脊柱手术机器人进入临床已整整20年，目前主要用于辅助椎弓根螺钉植入，显著提高了植钉准确性，减少了患者和术者辐射暴露。未来，触觉反馈、自动避碰等技术的发展将进一步扩展脊柱手术机器人使用范围，有望完成减压、矫形等精准操作，为复杂脊柱手术的实施提供安全保障。
引用本文： 郝定均. 手术机器人辅助脊柱手术的发展历史和应用前景. 中国修复重建外科杂志, 2024, 38(8): 899-903. doi: 10.7507/1002-1892.202406089 复制
1987年，全球首例腹腔镜胆囊切除手术成功实施，“微创”理念正式进入临床[1-3]。鉴于其创伤小、恢复快等诸多优势，为了进一步拓展微创技术在外科领域的应用，学者们开始研究外科手术机器人[4-6]。20世纪80年代，科学家Tik San Kwoh团队成功研发了全球首款外科机器人Programmable Universal Machine for Assembly 560（PUMA560），并用于神经外科颅脑组织活检手术[7]。1988年，PUMA560成功应用于泌尿外科的前列腺组织活检手术[8]，相较于传统手术，机器人辅助技术精度显著提高。此后，更多学者投入到外科手术机器人研究工作[9]。1989年，Computer Motion公司开发了可选择性定位的自动内窥镜系统——AESOP，成为美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于临床的第一个手术机器人[10]。1999年，Intuitive Surgical公司推出了达芬奇，成为至今仍被广泛使用的手术机器人[11]。之后，手术机器人领域呈现爆炸式发展，目前已广泛应用于诸多外科亚专科，包括泌尿外科、妇科、普外科、小儿外科、心胸外科、神经外科、耳鼻喉科和骨科[11-18]。
在骨科领域，手术机器人首先用于关节外科[19]，2002年用于人工全髋关节置换术指导髋臼臼杯放置，2004年被证明可提高人工单髁置换术中假体位置准确性，此后广泛应用于关节置换、关节镜、创伤和脊柱手术[20-22]。手术机器人根据控制方式可分为3种类型，“监督控制”机器人是在外科医生完成术前规划后独立运行，外科医生不直接参与手术，全程负责监督；“远程外科”机器人则由外科医生进行远程实时控制；“共享控制”机器人由外科医生和机器人同时实时控制。目前临床应用的脊柱手术机器人均属于“共享控制”类型[23-24]。
1 脊柱手术机器人的发展历程
脊柱手术机器人的尝试始于20世纪90年代，德国航空航天中心开发的“Miro系统”和韩国智能手术系统中心开发的“SpineBot”[25-26]。遗憾的是，由于软件故障、图像不同步、机械臂偏转困难等问题，二者均未获得成功推广[27]。第一款在临床广泛应用的脊柱手术机器人为Mazor SpineAssist，2004年—2011年作为唯一一款FDA批准的脊柱手术机器人，在全球独领风骚[9，28]。2012年，其升级产品Mazor Renaissance也通过FDA批准[29]。此后，脊柱手术机器人迅速发展，多款产品进入医疗器械市场并在临床使用[30]。随着人口老龄化日益加剧，全球范围内脊柱手术量越来越多。一项2019年统计研究指出，全世界每年进行约483万例脊柱手术，其中134万例发生在美国[9]。目前FDA批准的五大脊柱手术机器人平台，除Cirq Robot（BrainLab公司）来自德国外，其他四种 ［Mazor（Medtronic Navigation公司）、Excelsius GPS（Globus Medical公司）、ROSA（Zimmer Biomet公司）和Fusion Robot（Accelus公司）］ 均来自美国。天玑骨科机器人（北京天智航医疗科技股份有限公司）是我国首款具有自主知识产权的脊柱手术机器人，目前已在临床成功应用，但是尚未获得FDA批准。
2 脊柱手术机器人的优势
2.1 植钉准确性高
研发脊柱手术机器人的初衷是提高螺钉植入准确性，现有的机器人系统均近乎完美地实现了这一目标。Fatima等[31]使用Gertzbein-Robbin植钉准确性评价方法进行了一项meta分析，包括19项研究的
2.2 辐射暴露低
使用脊柱手术机器人的另一项优势为术中辐射暴露低。Kantelhardt等[33]研究表明，相较传统手术，机器人辅助植钉时平均每枚螺钉的辐射暴露量从77 μSv下降至34 μSv。同样，Hyun等[34]发现使用机器人能使术中辐射暴露降低62.5%。也有学者指出，脊柱手术机器人的使用只降低了术者及其团队的辐射暴露量，因为术中X线扫描时医护人员均暂时离开手术室[28]。可以肯定的是，随着机器人手术技术的日趋成熟，术中辐射暴露频次和时间必然无限趋于最小[35]。
2.3 其他
除上述两大优势外，脊柱手术机器人辅助手术在对术区骨、神经、血管组织的损伤以及患者住院时间、术后并发症发生、再手术/翻修方面，均较传统徒手植钉有显著优势[36]。
尽管已有大量研究表明，与传统脊柱手术相比，脊柱手术机器人辅助植钉准确性明显提高、并发症更少，但近期一项关于脊柱融合手术的研究指出，脊柱手术机器人的使用与翻修手术、术后30 d再入院以及术后阿片类药物使用时间延长有关，并且机器人组腰椎融合术后30 d并发症发生率为17.1%，而传统组仅为12.2%[37]。值得注意的是，机器人组患者呼吸系统并发症、手术部位感染和植入物相关并发症发生风险更高，分析原因可能与手术时间较长、使用增加污染风险的额外设备以及学习曲线有关。与并发症发生率较低的研究相比，上述研究获得看似矛盾的结果，可能与机构差异、学习曲线效应和研究方法存在差异有关。因此，脊柱手术机器人临床应用的有效性及优势，仍有待大样本量、前瞻性随机对照研究进一步明确。
3 脊柱手术机器人的风险和并发症
3.1 触觉反馈欠佳
脊柱手术机器人辅助手术过程中，术者无法体验到与传统手术相当的触觉反馈，即外科医生手术过程中特有的“手感”在机器人辅助手术中无法得到充分反馈[30]。
3.2 成本高昂
手术机器人辅助脊柱手术的前期经济、时间成本均远高于传统手术。使用之前除术者外，还必须对麻醉、护理、医技等整个手术团队成员进行全面培训。此外，由于学习曲线较长，手术团队的每一位成员都需要大量病例实践才能达到一定熟练程度[38]。
3.3 特有风险：钉道漂移
手术机器人辅助脊柱手术有其独特的并发症，其中风险最高的是钉道漂移。当机器人导航系统错误绘制患者解剖结构时，程序就会发生移码，导致螺钉位置错误、器械导航不准确以及潜在的灾难性神经或血管损伤等问题。为此，术中示踪器与手术区域保持稳定的相对位置关系、定时验证器械的精度等措施，对于避免术中发生钉道漂移、确保手术安全实施至关重要[30, 39-40]。
4 脊柱手术机器人的推广应用
4.1 成本和成本效益
脊柱手术机器人价格昂贵，通常需要100万美元的前期成本，还有维护成本（每年约占机器人标价的10%），以及与一次性设备相关的成本和潜在的更长手术时间成本。虽然机器人系统成本高昂，但由于市场营销而增加的手术量、改善手术疗效的潜力和更少的并发症，可能会实现长期成本效益。脊柱手术机器人成本效益主要是通过评估设备和仪器成本与较好的手术结果和手术量增加相关的长期节省来确定。然而，关于这一主题的研究还很缺乏，需要进一步完善[41]。
4.2 制度支持
脊柱手术机器人的推广应用应建立在医疗机构全方位支持基础之上，优先安排、人员保障（专职麻醉医师、护士、医技人员、设备工程师等）、使用条件保障（温度可控的专用存储空间、电力系统等）等是开展机器人辅助脊柱手术的前提[30]。
4.3 学习曲线和培训
研究表明，脊柱手术机器人辅助下植入椎弓根螺钉的学习曲线在20～30例患者之间。辐射剂量、出血量和手术时间会随着手术例数增加而减少。随着技术的进步，最先进的脊柱手术机器人也可能在几年后淘汰，此时则需要投资更新并重新建立学习曲线。因此，对新技术实施后的结果进行仔细监测至关重要。建议加强以下方面工作：① 在手术结束时进行术中透视以验证椎弓根螺钉位置；② 在机器人相关或可能与机器人相关的并发症发生后，应及时向医院质量管理部门进行报告；③ 外科医生也可以组建脊柱手术机器人协会，以促进知识和经验的分享，鼓励讨论不良结果的开放文化，可能有助于预防潜在并发症[30]。
5 发展方向
5.1 触觉反馈系统
当前，脊柱手术机器人仅用于辅助内固定螺钉的植入，在减压、融合等相对复杂、精细的手术操作中尚未开展应用。研发触觉反馈系统不仅能显著提高机器人脊柱手术的安全性，更能极大拓展其应用范围。目前，触觉反馈系统已经应用于其他骨科手术中，比如关节成形术。最近有研究将该系统成功集成至脊柱手术机器人。随着软件算法变得越来越成熟，我们相信能实现触觉反馈系统在脊柱手术中的应用。这些系统的应用有望提高术者信心，缩短学习曲线和减少并发症，并可能支持远程操作[21, 42]。
5.2 远程手术
得益于网络技术的发展，特别是近年5G技术的普及，有关远程手术报道逐渐增多。网络技术每十年计划进行一次升级，再加上更安全和更先进的手术机器人，未来外科医生可以在手术机器人的帮助下安全地进行远程脊柱手术，这对于节约医疗资源，降低国家、政府、家庭的医疗负担具有重要意义[43]。
5.3 集成更丰富的术中影像辅助手段
目前，术中影像以X线成像为主，提供骨组织的二维/三维结构，以供术者参考。对于重要血管、神经等组织尚无术中实时成像的辅助手段。为此，有学者将术前MRI影像与术中CT结合，重建包含血管、神经以及骨组织的术区三维影像并实时反馈给术者，帮助其更好地实时观察骨骼和血管、神经等重要结构之间的关系。对于复杂脊柱疾病，如寰枢椎畸形、脊柱侧弯、脊柱肿瘤等，这项技术显著提高了手术安全性，最大程度减少了术中并发症的发生[44-47]。
5.4 自动避碰功能
手术机器人必须具备快速应对意外障碍的适应能力，智能组织自主机器人（STAR）等平台已在动物肠道吻合实验中成功应用这一功能。通过该功能，手术机器人能像外科医生一样实时调整手术计划，提高手术安全性[48-50]。
综上述，脊柱手术机器人正在迅速发展，然而谨慎操作和全程监测对于保证手术安全和治疗效果至关重要[51]。尽管脊柱手术机器人可能提高脊柱手术的安全性和效率，但应注意对于术者和初学者来说，熟练的传统手术技术是基础，完全依赖机器人技术是危险且不负责任的。
利益冲突 在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突
1987年，全球首例腹腔镜胆囊切除手术成功实施，“微创”理念正式进入临床[1-3]。鉴于其创伤小、恢复快等诸多优势，为了进一步拓展微创技术在外科领域的应用，学者们开始研究外科手术机器人[4-6]。20世纪80年代，科学家Tik San Kwoh团队成功研发了全球首款外科机器人Programmable Universal Machine for Assembly 560（PUMA560），并用于神经外科颅脑组织活检手术[7]。1988年，PUMA560成功应用于泌尿外科的前列腺组织活检手术[8]，相较于传统手术，机器人辅助技术精度显著提高。此后，更多学者投入到外科手术机器人研究工作[9]。1989年，Computer Motion公司开发了可选择性定位的自动内窥镜系统——AESOP，成为美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于临床的第一个手术机器人[10]。1999年，Intuitive Surgical公司推出了达芬奇，成为至今仍被广泛使用的手术机器人[11]。之后，手术机器人领域呈现爆炸式发展，目前已广泛应用于诸多外科亚专科，包括泌尿外科、妇科、普外科、小儿外科、心胸外科、神经外科、耳鼻喉科和骨科[11-18]。
在骨科领域，手术机器人首先用于关节外科[19]，2002年用于人工全髋关节置换术指导髋臼臼杯放置，2004年被证明可提高人工单髁置换术中假体位置准确性，此后广泛应用于关节置换、关节镜、创伤和脊柱手术[20-22]。手术机器人根据控制方式可分为3种类型，“监督控制”机器人是在外科医生完成术前规划后独立运行，外科医生不直接参与手术，全程负责监督；“远程外科”机器人则由外科医生进行远程实时控制；“共享控制”机器人由外科医生和机器人同时实时控制。目前临床应用的脊柱手术机器人均属于“共享控制”类型[23-24]。
1 脊柱手术机器人的发展历程
脊柱手术机器人的尝试始于20世纪90年代，德国航空航天中心开发的“Miro系统”和韩国智能手术系统中心开发的“SpineBot”[25-26]。遗憾的是，由于软件故障、图像不同步、机械臂偏转困难等问题，二者均未获得成功推广[27]。第一款在临床广泛应用的脊柱手术机器人为Mazor SpineAssist，2004年—2011年作为唯一一款FDA批准的脊柱手术机器人，在全球独领风骚[9，28]。2012年，其升级产品Mazor Renaissance也通过FDA批准[29]。此后，脊柱手术机器人迅速发展，多款产品进入医疗器械市场并在临床使用[30]。随着人口老龄化日益加剧，全球范围内脊柱手术量越来越多。一项2019年统计研究指出，全世界每年进行约483万例脊柱手术，其中134万例发生在美国[9]。目前FDA批准的五大脊柱手术机器人平台，除Cirq Robot（BrainLab公司）来自德国外，其他四种 ［Mazor（Medtronic Navigation公司）、Excelsius GPS（Globus Medical公司）、ROSA（Zimmer Biomet公司）和Fusion Robot（Accelus公司）］ 均来自美国。天玑骨科机器人（北京天智航医疗科技股份有限公司）是我国首款具有自主知识产权的脊柱手术机器人，目前已在临床成功应用，但是尚未获得FDA批准。
2 脊柱手术机器人的优势
2.1 植钉准确性高
研发脊柱手术机器人的初衷是提高螺钉植入准确性，现有的机器人系统均近乎完美地实现了这一目标。Fatima等[31]使用Gertzbein-Robbin植钉准确性评价方法进行了一项meta分析，包括19项研究的
2.2 辐射暴露低
使用脊柱手术机器人的另一项优势为术中辐射暴露低。Kantelhardt等[33]研究表明，相较传统手术，机器人辅助植钉时平均每枚螺钉的辐射暴露量从77 μSv下降至34 μSv。同样，Hyun等[34]发现使用机器人能使术中辐射暴露降低62.5%。也有学者指出，脊柱手术机器人的使用只降低了术者及其团队的辐射暴露量，因为术中X线扫描时医护人员均暂时离开手术室[28]。可以肯定的是，随着机器人手术技术的日趋成熟，术中辐射暴露频次和时间必然无限趋于最小[35]。
2.3 其他
除上述两大优势外，脊柱手术机器人辅助手术在对术区骨、神经、血管组织的损伤以及患者住院时间、术后并发症发生、再手术/翻修方面，均较传统徒手植钉有显著优势[36]。
尽管已有大量研究表明，与传统脊柱手术相比，脊柱手术机器人辅助植钉准确性明显提高、并发症更少，但近期一项关于脊柱融合手术的研究指出，脊柱手术机器人的使用与翻修手术、术后30 d再入院以及术后阿片类药物使用时间延长有关，并且机器人组腰椎融合术后30 d并发症发生率为17.1%，而传统组仅为12.2%[37]。值得注意的是，机器人组患者呼吸系统并发症、手术部位感染和植入物相关并发症发生风险更高，分析原因可能与手术时间较长、使用增加污染风险的额外设备以及学习曲线有关。与并发症发生率较低的研究相比，上述研究获得看似矛盾的结果，可能与机构差异、学习曲线效应和研究方法存在差异有关。因此，脊柱手术机器人临床应用的有效性及优势，仍有待大样本量、前瞻性随机对照研究进一步明确。
3 脊柱手术机器人的风险和并发症
3.1 触觉反馈欠佳
脊柱手术机器人辅助手术过程中，术者无法体验到与传统手术相当的触觉反馈，即外科医生手术过程中特有的“手感”在机器人辅助手术中无法得到充分反馈[30]。
3.2 成本高昂
手术机器人辅助脊柱手术的前期经济、时间成本均远高于传统手术。使用之前除术者外，还必须对麻醉、护理、医技等整个手术团队成员进行全面培训。此外，由于学习曲线较长，手术团队的每一位成员都需要大量病例实践才能达到一定熟练程度[38]。
3.3 特有风险：钉道漂移
手术机器人辅助脊柱手术有其独特的并发症，其中风险最高的是钉道漂移。当机器人导航系统错误绘制患者解剖结构时，程序就会发生移码，导致螺钉位置错误、器械导航不准确以及潜在的灾难性神经或血管损伤等问题。为此，术中示踪器与手术区域保持稳定的相对位置关系、定时验证器械的精度等措施，对于避免术中发生钉道漂移、确保手术安全实施至关重要[30, 39-40]。
4 脊柱手术机器人的推广应用
4.1 成本和成本效益
脊柱手术机器人价格昂贵，通常需要100万美元的前期成本，还有维护成本（每年约占机器人标价的10%），以及与一次性设备相关的成本和潜在的更长手术时间成本。虽然机器人系统成本高昂，但由于市场营销而增加的手术量、改善手术疗效的潜力和更少的并发症，可能会实现长期成本效益。脊柱手术机器人成本效益主要是通过评估设备和仪器成本与较好的手术结果和手术量增加相关的长期节省来确定。然而，关于这一主题的研究还很缺乏，需要进一步完善[41]。
4.2 制度支持
脊柱手术机器人的推广应用应建立在医疗机构全方位支持基础之上，优先安排、人员保障（专职麻醉医师、护士、医技人员、设备工程师等）、使用条件保障（温度可控的专用存储空间、电力系统等）等是开展机器人辅助脊柱手术的前提[30]。
4.3 学习曲线和培训
研究表明，脊柱手术机器人辅助下植入椎弓根螺钉的学习曲线在20～30例患者之间。辐射剂量、出血量和手术时间会随着手术例数增加而减少。随着技术的进步，最先进的脊柱手术机器人也可能在几年后淘汰，此时则需要投资更新并重新建立学习曲线。因此，对新技术实施后的结果进行仔细监测至关重要。建议加强以下方面工作：① 在手术结束时进行术中透视以验证椎弓根螺钉位置；② 在机器人相关或可能与机器人相关的并发症发生后，应及时向医院质量管理部门进行报告；③ 外科医生也可以组建脊柱手术机器人协会，以促进知识和经验的分享，鼓励讨论不良结果的开放文化，可能有助于预防潜在并发症[30]。
5 发展方向
5.1 触觉反馈系统
当前，脊柱手术机器人仅用于辅助内固定螺钉的植入，在减压、融合等相对复杂、精细的手术操作中尚未开展应用。研发触觉反馈系统不仅能显著提高机器人脊柱手术的安全性，更能极大拓展其应用范围。目前，触觉反馈系统已经应用于其他骨科手术中，比如关节成形术。最近有研究将该系统成功集成至脊柱手术机器人。随着软件算法变得越来越成熟，我们相信能实现触觉反馈系统在脊柱手术中的应用。这些系统的应用有望提高术者信心，缩短学习曲线和减少并发症，并可能支持远程操作[21, 42]。
5.2 远程手术
得益于网络技术的发展，特别是近年5G技术的普及，有关远程手术报道逐渐增多。网络技术每十年计划进行一次升级，再加上更安全和更先进的手术机器人，未来外科医生可以在手术机器人的帮助下安全地进行远程脊柱手术，这对于节约医疗资源，降低国家、政府、家庭的医疗负担具有重要意义[43]。
5.3 集成更丰富的术中影像辅助手段
目前，术中影像以X线成像为主，提供骨组织的二维/三维结构，以供术者参考。对于重要血管、神经等组织尚无术中实时成像的辅助手段。为此，有学者将术前MRI影像与术中CT结合，重建包含血管、神经以及骨组织的术区三维影像并实时反馈给术者，帮助其更好地实时观察骨骼和血管、神经等重要结构之间的关系。对于复杂脊柱疾病，如寰枢椎畸形、脊柱侧弯、脊柱肿瘤等，这项技术显著提高了手术安全性，最大程度减少了术中并发症的发生[44-47]。
5.4 自动避碰功能
手术机器人必须具备快速应对意外障碍的适应能力，智能组织自主机器人（STAR）等平台已在动物肠道吻合实验中成功应用这一功能。通过该功能，手术机器人能像外科医生一样实时调整手术计划，提高手术安全性[48-50]。
综上述，脊柱手术机器人正在迅速发展，然而谨慎操作和全程监测对于保证手术安全和治疗效果至关重要[51]。尽管脊柱手术机器人可能提高脊柱手术的安全性和效率，但应注意对于术者和初学者来说，熟练的传统手术技术是基础，完全依赖机器人技术是危险且不负责任的。
利益冲突 在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突