机器人辅助系统可将脊椎手术细节投影到屏幕，提升精确度

经皮内镜下腰椎手术（Transforaminal percutaneous endoscopic lumbar surgery，PELS）治疗腰椎间盘突出症和椎管狭窄症越来越受欢迎。但在工作通道的建立和椎间盘成形术中存在一些问题，如神经和血管损伤、辐射量较大、学习曲线较陡峭等。科技的飞速发展使得机器人技术能够协助外科医生提高手术的准确性和安全性。

因此，该研究的目的是开发一种机器人辅助系统，用于经椎间孔PELS，可提供导航和椎间孔成形术。本文以“Design of a robot-assisted system for transforaminal percutaneous endoscopic lumbar surgeries: study protocol”为题于2020年10月19日发布于《Journal of Orthopaedic Surgery and Research》杂志上。

研究背景

经皮内镜腰椎手术（PELS）被认为是一种安全有效的微创手术（MIS），在治疗腰椎间盘突出症和椎管狭窄症方面越来越受欢迎。与传统的开放手术相比，经皮内镜腰椎手术可以达到缩短住院时间、缩短切口长度、减少失血量、降低视觉模拟量表（VAS）值腰痛的目的。

PELS的手术方法包括经椎间路和椎间路，完整的工作通道内镜从背部外侧经椎间孔进入椎管称为经椎间路。经椎间孔PELS包括以下三种手术：椎间盘突出症的经皮内镜腰椎间盘切除术(PELD)、椎间孔狭窄的椎间孔成形术、椎间孔和侧凹狭窄的腹面切除术。

在手术技术中，合适的工作通道是获得成功和预防并发症的关键，它是根据术前影像学检查和术中透视确定的，其入路点由很多因素决定，如患者的大小、面关节的尺寸、针尖在三角工作区的理想位置等。但落点和进针角度不能准确调整，周围重要组织易发生神经根外露、血管损伤等并发症。此外，术中多次透视也增加了手术医生和患者的辐射量。如果研究者能提高落点的准确性，减少辐射暴露和并发症，将有利于经口PELS的普及。

在过去的几十年里，机器人技术在手术中的应用已经成功地应用于许多外科亚专业，并被认为是引领了未来外科发展的趋势。科技的飞速发展使得机器人技术能够协助外科医生提高手术操作的准确性。近来，脊柱手术中的机器人主要被设计为椎弓根螺钉插入的导航装置，如Mazor X、ROSA和Excelsius GPS。多项研究已经报告了机器人辅助足底螺钉置入的早期经验，结果是有希望的。

越来越多的研究者已经开始关注MIS和机器人导航的结合，以提高脊柱手术的效率和准确性。然而，机器人技术在经皮内镜脊柱手术中的应用至今尚未见报道。

基于经皮内镜脊柱手术应用中存在的问题和机器人技术的发展，必须开发一种安全有效的机器人辅助经皮内镜脊柱手术系统。

因此，该研究的目的是开发一种经肛门PELS的机器人辅助系统。该机器人辅助系统可根据术前规划，由6自由度(DOF)机器人手臂自动提供导航、椎间孔成形术，甚至腹面切除术，然后由医生进行椎间盘切除、神经减压等进一步手术。由于学习曲线短，并发症发生率低，研究者认为这种机器人辅助系统还可以减少术中透视的使用，减少手术时间和住院时间。

图为流程图显示了系统的开发和运行过程

外科医生将患者术前CT和MRI数据输入术前计划系统，利用多模式图像融合技术构建融合图像。研究者的团队对机器人导航进行了大量的研究，并提出了一种新型的“眼对体”整体式手术机器人系统。

图为原型系统概述

基于研究者团队先前的研究，研究者将开发一种新的用于跨孔髓的机器人导航系统。首先，外科医生在病人俯卧于放射线台面后，将外部标记物(可以在C臂透视和视觉系统中开发)固定到手术段或相邻的部分。接下来，C臂被用来拍摄腰椎手术区的前、后和外侧X线图像。导航系统可以通过视觉感受器捕捉病人的位置和外部标志。根据外部标志和术前计划，机器人将自动调整机器人平台和机器人手臂到适当的位置。上述技术将保证机器人臂在较小的工作范围内工作，具有足够的灵活性完成手术，实现机器人平台和机器人臂的快速放置。

在机器人放置后，机器人将进行机器人手臂的自动注册和跟踪。研究者也将使用“体内眼”集成手术机器人系统。视觉系统获取的位置信息可以直接映射到机器人手臂上，为机器人手臂的自动登记和跟踪提供了极大的方便。

建立一个快速的、高度自动化的机器人辅助导航系统，以提高着陆点的精度，防止并发症的发生。

在导航系统的帮助下，外科医生建立了工作通道。然而，如果外科医生将套管插入狭窄的孔内，则套管可能会压迫出神经根，导致术后感觉困难。为防止这一并发症的发生，外科医生需要对狭窄的椎间孔，尤其是椎间孔狭窄的患者施行椎间孔成形术。此外，如果患者被诊断为侧隐窝狭窄，则还需要同时行腰腹侧面板切开术。因此，根据术前计划系统提供的骨切除范围，机器人可以利用六自由度机器人手臂末端的高速毛刺自动进行骨切除。

该系统可为外科医生提供实时状态监测和状态反馈.该系统实现了手术器械在骨切除过程中的状态感知和识别，保证了手术的准确性，提高了手术的安全性和有效性。

该系统的原型已经建成，并正在模拟和身体上进行性能测试。在模拟实验中，研究者将执行跨孔髓核。首先，进行腰椎CT和MRI扫描，建立多模式融合图像，并在术前计划系统中进行术前计划。原型自动完成手术段的快速放置和登记。操作者建立了六自由度机器人手臂导航的工作通道，然后利用机器人手臂末端的高速毛刺完成机器人的成形。手术结束后，研究者将对手术段进行解剖，以评估手术的效果。此外，研究者将选择新鲜解冻身体进行身体试验，并建立实验和对照组。在实验组中，研究者将在原型的帮助下进行导航和成形过程。然而，在过去5年中进行了500次PELL手术的两名外科医生将在没有对照组原型的帮助下进行上述手术。在完成手术时，将通过比较两组间的成形效果、手术时间和放射照射来评价原型的优势。

研究讨论与结论

该研究将开发一种经腹PELS的机器人辅助系统，该系统主要包括三个系统：术前计划系统、导航系统、椎间孔整形系统。该机器人辅助系统可根据术前规划系统，由6 DOF机器人臂自动提供导航、椎间孔成形术，甚至腹面切除术。

开发机器人辅助系统进行经腹面PELS手术将具有重要意义。首先，该系统可以提高手术的准确性和效率。此外，它可以避免术中多次透视，最大限度地减少患者和医生的暴露，缩短手术时间，改善初学者的学习曲线，有利于脊柱内镜手术的普及。

椎弓根螺钉植入的准确性是脊柱外科医生最关心的问题。虽然并发症的发病率较低，但螺钉放置错误可导致神经血管损伤、硬膜撕裂或内脏受累。因此，机器人辅助技术旨在帮助脊柱外科医生更精确、更方便地进行椎弓根螺钉置入。这个机器人平台可以将器械的实时导航反馈给外科医生，然后外科医生利用这些信息来计划和手动执行手术过程，当偏离计划的轨迹时，这为机器人椎弓根螺钉器械化又增加了一层安全性。同样，研究者的机器人辅助系统也会根据工作通道规划，由机械臂提供导航，引导手术医生完成工作通道的建立。

此外，毫无疑问，未来的脊柱机器人不能仅仅局限于协助外科医生完成椎弓根螺钉的植入。它还应该帮助进行各种疾病的不同手术。根据术前规划系统提供的骨切除范围，研究者的机器人辅助系统可以利用6 DOF机器人臂末端的高速毛刺自动进行骨切除。此外，机器人可以准确识别高速毛刺的工作状态，并利用多维力、位置、加速度等多模传感器向手术医生提供实时状态监测和状态反馈。

内镜技术的应用最初仅限于腰椎间盘突出症手术。近年来，随着内镜手术设备和技术的发展，微创脊柱手术可以通过各种内镜技术进行腰椎、颈椎、胸椎等部位的手术。经皮内镜下脊柱手术对腰椎、颈椎、胸椎区域的手术根据手术方式分类如下：经腰椎、腰椎间、颈椎前、颈椎后、胸椎后、胸椎外侧。此外，颈部有许多重要的解剖结构，如气管、食管、颈动脉、甲状腺等，并发症可能很严重，如血管损伤、椎前血肿、吞咽功能障碍、食管损伤、神经损伤等。

外科医生需要落点尽可能接近目标，这使得学习曲线更加陡峭。假设上述腰椎、颈椎、胸椎区域的手术方式，研究者的机器人辅助系统可以准确设置。在术前规划系统中，利用多模态图像融合技术实现了手术节段及周围组织解剖结构的三维可视化。根据颈椎、胸椎、腰椎等部位的椎管狭窄位置和椎间盘突出的类型，标注落点和进路角度，减少并发症。然后，机器人根据工作通道规划，通过机械臂提供导航，引导手术医生完成工作通道的建立。此外，高速毛刺可在工作通道中提供骨切除。

该机器人辅助系统涉及生物医学、图像处理、医学影像、机器人动态设计等跨学科前沿技术。诸多难题亟待攻克，问题亟待解决。但是，这种机器人辅助系统将是一个很好的应用前景，可以促进骨科微创手术向精准医疗和人工智能时代的过渡。此外，研究者认为其他手术如机器人辅助经皮椎体成形术、机器人辅助截骨术、机器人辅助椎间盘切除术等也应作为研究方向。

参考文献：Ning Fan, Shuo Yuan, Peng Du, Wenyi Zhu, Liang Li, Yong Hai, Hui Ding, Guangzhi Wang & Lei Zang Design of a robot-assisted system for transforaminal percutaneous endoscopic lumbar surgeries: study protocol  Journal of Orthopaedic Surgery and Research 479 (2020)