天玑机器人辅助手术在腰椎退行性疾病中的应用进展

杨伟康,黄承夸,黄远剑,谭爽

(1.右江民族医学院研究生学院,广西百色 533000;2.右江民族医学院附属西南医院暨百色市人民医院脊柱外科,广西百色 533000)

传统骨科手术主要依赖医生经验和术中扫描影像,存在手术精度低、风险高、创伤大、恢复慢等问题。随着精准治疗的发展,许多手术告别开放模式,迎来创伤更小的微创手术[1]。然而,由于脊柱的骨骼系统结构复杂,毗邻重要血管和神经,对定位和操作的精度要求极高,以传统的透视方法和人工操作难以实现骨科的微创手术[2]。虽然现在关于腰椎疾病治疗的非融合技术有多种,但是超过半数的脊柱外科医生更偏向于在减压融合的同时加用椎弓根螺钉进行内固定。作为腰椎手术实施的关键步骤之一,椎弓根螺钉的内固定技术不容小觑。置入椎弓根螺钉的准确性和安全性往往取决于患者的进针点解剖标志、计算机导航系统以及主刀医师的技术经验等。椎弓根的结构、形态复杂,变异率比较高[3],当进针点的解剖结构不太明确或主刀医师经验不足时,即便是高年资的脊柱外科医生,也可能会有大于10%的椎弓根螺钉的调整率[4],调整之后椎弓根螺钉的把持力将会下降,致使其生物力学的稳定性降低。而骨科机器人借助其高精度的影像导航系统进行最优化手术路径规划并通过高自由度机械臂操作进行路径实现,从而实现骨科手术的微创化,具有提高手术成功率、减小创伤、降低辐射等优点[5-6]。现就骨科机器人辅助手术在腰椎退行性疾病中的应用进展进行综述。

1 骨科机器人国内外的发展进程

1.1 国内骨科机器人的发展进程我国政府非常看重骨科手术机器人的发展。在国家“十二五”期间,我国科技部门批准了多项手术机器人的创新项目立项[7]。作为推进精准及微创骨科手术进展的核心现代化设备,骨科手术机器人应时而生。而天玑骨科机器人是具有完全知识产权的国产骨科器械设备,是目前国际上唯一适用于创伤、脊柱、关节外科手术的骨科机器人,国内已有100多家医院使用,国外使用报道较少。国内实践普遍认为,天玑骨科机器人具有安全、稳定、快速、微创、准确率高等特点,广泛应用于骨科领域手术,并反馈了良好效果[8-9]。但目前未见天玑骨科机器人在不同部位脊柱微创手术的文献报道。

1.2 国外骨科机器人的发展进程在国外文献报道中[10],主要的机器人产品包括:用于辅助定位的Caspar(德国Ortomaquet公司)、Renaissance(以色列Mazor公司)、ROSA spine(法国Med Tech公司)、Pin Trace(瑞典Medical Robotics公司)等,以及用于术中灵巧操作的Robo Doc(美国Think Surgical公司)、RIO(美国Mako Surgical公司)、Acrobot Sculptor(英国Acrobot公司)等。此外,用于脊柱外科的手术机器人包括SpineAssist/Renaissance、Rosa、SPINEBOT、BITEBOT II和Tianji机器人系统[11]。然而目前尚无天玑机器人在腰椎退行性变疾病的微创手术的相关性研究,还需要进一步进行探索。

2 骨科机器人的组成

骨科机器人通常由主控台、机械臂和光学定位相机组成,通过“机械臂+导航”模式实现光学导航下的机械臂实时定位和操作。具体流程如下:(1)术前/术中获取患者损伤部位的影像并上传到主控台完成识别,医生通过主控台规划手术路径设计;(2)医生将机械臂拖动至术区后,机械臂按照规划好的手术路径进行精准定位,并完成切割和/或植入;(3)光学跟踪系统负责术中实时定位监测,对定位误差进行实时动态调整,引导机械臂自动调整[12]。

3 天玑骨科机器人的工作原理及优势

在天玑骨科机器人问世之前,国外很多医疗器械公司已经推出不同类型的骨折机器人,但大多数局限于四肢及骨盆创伤骨折手术的治疗,并不能满足脊柱外科的手术需求。天玑骨科机器人能够满足脊柱外科手术需要,提供精准定位、精准操作[13]。TIAN等[14]研究显示,在Tianji机器人系统辅助下,3-D C-arm采集图像,经计算机系统在显示器上合成虚拟图像,设定椎弓根螺钉植入参数及置入路径,确认无误后运动机械臂至规划路径并进行微调,至机器人操控界面提示置入精度小于1 mm。具体操作过程为术前在患者手术部位附近安装患者示踪器、机械臂示踪器,在光学跟踪系统能够识别的前提下,通过三维C臂扫描手术部位,重建手术阶段三维图像。将重建好的手术部位三维图像传到机器人主控台,在主控台上打开重建好的三维图像,并在主控台界面上规划椎弓根螺钉的角度、方向及椎弓根螺钉的直径、长度等。规划好置钉计划之后,逐一执行椎弓根置钉。主控台依照术前规划方案,指导机械臂移动至方向、角度合适的位置,手术医生按照机械臂指示方向植入导针及椎弓根螺钉[15-16]。术后可以通过再次三维C型臂扫描证实椎弓根螺钉位置准确。其优势在于稳定、精准、安全,对解剖组织损伤小、出血少,术后恢复快[17]。虽然使用机器人辅助的手术费用较高,将来操纵骨科脊柱机器人辅助经皮复位内固定术医治胸腰椎骨折仍然有望作为一种惯例,并且骨科脊柱机器人将会普遍使用在其他脊柱的手术之中[18]。

4 天玑骨科机器人在腰椎微创手术的效果

骨科机器人在腰椎微创手术中的效果应该从操作性、准确性、安全性和并发症及术后恢复这几个方面来分析。现代化骨科机器人基本上具备机器人双目视觉功能的6个自由度,可以解决大部分手术操作者在手术时易疲劳、视觉偏差、手抖等问题,协助术者平稳、持续长时间地夹持手术器械,通过精心策划的手术步骤进行手术操作[19]。在手术过程中手术医生可以利用医生控制台发出指令,通过机械臂基座的分析把相关运动信息传达给手术机械臂,通过6个自由度的手术机械臂执行相关手术操作,而医生可通过视觉监察系统观察整个操作过程[20]。在准确性方面,有研究结果显示[20],在经皮机器人辅助微创椎弓根螺钉植入后,98.2%的椎弓根螺钉具有完美的椎弓根内定位,相比之下,使用传统开放技术徒手透视辅助椎弓根螺钉植入的定位准确率为91.6%,这证实了机器人辅助椎弓根螺钉放置技术的准确性超过了人类徒手技术。传统的徒手椎弓根螺钉的置入组准确率为91.4%,而在骨科机器人辅助手术置入椎弓根螺钉组的准确率为94.5%[21],在机器人引导下进行手术操作具备更加高标准的椎弓根螺钉置钉精确性[22-23],与以往的研究相仿。在安全性方面,有研究[24]证明机器人辅助下 MIS-TLIF 对于腰椎的翻修手术可减少创伤,提高定位的准确性,使椎弓根螺钉更顺利地进入椎体皮质,稳定性更好。在机器人辅助下的脊柱外科手术,可大范围减少辐射剂量及辐射时间,更好地保障手术操作者和手术室其他人员的核安全[24],有助于消除医务工作者对微创脊柱手术的顾忌。天玑骨科机器人具有更加耐疲劳、精准度更高和重复性更强等优势,可以在手术操作过程中提供更加充分的支持,有效减少由于医生疲惫、生理震颤等要素导致的椎弓根螺钉置入的不准确性,进一步增加手术实施过程的安全性及准确性[25]。在并发症方面,张波等人[26]回顾性分析发现使用机器人辅助手术治疗后并发症发生率为4.00%,不使用机器人辅助手术治疗后并发症发生率为22.00%,提示使用机器人辅助手术治疗后减少了术后胃肠道并发症的发生,为患者带来了即时和长期的潜在临床效益。在术后恢复方面,程芳令等[27]研究发现使用骨科机器人辅助手术术后患者恢复更快,且可以更早地进行功能锻炼。而YU等[28]的研究也显示,在机器人辅助椎体后凸形成下,术后的椎体高度、椎体后凸角度和背痛视觉模拟评分的改善都比透视辅助椎体后凸形成术更明显。目前有关天玑机器人辅助腰椎微创手术的应用效果的研究较少,所以这些研究结果也从侧面为天玑骨科机器人在腰椎微创手术的疗效提供了线索和一定程度上的证据,有利于天玑机器人的进一步探索。

5 小结

天玑骨科机器人在腰椎退行性疾病微创手术方面均具有较好的有效性和安全性,值得临床推广和进一步研究。