李君禹 金 昭 綜述 劉忠軍 于 淼
(北京大學(xué)第三醫(yī)院骨科,北京 100191)
脊柱微創(chuàng)外科協(xié)作機(jī)器人(Cobot)是為克服外科醫(yī)師手術(shù)時(shí)定位精度難以保證,長(zhǎng)時(shí)間手術(shù)容易疲勞等問題,針對(duì)脊柱手術(shù)中的椎弓根螺釘固定術(shù)設(shè)計(jì)出的一整套“機(jī)器人”智能系統(tǒng)[1]。因其主要職能為輔助脊柱外科醫(yī)師完成手術(shù),故稱之為協(xié)作機(jī)器人。目前,脊柱微創(chuàng)手術(shù)中使用的協(xié)作機(jī)器人主要是通過影像系統(tǒng)(C形臂X線機(jī)、CT或MRI)進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃和實(shí)時(shí)導(dǎo)航,并使用多自由度機(jī)械臂進(jìn)行操作,主要用于椎弓根螺釘輔助置入,例如Mazor系列機(jī)器人、天璣骨科手術(shù)機(jī)器人。此外,術(shù)者遠(yuǎn)程操縱、人機(jī)交互的機(jī)器人(如達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng))也在臨床試驗(yàn)中,術(shù)者可通過機(jī)械臂操縱手術(shù)工具和控制攝像設(shè)備,完成脊柱外科中精細(xì)的手術(shù)動(dòng)作。本文就目前脊柱微創(chuàng)外科協(xié)作機(jī)器人技術(shù)的臨床應(yīng)用現(xiàn)狀及最新進(jìn)展進(jìn)行文獻(xiàn)總結(jié)。
2004年,Mazor公司推出第1代脊柱手術(shù)協(xié)作機(jī)器人SpineAssist。SpineAssist系統(tǒng)包括一個(gè)T-Hover固定框架系統(tǒng)、一個(gè)具有交互界面的計(jì)算機(jī)工作站和一個(gè)6自由度操作器。T-Hover固定框架系統(tǒng)固定于患者的骨性解剖標(biāo)志,并使用固定于棘突上的克氏針進(jìn)行穩(wěn)定,避免患者相對(duì)位置的移動(dòng),減少誤差。該系統(tǒng)通過術(shù)前CT影像三維重建脊柱圖譜,獲得螺釘?shù)淖罴堰M(jìn)入點(diǎn)、角度及植入路徑等。術(shù)中利用T-Hover固定框架將機(jī)器人安裝在脊柱骨性標(biāo)志上,在完成患者正側(cè)位透視后進(jìn)行注冊(cè),最終使用SpineAssit工作站和計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)鉆套完成人工置釘[2]。SpineAssist系統(tǒng)機(jī)器人可自動(dòng)沿預(yù)定軌跡移動(dòng)操作器,減少之前徒手置釘需要的復(fù)雜運(yùn)動(dòng),但存在因克氏針置入過程不穩(wěn)定導(dǎo)致鉆套位置不正確或者套管打滑等問題[3]。該機(jī)器人早期主要應(yīng)用于后路腰椎退變性疾病手術(shù)中,SpineAssist輔助開放置釘、經(jīng)皮置釘在文獻(xiàn)中均有報(bào)道[4,5]。由于該機(jī)器人為初代產(chǎn)品,因此,其他手術(shù)類型的應(yīng)用報(bào)道相對(duì)較少[6]。
2011年,Mazor公司開發(fā)第2代機(jī)器人 Renaissance,臨床應(yīng)用仍以螺釘置入為主。Renaissance機(jī)器人沿用SpineAssist的核心,并進(jìn)行圖像識(shí)別算法的提升及硬件的改進(jìn)調(diào)整,術(shù)前注冊(cè)過程更為簡(jiǎn)單易行,定位更加精準(zhǔn)[7]。SpineAssist和Renaissance的椎弓根螺釘置入準(zhǔn)確率為85%~100%[8~10],Renaissance機(jī)器人的應(yīng)用范圍變廣,逐漸應(yīng)用于脊柱腫瘤、創(chuàng)傷、感染、脊柱畸形等較為復(fù)雜手術(shù)的螺釘置入中[11~13]。此外,該機(jī)器人應(yīng)用的脊柱節(jié)段也不局限于腰椎,Hyun等[14]報(bào)道4例Renaissance機(jī)器人引導(dǎo)下S2髂骨翼螺釘置入治療脊柱畸形,隨訪10~13個(gè)月,治療效果良好,無術(shù)后并發(fā)癥。Kam等[15]利用Renaissance機(jī)器人施行80例包括退行性疾病、腫瘤、創(chuàng)傷等在內(nèi)的胸腰椎節(jié)段脊柱手術(shù),94.6%置入的椎弓根螺釘根據(jù)Gertzbein Robbins符合A級(jí)或B級(jí)。
2016年,Mazor公司開發(fā)出一款新的機(jī)器人平臺(tái)Mazor X,并利用Medtronic Stealth軟件導(dǎo)航。新系統(tǒng)全新引入光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng),允許機(jī)器人對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行評(píng)估,自我檢測(cè)位置,相比前代,可根據(jù)病人體位改變而對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整[3]。2018年Mazor公司與美敦力合作推出脊柱手術(shù)機(jī)器人MazorX Stealth。該機(jī)器人系統(tǒng)螺釘置入時(shí)不需要克氏針進(jìn)行穩(wěn)定、標(biāo)記,并將術(shù)中基于CT的導(dǎo)航系統(tǒng)與MazorX機(jī)器人制導(dǎo)平臺(tái)集成化,在顯示器上實(shí)現(xiàn)儀器實(shí)時(shí)跟蹤及術(shù)中實(shí)時(shí)反饋,進(jìn)一步增加機(jī)器人椎弓根螺釘植入的安全性,使機(jī)器人更有可能應(yīng)用于復(fù)雜脊柱外科中[16]。
2014年法國Medtech醫(yī)療公司推出ROSA Spine產(chǎn)品,2016年初即獲得FDA和CE認(rèn)證。該機(jī)器人系統(tǒng)將成像系統(tǒng)、影像導(dǎo)航系統(tǒng)與機(jī)器人操作系統(tǒng)集成在一起,擁有一個(gè)可自由移動(dòng)的底座和一個(gè)6自由度的機(jī)械臂。自由移動(dòng)的底座增加機(jī)器人的操作范圍,提升機(jī)器人的穩(wěn)定性,使之更適用于微創(chuàng)手術(shù)。機(jī)械臂可以安裝傳統(tǒng)脊柱外科所需要的器械,且能提高器械操作過程的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[3]。機(jī)械臂末端還安裝力反饋系統(tǒng),能夠識(shí)別術(shù)中力學(xué)信號(hào)的改變與異常,提高手術(shù)操作的安全性[17]。該機(jī)器人系統(tǒng)還引入光學(xué)追蹤導(dǎo)航系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)術(shù)中機(jī)器人實(shí)時(shí)呼吸追蹤和補(bǔ)償,并通過實(shí)時(shí)跟蹤置釘部位和置釘通道,測(cè)定螺釘置入深度,及時(shí)調(diào)整機(jī)器人手臂的位置,更極大提升置釘?shù)臏?zhǔn)確性。ROSA Spine 機(jī)器人在腰椎手術(shù)中顯示出優(yōu)良的結(jié)果,初期臨床研究結(jié)果顯示38枚螺釘置入準(zhǔn)確率為97.4%[18]。Lefranc等[19]回顧24例經(jīng)椎間孔椎體間融合術(shù),ROSA Spine輔助植入的96枚螺釘中,98.9%精確度達(dá)到Grade A級(jí)。此外,ROSA Spine機(jī)器人在經(jīng)皮胸腰椎置釘中也有應(yīng)用[20]。
Excelsius GPS機(jī)器人在2017年獲得FDA批準(zhǔn)。該機(jī)器人的影像導(dǎo)航系統(tǒng)與ROSA Spine類似,內(nèi)置集成于機(jī)器人操作器中,由于可以通過獨(dú)立的管狀機(jī)械臂直接進(jìn)行螺釘置入,不需要框架系統(tǒng)固定或 “克氏針”進(jìn)行標(biāo)記,縮短操作時(shí)間。該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)術(shù)中監(jiān)視,當(dāng)鉆套位置發(fā)生移動(dòng),置釘角度改變時(shí),可自動(dòng)補(bǔ)償反饋。目前,該機(jī)器人的使用主要為腰骶部的退變性疾病。Zygourakis等[21]報(bào)道第1例應(yīng)用Excelsius GPS機(jī)器人進(jìn)行脊柱外科手術(shù),融合節(jié)段為L(zhǎng)3~S1,結(jié)果顯示該機(jī)器人在避免射線使用以及解剖變異患者中的優(yōu)勢(shì)。Wallace等[22]對(duì)機(jī)器人在腰骶椎椎弓根螺釘上的準(zhǔn)確性進(jìn)行研究,600個(gè)椎弓根螺釘有98.2%的置入準(zhǔn)確率。
2015年北京積水潭醫(yī)院聯(lián)合北京航空航天大學(xué)成功研制骨科手術(shù)協(xié)作機(jī)器人“天璣”,并于2016年成功獲得國家醫(yī)療器械注冊(cè)證,是國際首臺(tái)能夠開展四肢、骨盆骨折以及脊柱全節(jié)段手術(shù)的骨科協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)。天璣骨科手術(shù)機(jī)器人包括光學(xué)跟蹤系統(tǒng)、機(jī)械臂主機(jī)與主控臺(tái)車三部分,具有術(shù)前規(guī)劃手術(shù)路徑、自動(dòng)配準(zhǔn)椎弓根螺釘?shù)裙δ埽中g(shù)規(guī)劃與手術(shù)操作相分離的“遙規(guī)劃”技術(shù)使天璣機(jī)器人可以通過5G互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程骨科手術(shù)[23]。一項(xiàng)234例1116枚椎弓根螺釘?shù)那罢靶噪S機(jī)對(duì)照臨床試驗(yàn)顯示,機(jī)器人輔助置釘?shù)臏?zhǔn)確性為95.3%,徒手置釘?shù)臏?zhǔn)確性為86.1%,顯示天璣機(jī)器人胸腰椎外科手術(shù)的安全性和有效性[24]。目前,天璣骨科手術(shù)機(jī)器人在頸、胸、腰、骶椎均有應(yīng)用,相比國外同類型機(jī)器人應(yīng)用范圍更廣。Tian等[25~27]分別報(bào)道應(yīng)用天璣機(jī)器人輔助進(jìn)行C1~2經(jīng)寰樞關(guān)節(jié)螺釘固定治療寰樞椎不穩(wěn)、前路螺釘固定治療齒狀突骨折、椎板內(nèi)直接螺釘固定治療峽部裂各1例,手術(shù)規(guī)劃與實(shí)際結(jié)果的偏移距離僅為0.8798~0.9 mm,皆取得了良好的療效。Long等[28]回顧性比較91例天璣機(jī)器人系統(tǒng)與傳統(tǒng)手術(shù)經(jīng)皮骶髂螺釘內(nèi)固定治療骨盆后環(huán)骨折,出血量[(33.89±16.4)ml vs.(43.04±12.34)ml,P<0.001]、手術(shù)時(shí)間[(33.25±6.46)vs.(63.55±6.62)min,P<0.001]顯示了天璣機(jī)器人在骨盆骨折手術(shù)上越卓的性能。
與其他協(xié)作機(jī)器人不同,達(dá)芬奇機(jī)器人以腔鏡手術(shù)為基礎(chǔ),由4個(gè)機(jī)械臂組成:3個(gè)用于手術(shù)操作,1個(gè)用于攝像導(dǎo)航。術(shù)者在手術(shù)床旁的手術(shù)倉實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操縱,避免傳統(tǒng)腔鏡對(duì)于術(shù)者手臂的制約。手術(shù)倉內(nèi)裝配3D屏幕以及操作臺(tái),通過機(jī)械臂上的3D影像重建系統(tǒng)在屏幕上呈現(xiàn)三維視覺的高清影像,并通過防抖功能、360°旋轉(zhuǎn)度及高分辨率使術(shù)者可以清晰辨認(rèn)解剖結(jié)構(gòu)。機(jī)械臂的自由度超越人手活動(dòng)的極限,可以連續(xù)完成精密動(dòng)作而不易產(chǎn)生疲勞和失誤[16]。
達(dá)芬奇機(jī)器人在脊柱外科最主要的應(yīng)用在于脊柱前路手術(shù)。Troude等[29]在2例活豬標(biāo)本及1例人尸體標(biāo)本進(jìn)行了L2~L5椎間盤切除術(shù)和椎體間植入的解剖學(xué)研究,證明使用達(dá)芬奇機(jī)器人進(jìn)行前路或斜路腰椎椎體間融合的可行性。Beutler等[30]首次將達(dá)芬奇機(jī)器人應(yīng)用于1例L5~S1腰椎前路椎體間融合,手術(shù)視野相比開放手術(shù)或腹腔鏡更清晰,出血量也極少。Lee等[31]報(bào)道11例使用達(dá)芬奇機(jī)器人進(jìn)行腰椎前路椎間植骨,出血量(65.9±23.11)ml,手術(shù)時(shí)間(225.4±64.3)min,隨訪期間無術(shù)后并發(fā)癥,認(rèn)為手術(shù)雖然困難費(fèi)時(shí)但仍安全可行。近年來,達(dá)芬奇機(jī)器人系統(tǒng)也逐漸應(yīng)用于脊柱旁良性腫瘤的切除,手術(shù)時(shí)間、出血量、住院時(shí)間等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)開放手術(shù)[32]。由于脊柱外科本身以開放手術(shù)為主,達(dá)芬奇機(jī)器人為腔鏡手術(shù)而設(shè)計(jì),臨床應(yīng)用仍相對(duì)較少。
在螺釘置入的準(zhǔn)確性方面(根據(jù)Gertzbein Robbins分級(jí)),絕大多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)開放手術(shù)[33,34]。目前,臨床上常用徒手置釘完成椎弓根螺釘置入,該方法僅使用特定的解剖學(xué)標(biāo)志來定位,主要憑借術(shù)者的手術(shù)經(jīng)驗(yàn),主觀性較強(qiáng),學(xué)習(xí)曲線較長(zhǎng),且存在精確度較低、反復(fù)穿刺、工作負(fù)荷大、多次透視以及螺釘穿出率較高等缺點(diǎn)[35]。機(jī)器人輔助手術(shù)可通過術(shù)前規(guī)劃與術(shù)中C形臂取得三維重建圖像,確定穿刺的部位和深度,從而提高螺釘置入的精確性。同時(shí),機(jī)器人輔助手術(shù)還可以減少患者肌肉等堅(jiān)硬組織的對(duì)抗,從而使準(zhǔn)確性得到提升。Yu等[36]2018年的meta分析納入750例3625枚椎弓根螺釘比較機(jī)器人輔助與徒手置釘?shù)臏?zhǔn)確性,機(jī)器人置釘根據(jù)Gertzbein Robbins分級(jí)達(dá)到A或B級(jí)為95.5%,高于徒手置釘組92.9%。Li等[37]2020年的meta分析納入696例2139枚螺釘,結(jié)果顯示機(jī)器人輔助置釘Gertzbein Robbins分級(jí)為A級(jí)88.9%,徒手置釘A級(jí)為84.0%??傮w來說,隨著計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別算法、光學(xué)導(dǎo)航等新技術(shù)的應(yīng)用,機(jī)器人輔助置釘?shù)臏?zhǔn)確性是可以肯定的。
射線暴露方面,多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道機(jī)器人手術(shù)要優(yōu)于傳統(tǒng)開放手術(shù)[36]。由于傳統(tǒng)開放手術(shù)依賴于術(shù)中透視獲得螺釘以及導(dǎo)針置入的最佳位置,對(duì)術(shù)者的放射線輻射較大[38]。機(jī)器人系統(tǒng)引導(dǎo)置入由于術(shù)中對(duì)透視、導(dǎo)航的依賴大大縮小,并且在獲取圖像同時(shí),醫(yī)護(hù)人員無需暴露在X射線區(qū)域,輻射水平顯著減小。Kantelhardt等[8]回顧分析20例機(jī)器人輔助與57例傳統(tǒng)開放手術(shù),結(jié)果顯示傳統(tǒng)開放手術(shù)每枚椎弓根螺釘?shù)钠骄鵛射線照射時(shí)間77 s,機(jī)器人輔助為27 s。然而,由于機(jī)器人輔助系統(tǒng)需要術(shù)前薄層或高分辨率 CT 掃描,有學(xué)者認(rèn)為這一步驟相比于傳統(tǒng)開放手術(shù)將增加患者的輻射量[39]。因此,比較術(shù)前CT掃描與術(shù)中透視輻射劑量,機(jī)器人系統(tǒng)總輻射量是否減少尚無定論[9]。
手術(shù)時(shí)間方面,大多數(shù)研究顯示機(jī)器人手術(shù)并沒有特別的優(yōu)勢(shì)[36]。Lonjon等[39]前瞻性病例對(duì)照研究結(jié)果顯示(機(jī)器人組和徒手組各10例),機(jī)器人輔助手術(shù)平均比徒手手術(shù)延長(zhǎng)74 min(186 min vs. 112 min)。機(jī)器人在設(shè)備安裝、起始的影像學(xué)獲得占用一定時(shí)間,從而導(dǎo)致其手術(shù)時(shí)間的延長(zhǎng),但對(duì)于一項(xiàng)正在發(fā)展的新技術(shù)來講是可以接受的[40]。除此之外,其他多種因素也能導(dǎo)致機(jī)器人系統(tǒng)置入螺釘時(shí)間存在差異,如醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)、醫(yī)生對(duì)系統(tǒng)的熟悉程度和定位過程的準(zhǔn)確度等[41]。Kim等[24]報(bào)道機(jī)器人手術(shù)完成前8例螺釘置入的平均時(shí)間為14.9 min,后29例螺釘置入的平均時(shí)間為9.3 min。隨著醫(yī)生對(duì)于機(jī)器人技術(shù)的不斷熟悉,手術(shù)時(shí)間有進(jìn)一步縮短的趨勢(shì)。
在術(shù)中出血[(375±263)ml vs. (713±455)ml,P<0.05][42]、圍手術(shù)期并發(fā)癥發(fā)生率(6.1% vs. 12.5 %,P=0.142)[43]、翻修手術(shù)率(8.2% vs. 20.4%,P=0.016)[44]、住院時(shí)間[(6.3±1.2)d vs.(8.9±1.8)d,P<0.001][45]等方面,機(jī)器人輔助脊柱外科手術(shù)不遜于傳統(tǒng)開放手術(shù)。協(xié)作機(jī)器人的人體工程學(xué)設(shè)計(jì)能有效為術(shù)者術(shù)中操作提供幫助,降低術(shù)者的身心疲勞,使術(shù)者可以較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行手術(shù),這也是該技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[3]。
脊柱微創(chuàng)協(xié)作機(jī)器人在脊柱手術(shù)中的應(yīng)用仍處于早期階段,還存在諸多缺陷與不足:目前,機(jī)器人的應(yīng)用范圍仍主要在胸椎和腰椎,主要用于輔助椎弓根螺釘置入,除去螺釘置入,脊柱減壓、融合是脊柱外科中另外的關(guān)鍵步驟,當(dāng)前針對(duì)該技術(shù)的研究仍較少。此外,對(duì)于骨質(zhì)疏松及肥胖患者而言,相對(duì)不穩(wěn)定的術(shù)前智能規(guī)劃,術(shù)中術(shù)者操作與病人的呼吸運(yùn)動(dòng)引起的體位細(xì)微變化,較厚的軟組織造成機(jī)器人鉆頭的偏離,缺乏一定的觸覺反饋,都在一定程度上制約機(jī)器人的準(zhǔn)確性和安全性。除此之外,脊柱協(xié)作機(jī)器人在智能圖像模型構(gòu)建、脊柱節(jié)段識(shí)別、自動(dòng)配準(zhǔn)等算法等方面都有待進(jìn)一步提升[46]。
此外,絕大多數(shù)脊柱協(xié)作機(jī)器人雖然在性能上具有一定的臨床價(jià)值,提升手術(shù)的效果與安全性,但更多是作為術(shù)中輔助導(dǎo)航的工具,僅執(zhí)行術(shù)前規(guī)劃功能,沒有像達(dá)芬奇機(jī)器人那樣,真正實(shí)現(xiàn)術(shù)中的操作控制,與病人直接交互,因此,對(duì)于機(jī)器人控制系統(tǒng)的開發(fā)仍是未來脊柱外科協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域的重點(diǎn)。除此之外,將人工智能應(yīng)用于脊柱外科機(jī)器人也是未來脊柱外科機(jī)器人的發(fā)展方向。Shademan等[47]報(bào)道通過人工智能機(jī)器學(xué)習(xí),完成監(jiān)視下全自動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行的腸吻合術(shù)。當(dāng)機(jī)器的學(xué)習(xí)能力逐漸提高,手術(shù)機(jī)器人可以跟隨術(shù)者學(xué)習(xí)其行動(dòng)的偏好不斷優(yōu)化迭代,從而使自身的行動(dòng)更有效率。
下一代脊柱微創(chuàng)協(xié)作機(jī)器人的開發(fā)方向?qū)?huì)是:手術(shù)協(xié)作機(jī)器人會(huì)固定在床旁,配有2個(gè)以上的多自由度機(jī)械臂,機(jī)械臂配置外科工具來進(jìn)行經(jīng)皮置棒、置釘?shù)炔僮?。術(shù)者可以在手術(shù)臺(tái)之外,裝配上頭帶設(shè)備和視覺設(shè)備,以機(jī)械臂上攝像頭的視角來進(jìn)行AR觀看。AR可顯示釘?shù)赖?D視角以及術(shù)前和術(shù)中的圖像。除此之外,通過同步術(shù)前圖像和VR技術(shù),術(shù)者可以在患者的身體上投影出內(nèi)部結(jié)構(gòu)和需要保護(hù)的重要解剖結(jié)構(gòu)。機(jī)械手臂可以通過聲控或者其他模仿手部的控制系統(tǒng)來進(jìn)行移動(dòng),比如通過手套或者其他工具對(duì)手部動(dòng)作進(jìn)行高保真的模仿,從而進(jìn)行更為精準(zhǔn)的微創(chuàng)手術(shù)。