經(jīng)皮椎弓根釘-棒系統(tǒng)內(nèi)固定技術(shù)已成為脊柱外科主要術(shù)式之一,，已被廣泛應(yīng)用于腰椎退變性側(cè)凸、腰椎退變性失穩(wěn)及腰椎滑脫癥等多種疾病,。相較于傳統(tǒng)開放手術(shù)下置釘,，經(jīng)皮椎弓根螺釘技術(shù)有著明顯的優(yōu)點[1,2,3,4]：更少的失血，較低的術(shù)后感染率和更快的恢復(fù)時間,。然而由于脊柱解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,，在術(shù)中稍有不慎即可能損傷神經(jīng)或血管，所以在手術(shù)過程中椎弓根螺釘?shù)闹萌氡仨氉龅骄珳?zhǔn),。為了提高置釘?shù)臏?zhǔn)確性,，常需要反復(fù)進行術(shù)中透視，給患者及手術(shù)醫(yī)生帶來不可避免的輻射傷害[5,6],。術(shù)前CT及術(shù)中導(dǎo)航有助于提高置釘?shù)木?，且在一定程度上減少了輻射暴露[7,8,9]。但文獻報道當(dāng)前置釘?shù)氖÷蔬_(dá)4.1%~28%[10,11,12,13],。由于脊柱外科手術(shù)難度大,，精度要求高,，往往需要術(shù)者精神高度集中數(shù)個小時，手術(shù)醫(yī)生在疲勞狀態(tài)下操作的精準(zhǔn)度也遭遇一定的挑戰(zhàn),。近年來,，手術(shù)機器人在脊柱外科的發(fā)展可能將為這一問題帶來新的思路。
本文以"機器人",、"脊柱手術(shù)",、"螺釘置入"、"Robot",、"Spine Surgery",、"Screw Insertion"等作為檢索關(guān)鍵詞在Pubmed、Embase,、Web of Science,、CNKI、萬方數(shù)據(jù)庫進行檢索,，文獻語種限定為中文和英文,，年代不限。文獻納入標(biāo)準(zhǔn)：①文獻類型為學(xué)位論文,、期刊論文,、綜述；②文章研究內(nèi)容與機器人輔助下椎弓根螺釘置釘技術(shù)相關(guān),；③相同領(lǐng)域文章選擇近期發(fā)表或發(fā)表在權(quán)威雜志上的文章,。排除標(biāo)準(zhǔn)：①無法獲得全文的文獻；②研究目的與本文無關(guān)的文獻,；③質(zhì)量較低,，證據(jù)等級不高的文獻。最終43篇文獻納入本研究,，中文9篇,，英文34篇。
一,、外科機器人的應(yīng)用及脊柱外科機器人的萌芽
自1985年Kwoh等[14]將PUMA（Programmable Universal Machine for Assembly industrial robot）系列醫(yī)用機器人引入外科手術(shù)后,，機器人操作的精準(zhǔn)性及不易疲勞等特性已逐漸為人們所認(rèn)可。其中最知名的為Intuitive Surgical公司的達(dá)芬奇機器人,，自1997年開展首例膽囊切除術(shù)[15]之后便不斷被應(yīng)用于普外科,、泌尿外科、婦產(chǎn)科等手術(shù),，并且催生出了一系列類似的內(nèi)鏡外科機器人系統(tǒng),。但此種內(nèi)鏡機器人需要一定的操作空間，對于手術(shù)部位有著嚴(yán)格的限制,。
在脊柱外科的應(yīng)用早期局限于前路手術(shù),，2012年Beutler等[16]應(yīng)用達(dá)芬奇機器人完成了首例L5S1的ALIF手術(shù),。第一臺真正為脊柱外科手術(shù)研發(fā)的機器人為法國Sautot等[17]于1992年將PUMA機器人進行改進后推出的PUMA260。其采用激光引導(dǎo)下的機械臂結(jié)構(gòu),，結(jié)合術(shù)前CT及術(shù)中X線透視進行定位及輔助打孔,。盡管只停留于試驗階段，并未能真正的應(yīng)用于臨床,，但其創(chuàng)造性地將術(shù)前CT與術(shù)中X線透視相結(jié)合的被動導(dǎo)航系統(tǒng)引入脊柱外科機器人系統(tǒng),，并為大多數(shù)后續(xù)機器人所沿用。窘于當(dāng)時的科技水平,，2003年之前所研發(fā)的脊柱外科手術(shù)機器人大多只停留在試驗階段,，甚至有些只是提出了大致的構(gòu)想并無實物，然而正是這些嘗試為日后脊柱外科機器人的跨越性發(fā)展埋下了希望的種子,。
二,、試驗研究階段的脊柱外科機器人
近15年來涌現(xiàn)出許多優(yōu)秀的脊柱外科機器人系統(tǒng)，根據(jù)定位導(dǎo)航系統(tǒng)可分為基于被動導(dǎo)航系統(tǒng)和基于主動導(dǎo)航系統(tǒng)兩大類,。
被動導(dǎo)航系統(tǒng)在術(shù)前將患者的體位及影像學(xué)資料進行配準(zhǔn)后即可生成三維坐標(biāo)系并進行導(dǎo)航，術(shù)中無需再次進行配準(zhǔn),，如PUMA 260等,。此種導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)相對成熟且較易實現(xiàn)，在前期被廣泛應(yīng)用于脊柱機器人系統(tǒng),。然而在臨床手術(shù)中患者的椎體位置并非固定不變,，劉亞軍等[18]將光學(xué)示蹤系統(tǒng)固定于俯臥位全麻患者的背部，追蹤C3,、C7,、T7、T12,、L4及S1椎體后發(fā)現(xiàn)T7（2.26 mm）,、T12（2. 27 mm）及L4（1. 61 mm）的位移明顯高于其他節(jié)段，且前后方向的位移明顯高于左,、右及上,、下方向。對于脊柱外科機器人系統(tǒng)而言,，若無法解決因呼吸運動而帶來的椎體位移問題,，再完美的術(shù)前與術(shù)中配準(zhǔn)方案均無法做到真正的精準(zhǔn)定位。
2003年Stoianovici等[19]為解決脊柱外科機器人系統(tǒng)圖像匹配及機械臂跟蹤問題而研發(fā)了一款使用術(shù)中CT及光學(xué)追蹤系統(tǒng)的機器人Acubot,，采用6個自由度的并聯(lián)型結(jié)構(gòu),，并于機械臂末端安裝探針用于進行經(jīng)皮穿刺活檢以及神經(jīng)根及關(guān)節(jié)突封閉等操作。Acubot于2005年通過FDA認(rèn)證,，同年一項20例神經(jīng)阻滯術(shù)隨機對照試驗表明,，機器人和傳統(tǒng)徒手法的平均偏差分別為1.105 mm和1.238 mm[20],。雖然Acubot機器人最終并未能成功進入商業(yè)化，其公司也未繼續(xù)將其應(yīng)用于脊柱外科領(lǐng)域的研究,，但其作為首個基于主動導(dǎo)航系統(tǒng)的脊柱外科機器人,，為后續(xù)脊柱外科機器人的研發(fā)帶來了新的思路。
2010年韓國漢陽大學(xué)研制的SPINEBOT v2機器人[21]為具有5個自由度的串聯(lián)型機器人,，相較于其2005年所研制的采用光學(xué)追蹤系統(tǒng)的自動鉆孔型機器人SPINEBOT v1,，首次將"O"型臂術(shù)中CT引入了脊柱外科機器人系統(tǒng)，并取消鉆頭改為傳統(tǒng)的輔助導(dǎo)筒,。一項尸體研究報告SPINEBOT v2的置釘準(zhǔn)確率為92.86%（26/28）,，軸向角度的最大誤差為2.69°，平均誤差為1.33°,；橫向角度的最大誤差為2.4°,，平均誤差為0.83°[22]。Kostrzewski等[23]于2012年報告了一種專門為上頸椎椎弓根螺釘固定所研發(fā)的機器人Neuroglide,，通過尸體研究證明其在寰樞椎椎體置釘?shù)闹本€平均誤差1.94 mm,，旋轉(zhuǎn)平均誤差4. 35°。張鶴等[24]于2012年報告了一種可以在機械臂前端夾持氣鉆實現(xiàn)遙控打孔的新型機器人系統(tǒng),，經(jīng)過動物標(biāo)本驗證其打孔成功率為98.1%（53/55）,。田偉等[25]研發(fā)的天璣機器人系統(tǒng)于2016年上市，采用6個自由度串聯(lián)型結(jié)構(gòu),、光學(xué)跟蹤系統(tǒng)及3D-"C"型臂術(shù)中X線透視機,，簡化了術(shù)前計劃及術(shù)中配準(zhǔn)流程，置釘整體誤差為（1.77±0.78）mm,，可用于脊柱及創(chuàng)傷等手術(shù)[26],，已通過CFDA認(rèn)證。
盡管采用被動導(dǎo)航系統(tǒng)的機器人數(shù)量眾多,，但是真正能夠通過FDA及CE認(rèn)證,，并應(yīng)用于臨床的僅有2003年Mazor公司推出的SpineAssist機器人系統(tǒng)。而主動導(dǎo)航系統(tǒng)的機器人的代表為2014年法國Medtech公司推出的ROSA Spine,，已于2016年通過FDA及CE認(rèn)證,。
三、臨床應(yīng)用的脊柱外科機器人
（一）SpineAssist
SpineAssist于2003年由以色列Mazor公司推出,，被廣泛應(yīng)用于脊柱活檢,、脊柱側(cè)凸矯形、椎體成形術(shù)以及經(jīng)椎弓根固定等手術(shù),。該系統(tǒng)的核心部件為6個自由度的并聯(lián)型結(jié)構(gòu),，最主要的特點是擁有十分小巧的體積，直徑5 cm,，高8 cm,，重量僅為250 g[27,28],。使SpineAssist在臨床應(yīng)用中更為方便易行，幾乎可適應(yīng)所有的手術(shù)室環(huán)境,。其創(chuàng)造性地將機器人安裝于固定在患者棘突及其他骨性標(biāo)記的"T"形支架上進行定位,，機器人與患者形成相對固定的位置關(guān)系，從根源上避免了呼吸運動所致的椎體位移給定位帶來的影響,。
2011年Mazor公司又推出了名為Renaissance的新一代機器人系統(tǒng)[29],，繼續(xù)沿用SpineAssist的核心，并重新升級了術(shù)前計劃與術(shù)中操作系統(tǒng),，允許將術(shù)前計劃系統(tǒng)安裝在個人電腦中,。在新系統(tǒng)下僅需"C"型臂X線機行正、側(cè)位透視便可通過特殊的算法擬合出三維圖像,，使術(shù)前注冊過程更為簡單易行,，定位更加精準(zhǔn)。SpineAssist的手術(shù)工作流程[30]：①術(shù)前CT掃描及三維重建,，計劃植入物的最佳位置和尺寸,；②將所需的機器人安裝平臺固定到患者的骨性解剖結(jié)構(gòu)上；③使用"C"型臂X線機行正,、側(cè)位透視并與CT三維重建圖像擬合,；④將機器人安裝在平臺上，機器人自動將其臂與計劃的螺釘（或工具）軌跡配準(zhǔn),；⑤確認(rèn)位置無誤后，手持電鉆穿過由機器人臂維持的引導(dǎo)管鉆孔,，后插入導(dǎo)絲和螺釘,。
（二）ROSA Spine
ROSA Spine于2014年由法國Medtech公司推出，2016年初便獲得FDA及CE認(rèn)證,。ROSA Spine原型承襲Medtech公司為神經(jīng)外科顱腦穿刺定位所設(shè)計的機器人ROSA Brain,，不同于SpineAssist機器人小巧的造型，ROSA Spine采用了無框架的串聯(lián)型機械臂結(jié)構(gòu),，使其有著更大的操作空間及機械穩(wěn)定性,。ROSA Spine由6個自由度的機械臂、光學(xué)追蹤導(dǎo)航系統(tǒng),、機器人操作系統(tǒng)及"O"型臂導(dǎo)航系統(tǒng)所組成[31,32],。
在術(shù)前將患者、機械臂,、導(dǎo)航標(biāo)定架一同通過"O"型臂導(dǎo)航系統(tǒng)掃描后,，即可于操作平臺進行術(shù)前計劃設(shè)計，避免了二次術(shù)中透視再配準(zhǔn),。為了消除呼吸運動所致椎體位移帶來的誤差,，ROSA Spine引入了光學(xué)追蹤導(dǎo)航系統(tǒng),。通過雙光學(xué)動態(tài)攝像頭以及分別固定在患者骨性標(biāo)志、機械臂下端的導(dǎo)航標(biāo)定架將機械臂與患者椎體進行動態(tài)結(jié)合,，使機械臂可追蹤患者因呼吸運動所致的微小位移,。并且機械臂按照術(shù)前計劃移動至進釘點后，手術(shù)醫(yī)生可在"O"型臂三維實時導(dǎo)航下進行手動打孔與置釘,，更加保證了置釘?shù)臏?zhǔn)確性[31],。
四、脊柱外科機器人的臨床應(yīng)用
SpineAssist系統(tǒng)應(yīng)用于臨床已逾10年,，2010年的一項多中心,、大樣本的回顧性研究中共納入635例機器人輔助下手術(shù)，共計置入3 271枚椎弓根螺釘及導(dǎo)絲,，通過術(shù)后CT驗證,，89.3%的螺釘完全與椎弓根契合，另外9%的螺釘偏差也在2 mm以內(nèi)[33],。Hu等[34]應(yīng)用機器人進行95例脊柱畸形矯正手術(shù),，置釘準(zhǔn)確性為98. 9%（949/960）。Marcus等[35]進行了機器人輔助置釘與徒手置釘準(zhǔn)確性的回顧性對比研究,，發(fā)現(xiàn)機器人置釘成功率為94.1%（686/729）,，優(yōu)于徒手置釘?shù)?2.7%（537/579）。Keric等[36]回顧性分析24例（121枚螺釘）徒手置釘與66例（341枚螺釘）機器人輔助下置釘,，發(fā)現(xiàn)機器人組置釘準(zhǔn)確率為90%,，而徒手置釘為73.5%。翟驍?shù)萚37]在國內(nèi)首次將機器人應(yīng)用于脊柱側(cè)凸矯形術(shù),，14例置入148枚螺釘,，平均矯正率為74.9%，置釘準(zhǔn)確性為95.3%（141/148）,。
而ROSA Spine由于推出時間尚短,，雖據(jù)文獻報道已開展逾百例手術(shù)，但多半是在同一家醫(yī)院進行,，仍缺少多中心,、大樣本的研究報告來驗證其準(zhǔn)確性。Lefrance和Peltier[32]通過一項尸體研究報告ROSA Spine的準(zhǔn)確性為97.4%（37/38）,，只有1枚螺釘穿出皮質(zhì)且偏差< 1 mm,。Lonjon等[38]將ROSA Spine輔助下置釘與徒手置釘進行了20例前瞻性對照研究，顯示ROSA Spine置釘準(zhǔn)確率為97.3%,，而徒手置釘準(zhǔn)確率為92%,。一項最新研究回顧了24例ROSA Spine輔助下的TLIF手術(shù)，其置釘準(zhǔn)確率為98.9%（95/96）[31]。
五,、脊柱外科機器人存在的問題及挑戰(zhàn)
盡管有大量文獻證明機器人輔助下置釘?shù)臏?zhǔn)確性更高,，但仍有學(xué)者對脊柱外科機器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性存在疑問。Ringel等[39]通過分別使用SpineAssist及徒手置釘對60例患者共置入298枚腰骶椎椎弓根螺釘,，結(jié)果顯示兩者的手術(shù)總時間及術(shù)中輻射量差異無統(tǒng)計學(xué)意義,；然而，徒手置釘組的成功率為93%,，機器人組成功率僅為85%,，且機器人組的偏差大多數(shù)為橫向偏差。這或許是因為大多數(shù)椎弓根螺釘?shù)倪M釘點位于小關(guān)節(jié)面的斜面上,，而在存在退行性小關(guān)節(jié)肥大的情況下,，由于空間狹小不便觀察且缺乏實時阻力反饋，機器人的套筒可能因接觸斜面結(jié)構(gòu)而引起側(cè)向打滑,。這種打滑正可解釋機器人組中椎弓根螺釘?shù)钠钪饕獮闄M向偏差,。
當(dāng)前脊柱外科機器人系統(tǒng)仍然存在一些問題：①無論是SpineAssist或ROSA Spine，在臨床上的應(yīng)用仍局限于輔助定位,，最關(guān)鍵的鉆孔,、置釘依然由術(shù)者完成，未能做到真正的自動化,；②大多數(shù)文獻中機器人的置釘準(zhǔn)確性均高于徒手置釘,，但仍缺乏機器人系統(tǒng)與導(dǎo)航系統(tǒng)輔助下置釘準(zhǔn)確性的對比研究，且相較于當(dāng)前的導(dǎo)航系統(tǒng),，機器人系統(tǒng)高昂的價格也使其難以推廣,；③盡管有文獻報道應(yīng)用SpineAssist在尸體上完成一種僅使用2枚螺釘?shù)臋C器人引導(dǎo)下斜行腰椎椎體間融合術(shù)[40]，但機器人系統(tǒng)仍無法給脊柱外科手術(shù)帶來革命性的改變,。
精準(zhǔn),、微創(chuàng)醫(yī)療已成為脊柱外科手術(shù)的趨勢，手術(shù)機器人因其準(zhǔn)確性高,、穩(wěn)定性強,、學(xué)習(xí)曲線短等優(yōu)勢也越發(fā)為手術(shù)醫(yī)生所青睞,。Hu和Lieberman[41]報告使用機器人進行手術(shù)超過30例時,，術(shù)者的置釘準(zhǔn)確率即可達(dá)90%以上，且失誤率僅為0~0.8%,。Sensakovic等[42]研究表明在使用機器人系統(tǒng)時僅需更低劑量的CT掃描,，可降低84%~91%的有效劑量。Kantelhardt等[43]回顧分析了112例接受椎弓根釘-棒系統(tǒng)固定的病例,，發(fā)現(xiàn)機器人輔助下置釘準(zhǔn)確性更高,，手術(shù)輻射更少且術(shù)后不良事件的發(fā)生率似乎更低。我們希望在將來虛擬現(xiàn)實技術(shù),、增強現(xiàn)實技術(shù),、混合現(xiàn)實技術(shù)等可以被應(yīng)用于脊柱手術(shù)機器人系統(tǒng),，從而在機器人的輔助下真正做到精準(zhǔn)化、自動化及安全化,。
