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机器人在脊柱外科手术的研究与应用进展

时间:2021-09-29 03:12  作者:admin  来源:未知  查看:  
内容摘要:目前,外科手术的治疗中应用机器人系统越来越普遍,机器人系统手术中所独有的特点,如稳定性和精确性深受医生和患者的共同认可,特别是在骨科手术中应用机器人,在近年来取得了长足的发展。本院自2016年10月引进湖南省首台骨科手术机器人天玑(TINAVITirobot...

  目前,外科手术的治疗中应用机器人系统越来越普遍,机器人系统手术中所独有的特点,如稳定性和精确性深受医生和患者的共同认可,特别是在骨科手术中应用机器人,在近年来取得了长足的发展。本院自2016年10月引进湖南省首台骨科手术机器人“天玑”(TINAVITirobot),在顺利完成多台脊柱外科手术后,本文对其优势以及不足之处进行总结,并对机器人系统在脊柱外科手术中的研究与应用进展进行综述。

  MazorSpineAssist机器人MazorSpineAssist®(Israel)是第一个被美国食品与药品监管局(FDA)批准在美国用于脊柱外科,也是目前被CE认证用于临床脊柱外科中的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将其固定至骨性标志物上,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。MazorRenais⁃sance®是Mazor的第二代脊柱机器人,在2011年取代了SpineAssist。虽然两者都具有相似的机械臂,但是Renaissance®包括软件和硬件改进,如升级图像识别算法,并对工具进行改进。2016年在北美脊柱学会(NASS)的年会上,Mazor公司发布了最新的MazorX®。与之前的型号类似,MazorX®包括工作站和机械手术臂。然而,与以前的型号不同,机械臂包括一个集成的线性光学相机,允许机器人对工作环境进行体积评估,从而自我检测其位置,避免术中碰撞。此外,MazorX®允许每个椎体独立注册,提升了准确性。另一个优势是MazorX®机器人提供的是串行而不是并行的机械臂,这增加了系统的活动范围,显著提升工作效能。Lee等的研究表明,与MazorRenaissance®系统相比,MazorX®在S2髂翼(S2AI)螺钉精度提高近8倍,可靠性提高近10倍。

  ROSA®SPINE机器人ROSA®SPINE于2016年获得FDA批准。ROSA使用机械臂和立体导航摄像头,优化引导椎弓根进入点和轨迹。立体相机可用于导航,解决了以前机器人在脊柱术中辅助的不足。但此ROSA机器人研发公司早期主要研究脑外科机器人,在脊柱术中的应用尚不广泛。

  ExcelsiusGPS®机器人ExcelsiusGPS®于2017年获得FDA批准,在脊柱外科领域具有巨大潜力。其可术中实时成像,自动补偿用于患者移动,并可直接置入螺钉。Huntsman等采用ExcelsiusGPS®对55例患者行单位置外侧腰椎椎间融合(SP-LLIF),机器人共置钉328枚,准确率为98%,无置钉相关并发症。

  达芬奇机器人达芬奇机器人2000年获FDA批准,用于腹腔镜。达芬奇机器人可采用远程外科手术,外科医生通过远程控制模块,进行远程手术操作。此机器人有3D视觉屏幕,提供卓越可视化效果和放大倍率。在脊柱手术中,达芬奇机器人主要用于脊柱前路手术,包括前路腰椎椎间盘突出症融合术(ALIF),胸腰神经纤维瘤切除术,切除椎旁神经鞘瘤,和经口齿状突手术。

  脊柱微创手术机器人系统该系统是由我国陆军军医大学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,组成部分是:控制台,机械臂,视觉监视器以及基座,其中无颤动锁定系统(力矩传感器)和机械臂尖端(具有气钻)可以遥控操作,术中可以避免X线对操作人员的伤害,该系统对牛脊骨的骨标本实施打孔操作,与透视结果偏差在2mm以内,而置入的成功率高达99.5%以上,而正位片结果偏差在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。

  脊柱手术机器人系统该系统由中国科学院深圳技术研究院自主研发,主要组成部分为:(1)5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L3~5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,而实验结果证实,手术中状态识别率以及控制准确率均高达100.00%。

  脊柱手术辅助机器人系统该系统由南开大学机器人与信息研究所共同研发,主要组成部分有导航系统、影像工作站、5个自由度的机械臂。该系统是一种使用坐标转换原理的新型导航及定位系统,该系统的平均定位精度为0.888mm,而最大值为1.142mm,该种精确的指标,符合脊柱外科手术的要求标准。

  天玑机器人由北京天智航公司开发的骨科手术导航定位机器人已研发至第三代。其中,第三代产品TiRobot(又名“天玑”)骨科手术导航定位机器人于2016年11月完成注册并上市。相比前两代产品(“GD-A”和“GD-2000/GD-S”),天玑骨科手术导航定位机器人的临床应用范围更广,能够覆盖骨盆、髋臼、四肢等部位的创伤手术及全节段脊柱外科手术,并且在产品适应证覆盖率大幅提升的同时,还实现了对使用便捷性、定位功能和软件友好性的优化。田伟等对12例患者采用5G网络遥控天玑机器人进行脊柱手术,置入椎弓钉62枚,术后所有患者症状都得到了实质性的缓解,按Gertzbein-Rob⁃bins的标准,www.166577a.com置钉A级59例,B级3例。未发现术中不良事件。表明5G远程机器人辅助脊柱手术准确可靠。

  优点机器人与传统脊柱外科手术对比,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具有较高的失误率,而据相关文献中记载,通过机器人系统置入的螺钉,超出2mm发生率仅为1.7%左右,远远低于传统徒手置入螺钉失误发生率;(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,而机器人系统不会产生疲劳;(3)并发症发生率低: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概率低。而传统手术中,以上并发症发生率较高;(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线暴露可导致各种并发症;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)恢复快:因机器人系统中手术的切口较小,可相对的减少术中失血量,因此对患者的损伤减小,为患者的尽快康复打下坚实的基础;(6)灵活性:在传统手术中操作困难的解剖位置,机器人操作更灵活、便捷;(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的运用未见报道。

  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,而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,因此很多基层医院无法负担,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,操作的难易程度不同,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,才能对其充分掌握;(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,而机器人系统,却无该项方面的功能;(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,对于复杂的操作无能为力,因此,对复杂的外科手术,具有一定的局限性。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,在具有一定水平的医院实施远程手术治疗,机器人系统在脊柱外科手术中,具有精准度高、X线暴露少、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,但仍缺乏触觉反馈、香港六禾彩。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发展,各种弊端终将被克服。