旁神经鞘瘤切除术中使用了达芬奇机器人⑷2013年，宾夕法尼亚大学医院首次将达芬奇机器人用于前路腰椎椎间融合术 （ALIF）[43]O达芬奇机器人的主从灵巧操作、放大立体视频等特点，使其非常适合微创脊柱手术的小空间操作。但是,达芬奇机器人目前只是一种灵巧操作型“微创手术器械”，手术质量依赖医生经验。如果借助手术规划技术来提供必要的操作区域约束,将更有利于达芬奇机器人在脊柱手术中的应用。 四、脊柱手术机器人的技术进展 安全性是开展机器人辅助脊柱手术的前提,而手术室中的人（包括患者和医务人员）、机器人与手术环境之间的安全协作关系是实现机器人安全手术的基础。从技术角度来看,这里的安全协作关系主要涉及人机交互模式、影像引导模式、手术室适应性机械构型等内容。 1.人机交互模式:机器人辅助手术通常存在3种操作模式:监督模式（supervisorycontrol）、遥控模式（telesurgicalcon­trol）和共享操作模式（sharedcontrol）[44]。 采用监控模式的代表性系统主要有SpineAssist/Renaissance、MazorXStealth和天巩等。在该模式下,机器人按照规划的手术路径自主运动;医生在旁监督，仅在出现机器人故障或患者较大移位等特殊情况时，启动急停按钮。这一模式充分发挥了机器人的自动化能力,操作效率最高，但也要求机器人必须具备最高的安全标准（高度的操作稳定性、充分的术区状态监测及偏差矫正能力等）[45]O 遥控模式的主要表现形式是"遥操作"（tele-operation，也被称为“主从操作”），其典型代表是达芬奇机器人。在该模式下，借助电缆线、局域网或者互联网，主刀医生可以离开手术床旁，在本地（同一手术室的不同位置、不同的手术室）或者异地（不同的医院、城市或地域）通过操作手柄来遥控位于手术室的从端机器人，为患者实施手术操作。从端机器人在 骨科临床与研究杂志2020年5月第5巻第3期JClinOrthopRes,May2020,Vol.5,No.3•187• 人体内的小空间中,高质量地复现医生的手部操作动作(缩放医生的动作，并过滤掉医生的手部颤动等)；医生可以借助实时反馈的体内立体视频,实现沉浸感操作,即:医生感受不到距离上的限制。这种方式在本质上是将医生的操作手法机器人化和远程化，但并未结合机器