引言

　　临床医生通常需要长时间技能培养和经验积累才有足够的能力参与手术，尤其是脊柱外科的手术更需要医生操作的精确性，因为细小的差错就会带来灾难性的后果。就脊柱外科最常见的椎弓根螺钉内固定技术来讲,首先需要用尖锥和开路器在椎弓根中钻出螺钉置入通道，然后才能将螺钉拧入。在这个过程中，必须保证螺钉置入通道一直在椎弓根内部。一般来讲，亚洲人种腰椎椎弓根的直径仅仅在8 mm左右,而其他椎体的椎弓根直径甚至比8 mm还要小。这也就意味着螺钉置入通道周围几毫米就是脊髓和神经根，所以整个螺钉置入过程 即使经验丰富的医生长时间精神高度集中，仍然不能保证螺钉置入的精确性和安全性。并且，医生在长时间的手术过程中不可避免会出现肌肉疲劳，这也就导致了医生在使用尖锥和开路器钻制螺钉置入 通道时发生手部肌肉颤抖，甚至引起尖锥或开路器滑移的可能。所以如何有效减少手术时间并尽可能提高螺钉置入通道的安全性和精确性是一直以来的研究方向。

　　近年来，随着计算机导航辅助技术和机械工业的发展我们已经研发出了众多的手术辅助，这些机器人大部分已经证明了其在临床领域的重要作用，比如Da Vinci Robot手术机器人系统已经广 泛地于腹腔镜手术和泌尿外科手术中。机器人具有精度高、重复性好、耐疲劳等优点。机器人的机械臂还可以转出人手腕、手指无法企及的角度，这使得手术辅助机器人在临床上具有很大的潜力，也注 定手术辅助机器人会成为外科医生的理想帮手。由于脊柱周围的复杂解剖结构，脊柱导航辅助机器人领域一直是个禁地。而如今，脊柱导航辅助机器人的研究终于取得了突破性的进展，也展示了其在辅助手术方面优良的能力。但是脊柱导航辅助机器人仍旧处于其初步发展阶段,还有很长的路要走，要完善的不足也还很多。

　　1 现状

　　应用传统方法进行椎弓根螺钉内固定技术即盲打技术进行椎弓根螺钉置入的时候,最终路径与设计最优路径发生位移大于1 mm的概率很高，在一组实验中甚至达到了37.5%。产生这么高位移率的主要原因可能是由于术中不能够时时看到开路器以及螺钉的位置所导致的。现在很多医院已经开始应用计算机辅助导航系统，以期减少椎弓根螺钉内固定手术过程中的螺钉偏移，的确应用导航系统可以有效提高椎弓根螺钉内固定术的精确性与安全性,甚至可以在椎体轴向发生旋转的情况下保证螺钉置入的精确性。但是由于手术时间较长，并且 依旧依靠医生徒手进行螺钉置入难免会受到人的生理情况限制，可能会由于颤抖和滑移导致螺钉置入精确性下降。同时医生在操作导航器械的同时还需要时时关注导航显示器上显示的器械末端的位置，这也可能会分散手术医生的精力。有一些器械以及辅助系统试图通过标记术前设计的最佳钉道来提高螺钉置入的精确性,但是由于种种限制而没有被广泛应用于临床。

　　为了解决上述问题，大量研究机构开始研发脊柱导航辅助机器人，部分脊柱导航辅助机器人已经上市,也有很多相关文章被发表。根据巳经发表的文章，与脊柱外科相关的手术辅助机器人一共有18款。这18款机器人当中被脊柱外科医生们关注最多的是以色列的SpineAssist ( 2003 年）、韩国的 SPINEBOT vl ( 2005 年）和 SPINEBOT v2 ( 2010 年）、德国的 VectorBot （2006）和瑞士的 Neuroglide（2012）。这些机器人根据结构不同又被分为基于串联系统的脊柱导航辅助机器人和基于并联系统的脊柱导航辅助机器人。

　　1.1基于串联系统的脊柱导航辅助机器人

　　顾名思义，串联式机器人的特征就是机器人的各个机械臂以串联的方式连接在一起。串联式机器人研究得较为成熟，其具有结构简单、控制简单、灵活性高、运动空间大、能够精确完成系统要求的动作等特性。串联式机器人已经成功地应用于很多领域，比如各种机床、装配车间等。在脊柱导航辅助机器人领域中，比较有代表性的串联式机器人是 SPINEBOT vl、SPINEBOT v2、VectorBot 和 Neuroglide 等。2005年韩国汉阳大学的一个研究小组展示了能够实现自动钻孔的SPINEBOT vl。SPINEBOT vl具有7个自由度，采用名为HexaView的术前设计软件，该软件可以从6个不同的角度展示患者的术前CT或MR，从而能够更精确地进行术前设计。SPINEBOT vl的光学追踪系统采用的是NDI Polaris光学组件，依靠定位球面反射的位置来确定手术器械和患者的相对位置。SPINEBOT vl还划时代地使用了呼吸运动校正系统,可以有效地减小由于患者呼吸运动所造成的器械末端定位误差。2010年展示的SPINEBOT v2虽然命名为SPINEBOT v2，但是却是一台全新设计的脊柱导航辅助机器人，这台机器人仅有5个自由度，更重要的是它的末端使用的是更为简单的器械把持装置而非SPINEBOT vl 所使用的钻孔设备,其对手术器械和患者位置的定位也改由通过双平面连续透视实现。SPINEBOT v2在尸体骨的14枚椎体上进行了 28枚螺钉的置入实验，术后CT证实28枚螺钉中的26枚（92. 86%）螺钉位置满意，平均轴向角度误差为2.45°± 2.56°,平均侧向角度误差为0.71°± 1.21°。

　　尽管基于串联系统的脊柱导航辅助机器人的尸体骨实验精度较高，但是，还是不能够达到临床要求。串联式机器人由于其串联的特征存在以下问题：①机器人体积较大，占据了手术室有限的空间，机械臂在活动过程中容易碰到手术室的其他物体。②串联机构各个机械臂的误差是叠加的，累计误差有可能导致机器人末端的定位精度降低。③串联机构只有一个底座，而随着串联机械臂的增多，器械末端的稳定性将降低，容易导致器械末端的不稳定。

　　1.2基于并联系统的脊柱导航辅助机器人

　　并联式机器人的研究与串联式机器人相比则起步较晚，但发展速度却比串联式机器人快。并联式机器人的结构决定了其具有体积小、定位精度高、状态维持性好、器械末端稳定性佳等优点。而其中最具有代表性的就是已经获得美国FDA（Food and Drug Administration ）及欧洲 CE （Communate Europpene）认证的SpineAssist。SpineAssist直径50mm，高80mm，总质量仅为250g，依靠其相互平行的6台电机而具有6个自由度，工作范围由其外伸的导向臂决定，其工作平台使用独自开发的用户交互平台，在这个平台上可以完成术前影像学数据的注册,并根据影像学数据为手术设计螺钉置入通路。 SpineAssist将术前影像学资料和术中C形臂扫描的影像学资料相互对应，从而将术前设计的螺钉置入通路导入到术中的图像中，并依靠工作平台中的操作系统进行控制置钉。SpineAssist主机平台固定在特制的T形架上，主机平台可以在这个特制的T形架上移动到手术部位，T形架上有19个可供移动位置，移动到哪个位置进行手术是由SpineAssist根据术前设计而决定的。T形架则依靠一枚克氏针和两枚骨圆针固定在棘突及两侧的髂后上棘上。术中SpineAssist依据术前影像学与术中C形臂影像学数据相对应的结果，并参照术前设计螺钉置入通路的位置和角度调整6台电机的姿态，手术医生只需要连接导向臂，并沿着导向臂所给出的方向用电钻打孔置钉即可。SpineAssist有效地提高了椎弓根螺钉内固定技术的安全性和精确性，并有效地减少了医生暴露在射线下的时间。

　　关于SpineAssist的更进一步资料可以参考之前报道过的内容。这个脊柱导航辅助机器人不仅可以用来为电钻钻制钉道做指引，还可以为尖锥及开路器提供导航，保障椎弓根螺钉内固定技术的精确性。其安全性和精确性已经经过大量体外实验和多中心临床实验所证实。体外实验中，SpineAssist 实际螺钉置入通路相较于术前设计的螺钉置入通路平均偏移1.02 mm ±0.56 mm。Hu等在95名患者身上应用SpineAssist进行椎弓根螺钉内固定术，年龄分布为12～79岁，共置钉960枚，其中949枚(98.9%)置入成功并且保证了精度。S. R. Kantelhardt也在SpineAssist地辅助下为55名患者进行了椎弓根螺钉内固定术，年龄分布为24～86岁，植入共250枚螺钉,其中置钉精确度分布在0 ～ 1级的占94. 5%，轻度偏移的也就是2级的为4.3%，中度3级偏移及重度4级偏移的比率为0.7%和0.4%，而作为对比，用传统方法置钉各个级别的偏移比率分别为91.5%、5.0%、1.9% 和 1.6%。

　　尽管并联式机器人的精度很高，也达到了临床要求，但并联式脊柱导航辅助机器人也存在着一些问题：①并联式机器人的硬件及软件设计更为复杂，设计周期更长。②的工作空间有限，尤其是绕轴位的工作范围小。

　　自从脊柱导航辅助机器人面世以来，不论是串联式或是并联式脊柱导航辅助机器人，大量的文章以及实验不断证实脊柱导航辅助机器人存在以下的优点：①减少医生和护士的辐射暴露；②螺钉置入的精确性更高；③根据术前CT提前制定手术方案；④更容易注册并减少了手术时间。

　　2 远期展望

　　脊柱导航辅助机器人的发展在脊柱外科领域是一个了不起的突破，但是还有许多问题需要进一步研究。比如如何设计更好的术前设计界面，如何更好地展现手术相关部位的影像学资料，如何使机器人更好地匹配手术部位的解剖结构等。脊柱导航辅助机器人还必须改进其在临床上的实用性，上述提到的串联式及并联式导航辅助手术机器人都存在工作空间过大或过小的问题，所以有必要解决这一问题。为了同时保障手术过程的精确度和手术操作的简单性，可以研究混联机器人，虽然目前开展的研究还不多,但其具有良好的发展前景。

　　已有的脊柱导航辅助机器人在众多的实验中已经证明了它的精确性，在临床中的应用也已经证明了其在退变椎体乃至畸形椎体进行椎弓根螺钉置入的良好效果。现在可以应用脊柱导航辅助机器人在 腰椎甚至胸椎做螺钉内固定术并实现良好的精确性，但更希望出现可以为颈椎实施手术的脊柱导航辅助机器人。 颈椎椎弓根直径仅有5～7 mm，枕颈交界区、寰枢关节及上颈椎还毗邻有复杂的解剖结构，复杂病变造成解剖结构的变化对临床医生来说仍旧是一个很大的挑战，手术过程中极易对脊髓、神经根及周围血管造成损伤，严重的甚至可能导致灾难性后果。当然这其中一部分原因是由于影像学误差及手术过程中手部肌肉的颤抖和滑移导致的，但其本质还是由于上颈椎本身过于复杂的解剖结构所导致。所以应提高颈椎手术的精确性与安全性，这还有赖于脊柱导航辅助机器人的发展。Kostrzewski已经在研究可以为颈椎实施手术的脊柱辅助机器人Neuroglide，并已经开始在尸体骨上进行试验，希望Neuroglide可以早日应用于临床。

　　脊柱导航辅助机器人发展的关键，还在于术前、术中图像的匹配精度及术中注册精度、追踪精度的提高。目前大部分机器人术前设计是依据患者术前 CT进行，再经由术中C形臂或者0形臂的扫描进行对比重叠，然后依据导航系统的NDI Polaris光学组件完成注册以及器械的追踪，但是脊柱导航辅助机器人技术却刚好被上述图像系统的成像方式所限制，通过CT、C形臂、0形臂等仪器得到的影像学数据一旦进行三维重建则都会存在一定的误差，可能会增加椎弓根螺钉置入过程中发生的偏移，同时导航系统的NDI Polaris光学组件本身也存在着精度问题，其误差在0.35mm左右。如果能够改进影像学成像系统，比如应用更好的三维成像算法并改进导航的追踪系统，甚至应用其他精度更高导航追踪系统，提高整个导航系统精度，则可以减少螺钉置入过程中发生的偏移。为了减少导航导引器与患者间的相对位移,一方面可以改进导引器的设计，使其与患者的骨性结构连接得更为紧密，另一方面还可以采用更精确的动态监控，时时修正误差来保证导航系统的精度。

　　随着脊柱导航辅助机器人的发展，可以预见不远的将来，手术过程中导航辅助机器人会占有越来越多的份额，其应用也会从初期的辅助工具慢慢过渡到可以独自完成手术的手术机器人，而临床医生的操作份额将会逐渐减少，从由一名操作者渐渐转为一名辅助手术的观察者。这种角色转换必须在机器人硬件和软件能够提供完美的安全保障的条件下才能够实现。尽管现阶段的脊柱导航辅助机器人已经表现出了很好的安全性，但是对于脊柱外科医生来说还远远不够。辅助机器人至少要有双重安全保障系统，甚至多重安全保障系统。可以应用额外的传感器比如力反馈传感器、音频传感器以及传感器来提高机器人的安全系数，这些传感器要专门设计，拥有自动防故障装置，可以根据力反馈信号的变化或者音频信号、信号的变化来判断是否发生或者即将发生错误，如穿出皮质到达椎管内，然后根据预先设定的程序强制停止机器人的活动，转由医生介入，判断是否在机器人的辅助下继续完成手术或者转换由医生亲自完成手术。还可以设计机器 人的自检软件，强制机器人在每次手术前进行精度的检验，从而保证手术过程的安全性。

　　脊柱导航辅助机器人领域是一个由软件设计、 硬件设计、用户界面设计、影像学兼容性设计等领域相互结合、相互合作而产生的医疗尖端领域，完成这样精细的脊柱导航辅助机器人要求以上各个领域的 相互合作，但是脊柱导航辅助机器人的最终使用者是医生，也只有医生知道需要导航辅助机器人在手术中起到什么作用，所以这就要求医生与上述各个领域的专家相互交流，相互促进。医学、计算机技术以及机械工业的发展促进了脊柱导航辅助机器人的发展，SpineAssist就是一个很好的例子，相信未来将会有更多脊柱导航辅助机器人出现。