骨科手术机器人辅助技术在颈椎手术中的应用进展_孙文熙.pdf

实用医学杂志2023年第39卷第9期The Journal of Practical Medicine2023 Vol.39 No.9骨科手术机器人辅助技术在颈椎手术中的应用进展孙文熙1杨一帆2林锐2赵帅2刘秉新1王洪伸2李永津2陈博来21广州中医药大学第二临床医学院（广州 510405）；2广东省中医院脊柱微创中心（广州 510120）【摘要】与其他外科领域相比，手术机器人对脊柱手术相对较新。随着颈椎手术技术的发展，微创技术因创伤小、恢复快等优势被越来越多的采用，但同时带来更多的射线暴露。骨科手术机器人可以实现术中导航及辅助置钉等功能，减少术者的射线暴露，提高置钉准确率及安全性。近年来，骨科手术机器人的接受度逐渐提高，临床应用逐渐增多。本文综述骨科手术机器人在颈椎手术中的应用进展，分析现有骨科手术机器人辅助颈椎手术的研究，总结机器人技术的应用术式与疗效，并探讨未来的发展方向。【关键词】骨科手术机器人；导航；颈椎手术；微创【中图分类号】R6Application progress of orthopedic robotic assistance in cervical surgerySUN Wenxi*，YANG Yifan#，LINRui，ZHAO Shuai，LIU Bingxin，WANG Hongshen，LI Yongjin，CHEN Bolai.*Second Clinical Medical College ofGuangzhou University of Chinese Medicine，Guangzhou 510405，China；#Spinal Minimally Invasive Center，Guangdong Hospital of Traditional Chinese Medicine，Guangzhou 510120，ChinaCorresponding author：CHEN BolaiEmail：【Abstract】Compared with other surgical fields，surgical robotics is relatively new to spine surgery.Withthe development of cervical spine surgery techniques，minimally invasive techniques are being increasingly adoptedfor their advantages of less trauma and faster recovery，but at the same time bring more exposure to radiation.Theorthopaedic surgical robot allows for intraoperative navigation and assisted nail placement，reducing operator exposure to radiation and improving nail placement accuracy and safety.In recent years，the acceptance of orthopaedicsurgical robots has increased and their clinical use has grown.This article reviews the progress of orthopaedic surgical robots in cervical spine surgery，analyses existing research on orthopaedic surgical roboticassisted cervicalspine surgery，summarises the application and efficacy of robotic technology，and discusses the future direction ofdevelopment.【Key words】orthopedic robot；navigation；cervical surgery；minimally invasive综 述在过去的十年间，脊柱外科取得了重大发展，使脊柱外科更微创、更精准和更安全，并有助于减少并发症和改善患者预后。这主要得益于手术技术与理念等方面的创新，其中很重要的一项技术是骨科手术机器人。自 1985 年 PUMA 机器人参与完成了历史上第一台机器人辅助手术以来，已有 20 余款脊柱领域的机器人出现1-2。近年来，骨科手术机器人不断应用于颈椎手术中，目前常用于椎弓根螺钉置入，以提升置钉的准确性，避免损伤邻近的脊髓、神经根和椎动脉3。当今最受到关注的骨科手术机器人包括ROSA One Spine、Excelsius GPS、Mazor X、Cirq机器人和天玑骨科手术机器人等。多数骨科手术机器人的临床应用节段在胸腰椎，发挥术中导航和辅助置钉等作用，脊柱领域主流骨科手术机器人的详细信息见表 14-5。骨科手术机器人在颈椎手术中的应用尚未得到广泛探索。本文旨在分析现有骨科手术机器人辅助颈椎手术的研究，总结机器人技术的应用术式与疗效，并探讨未来发展方向。1在上颈椎手术中的应用骨科医生通常需要长时间的培养和经验积累才能够完成上颈椎螺钉内固定手术，上颈椎因解剖结构复杂、毗邻重要结构，需要极高的手术精度，而同时因骨折、先天畸形等使上颈椎解剖形态发生改变时，手术难度往往更大。寰椎钉道毗邻椎动脉、神经根和高位脊髓等重要解剖结构6。传统方法由于手术视野限制及解剖结构复杂，医doi：10.3969/j.issn.10065725.2023.09.021基金项目：国家自然科学基金（编号：82174396）；广州市科技计划项目（编号：202102010012）；广东省普通高校创新团队项目（编 号：2021KCXTD020）；广 东 省 中 医 药 局 科 研 项 目（编 号：20212068）通信作者：陈博来Email：孙文熙、杨一帆为本文共同第一作者1179实用医学杂志2023年第39卷第9期The Journal of Practical Medicine2023 Vol.39 No.9生在徒手置钉时螺钉易穿出骨皮质，导致螺钉错位或邻近组织损伤，因而对医生来说有极其陡峭的学习曲线。应用骨科手术机器人可显著提高置钉准确性，但目前仅有少量文献报道，仍缺少长期随访与进一步的临床试验验证。临床上对提高精确度的需求推动着置钉方法的不断进步，但仍无法避免椎动脉、神经根和高位脊髓损伤的风险7。应用传统方法即根据解剖标志盲打时由于不能实时看到开路器或螺钉的位置，置钉准确性无法保证。随着骨科手术机器人在上颈椎手术中的尝试应用与不断改进，目前取得了不错的成果。1.1齿状突螺钉置入术前路螺钉固定治疗齿状突骨折已被证明是有效的，适用于 AndersonDAlonzo型骨折，这种方法可保持寰枢关节的活动度，然而置钉的难度极高8。主要因螺钉的完美置入需要一个极为苛刻的角度，且深度也需严格把控。TIAN 等9在 2016 年首次报道了运用骨科手术机器人辅助实施前路齿状突螺钉固定。其运用天玑骨科手术机器人为1例61岁的Anderson 型骨折女性实施前路螺钉固定，螺钉置入的偏差为0.9 mm，没有发现术中并发症，患者在2周后的影像学结果满意。传统透视因体位因素可能需多次拍摄才能获得 C2 椎体或椎弓根轴视图10。空心钉在上颈椎椎弓根内走行通道狭窄，若初次置入的位置不理想，调整位置将变得非常困难。骨科手术机器人的应用提高了该术式的安全性和准确性。1.2机器人辅助寰枢椎螺钉内固定术后路寰枢椎内固定术通常认为是治疗寰枢椎不稳以及脱位的经典术式11。寰枢椎经关节螺钉植骨融合固定术（Magerl 技术）和 C1 侧块螺钉联合 C2 椎弓根螺钉固定术（Harms技术）是上颈椎后路内固定术中最常用的两种技术12。TIAN等7首次将骨科手术机器人应用于后路 C1C2 经关节螺钉内固定术13，其为1例43岁寰枢椎畸形的男性行骨科手术机器人辅助后路 C1C2 经关节螺钉内固定术，置钉偏差仅为0.879 8 mm，术中无并发症，术后CT未显示螺钉出现穿孔或松动。结果表明骨科手术机器人辅助置钉的准确性高。FARAH 等14首次报道使用Cirq机器人辅助经皮后路C1C2固定治疗枢椎骨折（Hangman骨折）LevineEdwardser II 型的经验，使用Cirq机器人进行后路经皮固定，术中放置了4颗螺钉，评级均为可接受，患者接受的辐射剂量为 4.13 mSv，术者接受的辐射剂量为 0mSv。机器人辅助可提高后路寰枢椎螺钉定位的准确性，并减少患者及术者的辐射暴露。AMANDA等15报道2例Excelsius GPS机器人辅助C1C2经关节螺钉内固定术，提示术中机器人辅助可提高C1C2经关节螺钉放置准确率并有助于避免损伤。夏海军等16为5例Hangman骨折在天玑骨科手术机器人辅助下经皮置入C2 椎弓根钉，其中1例 LevineEdwards I 型，4 例为 LevineEdwards 型。术中无并发症，术后复查颈椎 X 线片显示颈椎稳定性均良好，无骨折成角或移位。术后CT显示骨折均愈合，螺钉均未穿透椎弓侧壁或椎动脉孔，术后患者仅需戴颈托固定 1 个月。表明骨科手术机器人辅助可提高C2椎弓根置钉的准确性，减少并发症的发生。枢椎椎弓根内侧为颈髓，外侧及下方为椎动脉孔，一旦损伤将出现严重并发症。但传统的透视辅助方法极为依赖医生的经验和手感，难以满足寰枢椎术中的高精度和安全性要求17。骨科手术机器人可以在置钉过程中提供准确的引导，减少医患辐射暴露，降低并发症发生率。1.3机器人辅助内镜下高位颈脊髓减压术黄韧带骨化引起的颈椎管狭窄伴脊髓型颈椎病比较少见，手术通常是首选的治疗方式。以往的外科手术通常需要辅助内固定，但可能会出现一些如大创伤、术中出血、伤口感染和内固定失败等问题。表1脊柱领域主流骨科手术机器人详细信息表Tab.1Detailed information on mainstream orthopaedic surgery robots in the spine sector骨科手术机器人国家/制造商适应证范围定位精度规划模式注册许可证手术切口骨质要求天玑骨科手术机器人中国/天智航脊柱全节段 0.8 mm2D规划或3D规划无FDA2016.11 CFDA微创或开放无ROSA One Spine美国/Zimmer Biomet胸腰椎节段脊柱：1.5 mm3D规划2016.1 FDA2019.12 CFDA微创或开放无Mazor X美国/Medtronic脊柱全节段脊柱：1.0 mm3D+2D规划2015.11 FDA2021.8 CFDA微创或开放无Cirq机器人德国/BrainLab脊柱全节段未知2D规划或3D规划2020.12 FDA无CFDA微创或开放无Excelsius GPS美国/Globus Medical脊柱全节段未知2D+3D规划2017.8 FDA无CFDA微创或开放无1180实用医学杂志2023年第39卷第9期The Journal of Practical Medicine2023 Vol.39 No.9陈博来团队首次报道了一种后路经皮全内镜颈椎板切除减压术治疗上颈椎管狭窄症并发脊髓型颈椎病的新型微创手术方法18。术中使用天玑骨科手术机器人辅助下完成精准穿刺，以及切除方向和范围的精确规划（图1），手术切口缩小至1 cm，术中几乎没有出血，没有遇到术中或术后手术并发症。患者住院时间2 d，4周后恢复工作。患者术后神经功能恢复明显改善，疼痛明显减轻。这种机器人辅助微创技术可以被认为是对传统减压手术的改良，但仅局限于对穿刺点的导航与切除方向与范围的规划。图1术前骨科手术机器人规划切除方向和范围Fig.1Preoperative planning of resection direction and scope by orthopedic robot2机器人辅助颈椎弓根钉内固定术椎弓根螺钉器械的出现与广泛使用促使脊柱手术需要应用引导以提高准确性和安全性。尽管传统的透视方法方便且价格低廉，但椎弓根螺钉错位、辐射暴露和视觉引导技术促进了骨科手术机器人的发展，而骨科手术机器人在颈椎手术最早也是应用在椎弓根螺钉置入术中。吕振东等19回顾 18 例分别行天玑骨科机器人辅助与徒手置钉病例，结果显示机器人组螺钉置入精确度比徒手组更高，同时可以显著减少患者和术者射线暴露。FAN 等3研究报道了包括127例颈椎病患者的一项比较机器人辅助与常规透视颈椎螺钉固定的随机对照研究，发现机器人辅助的置钉精度优于传统透视，GertzbeinRobbins量表也显示两组置钉准确性差异有统计学意义（P0.001），但在手术时间则差异无统计学意义（P=0.525）。另一项前瞻性非随机对照试验也发现机器人辅助和常规透视辅助在颈椎置钉精度更高，失血量更少，术后住院时间更短20。FARAH等21分析在2020年7例接受Cirq机器人辅助后路颈椎及上胸椎椎弓根螺钉置入术的效果，其中机器人组 97.2%的螺钉是可接受的（GertzbeinRobbins分级为A级+B级）；透视辅组90.7%是可接受的，差异有统计学意义（P 0.01）。此外，机器人辅助组的辐射时间更少、剂量更低，但手术时间更长，而在术中失血、术后并发症则没有显著差异。有研究分析了 2006-2019 年 369 例行导航或机器人辅助颈椎手术，其中机器人手术86例，按GertzbeinRobbins分类，螺钉的优秀率为88.8%，可接受率 为 98.7%，均 未 出 现 手 术 相 关 并 发 症22。KISINDE等23回顾了12例连续接受机器人引导下颈椎弓根螺钉固定的患者的术前和术后CT扫描，所有螺钉均成功置入，未发生与颈椎弓根螺钉置1181实用医学杂志2023年第39卷第9期The Journal of Practical Medicine2023 Vol.39 No.9入相关的术中并发症。李青青等24回顾了 33 例颈椎后路天玑骨科手术机器人辅助椎弓根螺钉固定术的病例。其中上颈椎骨折脱位14例（含骨折不愈合2例），上颈椎及下颈椎同时骨折脱位1例，颈椎脊髓损伤合并椎管狭窄 2 例，颈椎管狭窄 9例，枕颈部畸形2例，颈椎病术后翻修2例，颈椎椎管内肿瘤3例。其中上颈椎置入螺钉74枚，下颈椎置入螺钉 77 枚。结果根据 Neo 分级，术后 138枚螺钉完全包含在椎弓根中，未突破椎弓根皮质且评价为Neo 0级的占91.4%（138/151）；共13枚螺钉突破椎弓根皮质，其中9枚突破外侧皮质，4枚突破内侧皮质，未发生任何与椎弓根螺钉相关的神经或血管并发症，术后无切口感染。综上，相比传统手术方式，机器人辅助颈椎弓根钉内固定术的置钉精准度及安全性更高，辐射暴露、术中并发症更少。但文献报道以病例报道与回顾性分析为主，缺少更具说服力的随机对照试验。3机器人辅助经皮内镜（Khole）颈胸段椎间盘切除术与传统技术相比，颈椎 Khole 技术应用于颈后路颈椎间盘髓核的摘除，颈椎管狭窄的扩大，可减少组织创伤、失血、感染率和手术时间25。与传统的开放手术相比，Khole 术后疼痛的减少可归因于通过更小的切口和管状牵开器进入，使肌肉剥离和回缩的手术压力减少26。微创方法的运用可以令患者更早下地行走并减少住院时间，这可能会减少并发症、降低住院费用27。然而此技术应用在颈胸段时往往会受到肩胛骨，肱骨，锁骨等的遮挡而导致定位不准，影响手术的定位。其临床运用骨科手术机器人规划穿刺靶点与置管方向，术中执行穿刺精准置管，可提高Khole手术的精准度和效率。ABCDE注：A，冠状位CT规划图；B，横断位CT规划图；C，矢状位CT规划图；D，机器人辅助手术侧面外观；E，机器人辅助手术正面外观图2骨科手术机器人进行术前规划与术中导航Fig.2Orthopaedic surgery robot for preoperative planning and intraoperative navigation4机器人辅助椎管扩大成形术后纵韧带骨化（OPLL）是后纵韧带（PLL）部位板层骨沉积的病理过程，可导致颈椎活动范围减小和脊髓受压。OPLL 中受压的颈脊髓可以使用前路、后路或前后路联合策略进行减压。大多数外科医生选择后路入路，因前路直接移除后纵韧带有撕破硬脊膜、创伤过大的风险，后路间接减压手术可安全地为脊髓创造后方的空间，最大限度地使脊髓避免受到压迫28。传统的后路单开门椎管扩大成形术存在着开门和门轴的位置选择困难及后方肌肉广泛剥离、开门角度不能监测、术后发生轴性疼痛等多种问题29，而骨科手术机器人的使用可以在术中降低这些问题产生的风险。1182实用医学杂志2023年第39卷第9期The Journal of Practical Medicine2023 Vol.39 No.9郑益新等30为 21 例多节段脊髓型颈椎病患者行天玑骨科手术机器人辅助的后入路颈椎单开门椎管扩大成形术，全部患者临床症状均有改善（P 0.05），术后改善率（60.4 29.6）%。患者术后6个月CT提示椎管得到充分扩大减压，门轴侧骨性融合。提示骨科手术机器人辅助下的颈椎单开门椎管扩大成形术，各项操作更加安全可行，临床效果确切。5总结与展望骨科机器人目前在颈椎手术中主要应用于钉道的导航和穿刺路径的规划。纳入的文献显示机器人辅助置钉的准确性优于传统徒手置钉。传统置钉手术依赖骨科医生的经验，有研究显示不同熟练程度的医生在螺钉置入的准确性方面明显差异31。虽然透视仍然是颈椎置钉广泛采用的方法，但手术技术的进步已经使术者以更高的精度置入螺钉。一项荟萃分析显示透视技术、导航技术和机器人辅助技术相比较，置钉准确性在逐步提高33。此外，不同患者之间如椎弓根更细的儿童、椎弓根发育异常畸形的患者等存在着生理差异，即使是经验丰富的医生面对此类病人时，徒手置钉出现差错的风险增高。骨科手术机器人的优势在于可以提供稳定精准的置钉导航指引，消除因颈椎手术经验的差异及医生精神状态的差异（如疲劳等）产生的置钉偏差。机器人辅助置钉辐射暴露更少、并发症发生概率更低。依据相关文献同样可以发现骨科手术机器人可以减少术中辐射量。这因为术前充分规划减少了术中放射线透视的次数，术中只需根据骨科手术机器人套管指引的方向置入椎弓根螺钉即可34。同时机器人辅助微创手术减小了手术切口，降低了感染风险，避免了长时间肌肉牵开的可能，这有利于减轻术后疼痛，缩短住院时间。未来通过骨科手术机器人的精准指引和医生熟练的使用，手术时间依然可以进一步的缩短。然而，骨科手术机器人目前仍然面临着一些局限。尽管机器人辅助置钉具有较高的椎弓根螺钉置入精度，但螺钉放置的更精确并不等同于更好的病人结果。有研究发现一些螺钉位置等级较差的患者在随访期间没有相应的临床症状20。值得注意的是，徒手放置螺钉的准确性很大程度上取决于外科医生的经验和对术中透视结果的认识，有经验的外科医生可以更有效和安全地插入螺钉。此外，充分的神经减压是确保治疗效果的关键；然而，机器人对手术的减压操作不能提供实质性的帮助。临床应用大多集中在钉道的导航和穿刺路径的规划方面。现阶段，只有少量的机器人辅助椎体成形术和脊柱内窥镜手术的案例被报道。尽管机器人在螺钉置入方面表现出色，但骨科机器人仍存在前期规划时间长、操作不稳定、定位螺钉横向滑移等问题亟须解决35。未来，通过优化准备过程和熟练使用机器人，仍可进一步缩短手术时间。此外，骨科手术机器人的学习及使用成本也值得关注。有研究显示一个医生熟练掌握骨科手术机器人辅助脊柱手术大约需要 25 例左右的操作练习36。使用骨科手术机器人会增加患者的治疗费用，效费比仍然需要进一步的观察37。另一个重要的观点认为骨科手术机器人置钉准确性的研究相对较少，并且在大多数情况下是回顾性的，骨科手术机器人在颈椎手术中的应用仍处于早期阶段2，38。骨科手术机器人的主要优势表现在钉道的导航和穿刺路径的规划的准确性与安全性。然而，这些优势是否带来更好的临床疗效值得进一步研究。如何合理地扩大骨科手术机器人的应用范围，如机器人辅助脊柱减压和肿瘤切除，是骨科手术机器人发展方向，同时应该更加关注疗效、并发症和成本效益比等方面。机器人系统仍然需要进一步整合，以实现自动注册，和自动规划手术路径，并提高骨科手术机器人的自动化和智能化。未来仍需进行大型多中心、高质量、有统一指标的随机对照试验，以提供更有力的证据。【Author contributions】SUN Wenxi and YANG Yifan write original draft，conceptualization，methodology；LIN Rui makes data curation，visualization；ZHAO Shuai makes data curation；LIU Bingxinmakes visualization；WANG Hongshen acquire funding acquisition；LI Yongjin makes project administration；CHEN Bolai writes reviewing and editing，funding acquisition，project administration.参考文献1LEAL GHEZZI T，CAMPOS CORLETA O.30 Years of RoboticSurgeryJ.World J Surg，2016，40（10）：25502557.2ZHANG Q，HAN X，XU Y，et al.Robotic navigation duringspine surgeryJ.Expert Rev Med Devices，2020，17（1）：2732.3FAN M，LIU Y，HE D，et al.Improved Accuracy of CervicalSpinal Surgery With 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