计算机辅助骨科导航技术与骨科机器人(2)
来源：学术堂 作者：原来是喵
发布于：2016-11-16 共10268字
2. 2脊柱领域
早期的脊柱机器人关注于如何提高椎弓根螺钉置入精度、减少血管神经损伤、减少医患辐射等，现在也用于病理活检、椎体成形术、局部封闭术等。目前已经诞生了至少18种脊柱相关机器人[14],其中最着名的是以色列Mazor公司的Spine Assist[15],以及韩国的SPINEBOT、德国的Vector Bot和瑞士的Neuroglide.其中，Spine Assist为 并 联 结 构，SPINEBOT、Vector-Bot、Neuroglide为串联结构。串联结构工作空间大，但整体刚度弱、末端定位精度差、体积笨重。并联机器人体积小、定位精度高，但工作空间较小。
以色列的学者于2003年研制出微型手术机器人MARS,经过改进后命名为Spine Assist,后来由以色列Mazor公司实现商业化，成为目前世界上唯一通过美国FDA和欧盟CE批准的脊柱专用机器人。后来Spin-e Assist又改进为Renaissance.该系统主要用于辅助精确置入椎弓根螺钉，目前已有超过2 500例的手术，完成了150 00个螺钉置入。Spine Assist采取2D透视- CT导航，需要术前脊柱CT数据，术中采集2张脊柱X线片进行配准，将机器固定于脊柱上、定位椎弓根螺钉的置入通道。大量的临床实验表明，Spine As-sist可显着提高置入物精确性、减少辐射，尚无发生永久神经损伤的报道[16 ~ 18].
韩国汉阳大学于2005年研制了SPINEBOT[19],为一种7自由度自动钻孔的机器人，采用术前CT/MRI和术中NDI Polaris红外光学系统导航，进行椎弓根螺钉的置入。2010年他们又研制了SPINEBOT v2,但结构和第一代SPINEBOT完全不同，取消了自动钻孔功能，为5自由度机器人，同时用术中双平面透视导航取代了NDI光学导航。但仅仅完成了初步的模型骨、尸体实验，尚未进入临床应用。
德国Brainlab公司的Vector Bot[20]是德国宇航局研制的轻型动力机器人和该公司导航系统Vector Vison的整合。术中采用光学系统导航，机器人本身不具有钻孔、磨削功能，只是用于防止医生偏离正常操作范围。由于诸多原因，该系统并未商业化。
2. 3创伤领域
骨折复位和固定是创伤骨科的两大基本任务，故而创伤领域的机器人基本可以分为定位机器人和复位机器人两类。定位机器人主要用于简单的骨通道定位，如髓内钉锁定孔、股骨颈空心螺钉通道、骨盆微创螺钉通道等，其基本原理类似于脊柱、关节领域机器人。但复位机器人的研发明显比脊柱、关节领域机器人更为困难。首先，复位前后骨块的位置关系发生了变化，导致术前影像和术中影像配准困难，难以提供良好的导航精度。其次，由于复位通常需要对抗很大的阻力，故而对机器人的力学性能，如刚度、力量、扭矩等，提出了更高的要求。再者，复位机器人可能在复位过程中造成额外损伤，如何提高安全性也是必须解决的难题。复位机器人经历了工业化串联机器人、小型并联机器人、串并混联机器人的研究历程。目前，复位机器人只能进行简单的长骨骨折复位，以及骨盆骨折复位等，复杂的关节内骨折复位尚未能实现，也没有任何产品获得批准上市销售。
最早 的 长 骨 复 位 研 究 为Bouazza - Marouf[21]于1995年研究的股骨复位机器人，提出了采用术中2D- X线片作为导航，辅助置入股骨内置物，但该研究仅仅是手术过程示例，并无真正的模型骨、尸体实验为证。1998年，以色列Joskowicz等[22]研制了FRA-CAS,用于闭合置入股骨髓内钉。他们将术前CT图像与术中校正后的X线图像进行配准，并分别在股骨近端、远端安装红外光学示踪标记物，术中医生只需在显示器上观察骨折两端的3D模型，即可完成手动复位，并采用特制的瞄准装置无需再次透视即可完成远端锁钉的置入。Graham等[23]研制的长骨复位机器人，系6自由度并联结构，采用足套将患侧足部固定于机器人的平台进行复位，缺点是机器-骨之间缺乏刚性连接。国内解放军总医院唐佩福等[24 - 25]分别研制了用于长骨骨折复位的6自由度串联机器人、串并联机器人，采用CT导航，并加入了视觉伺服闭环控制以实时跟踪复位效果并进行安全性反馈，动物骨实验表明具有较高的复位精度，目前已经进行了初步临床试验并取得满意效果。积水潭医院王军强等[26]研制了6自由度并联机器人，可固定于手术床上，采用2D - X线图像作为导航，以健侧股骨图像作为复位的参照，在模型骨和尸体骨模拟了股骨骨折复位。
美国Starr等[27]于2009年研制了一种骨盆复位架Starr,在2D透视导航下辅助医生完成骨盆骨折的复位、并能维持复位以进行骨折固定，初步临床应用获得了满意结果。积水潭医院苏永刚等[28]研制的双平面骨科机器人，完全基于术中X图像进行导航，辅助置入骶髂关节螺钉。国内天智航公司研制的骨科定位机器人，可在X线导航下完成股骨颈骨折空心螺钉、骶髂关节螺钉、髓内钉锁钉置入等手术，并获得了国家食品药品监督管理局的Ⅲ类器械注册证。
3结语
骨科机器人及其导航技术是多学科交叉的结果，经过近20年的飞速发展，已经展现出巨大的临床应用价值和潜力。作为精准医疗的应用典范，骨科机器人必将成为未来骨科主要发展方向之一，和数字骨科学深度整合，为骨科医生进行智能、微创、精准、个性医疗提供坚实基础。现有的各种导航技术虽已较为成熟，但各有缺点，微创化、无辐射化、多模态导航是未来研究的方向。机器人构型仍旧需要不断改进，以减小体积、增强力学性能、增加稳定性和精确性，同时引入多方面的安全控制策略。随着远程网络医疗的持续建设，骨科机器人和导航的遥控操作必将广泛推广，为患者提供高质量诊疗服务。
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