蔡尚欢，宋永伟，曹向阳，范华雨

(1 河南中医药大学，河南洛阳471002；2 河南省洛阳正骨医院)

近年来，随着电子与计算机科学的迅速发展，在工业自动化领域中，机器人得到快速发展和广泛应用。上世纪80年代，机器人开始引入外科领域辅助完成手术，已经从早期基于工业化的机器人逐渐发展为专用的手术机器人。经过几十年的不断改进、创新和发展，手术机器人已经展现出其独特的技术优势，不仅引起了手术方式的革命，还推动了精准微创医疗的发展。目前，手术机器人主要用于外科手术规划模拟、微创精确定位操作、无损伤诊断与检测以及新型手术医学治疗等方面。而骨科机器人是手术机器人领域的一个重要发展方向。本文结合文献就骨科机器人应用现状与研究进展作一综述。

1 骨科机器人起源

医疗机器人是集医学、生物力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域[1]。骨科机器人是医疗机器人领域的一个分支，起源于上世纪90年代初。1991年，全球第一个骨科机器人RoboDoc诞生，并于当年7月份完成临床试验，1992年辅助完成了第一例全髋关节置换术。进入21世纪以来，随着社会经济的快速发展、人口老龄化程度不断加深以及交通规模扩张等多种因素的影响，骨科疾病已成为现代社会的常见病和多发病，需要手术治疗的骨科疾病日益增多。由于人们对精准、微创治疗需求日趋迫切，而传统骨科手术已不能完全适应时代发展，临床亟需新的治疗理念、手段和设备来满足治疗骨科疾病的需求。骨科机器人能够提供手术导航、规划模拟及微创精准定位等功能，为临床医生的决策判断和操作提供保障，有效提高靶点定位、精密微创和复杂手术的操作质量，凭借其智能性、微创性、精准性，展现出了卓越的临床应用价值。

2 骨科机器人应用现状与研究进展

目前，骨科机器人在临床上主要用于脊柱微创、关节置换以及创伤骨折等。

2.1 脊柱微创骨科机器人 脊柱是人体中复杂的运动系统，其解剖结构复杂且毗邻脊髓、椎动脉、静脉丛等重要神经或血管组织。传统脊柱外科手术因施术者视野的局限，加之患者个体差异和体位变化等不确定因素，导致手术创伤较大、精准度较低、并发症较多。微创脊柱外科手术非常依赖施术者技术和经验，而且存在操作疲劳和辐射难以避免。而脊柱微创骨科机器人能明显缩短手术学习曲线，避免传统脊柱外科手术和微创脊柱外科手术的不足。

脊柱微创骨科机器人是先进医疗技术与自动化技术的结合体。国外现今研究比较成熟的脊柱微创骨科机器人有以色列Mazor公司研制的Spine Assist/Renaissance和法国Medtech医疗公司研制的ROSA Spine，二者均通过欧洲CE和美国FDA双重认证[2，3]。此外，处于研发改善阶段的有韩国浦项工业大学研发的CORA、汉阳大学研发的SOINEBOT以及德国研发的VectorBot/Kinemedic/LWR系统等。

Renaissance是Spine Assist的升级版，主要用于脊柱外科手术中椎弓根螺钉手术和经椎板关节突螺钉固定手术，Spine Assist/Renaissance对椎弓根螺钉置入的精准度较高，该机器人于2014年引入我国。翟骁等[4]运用Renaissance辅助椎弓根螺钉置入矫正脊柱侧凸，共置入螺钉148枚，术后CT显示置入准确率为95.3%，说明Renaissance对椎弓根螺钉置入具有较高的精准度。方国芳等[5]对Renaissance辅助治疗胸腰椎骨折和脊柱畸形的安全性和准确性进行系统评估，结果发现Renaissance组螺钉置入优良率明显高于传统组，并且Renaissance辅助椎弓根穿刺椎体成形术中手术时间、射线暴露时间均明显缩短。陈龙等[6]研究认为，机器人辅助置入椎弓根螺钉虽然较徒手置钉准确率更高、术中出血量更少，但并未明显缩短手术时间。上述研究结果表明，脊柱微创骨科机器人在辅助手术方面具有精准性和安全性更高、手术时间更短、医患辐射更少等优势。

国外早期的脊柱微创骨科机器人主要侧重于提高椎弓根螺钉置入的精准性、减少血管神经损伤和医患辐射等，临床应用较为成熟、规范，其未来的研究方向是远程遥控、虚拟手术仿真、结合三维图像建模等。国内骨科机器人研究起步较晚，目前整体上仍处于起步阶段。脊柱微创骨科机器人研究单位主要有北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、中国科学院沈阳自动化研究所、上海交通大学等，使用单位主要有北京积水潭医院、第三军医大学新桥医院、中国人民解放军总医院、洛阳正骨医院等。中国科学院沈阳自动化研究所和第三军医大学新桥医院联合研制的脊柱微创骨科机器人及中国科学院深圳先进技术研究院等多家机构合作研制的RSSS以及正在实验阶段的RSSS-Ⅱ[7]，这些脊柱微创骨科机器人在国内处于领先水平，但均未在临床上大规模应用。北京积水潭医院研制的天玑骨科机器人代表了我国该领域的顶尖水平，并突破了颈椎节段手术的限制，于2015年完成世界首例机器人辅助下颈椎手术[8]，其精准性已达到国际领先水平。

2.2 关节置换骨科机器人 关节置换骨科机器人主要用于初次人工关节置换术(TKA)、初次单髁膝关节置换术(UKA)和初次人工全髋关节置换术(THA)。该机器人系统分为三类：主动式、半主动式和被动式。被动式骨科机器人的代表是计算机导航系统，并不具备术中操作功能。半主动式骨科机器人是在计算机模拟和规划后，由术者通过触觉反馈系统操控机械臂，在机器人规划的范围内实现假体的精确安置，是目前关节外科所采用机器人的主流形式，比较成熟的有Acrobot、Navio PFS、MAKOplasty系统。主动式骨科手术机器人是根据术前规划，由机器人指挥截骨、扩髓等操作，自主完成手术过程，是目前最先进的骨科机器人，以美国Integrated Surgical Systems公司开发的ROBODOC机器人及其新研制的T-Solution One®[9]、MBARS为代表[10]。但国内该领域研发方面仍处于起步摸索阶段。

2.2.1 膝关节置换骨科机器人 膝关节置换骨科机器人主要用于初次TKA和UKA患者，但国内相关研究和应用较少。在膝关节置换术中，精确的截骨、合适的假体选择与下肢力线的重建以及良好的软组织平衡是保证手术成功和远期疗效的重要因素。膝关节置换骨科机器人可以通过术前规划构建骨骼模型，精准计算假体大小、对线、截骨角度和截骨量。与传统人工膝关节置换术比较，膝关节置换骨科机器人辅助下手术可使下肢力线与关节对位更契合正常生物力学表现。Dunbar等[11]通过对比膝关节置换术前后假体位置偏移距离，Bell等[12]通过直接测量假体与机械轴的夹角，均得出膝关节置换骨科机器人术后假体位置安放更精准的结论。Lonner等[13]采用Navio PFS辅助开展UKA，结果发现置入的假体位置精准，无旋转、偏移，患者术后膝关节功能恢复良好。Liow等[14]对采用膝关节置换骨科机器人辅助下膝关节置换者随访2年发现，患者膝关节功能恢复较传统人工膝关节置换效果更好，但由于样本数量有限，尚需进一步验证。以上研究表明，膝关节置换骨科机器人在膝关节置换术中具有更精准的优势，但由于骨水泥技术、定位针移位等一些不可控因素，并不能保证下肢力线完美契合生物力学标准。由于膝关节置换骨科机器人临床应用时间较短，现有病例数量有限，缺乏长期疗效随访评价。

2.2.2 全髋关节置换骨科机器人 骨科机器人应用于初次THA已有20余年历史，但以T-Solution One®为代表的新一代骨科机器人用于临床尚不足10年。在全髋关节置换术中，良好的假体位置及合适的周围软组织平衡是术后假体稳定的保证，还可延长假体寿命。全髋关节置换骨科机器人在THA中可以实现假体与骨皮质的紧密相连和精准安置。Domb等[15]研究发现，全髋关节置换骨科机器人置入臼杯假体的准确率明显高于传统手术和导航辅助手术。Illgen等[16]研究发现，全髋关节置换骨科机器人辅助下行THA，可明显降低术后2年内假体脱位率。全髋关节置换骨科机器人在重建髋关节生物力学解剖精准性上更具潜力，但在假体周围软组织重建方面并无证据证实其更具有优势，在5年远期随访髋关节功能恢复方面亦与传统手术无明显统计学差异。但近年Bukowski等[17]随访发现，全髋关节置换骨科机器人术后2年比传统人工手术的UCLA髋关节评分和改良Harris髋关节评分更高，髋关节功能恢复更好。上述研究结果证实，全髋关节置换骨科机器人在THA中疗效确切，并在某些方面更具优势。目前国内全髋关节置换骨科机器人的研究尚处于探索阶段。2016年中国人民解放军总医院、北京协和医院、河南省人民医院在国内率先引入T-Solution One®机器人，并认为其在THA股骨侧自动化处理中具有明显优势[18]。

2.3 创伤骨科机器人 创伤骨科机器人按照其功能可分为定位机器人和复位机器人。定位机器人以精确定位、微创为特点，主要应用于髓内钉内固定术、股骨颈骨折空心螺钉内固定术、骨盆髋臼损伤的微创螺钉内固定术等。应用于临床的有电磁导航髓内钉远端瞄准系统，该机器人系统能在术中显示髓内钉和瞄准器位置的三维动画，可有效减少手术时间和射线暴露。在股骨颈骨折手术方面有我国自主研发的GD2000骨科机器人导航定位系统，与传统徒手定位操作相比，GD2000骨科机器人导航定位系统能明显降低手术时间、术中透视次数。大部分研究证实，创伤骨科机器人导航定位系统可以提高手术精准性、减少辐射伤害、减少术中损伤等[19，20]。在骨盆髋臼损伤方面，天玑骨科机器人辅助经皮骶髂螺钉固定治疗骨盆不稳定性骨折亦取得了满意的临床疗效[21，22]。

骨折复位机器人在国内外发展都相对缓慢且大多尚未应用于临床，主要原因是复位前后骨块位置变化、复位阻力大以及术中可能造成额外损伤等，导致其研发难度较高。国外最新报道的骨折复位机器人有韩国基于力觉反馈的六自由度骨折机器人[23]、美国三腿并联机器人[24]，国内王军强教授研制的辅助股骨干并联机器人和主从式长骨骨折复位机器人，唐佩福团队基于Stewart平台的并联机器人、串并联长骨骨折复位机器人以及第四军医大学基于数字化主从控制的股骨干骨折复位机器人等[25，26]。骨折复位机器人经历了由工业化串联机器人到并联机器人再到串并混联机器人的发展历程，但大多停留在实验设计、模拟骨骼或尸体等层面，尚无骨折复位机器人用于临床。

3 骨科机器人存在的问题及发展方向

骨科机器人是推动精准、微创、智能化医疗发展的典范，但其并非完美无瑕，在临床大规模推广中仍存一定限制。①自身缺陷：相对于手术室的有限空间，其体积过于庞大，安装调试时间长，且由于系统技术复杂，术中机械故障难以处理；②成本昂贵：由于专利保护、系统定期维护升级等原因，其设备购置费和维修费相当昂贵；③用途单一：大多骨科机器人只针对某一种类型的骨科手术或一些复杂手术中的一个步骤，功能单一。

尽管存在以上问题，但毕竟其发展时间较短，随着医学和科技的不断进步，骨科机器人必将会适应手术外科发展方向。目前骨科机器人亟待解决的问题有灵巧耐用的硬件结构、更加智能化和个性化的精准诊疗、远程骨科手术开展、适应证多功能化等，未来发展方向应是与遥控操作、数字骨科、3D打印等技术的完美结合。

总之，骨科机器人以其微创、精准的特点为解剖和生物力学结构复杂的骨科疾病提供了个性化、智能化、精准化治疗方案，成为骨科临床治疗发展的一个重要方向。