机器人系统在脊柱外科手术中的研究与应用进展

发布时间：2020-12-26 来源：文档文库

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机器人系统在脊柱外科手术中的研究与应用进展
【摘要】：随着外科手术的疗中应用机器人系统越来越广泛，机器人系统手术中所独有的特点，稳定性和精确性深受医生和患者的共同认可，特别是在骨科、心胸外科和泌尿外科以及神经外科的相关领域中所应用，而本次研究中的脊柱外科手术中应用机器人的进展进行综述。
【关键词】机器人系统；脊柱外科；进展
[Abstract]：with the surgical treatment in the application of robot system is more and more widely，the unique characteristics of the robot system in operation，stability and accuracy by the common recognition of doctors and patients，especially in the Department of orthopedics，the application field of cardiothoracic surgery and Department of Urology and Department of Neurosurgery，and the application progress of the spine surgery robot time in the study are reviewed in this article.
Key words：robotic system；spinal surgery；progress
现如今，外科手术的治在近些年来取得了深入的发展，虽然已经取得了一定的成果，但是应用在脊柱外科的机器人系统，仍还在起步的初期阶段。为此，我院自2016年10月引进湖南省首台骨科手术机器人“天玑”（TINAVI Tirobot），在顺利完成多台脊柱外科手术后，我们对脊柱外科手术中应用机器人系统进行研究分析其优势以及不足之处，并对机器人系统在脊柱外科手术中的研究与应用进展的进行简单的阐述。 1国外机器人系统的应用及进展 1.1Mazor技术Spine Assist引导系统
机器人传导系统最先由以色列Mazor技术公司所研发，也是目前被CE认证用于临床脊柱外科中的唯一脊柱机器人引导系统，改系统具有自由度半自主机器系统6个，具有直径5cm的底座，高度8cm以及250g的质量，该系统可以从棘突夹固定至棘突以上，并可以通过Hover—T将其固定至具有骨性的标志上，可以与手术床装置系统进行连接，并将另一端固定于脊柱之上；通过以上的特点，该技术公司在第一代的基础上研制出第二代的脊柱手术机器人系统，该系统不仅保留了原先具有的核心技术，还在软件中以及用户界面中进行改进，普通的C型壁透视就可以采集3D的图像；该系统广泛的应用与脊柱侧弯和颅内活检以及深部脑内植入物等相关操作[1]。据相关数据显示，应用该种系统中对存在脊柱畸形（后凸和侧弯）的手术治疗中，85%以上的患者通过机器人系统置入螺钉，而成功置入率高达98.5%以上，因此，该种系统具有安全性较高以及有效性理想的特点。 1.2 SPINEBOT 系统
该种系统有韩国汉阳大学所研究的成功，该种系统具有5个自由度的机械臂，和一个具有双平面O型臂以及外科操作系统组成的自动化双面透视机器人系统，在进行椎弓根螺钉的置入中，具有的误差仅为（1.35±0.20）mm。 1.3 Cooperative Robotic Assistant 系统
该系统也是由韩国自主研发并具有6个自由度密闭刚性系统，该系统对主至钻孔的充分分离，实现操纵中的安全性的提高，该系统的具有灵活的末端操纵器，并对治疗中的混合体位实现扭矩控制的反馈，据相关研究中指出，该系统对猪的脊柱实施螺钉植入术，通过术后的其进行CT检查后显示，置入的螺钉的角度和术前设计的方案相一致。 1.4国内脊柱机器人系统的发展和应用

1.4.1脊柱微创手术机器人系统
该系统是由我国第三军一大些和沈阳自动化研究所共同研制完成，共有6个辅助的自由度系统，组成的部分是：控制台，机械臂，视觉监视器以及基座组成，其中无颤动锁定系统（力矩传感器），而机械臂尖端（具有气钻），以上两种系统可以遥控操作，术中可以避免X线对手术所有操作人员的伤害，该系统对牛脊骨的骨标本实施打孔操作，与透视侧位结果仅偏差2mm以内，而置入的成功率高达99.5以上，而正位片结果偏差2mm以内，成功率为90以上，而正位偏差的原因在于系统出现遮挡的情况[2]。 1.4.2脊柱手术机器人系统
该系统有中国科学院深圳技术研究院自主研发，组成的主要部分为[4]：①5个自由度的机械臂；②术前规划系统；③红外定位系统；④术中导航系统；通过该系统对猪椎体L3-L5实施削磨实验后，结果显示为该系统的距离分辨率高达0.125mm，该种结果已经达到临床上的要求指标，而通过科研中结果证实为，手术中状态识别率以及控制准确率均高达100.00%。 1.4.3脊柱手术辅助机器人系统
该系统有南开大学机器人与信息研究所共同研发对于CT图像经皮椎成形术，组成的主要部分有导航系统、影像工作站、5个自由度的机械臂，该系统是一种具有通过坐标转换原理方法的新型导航及定位功能的系统，该系统的平均定位精度为（0.8878）mm，而最大值为（1.1418）mm，该种精确的指标，符合脊柱外科手术的要求标准。 2机器人系统的优缺点 2.1优点
该系统与传统脊柱外科手术对比后，优点主要体现在以下几点：（1）精确度和准确度高：传统治疗中通过徒手将椎弓根螺钉置入因具有较高的失误率，据相关文献中记载，通过机器人系统置入的螺钉，超出2mm发生率仅为1.7%左右，改种置入失误率远远低于传统徒手置入螺钉失误发生率，以上是机器人系统在脊柱外科发展迅速的主要原因之一；（2）稳定性：传统术中，因手术治疗的时间较长，操作复杂，繁琐，容易使操作人员产生疲劳，而机器人系统不仅稳定还具有不疲劳的优点；（3）并发症发生率低：综合以上的述说，机器人系统在治疗后发生螺钉位置不良，椎弓根爆裂、定位错误、神经损伤等相关并发症低[5]。而传统手术中，以上并发症发生率较高，因此该种手术治疗中，对低年资的医师操作治疗脊柱手术有一定的限制，该种原因是机器人在脊柱外科手术中发展的重要因素；（4）X线暴露量较少：在手术的治疗中，无论是患者还是操作者，X线可以致使发生白血病、甲状腺、皮肤癌等严重疾病的几率，传统治疗中因X线暴露的量较多，而技术相对较低的操作医生，所接受的剂量会相对更多，而脊柱机器人系统中，可以减少X线暴露的量。因为机器人在引导下将螺钉置入的时间平均为34s，远远低于传统中徒手置入的时间77s；（5）恢复快：因机器人系统中手术的切口较小也相对的减少术中失血量，因此对患者的损伤减小，对促进患者的尽快康复打下夯实的基础；（6）灵活性：在传统手术中操作困难的解剖位置，而机器人会从而不迫、灵活的进行常规的操作；（7）远程遥控：脊柱靶心机器人系统具有遥控的操作功能，但是直至目前为止，机器人远程操作在脊柱外科中运用未见报道。 2.2机器人系统的缺点
（1）机器人系统每台的售价高达50万美元以上，会根据机器人的功能和具有的特性，该种价格会增加至150万美元，因此该系统价格的原因，很多基层的医院无法负担，故普及率较低；（2）“漂移”现象：大多数机器人系统均通过导航系统实施定位，应用的时间较长后，会产生“漂移”，故会出现误差；（3）曲线不一：每种机器人系统，因曲线的不一性，部分机器的曲线学习中相对的简单容易掌握，而大多数的学习曲线较长，手术的操作者要经过较长时间的学习和训练后，才能充分的对其掌握；（4）触觉反馈缺乏：在脊柱外科手术中，操
作者可以通过触觉反馈后，对手术所有的操作进行准确、及时的判断，特别在软组织的操作中，体现的更加明显，而先进的机器人系统，却无该项方面的功能[3]；（5）局限性：机器人系统在脊柱外科的手术中，目前只能做一些简单易操作的内容，对于操作复杂的操作却无能为力，因此，对复杂的操作中，具有一定的局限性；（6）维修和保养：所有的脊柱机器人系统均需要与其他医疗机器一样的维修工作和保养工作。 3小结
未来中，微创化、自动化、自能化的机器人系统将是脊柱外科中应用的发展趋势，并与远程控制相结合，会在千里之外具有一定水平的医院实施手术治疗，机器人系统在脊柱外科手术中，具有精准度高、X线所受低、手术用时短、损伤小，并同时降低相关手术风险等众多的优点，但是缺乏触觉反馈、复杂的操作无法应用等缺点，相信通过科学技术水平的不断深入和研究，终将攻克以上的弊端。参考文献
[1]沈春蕾．中国科学院深圳先进技术研究院：优质团队聚力协同创新［N］.中国科学报，2013-02-19（5）．
[2]王军强，赵春鹏，胡磊，等．远程外科机器人辅助胫骨髓内钉内固定系统的初步应用［J］．中华骨科杂志，2006，26（10）：682-686．
[3]张鹤，韩建达，周跃．脊柱微创手术机器人系统辅助打孔的实验研究［J］．中华创伤骨科杂志，2011，13（12）：1166-1169．

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