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机器人辅助脊柱外科手术的现状与未来
中华医学杂志, 2017,97(33): 2561-2562. DOI: 10.3760/cma.j.issn.0376-2491.2017.33.001
摘要
引用本文: 海涌, 孟祥龙. 机器人辅助脊柱外科手术的现状与未来 [J]. 中华医学杂志,2017,97( 33 ): 2561-2562. DOI: 10.3760/cma.j.issn.0376-2491.2017.33.001
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脊柱外科手术是一门精妙的艺术,完美的脊柱外科手术需要医生丰富的经验、协调精细的手部动作,但是长时间的外科手术,可能导致医生出现操作上的失误。近年来,医用机器人已被应用于外科领域当中,机器人通过运动调节和震颤过滤功能,完美了医生手部的灵巧性,其高度的精准度和几乎无限的耐力,受到业界的赞许。目前脊柱外科应用机器人辅助的手术包括机器人辅助椎弓根螺钉置入、前路腰椎间融合、胸腰椎肿瘤切除、经口齿突切除和椎旁肿瘤切除等,但是早期的应用效果并不尽如人意。随着机器人技术的发展,临床中使用机器人的病例逐步增多,也获得了很好的临床效果。但是因为其高昂的价格等因素,目前还没有获得广泛的应用。

一、脊柱外科机器人发展的现状

目前脊柱外科手术中使用的机器人可以分为两种,一种是以Mazor机器人系统(Renaissance Robotic System)为代表的椎弓根螺钉辅助置入的机器人,临床应用相对较广;同种类型的机器人还有ROSA(Medtech),但目前该型机器人临床应用较少。另一种为达芬奇机器人系统(Da Vinci Surgical System)为代表的主从式系统(Master-Slave Systems)机器人。

1.Mazor机器人为代表的椎弓根螺钉辅助置入系统:

Mazor机器人是美国FDA批准的微型机器人,用于帮助椎弓根螺钉置入,手术可以分为4个步骤,包括术前计划、安装支架、匹配术前CT与术中透视图像、置入螺钉。该型机器人原理是根据术前至多1 mm层厚的计算机断层CT扫描,计划螺钉置入的安全路径,计划使用螺钉的直径、长度、角度,螺钉置入的位置。术前通过X光透视,机器人自动将术前的CT扫描图像和术中X光透视的图像进行匹配。机器人自动将导管定位到术前计划的入钉点,完成螺钉的置入。该型机器人重要的特点是螺钉置入的准确性,同时允许外科医生在手术台上手动地控制手术器械,以避免术中可能出现的意外情况。

2.达芬奇机器人为代表的主从系统机器人:

达芬奇机器人由4个手臂组成:3个用于手术操作,1个用于摄像头,由2个手动部分和2个脚踏控制。外科医生完全控制和操纵主系统,通过可视化屏幕进行操作,由机械部分组成的从属系统,按照外科医生控制的主系统发出的计算机指令(通常是操纵杆移动)进行手术操作。达芬奇机器人手术系统在2000年获得FDA批准用于普通外科手术,目前已经在多种类型的脊柱手术中使用,如前路腰椎间融合、胸腰椎肿瘤切除术、经口齿突切除术和椎旁肿瘤切除术[1]。目前因为该型机器人的高昂费用和相对较长时间的学习曲线以及未见到优于传统手术的效果,导致该型机器人在脊柱手术中应用不多。

二、机器人在脊柱外科手术中的优势
1.手术内置物的精准置入:

螺钉误置是导致脊柱外科手术并发症的一个主要原因。螺钉误置可能导致神经、血管和脏器损伤,副损伤的发生率依据医生的经验、疾病类型、衡量标准的不同而不同。从目前从PubMed上检索到的文献可以看到,机器人辅助明显提高了螺钉置入的准确性。机器人辅助螺钉置入螺钉突破椎弓根壁<3 mm(T2-S2)的大约占到所有螺钉96.9%,有3.1%的螺钉置入突破椎弓根壁>3 mm,而经验丰富的脊柱外科医生徒手置入螺钉的准确性约在92.7%[2,3]。机器人辅助螺钉置入明显提高置入螺钉的准确性,从而减少了神经损伤等并发症的发生。熟练的脊柱外科医生相对于不熟练的脊柱外科医生,在螺钉置入的准确性方面存在明显的差异,机器人的使用最大可能的消除了医生经验不同导致螺钉误置率的不同。

2.手术创伤的减小:

机器人系统提高术中定位的准确性,尤是在复杂翻修的解剖结构位置更加适合机器人的使用,同时允许通过较小的切口完成手术。例如,在MIS-TLIF手术中,可以通过机器人术前计划,经皮快速置入椎弓根螺钉,避免了过多的放射线暴露,同时也可避免因为螺钉置入困难而转为开放手术置入螺钉的可能。机器人辅助微创手术减小了手术切口,降低了感染风险,避免了长时间肌肉牵开的可能,这有利于减轻术后疼痛,减少了止痛药物的使用和缩短了住院时间

3.辐射暴露的减少:

机器人辅助脊柱手术可以显著的减少术中放射线的使用量。这是因为术前充分计划减少了术中放射线透视的次数,术中只需根据机器人套管指引的方向置入椎弓根螺钉。辐射暴露量的研究显示机器人辅助螺钉放置是否明显低于徒手放置椎弓根螺钉,与使用放射线的有关工作流程以及医生徒手置入椎弓根螺钉的熟练程度有关。

4.手术时间缩短:

机器人通过手术前的计划,微创切口达到手术部位,具有良好的准确性和精确性,通过医生熟练的操作和机器人的准确指引,手术时间可以明显的缩短。但是目前多项研究表明,机器人辅助置入螺钉和X光透视置入螺钉无明显的手术时间差异,使用机器人带来的手术时间的缩短往往被设置机器人所需要的时间所抵消,这与医生操作机器人的熟练程度,以及医生徒手置入螺钉的熟练程度有明显的相关性。

三、机器人在脊柱外科手术中有待改进之处
1.手术技术的复杂性:

机器人辅助脊柱手术的主要缺点是手术技术的复杂性,因而导致手术失误的因素增加。经验不足的外科医生可能很难发现这些技术错误,盲目完全依赖机器人辅助技术,可能导致手术并发症的发生。

机器人辅助技术发生错误的原因包括术前三维图像与患者的术中解剖结构不能完全匹配、图像质量差、注册不准确、病人定位不准确、畸形、身体体重指数过大或重度骨质疏松有关。术中需要通过机器人重新设计来处理明显螺钉置入不准确的情况,也可能更改为徒手置入螺钉。

当螺钉置入点周围软组织量过多时,使用机器人可能导致螺钉的入钉点因为软组织的干扰,导致螺钉方向发生偏差。肥胖患者进行机器人手术,应考虑增加螺钉入钉点的外侧偏移量。在有斜坡的骨头表面,存在"套管滑移"的问题,这种情况通常发生在小关节的外侧面,导致螺钉置入的不准确[4]

2.复杂脊柱畸形的应用受限:

因为机器人旋转臂的受限,对于严重脊柱畸形中明显旋转的椎体,机器人不能完成该类螺钉的置入。希望未来的机器人能够实现在严重脊柱畸形患者上的应用,因为严重畸形,椎体旋转明显的患者,恰恰是最需要机器人辅助的手术操作。

3.高昂的费用:

机器人手术广泛推广的障碍主要是高额的费用。这些费用包括机器人自身价格、使用费用、机器人耗材的昂贵费用,以及培训手术团队的费用。如达芬奇机器人的手术剪刀和镊子只能最多使用10次,那么这些都增加了手术费用。

四、机器人未来的发展方向

Mazor为代表的机器人辅助椎弓根螺钉置入可显著减少螺钉误置,尤其在微创手术和解剖结构混乱的翻修手术,机器人显示出了更加明显的优越性。随着主从式机器人和螺钉辅助机器人技术不断改进,机器人辅助手术可能将成为未来脊柱手术的标准设备。随着科技的进步,未来会有更加智能化的机器人问世,未来的主从式机器人将允许医生可以在手术台上操控机器人,给外科医生提供精细的触觉反馈,如同医生手部触碰人体组织的真实感受。未来的螺钉辅助置入机器人可能将自动定位需要置入螺钉的位置,不需要中断手术进程,实现术前CT、MRI图像和术中图像的无缝连接,不仅可以看到骨组织,还可以看到神经、血管等重要的软组织。

可以预见脊柱手术机器人未来的发展方向和前景,但是脊柱外科医生仍需思考。选择最佳的治疗方案是永远不变的原则。机器人是一种先进的工具,医生要为患者选择最佳的治疗方案,而不是选择最新的科技。当机器人辅助手术碰到意外的情况,极有可能需要转为开放手术或者徒手技术,这时就需要医生具有很好的开放手术的功底,才能够有能力、有信心的完成手术。

机器人辅助脊柱外科手术,代表着科技的进步。未来的脊柱外科发展方向可能就是机器人辅助脊柱外科手术,用更加精准的先进技术和医生丰富的经验为患者带来最好的治疗效果。

参考文献
[1]
ShweikehF, AmadioJP, ArnellM, et al. Robotics and the spine: a review of current and ongoing applications[J]. Neurosurg Focus201436(3):E10. DOI: 10.3171/2014.1.FOCUS13526.
[2]
KericNDCHA. Evaluation of robot-guided minimally invasive implantation of 2067 pedicle screws[J]. Neurosurg Focus201742(5):E11.DOI: 10.3171/2017.2.FOCUS16552.
[3]
MarcusHJ, CundyTP, NandiDet al.Robot-assisted and fluoroscopy-guided pedicle screw placement:a systematic review[J].Eur Spine J201423(2):291297.DOI: 10.1007/s00586-013-2879-1.
[4]
MolliqajG, SchatloB, AlaidAet al. Accuracy of robot-guided versus freehand fluoroscopy-assisted pedicle screw insertion in thoracolumbar spinal surgery[J]. Neurosurg Focus201742(5):E11E14. DOI: 10.3171/2017.3.FOCUS179.
 
 
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