弁言
臨床大夫普通須要好長時候技術(shù)造就和經(jīng)歷積聚才有充足的才能介進(jìn)手術(shù)，尤其是脊柱外科的手術(shù)更須要大夫操縱的精確性，由于渺小的錯誤就會帶來災(zāi)難性的結(jié)果。就脊柱外科最普遍的椎弓根螺釘內(nèi)固定手藝來說,首先須要用尖錐和開路器正在椎弓根中鉆出螺釘置進(jìn)通道，然后才能將螺釘擰進(jìn)。正在這個進(jìn)程中，必需包管螺釘置進(jìn)通道一直正在椎弓根內(nèi)部。普通來說，亞洲人種腰椎椎弓根的直徑僅僅正在8 mm擺布,而其他椎體的椎弓根直徑乃至比8 mm還要小。這也就意味著螺釘置進(jìn)通道四周幾毫米便是脊髓和神經(jīng)根，所以全部螺釘置進(jìn)進(jìn)程 即便經(jīng)歷豐富的大夫好長時候精力高度集中，仍舊不克不及包管螺釘置進(jìn)的精確性和安全性。而且，大夫正在好長時候的手術(shù)進(jìn)程中不可避免會涌現(xiàn)肌肉疲勞，這也就致使了大夫正在運(yùn)用尖錐和開路器鉆造螺釘置進(jìn) 通道時產(chǎn)生手部肌肉發(fā)抖，乃至造成尖錐或開路器滑移的也許。所以若何有用削減手術(shù)時候并盡量進(jìn)步螺釘置進(jìn)通道的安全性和精確性是一直以來的研討標(biāo)的目的。
近年來，伴隨著計(jì)算機(jī)導(dǎo)航輔佐技能和機(jī)械工業(yè)的成長我們已研發(fā)出了浩瀚的手術(shù)輔佐機(jī)械人，這一些機(jī)械人絕多數(shù)已證明了其正在臨床范疇的重要作用，好比Da Vinci Robot手術(shù)機(jī)械人體系已廣 泛地應(yīng)用于腹腔鏡手術(shù)和泌尿外科手術(shù)中。機(jī)械人具有精度高、重復(fù)性好、耐疲倦等長處。機(jī)械人的機(jī)械臂還能夠轉(zhuǎn)出人手段、手指沒法企及的角度，這使得手術(shù)輔佐機(jī)械人正在臨床上具有很大的潛力，還注 定手術(shù)輔佐機(jī)械人會成為外科醫(yī)生的抱負(fù)輔佐。因?yàn)榧怪闹艿凝嫶笃式獠季?，脊柱?dǎo)航輔佐機(jī)械人范疇一直是個禁地。而現(xiàn)正在，脊柱導(dǎo)航輔佐機(jī)械人的研討終究取得了突破性的進(jìn)度，還展現(xiàn)了其正在輔佐手術(shù)層面優(yōu)秀的本領(lǐng)?？墒羌怪鶎?dǎo)航輔佐機(jī)械人仿照照舊處于其開端成長階段,另有很長的路要走，要完善的不敷還還許多。
1 近況
運(yùn)用傳統(tǒng)要領(lǐng)開展椎弓根螺釘內(nèi)固定手藝即盲打手藝開展椎弓根螺釘置入的時分,終極途徑取設(shè)計(jì)最優(yōu)途徑產(chǎn)生位移大于1 mm的幾率很高，正在一組實(shí)驗(yàn)中乃至達(dá)到了37.5%。產(chǎn)生這么高位移率的主要原因多是因?yàn)樾g(shù)中不能夠常?？吹介_路器和螺釘?shù)奈恢盟率沟摹Ｄ壳霸S多病院已起頭運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔佐導(dǎo)航體系，以期降低椎弓根螺釘內(nèi)固定手術(shù)過程中的螺釘偏移，簡直運(yùn)用導(dǎo)航體系能夠有用進(jìn)步椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)的精確性取安全性,乃至能夠正在椎體軸向產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的情形下包管螺釘置入的精確性。可是因?yàn)槭中g(shù)工夫較長，而且 照舊依附大夫徒手開展螺釘置入難免會受到人的生理情形限定，可能會因?yàn)轭潉雍突浦率孤葆斨萌刖_性降低。取此同時大夫正在操縱導(dǎo)航器械的取此同時還需要常常存眷導(dǎo)航顯現(xiàn)器上顯現(xiàn)的器械結(jié)尾的位置，這也可能會渙散手術(shù)大夫的精神。有一些器械和輔佐體系試圖經(jīng)過標(biāo)志術(shù)前設(shè)計(jì)的最好釘?shù)纴磉M(jìn)步螺釘置入的精確性,可是因?yàn)楦鞣N限定而沒有被遍及運(yùn)用于臨床。
為了辦理上述問題，大批研究機(jī)構(gòu)最先研發(fā)脊柱導(dǎo)航幫助機(jī)械人，部份脊柱導(dǎo)航幫助機(jī)械人曾經(jīng)上市,也是有良多相干文章被頒發(fā)。依據(jù)巳經(jīng)頒發(fā)的文章，取脊柱外科相干的手術(shù)幫助機(jī)械人一共有18款。這18款機(jī)械人當(dāng)中被脊柱外科醫(yī)生們存眷最多的是以色列的SpineAssist ( 2003 年）、韓國的 SPINEBOT vl ( 2005 年）和 SPINEBOT v2 ( 2010 年）、德國的 VectorBot （2006）和瑞士的 Neuroglide（2012）。這一些機(jī)械人依據(jù)構(gòu)造分歧又被分為基于串連體系的脊柱導(dǎo)航幫助機(jī)械人和基于并聯(lián)體系的脊柱導(dǎo)航幫助機(jī)械人。
1.1基于串連體系的脊柱導(dǎo)航輔佐機(jī)器人
循名責(zé)實(shí)，串連式機(jī)器人的特點(diǎn)便是機(jī)器人的各個機(jī)器臂以串連的體式格局毗鄰正在一起。串連式機(jī)器人研討得較為成熟，其具有構(gòu)造簡樸、節(jié)制簡樸、靈活性高、活動空間大、可以準(zhǔn)確完成體系規(guī)定的行動等特點(diǎn)。串連式機(jī)器人已成功地應(yīng)用于許多范疇，例如各類機(jī)床、裝配車間等。正在脊柱導(dǎo)航幫助機(jī)器人范疇中，比較有代表性的串連式機(jī)器人是 SPINEBOT vl、SPINEBOT v2、VectorBot 和 Neuroglide 等。2000年韓國漢陽大學(xué)的一個研討小組展現(xiàn)了可以實(shí)現(xiàn)主動鉆孔的SPINEBOT vl。SPINEBOT vl具有7個自由度，采取名為HexaView的術(shù)前設(shè)計(jì)軟件，該軟件可以由6個差別的角度展現(xiàn)病人的術(shù)前CT或MR，進(jìn)而可以更準(zhǔn)確地舉行術(shù)前設(shè)計(jì)。SPINEBOT vl的光學(xué)追蹤體系采取的是NDI Polaris光學(xué)組件，依托定位球面反射的位置來肯定手術(shù)器械和病人的相對位置。SPINEBOT vl還劃時代地利用了呼吸活動校訂體系,可以有效地減小因?yàn)椴∪撕粑顒铀鶎?dǎo)致的器械末尾定位偏差。2010年展現(xiàn)的SPINEBOT v2雖然命名為SPINEBOT v2，然則卻是一臺全新設(shè)計(jì)的脊柱導(dǎo)航幫助機(jī)器人，這臺機(jī)器人唯一5個自由度，更主要的是它的末尾利用的是更加簡樸的器械壟斷安裝而非SPINEBOT vl 所利用的鉆孔設(shè)備,其對手術(shù)器械和病人位置的定位還改由經(jīng)過雙平面接連透視實(shí)現(xiàn)。SPINEBOT v2正在尸首骨的14枚椎體上舉行了 28枚螺釘?shù)闹萌雽?shí)驗(yàn)，術(shù)后CT證明28枚螺釘中的26枚（92. 86%）螺釘位置合意，均勻軸向角度偏差為2.45°± 2.56°,均勻側(cè)向角度偏差為0.71°± 1.21°。
只管基于串連體系的脊柱導(dǎo)航幫助機(jī)器人的尸身骨實(shí)驗(yàn)精度較高，可是，仍是不能夠到達(dá)臨床請求。串連式機(jī)器人因?yàn)槠浯B的特點(diǎn)存正在以下題目：①機(jī)器人體積較大，占有了手術(shù)室有限的空間，機(jī)器臂正在運(yùn)動過程中輕易遇到手術(shù)室的其他物體。②串連機(jī)構(gòu)各個機(jī)器臂的偏差是疊加的，累計(jì)偏差有大概招致機(jī)器人末尾的定位精度低落。③串連機(jī)構(gòu)只有一個底座，而伴隨著串連機(jī)器臂的增加，器械末尾的穩(wěn)定性將低落，輕易招致器械末尾的不穩(wěn)定。
1.2基于并聯(lián)體系的脊柱導(dǎo)航輔佐機(jī)器人
并聯(lián)式機(jī)器人的研討取串聯(lián)式機(jī)器人相比則起步較晚，但發(fā)展速度卻比串聯(lián)式機(jī)器人快。并聯(lián)式機(jī)器人的布局決意了其具有體積小、定位精度高、狀況保持性好、器械末了穩(wěn)定性佳等長處。而其中最具有代表性的便是已得到美國FDA（Food and Drug Administration ）及歐洲 CE （Communate Europpene）認(rèn)證的SpineAssist。SpineAssist直徑50mm，高80mm，總質(zhì)量僅為250g，依賴其彼此平行的6臺機(jī)電而具有6個自由度，事情范圍由其外伸的導(dǎo)向臂決意，其事情平臺運(yùn)用單獨(dú)開辟的用戶交互平臺，正在這個平臺上能夠完成術(shù)前影象學(xué)數(shù)據(jù)的注冊,并憑據(jù)影象學(xué)數(shù)據(jù)為手術(shù)設(shè)計(jì)螺釘置入通路。 SpineAssist將術(shù)前影象學(xué)材料和術(shù)中C形臂掃描的影象學(xué)材料彼此對應(yīng)，由而將術(shù)前設(shè)計(jì)的螺釘置入通路導(dǎo)入到術(shù)中的圖象中，并依賴事情平臺中的操作系統(tǒng)舉行掌握置釘。SpineAssist主機(jī)平臺固定正在特制的T形架上，主機(jī)平臺能夠正在這個特制的T形架上挪動得手術(shù)部位，T形架上有19個可供挪動位置，挪動到哪一個位置舉行手術(shù)是由SpineAssist憑據(jù)術(shù)前設(shè)計(jì)而決意的。T形架則依賴一枚克氏針和兩枚骨圓針固定正在棘突及兩側(cè)的髂后上棘上。術(shù)中SpineAssist憑據(jù)術(shù)前影象學(xué)取術(shù)中C形臂影象學(xué)數(shù)據(jù)相對應(yīng)的后果，并參照術(shù)前設(shè)計(jì)螺釘置入通路的位置和角度調(diào)解6臺機(jī)電的姿勢，手術(shù)大夫只需要銜接導(dǎo)向臂，并沿著導(dǎo)向臂所給出的標(biāo)的目的用電鉆打孔置釘便可。SpineAssist有效地增加了椎弓根螺釘內(nèi)固定手藝的安全性和精確性，并有效地減少了大夫暴露正在射線下的時候。
關(guān)于SpineAssist的更進(jìn)一步材料能夠參考之前報(bào)導(dǎo)過的內(nèi)容。這個脊柱導(dǎo)航幫助機(jī)器人不只能夠用來為電鉆鉆造釘?shù)栏芍敢€可認(rèn)為尖錐及開路器供應(yīng)導(dǎo)航，保障椎弓根螺釘內(nèi)固定手藝的精確性。其安全性和精確性曾經(jīng)經(jīng)由大批體外實(shí)驗(yàn)和多中間臨床實(shí)驗(yàn)所證明。體外實(shí)驗(yàn)中，SpineAssist 預(yù)期螺釘置入通路相較于術(shù)前設(shè)計(jì)的螺釘置入通路均勻偏移1.02 mm ±0.56 mm。Hu等正在95名病人身上利用SpineAssist開展椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)，歲數(shù)分布為12～79歲，共置釘960枚，此中949枚(98.9%)置入樂成而且包管了精度。S. R. Kantelhardt還正在SpineAssist地幫助下為55名病人開展了椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)，歲數(shù)分布為24～86歲，植入共250枚螺釘,此中置釘精確度分布正在0 ～ 1級的占94. 5%，輕度偏移的還便是2級的為4.3%，中度3級偏移及重度4級偏移的比率為0.7%和0.4%，而作為比較，用傳統(tǒng)辦法置釘各個級另外偏移比率分別為91.5%、5.0%、1.9% 和 1.6%。
雖然并聯(lián)式機(jī)器人的精度很高，還達(dá)到了臨床規(guī)定，但并聯(lián)式脊柱導(dǎo)航輔佐機(jī)器人還存在著一些問題：①并聯(lián)式機(jī)器人的硬件及軟件設(shè)計(jì)更加龐大，設(shè)計(jì)周期更長。②并聯(lián)機(jī)器人的事情空間有限，尤其是繞軸位的事情范圍小。
自打脊柱導(dǎo)航幫助機(jī)器人面世以來，不論是串聯(lián)式或是并聯(lián)式脊柱導(dǎo)航幫助機(jī)器人，大批的文章和實(shí)驗(yàn)不停證明脊柱導(dǎo)航幫助機(jī)器人存在以下的長處：①淘汰大夫和護(hù)士的輻射露出；②螺釘置入的精確性更高；③憑據(jù)術(shù)前CT提早擬定手術(shù)計(jì)劃；④更輕易注冊并淘汰了手術(shù)工夫。
2 遠(yuǎn)期預(yù)測
脊柱導(dǎo)航幫助機(jī)器人的進(jìn)步正在脊柱外科行業(yè)是一個了不得的打破，然則也有許多題目須要進(jìn)一步研討。好比若何設(shè)計(jì)更好的術(shù)前設(shè)計(jì)界面，若何更好地展示手術(shù)相干部位的影象學(xué)材料，若何使機(jī)器人更好地婚配手術(shù)部位的剖解布局等。脊柱導(dǎo)航幫助機(jī)器人還必須革新其正在臨床上的實(shí)用性，以上提到的串聯(lián)式及并聯(lián)式導(dǎo)航幫助手術(shù)機(jī)器人皆存正在事情空間過大或太小的題目，所以有須要處理這一題目。為了與此同時保障手術(shù)過程的精確度和手術(shù)操縱的簡單性，能夠研討混聯(lián)機(jī)器人，雖然今朝展開的研討還未幾,但其具有較好的進(jìn)步前景。
已有的脊柱導(dǎo)航輔佐機(jī)械人正在浩繁的實(shí)驗(yàn)中曾經(jīng)證明了它的精確性，正在臨床中的利用還曾經(jīng)證明了其正在退變椎體以致畸形椎體開展椎弓根螺釘置入的優(yōu)良結(jié)果。而今能夠利用脊柱導(dǎo)航輔佐機(jī)械人正在 腰椎以致胸椎干螺釘內(nèi)固定術(shù)并實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的精確性，但更盼望呈現(xiàn)可認(rèn)為頸椎實(shí)行手術(shù)的脊柱導(dǎo)航輔佐機(jī)械人。 頸椎椎弓根直徑唯一5～7 mm，枕頸接壤區(qū)、寰樞樞紐及上頸椎還連接有龐雜的剖解構(gòu)造，龐雜病變形成剖解構(gòu)造的變革對臨床大夫來講仍舊是一個很大的挑釁，手術(shù)過程中極易對脊髓、神經(jīng)根及四周血管形成損傷，比較嚴(yán)重的以致大概致使災(zāi)難性結(jié)果。自然這個中一部分原因是因?yàn)橛跋髮W(xué)偏差及手術(shù)過程中手部肌肉的顫動和滑移致使的，但其本質(zhì)照樣因?yàn)樯项i椎自己過于龐雜的剖解構(gòu)造所致使。所以應(yīng)進(jìn)步頸椎手術(shù)的精確性取安全性，這還有賴于脊柱導(dǎo)航輔佐機(jī)械人的進(jìn)步。Kostrzewski曾經(jīng)正在研討可認(rèn)為頸椎實(shí)行手術(shù)的脊柱輔佐機(jī)械人Neuroglide，并曾經(jīng)開端正在尸首骨上開展試驗(yàn)，盼望Neuroglide能夠早日利用于臨床。
脊柱導(dǎo)航輔佐機(jī)器人進(jìn)展的樞紐，還正在于術(shù)前、術(shù)中圖象的婚配精度及術(shù)中注冊精度、追蹤精度的進(jìn)步?，F(xiàn)正在絕多數(shù)機(jī)器人術(shù)前設(shè)計(jì)是根據(jù)病人術(shù)前 CT舉行，再經(jīng)過術(shù)中C形臂大概0形臂的掃描舉行對照堆疊，然后根據(jù)導(dǎo)航體系的NDI Polaris光學(xué)組件完成注冊和器械的追蹤，可是脊柱導(dǎo)航輔佐機(jī)器人手藝卻恰好被以上圖象體系的成像體例所限定，根據(jù)CT、C形臂、0形臂等儀器獲得的影象學(xué)數(shù)據(jù)一旦舉行三維重建則都市存正在必定的偏差，可能會提升椎弓根螺釘置入過程中產(chǎn)生的偏移，取此同時導(dǎo)航體系的NDI Polaris光學(xué)組件自己還存正在著精度題目，其偏差正在0.35mm擺布。若是可以革新影象學(xué)成像體系，例如使用更好的三維成像算法并革新導(dǎo)航的追蹤體系，乃至使用其他精度更高導(dǎo)航追蹤體系，進(jìn)步全部導(dǎo)航體系精度，則可以降低螺釘置入過程中產(chǎn)生的偏移。為了降低導(dǎo)航扶引器取病人間的相對位移,一方面可以革新扶引器的設(shè)計(jì)，使其取病人的骨性構(gòu)造連接得更加精密，另一方面還可以接納更正確的靜態(tài)監(jiān)控，常常改正偏差來包管導(dǎo)航體系的精度。
伴隨著脊柱導(dǎo)航輔佐機(jī)械人的進(jìn)展，可以預(yù)感不遠(yuǎn)的未來，手術(shù)過程中導(dǎo)航輔佐機(jī)械人會據(jù)有越來越多的份額，其運(yùn)用還會由早期的輔佐工具漸漸過渡到可以單獨(dú)完成手術(shù)的手術(shù)機(jī)械人，而臨床大夫的操縱份額將會逐步淘汰，由由一位操縱者逐漸轉(zhuǎn)為一位輔佐手術(shù)的觀察者。這類腳色轉(zhuǎn)換必須正在機(jī)械人硬件和軟件可以供應(yīng)完美的寧靜保障的條件下才可以實(shí)現(xiàn)。雖然現(xiàn)階段的脊柱導(dǎo)航輔佐機(jī)械人已體現(xiàn)出了很好的寧靜性，然則關(guān)于脊柱外科大夫來講還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。輔佐機(jī)械人最少要有兩重寧靜保障系統(tǒng)，乃至多重寧靜保障系統(tǒng)?？梢赃\(yùn)用分外的傳感器好比力反饋傳感器、音頻傳感器和視頻傳感器來進(jìn)步機(jī)械人的寧靜系數(shù)，這一些傳感器要專門設(shè)計(jì)，具有主動防妨礙安裝，可以憑據(jù)力反饋旌旗燈號的轉(zhuǎn)變大概音頻旌旗燈號、視頻旌旗燈號的轉(zhuǎn)變來推斷是不是產(chǎn)生大概行將產(chǎn)生毛病，如穿出皮質(zhì)達(dá)到椎管內(nèi)，然后憑據(jù)預(yù)先設(shè)定的步伐逼迫截止機(jī)械人的流動，轉(zhuǎn)由大夫參與，推斷是不是正在機(jī)械人的輔佐下持續(xù)完成手術(shù)大概轉(zhuǎn)換由大夫親自完成手術(shù)。還可以設(shè)計(jì)機(jī)械 人的自檢軟件，逼迫機(jī)械人正在每一次手術(shù)前舉行精度的查驗(yàn)，進(jìn)而包管手術(shù)過程的寧靜性。
脊柱導(dǎo)航幫助機(jī)械人范疇是一個由軟件設(shè)計(jì)、 硬件設(shè)計(jì)、用戶界面設(shè)計(jì)、影象學(xué)兼容性設(shè)計(jì)等范疇彼此連系、彼此合作而發(fā)生的醫(yī)療尖端范疇，完成那樣精致的脊柱導(dǎo)航幫助機(jī)械人請求以上各個范疇的 彼此合作，可是脊柱導(dǎo)航幫助機(jī)械人的終究使用者是大夫，還只有大夫了解須要導(dǎo)航幫助機(jī)械人在手術(shù)中起到什么作用，所以這就請求大夫取以上各個范疇的專家彼此交換，彼此促進(jìn)。醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)械工業(yè)的生長促進(jìn)了脊柱導(dǎo)航幫助機(jī)械人的生長，SpineAssist便是一個很好的例子，信賴將來將會有更多脊柱導(dǎo)航幫助機(jī)械人泛起。