脊柱手術機器人進入臨床已整整20年，目前主要用于輔助椎弓根螺釘植入，顯著提高了植釘準確性，減少了患者和術者輻射暴露。未來，觸覺反饋、自動避碰等技術的發展將進一步擴展脊柱手術機器人使用范圍，有望完成減壓、矯形等精準操作，為復雜脊柱手術的實施提供安全保障。
引用本文： 郝定均. 手術機器人輔助脊柱手術的發展歷史和應用前景. 中國修復重建外科雜志, 2024, 38(8): 899-903. doi: 10.7507/1002-1892.202406089 復制
版權信息： ?四川大學華西醫院華西期刊社《中國修復重建外科雜志》版權所有，未經授權不得轉載、改編
1987年，全球首例腹腔鏡膽囊切除手術成功實施，“微創”理念正式進入臨床[1-3]。鑒于其創傷小、恢復快等諸多優勢，為了進一步拓展微創技術在外科領域的應用，學者們開始研究外科手術機器人[4-6]。20世紀80年代，科學家Tik San Kwoh團隊成功研發了全球首款外科機器人Programmable Universal Machine for Assembly 560（PUMA560），并用于神經外科顱腦組織活檢手術[7]。1988年，PUMA560成功應用于泌尿外科的前列腺組織活檢手術[8]，相較于傳統手術，機器人輔助技術精度顯著提高。此后，更多學者投入到外科手術機器人研究工作[9]。1989年，Computer Motion公司開發了可選擇性定位的自動內窺鏡系統——AESOP，成為美國食品藥品監督管理局（FDA）批準用于臨床的第一個手術機器人[10]。1999年，Intuitive Surgical公司推出了達芬奇，成為至今仍被廣泛使用的手術機器人[11]。之后，手術機器人領域呈現爆炸式發展，目前已廣泛應用于諸多外科亞專科，包括泌尿外科、婦科、普外科、小兒外科、心胸外科、神經外科、耳鼻喉科和骨科[11-18]。
在骨科領域，手術機器人首先用于關節外科[19]，2002年用于人工全髖關節置換術指導髖臼臼杯放置，2004年被證明可提高人工單髁置換術中假體位置準確性，此后廣泛應用于關節置換、關節鏡、創傷和脊柱手術[20-22]。手術機器人根據控制方式可分為3種類型，“監督控制”機器人是在外科醫生完成術前規劃后獨立運行，外科醫生不直接參與手術，全程負責監督；“遠程外科”機器人則由外科醫生進行遠程實時控制；“共享控制”機器人由外科醫生和機器人同時實時控制。目前臨床應用的脊柱手術機器人均屬于“共享控制”類型[23-24]。
1 脊柱手術機器人的發展歷程
脊柱手術機器人的嘗試始于20世紀90年代，德國航空航天中心開發的“Miro系統”和韓國智能手術系統中心開發的“SpineBot”[25-26]。遺憾的是，由于軟件故障、圖像不同步、機械臂偏轉困難等問題，二者均未獲得成功推廣[27]。第一款在臨床廣泛應用的脊柱手術機器人為Mazor SpineAssist，2004年—2011年作為唯一一款FDA批準的脊柱手術機器人，在全球獨領風騷[9，28]。2012年，其升級產品Mazor Renaissance也通過FDA批準[29]。此后，脊柱手術機器人迅速發展，多款產品進入醫療器械市場并在臨床使用[30]。隨著人口老齡化日益加劇，全球范圍內脊柱手術量越來越多。一項2019年統計研究指出，全世界每年進行約483萬例脊柱手術，其中134萬例發生在美國[9]。目前FDA批準的五大脊柱手術機器人平臺，除Cirq Robot（BrainLab公司）來自德國外，其他四種 ［Mazor（Medtronic Navigation公司）、Excelsius GPS（Globus Medical公司）、ROSA（Zimmer Biomet公司）和Fusion Robot（Accelus公司）］ 均來自美國。天璣骨科機器人（北京天智航醫療科技股份有限公司）是我國首款具有自主知識產權的脊柱手術機器人，目前已在臨床成功應用，但是尚未獲得FDA批準。
2 脊柱手術機器人的優勢
2.1 植釘準確性高
研發脊柱手術機器人的初衷是提高螺釘植入準確性，現有的機器人系統均近乎完美地實現了這一目標。Fatima等[31]使用Gertzbein-Robbin植釘準確性評價方法進行了一項meta分析，包括19項研究的
2.2 輻射暴露低
使用脊柱手術機器人的另一項優勢為術中輻射暴露低。Kantelhardt等[33]研究表明，相較傳統手術，機器人輔助植釘時平均每枚螺釘的輻射暴露量從77 μSv下降至34 μSv。同樣，Hyun等[34]發現使用機器人能使術中輻射暴露降低62.5%。也有學者指出，脊柱手術機器人的使用只降低了術者及其團隊的輻射暴露量，因為術中X線掃描時醫護人員均暫時離開手術室[28]。可以肯定的是，隨著機器人手術技術的日趨成熟，術中輻射暴露頻次和時間必然無限趨于最小[35]。
2.3 其他
除上述兩大優勢外，脊柱手術機器人輔助手術在對術區骨、神經、血管組織的損傷以及患者住院時間、術后并發癥發生、再手術/翻修方面，均較傳統徒手植釘有顯著優勢[36]。
盡管已有大量研究表明，與傳統脊柱手術相比，脊柱手術機器人輔助植釘準確性明顯提高、并發癥更少，但近期一項關于脊柱融合手術的研究指出，脊柱手術機器人的使用與翻修手術、術后30 d再入院以及術后阿片類藥物使用時間延長有關，并且機器人組腰椎融合術后30 d并發癥發生率為17.1%，而傳統組僅為12.2%[37]。值得注意的是，機器人組患者呼吸系統并發癥、手術部位感染和植入物相關并發癥發生風險更高，分析原因可能與手術時間較長、使用增加污染風險的額外設備以及學習曲線有關。與并發癥發生率較低的研究相比，上述研究獲得看似矛盾的結果，可能與機構差異、學習曲線效應和研究方法存在差異有關。因此，脊柱手術機器人臨床應用的有效性及優勢，仍有待大樣本量、前瞻性隨機對照研究進一步明確。
3 脊柱手術機器人的風險和并發癥
3.1 觸覺反饋欠佳
脊柱手術機器人輔助手術過程中，術者無法體驗到與傳統手術相當的觸覺反饋，即外科醫生手術過程中特有的“手感”在機器人輔助手術中無法得到充分反饋[30]。
3.2 成本高昂
手術機器人輔助脊柱手術的前期經濟、時間成本均遠高于傳統手術。使用之前除術者外，還必須對麻醉、護理、醫技等整個手術團隊成員進行全面培訓。此外，由于學習曲線較長，手術團隊的每一位成員都需要大量病例實踐才能達到一定熟練程度[38]。
3.3 特有風險：釘道漂移
手術機器人輔助脊柱手術有其獨特的并發癥，其中風險最高的是釘道漂移。當機器人導航系統錯誤繪制患者解剖結構時，程序就會發生移碼，導致螺釘位置錯誤、器械導航不準確以及潛在的災難性神經或血管損傷等問題。為此，術中示蹤器與手術區域保持穩定的相對位置關系、定時驗證器械的精度等措施，對于避免術中發生釘道漂移、確保手術安全實施至關重要[30, 39-40]。
4 脊柱手術機器人的推廣應用
4.1 成本和成本效益
脊柱手術機器人價格昂貴，通常需要100萬美元的前期成本，還有維護成本（每年約占機器人標價的10%），以及與一次性設備相關的成本和潛在的更長手術時間成本。雖然機器人系統成本高昂，但由于市場營銷而增加的手術量、改善手術療效的潛力和更少的并發癥，可能會實現長期成本效益。脊柱手術機器人成本效益主要是通過評估設備和儀器成本與較好的手術結果和手術量增加相關的長期節省來確定。然而，關于這一主題的研究還很缺乏，需要進一步完善[41]。
4.2 制度支持
脊柱手術機器人的推廣應用應建立在醫療機構全方位支持基礎之上，優先安排、人員保障（專職麻醉醫師、護士、醫技人員、設備工程師等）、使用條件保障（溫度可控的專用存儲空間、電力系統等）等是開展機器人輔助脊柱手術的前提[30]。
4.3 學習曲線和培訓
研究表明，脊柱手術機器人輔助下植入椎弓根螺釘的學習曲線在20～30例患者之間。輻射劑量、出血量和手術時間會隨著手術例數增加而減少。隨著技術的進步，最先進的脊柱手術機器人也可能在幾年后淘汰，此時則需要投資更新并重新建立學習曲線。因此，對新技術實施后的結果進行仔細監測至關重要。建議加強以下方面工作：① 在手術結束時進行術中透視以驗證椎弓根螺釘位置；② 在機器人相關或可能與機器人相關的并發癥發生后，應及時向醫院質量管理部門進行報告；③ 外科醫生也可以組建脊柱手術機器人協會，以促進知識和經驗的分享，鼓勵討論不良結果的開放文化，可能有助于預防潛在并發癥[30]。
5 發展方向
5.1 觸覺反饋系統
當前，脊柱手術機器人僅用于輔助內固定螺釘的植入，在減壓、融合等相對復雜、精細的手術操作中尚未開展應用。研發觸覺反饋系統不僅能顯著提高機器人脊柱手術的安全性，更能極大拓展其應用范圍。目前，觸覺反饋系統已經應用于其他骨科手術中，比如關節成形術。最近有研究將該系統成功集成至脊柱手術機器人。隨著軟件算法變得越來越成熟，我們相信能實現觸覺反饋系統在脊柱手術中的應用。這些系統的應用有望提高術者信心，縮短學習曲線和減少并發癥，并可能支持遠程操作[21, 42]。
5.2 遠程手術
得益于網絡技術的發展，特別是近年5G技術的普及，有關遠程手術報道逐漸增多。網絡技術每十年計劃進行一次升級，再加上更安全和更先進的手術機器人，未來外科醫生可以在手術機器人的幫助下安全地進行遠程脊柱手術，這對于節約醫療資源，降低國家、政府、家庭的醫療負擔具有重要意義[43]。
5.3 集成更豐富的術中影像輔助手段
目前，術中影像以X線成像為主，提供骨組織的二維/三維結構，以供術者參考。對于重要血管、神經等組織尚無術中實時成像的輔助手段。為此，有學者將術前MRI影像與術中CT結合，重建包含血管、神經以及骨組織的術區三維影像并實時反饋給術者，幫助其更好地實時觀察骨骼和血管、神經等重要結構之間的關系。對于復雜脊柱疾病，如寰樞椎畸形、脊柱側彎、脊柱腫瘤等，這項技術顯著提高了手術安全性，最大程度減少了術中并發癥的發生[44-47]。
5.4 自動避碰功能
手術機器人必須具備快速應對意外障礙的適應能力，智能組織自主機器人（STAR）等平臺已在動物腸道吻合實驗中成功應用這一功能。通過該功能，手術機器人能像外科醫生一樣實時調整手術計劃，提高手術安全性[48-50]。
綜上述，脊柱手術機器人正在迅速發展，然而謹慎操作和全程監測對于保證手術安全和治療效果至關重要[51]。盡管脊柱手術機器人可能提高脊柱手術的安全性和效率，但應注意對于術者和初學者來說，熟練的傳統手術技術是基礎，完全依賴機器人技術是危險且不負責任的。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突
1987年，全球首例腹腔鏡膽囊切除手術成功實施，“微創”理念正式進入臨床[1-3]。鑒于其創傷小、恢復快等諸多優勢，為了進一步拓展微創技術在外科領域的應用，學者們開始研究外科手術機器人[4-6]。20世紀80年代，科學家Tik San Kwoh團隊成功研發了全球首款外科機器人Programmable Universal Machine for Assembly 560（PUMA560），并用于神經外科顱腦組織活檢手術[7]。1988年，PUMA560成功應用于泌尿外科的前列腺組織活檢手術[8]，相較于傳統手術，機器人輔助技術精度顯著提高。此后，更多學者投入到外科手術機器人研究工作[9]。1989年，Computer Motion公司開發了可選擇性定位的自動內窺鏡系統——AESOP，成為美國食品藥品監督管理局（FDA）批準用于臨床的第一個手術機器人[10]。1999年，Intuitive Surgical公司推出了達芬奇，成為至今仍被廣泛使用的手術機器人[11]。之后，手術機器人領域呈現爆炸式發展，目前已廣泛應用于諸多外科亞專科，包括泌尿外科、婦科、普外科、小兒外科、心胸外科、神經外科、耳鼻喉科和骨科[11-18]。
在骨科領域，手術機器人首先用于關節外科[19]，2002年用于人工全髖關節置換術指導髖臼臼杯放置，2004年被證明可提高人工單髁置換術中假體位置準確性，此后廣泛應用于關節置換、關節鏡、創傷和脊柱手術[20-22]。手術機器人根據控制方式可分為3種類型，“監督控制”機器人是在外科醫生完成術前規劃后獨立運行，外科醫生不直接參與手術，全程負責監督；“遠程外科”機器人則由外科醫生進行遠程實時控制；“共享控制”機器人由外科醫生和機器人同時實時控制。目前臨床應用的脊柱手術機器人均屬于“共享控制”類型[23-24]。
1 脊柱手術機器人的發展歷程
脊柱手術機器人的嘗試始于20世紀90年代，德國航空航天中心開發的“Miro系統”和韓國智能手術系統中心開發的“SpineBot”[25-26]。遺憾的是，由于軟件故障、圖像不同步、機械臂偏轉困難等問題，二者均未獲得成功推廣[27]。第一款在臨床廣泛應用的脊柱手術機器人為Mazor SpineAssist，2004年—2011年作為唯一一款FDA批準的脊柱手術機器人，在全球獨領風騷[9，28]。2012年，其升級產品Mazor Renaissance也通過FDA批準[29]。此后，脊柱手術機器人迅速發展，多款產品進入醫療器械市場并在臨床使用[30]。隨著人口老齡化日益加劇，全球范圍內脊柱手術量越來越多。一項2019年統計研究指出，全世界每年進行約483萬例脊柱手術，其中134萬例發生在美國[9]。目前FDA批準的五大脊柱手術機器人平臺，除Cirq Robot（BrainLab公司）來自德國外，其他四種 ［Mazor（Medtronic Navigation公司）、Excelsius GPS（Globus Medical公司）、ROSA（Zimmer Biomet公司）和Fusion Robot（Accelus公司）］ 均來自美國。天璣骨科機器人（北京天智航醫療科技股份有限公司）是我國首款具有自主知識產權的脊柱手術機器人，目前已在臨床成功應用，但是尚未獲得FDA批準。
2 脊柱手術機器人的優勢
2.1 植釘準確性高
研發脊柱手術機器人的初衷是提高螺釘植入準確性，現有的機器人系統均近乎完美地實現了這一目標。Fatima等[31]使用Gertzbein-Robbin植釘準確性評價方法進行了一項meta分析，包括19項研究的
2.2 輻射暴露低
使用脊柱手術機器人的另一項優勢為術中輻射暴露低。Kantelhardt等[33]研究表明，相較傳統手術，機器人輔助植釘時平均每枚螺釘的輻射暴露量從77 μSv下降至34 μSv。同樣，Hyun等[34]發現使用機器人能使術中輻射暴露降低62.5%。也有學者指出，脊柱手術機器人的使用只降低了術者及其團隊的輻射暴露量，因為術中X線掃描時醫護人員均暫時離開手術室[28]。可以肯定的是，隨著機器人手術技術的日趨成熟，術中輻射暴露頻次和時間必然無限趨于最小[35]。
2.3 其他
除上述兩大優勢外，脊柱手術機器人輔助手術在對術區骨、神經、血管組織的損傷以及患者住院時間、術后并發癥發生、再手術/翻修方面，均較傳統徒手植釘有顯著優勢[36]。
盡管已有大量研究表明，與傳統脊柱手術相比，脊柱手術機器人輔助植釘準確性明顯提高、并發癥更少，但近期一項關于脊柱融合手術的研究指出，脊柱手術機器人的使用與翻修手術、術后30 d再入院以及術后阿片類藥物使用時間延長有關，并且機器人組腰椎融合術后30 d并發癥發生率為17.1%，而傳統組僅為12.2%[37]。值得注意的是，機器人組患者呼吸系統并發癥、手術部位感染和植入物相關并發癥發生風險更高，分析原因可能與手術時間較長、使用增加污染風險的額外設備以及學習曲線有關。與并發癥發生率較低的研究相比，上述研究獲得看似矛盾的結果，可能與機構差異、學習曲線效應和研究方法存在差異有關。因此，脊柱手術機器人臨床應用的有效性及優勢，仍有待大樣本量、前瞻性隨機對照研究進一步明確。
3 脊柱手術機器人的風險和并發癥
3.1 觸覺反饋欠佳
脊柱手術機器人輔助手術過程中，術者無法體驗到與傳統手術相當的觸覺反饋，即外科醫生手術過程中特有的“手感”在機器人輔助手術中無法得到充分反饋[30]。
3.2 成本高昂
手術機器人輔助脊柱手術的前期經濟、時間成本均遠高于傳統手術。使用之前除術者外，還必須對麻醉、護理、醫技等整個手術團隊成員進行全面培訓。此外，由于學習曲線較長，手術團隊的每一位成員都需要大量病例實踐才能達到一定熟練程度[38]。
3.3 特有風險：釘道漂移
手術機器人輔助脊柱手術有其獨特的并發癥，其中風險最高的是釘道漂移。當機器人導航系統錯誤繪制患者解剖結構時，程序就會發生移碼，導致螺釘位置錯誤、器械導航不準確以及潛在的災難性神經或血管損傷等問題。為此，術中示蹤器與手術區域保持穩定的相對位置關系、定時驗證器械的精度等措施，對于避免術中發生釘道漂移、確保手術安全實施至關重要[30, 39-40]。
4 脊柱手術機器人的推廣應用
4.1 成本和成本效益
脊柱手術機器人價格昂貴，通常需要100萬美元的前期成本，還有維護成本（每年約占機器人標價的10%），以及與一次性設備相關的成本和潛在的更長手術時間成本。雖然機器人系統成本高昂，但由于市場營銷而增加的手術量、改善手術療效的潛力和更少的并發癥，可能會實現長期成本效益。脊柱手術機器人成本效益主要是通過評估設備和儀器成本與較好的手術結果和手術量增加相關的長期節省來確定。然而，關于這一主題的研究還很缺乏，需要進一步完善[41]。
4.2 制度支持
脊柱手術機器人的推廣應用應建立在醫療機構全方位支持基礎之上，優先安排、人員保障（專職麻醉醫師、護士、醫技人員、設備工程師等）、使用條件保障（溫度可控的專用存儲空間、電力系統等）等是開展機器人輔助脊柱手術的前提[30]。
4.3 學習曲線和培訓
研究表明，脊柱手術機器人輔助下植入椎弓根螺釘的學習曲線在20～30例患者之間。輻射劑量、出血量和手術時間會隨著手術例數增加而減少。隨著技術的進步，最先進的脊柱手術機器人也可能在幾年后淘汰，此時則需要投資更新并重新建立學習曲線。因此，對新技術實施后的結果進行仔細監測至關重要。建議加強以下方面工作：① 在手術結束時進行術中透視以驗證椎弓根螺釘位置；② 在機器人相關或可能與機器人相關的并發癥發生后，應及時向醫院質量管理部門進行報告；③ 外科醫生也可以組建脊柱手術機器人協會，以促進知識和經驗的分享，鼓勵討論不良結果的開放文化，可能有助于預防潛在并發癥[30]。
5 發展方向
5.1 觸覺反饋系統
當前，脊柱手術機器人僅用于輔助內固定螺釘的植入，在減壓、融合等相對復雜、精細的手術操作中尚未開展應用。研發觸覺反饋系統不僅能顯著提高機器人脊柱手術的安全性，更能極大拓展其應用范圍。目前，觸覺反饋系統已經應用于其他骨科手術中，比如關節成形術。最近有研究將該系統成功集成至脊柱手術機器人。隨著軟件算法變得越來越成熟，我們相信能實現觸覺反饋系統在脊柱手術中的應用。這些系統的應用有望提高術者信心，縮短學習曲線和減少并發癥，并可能支持遠程操作[21, 42]。
5.2 遠程手術
得益于網絡技術的發展，特別是近年5G技術的普及，有關遠程手術報道逐漸增多。網絡技術每十年計劃進行一次升級，再加上更安全和更先進的手術機器人，未來外科醫生可以在手術機器人的幫助下安全地進行遠程脊柱手術，這對于節約醫療資源，降低國家、政府、家庭的醫療負擔具有重要意義[43]。
5.3 集成更豐富的術中影像輔助手段
目前，術中影像以X線成像為主，提供骨組織的二維/三維結構，以供術者參考。對于重要血管、神經等組織尚無術中實時成像的輔助手段。為此，有學者將術前MRI影像與術中CT結合，重建包含血管、神經以及骨組織的術區三維影像并實時反饋給術者，幫助其更好地實時觀察骨骼和血管、神經等重要結構之間的關系。對于復雜脊柱疾病，如寰樞椎畸形、脊柱側彎、脊柱腫瘤等，這項技術顯著提高了手術安全性，最大程度減少了術中并發癥的發生[44-47]。
5.4 自動避碰功能
手術機器人必須具備快速應對意外障礙的適應能力，智能組織自主機器人（STAR）等平臺已在動物腸道吻合實驗中成功應用這一功能。通過該功能，手術機器人能像外科醫生一樣實時調整手術計劃，提高手術安全性[48-50]。
綜上述，脊柱手術機器人正在迅速發展，然而謹慎操作和全程監測對于保證手術安全和治療效果至關重要[51]。盡管脊柱手術機器人可能提高脊柱手術的安全性和效率，但應注意對于術者和初學者來說，熟練的傳統手術技術是基礎，完全依賴機器人技術是危險且不負責任的。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突