手术机器人在脊柱外科的应用进展
发布日期:2018-03-20 0:00:00浏览:19
经皮椎弓根钉-棒系统内固定技术已成为脊柱外科主要术式之一,已被广泛应用于腰椎退变性侧凸、腰椎退变性失稳及腰椎滑脱症等多种疾病。相较于传统开放手术下置钉,经皮椎弓根螺钉技术有着明显的优点[1,2,3,4]:更少的失血,较低的术后感染率和更快的恢复时间。然而由于脊柱解剖结构的复杂性,在术中稍有不慎即可能损伤神经或血管,所以在手术过程中椎弓根螺钉的置入必须做到精准。为了提高置钉的准确性,常需要反复进行术中透视,给患者及手术医生带来不可避免的辐射伤害[5,6]。术前CT及术中导航有助于提高置钉的精度,且在一定程度上减少了辐射暴露[7,8,9]。但文献报道当前置钉的失败率达4.1%~28%[10,11,12,13]。由于脊柱外科手术难度大,精度要求高,往往需要术者精神高度集中数个小时,手术医生在疲劳状态下操作的精准度也遭遇一定的挑战。近年来,手术机器人在脊柱外科的发展可能将为这一问题带来新的思路。

本文以"机器人"、"脊柱手术"、"螺钉置入"、"Robot"、"Spine Surgery"、"Screw Insertion"等作为检索关键词在Pubmed、Embase、Web of Science、CNKI、万方数据库进行检索,文献语种限定为中文和英文,年代不限。文献纳入标准:①文献类型为学位论文、期刊论文、综述;②文章研究内容与机器人辅助下椎弓根螺钉置钉技术相关;③相同领域文章选择近期发表或发表在权威杂志上的文章。排除标准:①无法获得全文的文献;②研究目的与本文无关的文献;③质量较低,证据等级不高的文献。最终43篇文献纳入本研究,中文9篇,英文34篇。

一、外科机器人的应用及脊柱外科机器人的萌芽

自1985年Kwoh等[14]将PUMA(Programmable Universal Machine for Assembly industrial robot)系列医用机器人引入外科手术后,机器人操作的精准性及不易疲劳等特性已逐渐为人们所认可。其中最知名的为Intuitive Surgical大发的达芬奇机器人,自1997年开展首例胆囊切除术[15]之后便不断被应用于普外科、泌尿外科、妇产科等手术,并且催生出了一系列类似的内镜外科机器人系统。但此种内镜机器人需要一定的操作空间,对于手术部位有着严格的限制。
在脊柱外科的应用早期局限于前路手术,2012年Beutler等[16]应用达芬奇机器人完成了首例L5S1的ALIF手术。第一台真正为脊柱外科手术研发的机器人为法国Sautot等[17]于1992年将PUMA机器人进行改进后推出的PUMA260。其采用激光引导下的机械臂结构,结合术前CT及术中X线透视进行定位及辅助打孔。尽管只停留于试验阶段,并未能真正的应用于临床,但其创造性地将术前CT与术中X线透视相结合的被动导航系统引入脊柱外科机器人系统,并为大多数后续机器人所沿用。窘于当时的科技水平,2003年之前所研发的脊柱外科手术机器人大多只停留在试验阶段,甚至有些只是提出了大致的构想并无实物,然而正是这些尝试为日后脊柱外科机器人的跨越性发展埋下了希望的种子。
二、试验研究阶段的脊柱外科机器人

近15年来涌现出许多优秀的脊柱外科机器人系统,根据定位导航系统可分为基于被动导航系统和基于主动导航系统两大类。

被动导航系统在术前将患者的体位及影像学资料进行配准后即可生成三维坐标系并进行导航,术中无需再次进行配准,如PUMA 260等。此种导航系统技术相对成熟且较易实现,在前期被广泛应用于脊柱机器人系统。然而在临床手术中患者的椎体位置并非固定不变,刘亚军等[18]将光学示踪系统固定于俯卧位全麻患者的背部,追踪C3、C7、T7、T12、L4及S1椎体后发现T7(2.26 mm)、T12(2. 27 mm)及L4(1. 61 mm)的位移明显高于其他节段,且前后方向的位移明显高于左、右及上、下方向。对于脊柱外科机器人系统而言,若无法解决因呼吸运动而带来的椎体位移问题,再完美的术前与术中配准方案均无法做到真正的精准定位。
2003年Stoianovici等[19]为解决脊柱外科机器人系统图像匹配及机械臂跟踪问题而研发了一款使用术中CT及光学追踪系统的机器人Acubot,采用6个自由度的并联型结构,并于机械臂末端安装探针用于进行经皮穿刺活检以及神经根及关节突封闭等操作。Acubot于2005年通过FDA认证,同年一项20例神经阻滞术随机对照试验表明,机器人和传统徒手法的平均偏差分别为1.105 mm和1.238 mm[20]。虽然Acubot机器人最终并未能成功进入商业化,其大发也未继续将其应用于脊柱外科领域的研究,但其作为首个基于主动导航系统的脊柱外科机器人,为后续脊柱外科机器人的研发带来了新的思路。
2010年韩国汉阳大学研制的SPINEBOT v2机器人[21]为具有5个自由度的串联型机器人,相较于其2005年所研制的采用光学追踪系统的自动钻孔型机器人SPINEBOT v1,首次将"O"型臂术中CT引入了脊柱外科机器人系统,并取消钻头改为传统的辅助导筒。一项尸体研究报告SPINEBOT v2的置钉准确率为92.86%(26/28),轴向角度的最大误差为2.69°,平均误差为1.33°;横向角度的最大误差为2.4°,平均误差为0.83°[22]。Kostrzewski等[23]于2012年报告了一种专门为上颈椎椎弓根螺钉固定所研发的机器人Neuroglide,通过尸体研究证明其在寰枢椎椎体置钉的直线平均误差1.94 mm,旋转平均误差4. 35°。张鹤等[24]于2012年报告了一种可以在机械臂前端夹持气钻实现遥控打孔的新型机器人系统,经过动物标本验证其打孔成功率为98.1%(53/55)。田伟等[25]研发的天玑机器人系统于2016年上市,采用6个自由度串联型结构、光学跟踪系统及3D-"C"型臂术中X线透视机,简化了术前计划及术中配准流程,置钉整体误差为(1.77±0.78)mm,可用于脊柱及创伤等手术[26],已通过CFDA认证。
尽管采用被动导航系统的机器人数量众多,但是真正能够通过FDA及CE认证,并应用于临床的仅有2003年Mazor大发推出的SpineAssist机器人系统。而主动导航系统的机器人的代表为2014年法国Medtech大发推出的ROSA Spine,已于2016年通过FDA及CE认证。
三、临床应用的脊柱外科机器人

(一)SpineAssist

SpineAssist于2003年由以色列Mazor大发推出,被广泛应用于脊柱活检、脊柱侧凸矫形、椎体成形术以及经椎弓根固定等手术。该系统的核心部件为6个自由度的并联型结构,最主要的特点是拥有十分小巧的体积,直径5 cm,高8 cm,重量仅为250 g[27,28]。使SpineAssist在临床应用中更为方便易行,几乎可适应所有的手术室环境。其创造性地将机器人安装于固定在患者棘突及其他骨性标记的"T"形支架上进行定位,机器人与患者形成相对固定的位置关系,从根源上避免了呼吸运动所致的椎体位移给定位带来的影响。
2011年Mazor大发又推出了名为Renaissance的新一代机器人系统[29],继续沿用SpineAssist的核心,并重新升级了术前计划与术中操作系统,允许将术前计划系统安装在个人电脑中。在新系统下仅需"C"型臂X线机行正、侧位透视便可通过特殊的算法拟合出三维图像,使术前注册过程更为简单易行,定位更加精准。SpineAssist的手术工作流程[30]:①术前CT扫描及三维重建,计划植入物的最佳位置和尺寸;②将所需的机器人安装平台固定到患者的骨性解剖结构上;③使用"C"型臂X线机行正、侧位透视并与CT三维重建图像拟合;④将机器人安装在平台上,机器人自动将其臂与计划的螺钉(或工具)轨迹配准;⑤确认位置无误后,手持电钻穿过由机器人臂维持的引导管钻孔,后插入导丝和螺钉。
(二)ROSA Spine

ROSA Spine于2014年由法国Medtech大发推出,2016年初便获得FDA及CE认证。ROSA Spine原型承袭Medtech大发为神经外科颅脑穿刺定位所设计的机器人ROSA Brain,不同于SpineAssist机器人小巧的造型,ROSA Spine采用了无框架的串联型机械臂结构,使其有着更大的操作空间及机械稳定性。ROSA Spine由6个自由度的机械臂、光学追踪导航系统、机器人操作系统及"O"型臂导航系统所组成[31,32]。
在术前将患者、机械臂、导航标定架一同通过"O"型臂导航系统扫描后,即可于操作平台进行术前计划设计,避免了二次术中透视再配准。为了消除呼吸运动所致椎体位移带来的误差,ROSA Spine引入了光学追踪导航系统。通过双光学动态摄像头以及分别固定在患者骨性标志、机械臂下端的导航标定架将机械臂与患者椎体进行动态结合,使机械臂可追踪患者因呼吸运动所致的微小位移。并且机械臂按照术前计划移动至进钉点后,手术医生可在"O"型臂三维实时导航下进行手动打孔与置钉,更加保证了置钉的准确性[31]。
四、脊柱外科机器人的临床应用

SpineAssist系统应用于临床已逾10年,2010年的一项多中心、大样本的回顾性研究中共纳入635例机器人辅助下手术,共计置入3 271枚椎弓根螺钉及导丝,通过术后CT验证,89.3%的螺钉完全与椎弓根契合,另外9%的螺钉偏差也在2 mm以内[33]。Hu等[34]应用机器人进行95例脊柱畸形矫正手术,置钉准确性为98. 9%(949/960)。Marcus等[35]进行了机器人辅助置钉与徒手置钉准确性的回顾性对比研究,发现机器人置钉成功率为94.1%(686/729),优于徒手置钉的92.7%(537/579)。Keric等[36]回顾性分析24例(121枚螺钉)徒手置钉与66例(341枚螺钉)机器人辅助下置钉,发现机器人组置钉准确率为90%,而徒手置钉为73.5%。翟骁等[37]在国内首次将机器人应用于脊柱侧凸矫形术,14例置入148枚螺钉,平均矫正率为74.9%,置钉准确性为95.3%(141/148)。
而ROSA Spine由于推出时间尚短,虽据文献报道已开展逾百例手术,但多半是在同一家医院进行,仍缺少多中心、大样本的研究报告来验证其准确性。Lefrance和Peltier[32]通过一项尸体研究报告ROSA Spine的准确性为97.4%(37/38),只有1枚螺钉穿出皮质且偏差< 1 mm。Lonjon等[38]将ROSA Spine辅助下置钉与徒手置钉进行了20例前瞻性对照研究,显示ROSA Spine置钉准确率为97.3%,而徒手置钉准确率为92%。一项最新研究回顾了24例ROSA Spine辅助下的TLIF手术,其置钉准确率为98.9%(95/96)[31]。
五、脊柱外科机器人存在的问题及挑战

尽管有大量文献证明机器人辅助下置钉的准确性更高,但仍有学者对脊柱外科机器人系统的稳定性存在疑问。Ringel等[39]通过分别使用SpineAssist及徒手置钉对60例患者共置入298枚腰骶椎椎弓根螺钉,结果显示两者的手术总时间及术中辐射量差异无统计学意义;然而,徒手置钉组的成功率为93%,机器人组成功率仅为85%,且机器人组的偏差大多数为横向偏差。这或许是因为大多数椎弓根螺钉的进钉点位于小关节面的斜面上,而在存在退行性小关节肥大的情况下,由于空间狭小不便观察且缺乏实时阻力反馈,机器人的套筒可能因接触斜面结构而引起侧向打滑。这种打滑正可解释机器人组中椎弓根螺钉的偏差主要为横向偏差。
当前脊柱外科机器人系统仍然存在一些问题:①无论是SpineAssist或ROSA Spine,在临床上的应用仍局限于辅助定位,最关键的钻孔、置钉依然由术者完成,未能做到真正的自动化;②大多数文献中机器人的置钉准确性均高于徒手置钉,但仍缺乏机器人系统与导航系统辅助下置钉准确性的对比研究,且相较于当前的导航系统,机器人系统高昂的价格也使其难以推广;③尽管有文献报道应用SpineAssist在尸体上完成一种仅使用2枚螺钉的机器人引导下斜行腰椎椎体间融合术[40],但机器人系统仍无法给脊柱外科手术带来革命性的改变。
精准、微创医疗已成为脊柱外科手术的趋势,手术机器人因其准确性高、稳定性强、学习曲线短等优势也越发为手术医生所青睐。Hu和Lieberman[41]报告使用机器人进行手术超过30例时,术者的置钉准确率即可达90%以上,且失误率仅为0~0.8%。Sensakovic等[42]研究表明在使用机器人系统时仅需更低剂量的CT扫描,可降低84%~91%的有效剂量。Kantelhardt等[43]回顾分析了112例接受椎弓根钉-棒系统固定的病例,发现机器人辅助下置钉准确性更高,手术辐射更少且术后不良事件的发生率似乎更低。大发希望在将来虚拟现实技术、增强现实技术、混合现实技术等可以被应用于脊柱手术机器人系统,从而在机器人的辅助下真正做到精准化、自动化及安全化。