1.1.1 半主动型 以美国MAKO公司的RIO机器人为代表(图1), 其主要特点为依靠力学反馈进行工作, 主要操作步骤如下:首先术前对患者手术区域的CT图像进行3D重建, 然后在电脑上进行手术路径规划, 继而在术中通过光电设备进行导航, 在操作过程中需要医师全程进行手扶操作, 若偏离手术路径则引发力学反馈从而对机械臂进行制动, 避免不必要的损伤。

图1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 RIO机器人系统样图

1.1.2 主动型 典型代表为用于人工关节置换的Robodoc手术机器人(图2)^[3], 其操作原理是在规划好手术路径后, 连接机器人本体设备, 随后机器人便可自行进行切割磨削工作。术中无需医师进行操作, 但需要医师全程监控, 以便在出现意外时及时干预。

图2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 Robodoc手术机器人

1.1.3 被动型 主要代表是美国Stryker-Nav和德国的Brain-Lab手术机器人, 即计算机辅助影像导航手术设备。通过红外线追踪影像导航方式, 采用被动式光电导航手术系统辅助徒手操作手术, 可应用于任何术中借助导航图像定位的骨科手术, 但只能完成特定的定位操作步骤, 故临床应用较为局限。

1.2.1 关节 第1台机器人操作的骨科手术是由Robodoc机器人系统完成, 在其引导下进行了全髋关节置换术^[4]。Robodoc机器人系统主要用于全髋关节成形术、全膝关节成形术。就全髋关节成形术而言, 相对于传统手术操作, 在X线下显示术后假体位置更佳, 肢体不等长减少, 肺栓塞发生率降低, 假体应力遮挡下降^[5]。此外, 在全膝关节成型术中97%的患者假体排列与理想力线偏差为0° ^[2]。由此可见, 其远期整体效果优于传统手术方式。手术机器人的使用还极大缩短了骨科医师外科操作的学习曲线, 使许多没有较多手术经验的低年资医师也能精准微创地完成手术^[1]。Bell 等^[6]证实, 在膝关节单髁置换中, MAKOplasty辅助置入物对位的精度高于传统手术技术, 其置入目标位置误差不超过2° 的比例高于对照组。此外, 也有研究显示, 在全髋关节成形术中, MAKOplasty系统较传统术式更具优越性^[7]。机器人放置髋臼所在部位位于Lewinnek安全区概率(100%)高于传统放置方法(80%)^[8], 放置位于Callanan 安全区概率(92%)高于传统放置方法(62%)^[9], 可有效保证髋臼假体的稳定性及其使用寿命^[7]。

1.2.2 脊柱 应用于脊柱外科的机器人系统包括SpineAssist、Renaissance Robotic、SPINEBOT机器人系统等。其中SpineAssist及Renaissance Robotic机器人系统为较为成熟的脊柱手术机器人系统, 主要用于脊柱手术中的脊柱探测、骨水泥注入及病理组织活检等。其中, Spine Assist机器人系统(图3)原理与Robodoc存在相似之处^[10], 均为术前将CT图像采集并上传至机器人软件系统进行处理, 由术者进行介入点、路径、深度等一系列手术方案的设计, 以及置入物的选定, 由机器人术中精确执行操作。一项回顾性研究显示, 在椎弓根钉置入方面Spine Assist相较于传统手术提高了置钉准确率且减少了神经系统风险^[10]。而Renaissance机器人系统则更侧重于高风险的脊柱手术, 如脊椎骨折, 其采用的3D成像技术取代了曾经的2D图像, 使得外科医师能获得指导下一步如何进行的准确图像。根据图像, 他们便可对Renaissance机器人嵌入系统进行编程, 准确安置固定器械。

图3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 SpineAssist机器人系统

2010年, 中国科学院沈阳自动化研究所机器人实验室(国家机器人学重点实验室)与第三军医大学新桥医院骨科周跃教授合作, 研发出一种遥控型脊柱机器人, 该机器人具有六个自由度, 主要用于脊柱微创手术中椎弓根螺钉的置入, 其特色为尖端夹持气钻, 医师可通过对其遥控操作进行打孔, 从而减少手术中术者的辐射暴露时间, 但由于其不能与导航系统相结合, 因此临床应用受到限制^[12]。

北京积水潭医院田伟教授等进行了脊柱导航辅助机器人手术的相关研究, 其主要研究方向为脊柱椎弓根螺钉置入的相关评估。由其牵头研发的“ 天玑” 手术机器人已于2016年底获得国家Ⅲ 类医疗器械资格证, 可用于四肢、骨盆及脊柱全节段手术。在创伤骨科方面, 北京积水潭医院等单位曾做过计算机导航下长骨干骨折的相关研究并研发出骨折复位机器人^{[13, 14, 15]}, 其研究项目涵盖股骨骨折、骨盆骨折、胫骨骨折等(图4, 5)。以股骨骨折为例, 其采取C形臂透视图像进行手术规划, 借此引导并联机构带动股骨干, 从而引导两段折骨完成自动化的复位操作, 实验结果证实其满足骨折复位要求。成都大学附属医院李开南教授联合多家单位参与研发的“ 天玑” 手术机器人, 目前已逐步投入使用。其应用于临床时间尚短, 主要用于骨盆骨折等的治疗。

图4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 骨折复位机器人及其固定方式(适用骨盆骨折)

图5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 骨折复位机器人(适用股骨干骨折)

虽然骨科手术机器人目前仍存在许多问题亟待解决, 但随着计算机算法及机械制造工艺的进步, 操作的相对误差必将减少, 其中, 计算机算法的更新有助于机器人工作流程的规范化及程式化, 达到从中枢指令对机器人行为进行约束和规范的目的, 进而促进其推广应用。

尽管机器人手术目前已被广泛应用, 但是其操作训练体系尚未形成。就手术机器人操作的训练工具开发而言, 虚拟现实技术等数字化技术的日渐成熟将使传统的实验室和实验台操作转变为零风险的数字操作训练方法, 已有学者使用该技术模拟手术机器人操作完成膀胱尿道吻合术, 并取得良好效果^[16]。可预见该技术将有利于提高医师的操作熟练程度, 进而提高外科技术水平。

术者操纵机器人的行为标准化及解剖学标志的确定对机器人辅助手术也至关重要^[17], 前者可限制术中机器人的行为, 降低因不规范操作带来的风险, 后者则是部分手术机器人(如Spine Assist)术中操作的固定位置, 保证机械臂的术中稳定。而解剖学标志的发现及固定很大程度依赖于新型导航设备的研发, 因此不仅需要开展需要更多的临床操作验证以制定相关操作规范, 也要加强导航设备的研发, 更好地进行术前、术中定位, 在操作中实现精细化和标准化, 减少手术误差, 进一步提高机器人辅助手术的质量, 取得更佳的手术效果。

综上所述, 骨科手术机器人技术正朝着人机交互全面化、图形图像精细化、硬件体积微型化、手术过程无创化、远程操作流畅化等方向发展。同时, 推动自主研发骨科手术机器人产品、全方位制定行业规范和临床标准将是中国智能医疗器械及设备发展的重要导向^[11]。