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經皮椎弓根釘-棒系統內固定技術已成為脊柱外科主要術式之一，已被廣泛應用于腰椎退變性側凸、腰椎退變性失穩及腰椎滑脫癥等多種疾病。相較于傳統開放手術下置釘，經皮椎弓根螺釘技術有著明顯的優點[1,2,3,4]：更少的失血，較低的術后感染率和更快的恢復時間。然而由于脊柱解剖結構的復雜性，在術中稍有不慎即可能損傷神經或血管，所以在手術過程中椎弓根螺釘的置入必須做到精準。為了提高置釘的準確性，常需要反復進行術中透視，給患者及手術醫生帶來不可避免的輻射傷害[5,6]。術前CT及術中導航有助于提高置釘的精度，且在一定程度上減少了輻射暴露[7,8,9]。但文獻報道當前置釘的失敗率達4.1%~28%[10,11,12,13]。由于脊柱外科手術難度大，精度要求高，往往需要術者精神高度集中數個小時，手術醫生在疲勞狀態下操作的精準度也遭遇一定的挑戰。近年來，手術機器人在脊柱外科的發展可能將為這一問題帶來新的思路。
本文以"機器人"、"脊柱手術"、"螺釘置入"、"Robot"、"Spine Surgery"、"Screw Insertion"等作為檢索關鍵詞在Pubmed、Embase、Web of Science、CNKI、萬方數據庫進行檢索，文獻語種限定為中文和英文，年代不限。文獻納入標準：①文獻類型為學位論文、期刊論文、綜述；②文章研究內容與機器人輔助下椎弓根螺釘置釘技術相關；③相同領域文章選擇近期發表或發表在權威雜志上的文章。排除標準：①無法獲得全文的文獻；②研究目的與本文無關的文獻；③質量較低，證據等級不高的文獻。最終43篇文獻納入本研究，中文9篇，英文34篇。
一、外科機器人的應用及脊柱外科機器人的萌芽
自1985年Kwoh等[14]將PUMA（Programmable Universal Machine for Assembly industrial robot）系列醫用機器人引入外科手術后，機器人操作的精準性及不易疲勞等特性已逐漸為人們所認可。其中最知名的為Intuitive Surgical公司的達芬奇機器人，自1997年開展首例膽囊切除術[15]之后便不斷被應用于普外科、泌尿外科、婦產科等手術，并且催生出了一系列類似的內鏡外科機器人系統。但此種內鏡機器人需要一定的操作空間，對于手術部位有著嚴格的限制。
在脊柱外科的應用早期局限于前路手術，2012年Beutler等[16]應用達芬奇機器人完成了首例L5S1的ALIF手術。第一臺真正為脊柱外科手術研發的機器人為法國Sautot等[17]于1992年將PUMA機器人進行改進后推出的PUMA260。其采用激光引導下的機械臂結構，結合術前CT及術中X線透視進行定位及輔助打孔。盡管只停留于試驗階段，并未能真正的應用于臨床，但其創造性地將術前CT與術中X線透視相結合的被動導航系統引入脊柱外科機器人系統，并為大多數后續機器人所沿用。窘于當時的科技水平，2003年之前所研發的脊柱外科手術機器人大多只停留在試驗階段，甚至有些只是提出了大致的構想并無實物，然而正是這些嘗試為日后脊柱外科機器人的跨越性發展埋下了希望的種子。
二、試驗研究階段的脊柱外科機器人
近15年來涌現出許多優秀的脊柱外科機器人系統，根據定位導航系統可分為基于被動導航系統和基于主動導航系統兩大類。
被動導航系統在術前將患者的體位及影像學資料進行配準后即可生成三維坐標系并進行導航，術中無需再次進行配準，如PUMA 260等。此種導航系統技術相對成熟且較易實現，在前期被廣泛應用于脊柱機器人系統。然而在臨床手術中患者的椎體位置并非固定不變，劉亞軍等[18]將光學示蹤系統固定于俯臥位全麻患者的背部，追蹤C3、C7、T7、T12、L4及S1椎體后發現T7（2.26 mm）、T12（2. 27 mm）及L4（1. 61 mm）的位移明顯高于其他節段，且前后方向的位移明顯高于左、右及上、下方向。對于脊柱外科機器人系統而言，若無法解決因呼吸運動而帶來的椎體位移問題，再完美的術前與術中配準方案均無法做到真正的精準定位。
2003年Stoianovici等[19]為解決脊柱外科機器人系統圖像匹配及機械臂跟蹤問題而研發了一款使用術中CT及光學追蹤系統的機器人Acubot，采用6個自由度的并聯型結構，并于機械臂末端安裝探針用于進行經皮穿刺活檢以及神經根及關節突封閉等操作。Acubot于2005年通過FDA認證，同年一項20例神經阻滯術隨機對照試驗表明，機器人和傳統徒手法的平均偏差分別為1.105 mm和1.238 mm[20]。雖然Acubot機器人最終并未能成功進入商業化，其公司也未繼續將其應用于脊柱外科領域的研究，但其作為首個基于主動導航系統的脊柱外科機器人，為后續脊柱外科機器人的研發帶來了新的思路。
2010年韓國漢陽大學研制的SPINEBOT v2機器人[21]為具有5個自由度的串聯型機器人，相較于其2005年所研制的采用光學追蹤系統的自動鉆孔型機器人SPINEBOT v1，首次將"O"型臂術中CT引入了脊柱外科機器人系統，并取消鉆頭改為傳統的輔助導筒。一項尸體研究報告SPINEBOT v2的置釘準確率為92.86%（26/28），軸向角度的最大誤差為2.69°，平均誤差為1.33°；橫向角度的最大誤差為2.4°，平均誤差為0.83°[22]。Kostrzewski等[23]于2012年報告了一種專門為上頸椎椎弓根螺釘固定所研發的機器人Neuroglide，通過尸體研究證明其在寰樞椎椎體置釘的直線平均誤差1.94 mm，旋轉平均誤差4. 35°。張鶴等[24]于2012年報告了一種可以在機械臂前端夾持氣鉆實現遙控打孔的新型機器人系統，經過動物標本驗證其打孔成功率為98.1%（53/55）。田偉等[25]研發的天璣機器人系統于2016年上市，采用6個自由度串聯型結構、光學跟蹤系統及3D-"C"型臂術中X線透視機，簡化了術前計劃及術中配準流程，置釘整體誤差為（1.77±0.78）mm，可用于脊柱及創傷等手術[26]，已通過CFDA認證。
盡管采用被動導航系統的機器人數量眾多，但是真正能夠通過FDA及CE認證，并應用于臨床的僅有2003年Mazor公司推出的SpineAssist機器人系統。而主動導航系統的機器人的代表為2014年法國Medtech公司推出的ROSA Spine，已于2016年通過FDA及CE認證。
三、臨床應用的脊柱外科機器人
（一）SpineAssist
SpineAssist于2003年由以色列Mazor公司推出，被廣泛應用于脊柱活檢、脊柱側凸矯形、椎體成形術以及經椎弓根固定等手術。該系統的核心部件為6個自由度的并聯型結構，最主要的特點是擁有十分小巧的體積，直徑5 cm，高8 cm，重量僅為250 g[27,28]。使SpineAssist在臨床應用中更為方便易行，幾乎可適應所有的手術室環境。其創造性地將機器人安裝于固定在患者棘突及其他骨性標記的"T"形支架上進行定位，機器人與患者形成相對固定的位置關系，從根源上避免了呼吸運動所致的椎體位移給定位帶來的影響。
2011年Mazor公司又推出了名為Renaissance的新一代機器人系統[29]，繼續沿用SpineAssist的核心，并重新升級了術前計劃與術中操作系統，允許將術前計劃系統安裝在個人電腦中。在新系統下僅需"C"型臂X線機行正、側位透視便可通過特殊的算法擬合出三維圖像，使術前注冊過程更為簡單易行，定位更加精準。SpineAssist的手術工作流程[30]：①術前CT掃描及三維重建，計劃植入物的最佳位置和尺寸；②將所需的機器人安裝平臺固定到患者的骨性解剖結構上；③使用"C"型臂X線機行正、側位透視并與CT三維重建圖像擬合；④將機器人安裝在平臺上，機器人自動將其臂與計劃的螺釘（或工具）軌跡配準；⑤確認位置無誤后，手持電鉆穿過由機器人臂維持的引導管鉆孔，后插入導絲和螺釘。
（二）ROSA Spine
ROSA Spine于2014年由法國Medtech公司推出，2016年初便獲得FDA及CE認證。ROSA Spine原型承襲Medtech公司為神經外科顱腦穿刺定位所設計的機器人ROSA Brain，不同于SpineAssist機器人小巧的造型，ROSA Spine采用了無框架的串聯型機械臂結構，使其有著更大的操作空間及機械穩定性。ROSA Spine由6個自由度的機械臂、光學追蹤導航系統、機器人操作系統及"O"型臂導航系統所組成[31,32]。
在術前將患者、機械臂、導航標定架一同通過"O"型臂導航系統掃描后，即可于操作平臺進行術前計劃設計，避免了二次術中透視再配準。為了消除呼吸運動所致椎體位移帶來的誤差，ROSA Spine引入了光學追蹤導航系統。通過雙光學動態攝像頭以及分別固定在患者骨性標志、機械臂下端的導航標定架將機械臂與患者椎體進行動態結合，使機械臂可追蹤患者因呼吸運動所致的微小位移。并且機械臂按照術前計劃移動至進釘點后，手術醫生可在"O"型臂三維實時導航下進行手動打孔與置釘，更加保證了置釘的準確性[31]。
四、脊柱外科機器人的臨床應用
SpineAssist系統應用于臨床已逾10年，2010年的一項多中心、大樣本的回顧性研究中共納入635例機器人輔助下手術，共計置入3 271枚椎弓根螺釘及導絲，通過術后CT驗證，89.3%的螺釘完全與椎弓根契合，另外9%的螺釘偏差也在2 mm以內[33]。Hu等[34]應用機器人進行95例脊柱畸形矯正手術，置釘準確性為98. 9%（949/960）。Marcus等[35]進行了機器人輔助置釘與徒手置釘準確性的回顧性對比研究，發現機器人置釘成功率為94.1%（686/729），優于徒手置釘的92.7%（537/579）。Keric等[36]回顧性分析24例（121枚螺釘）徒手置釘與66例（341枚螺釘）機器人輔助下置釘，發現機器人組置釘準確率為90%，而徒手置釘為73.5%。翟驍等[37]在國內首次將機器人應用于脊柱側凸矯形術，14例置入148枚螺釘，平均矯正率為74.9%，置釘準確性為95.3%（141/148）。
而ROSA Spine由于推出時間尚短，雖據文獻報道已開展逾百例手術，但多半是在同一家醫院進行，仍缺少多中心、大樣本的研究報告來驗證其準確性。Lefrance和Peltier[32]通過一項尸體研究報告ROSA Spine的準確性為97.4%（37/38），只有1枚螺釘穿出皮質且偏差< 1 mm。Lonjon等[38]將ROSA Spine輔助下置釘與徒手置釘進行了20例前瞻性對照研究，顯示ROSA Spine置釘準確率為97.3%，而徒手置釘準確率為92%。一項最新研究回顧了24例ROSA Spine輔助下的TLIF手術，其置釘準確率為98.9%（95/96）[31]。
五、脊柱外科機器人存在的問題及挑戰
盡管有大量文獻證明機器人輔助下置釘的準確性更高，但仍有學者對脊柱外科機器人系統的穩定性存在疑問。Ringel等[39]通過分別使用SpineAssist及徒手置釘對60例患者共置入298枚腰骶椎椎弓根螺釘，結果顯示兩者的手術總時間及術中輻射量差異無統計學意義；然而，徒手置釘組的成功率為93%，機器人組成功率僅為85%，且機器人組的偏差大多數為橫向偏差。這或許是因為大多數椎弓根螺釘的進釘點位于小關節面的斜面上，而在存在退行性小關節肥大的情況下，由于空間狹小不便觀察且缺乏實時阻力反饋，機器人的套筒可能因接觸斜面結構而引起側向打滑。這種打滑正可解釋機器人組中椎弓根螺釘的偏差主要為橫向偏差。
當前脊柱外科機器人系統仍然存在一些問題：①無論是SpineAssist或ROSA Spine，在臨床上的應用仍局限于輔助定位，最關鍵的鉆孔、置釘依然由術者完成，未能做到真正的自動化；②大多數文獻中機器人的置釘準確性均高于徒手置釘，但仍缺乏機器人系統與導航系統輔助下置釘準確性的對比研究，且相較于當前的導航系統，機器人系統高昂的價格也使其難以推廣；③盡管有文獻報道應用SpineAssist在尸體上完成一種僅使用2枚螺釘的機器人引導下斜行腰椎椎體間融合術[40]，但機器人系統仍無法給脊柱外科手術帶來革命性的改變。
精準、微創醫療已成為脊柱外科手術的趨勢，手術機器人因其準確性高、穩定性強、學習曲線短等優勢也越發為手術醫生所青睞。Hu和Lieberman[41]報告使用機器人進行手術超過30例時，術者的置釘準確率即可達90%以上，且失誤率僅為0~0.8%。Sensakovic等[42]研究表明在使用機器人系統時僅需更低劑量的CT掃描，可降低84%~91%的有效劑量。Kantelhardt等[43]回顧分析了112例接受椎弓根釘-棒系統固定的病例，發現機器人輔助下置釘準確性更高，手術輻射更少且術后不良事件的發生率似乎更低。我們希望在將來虛擬現實技術、增強現實技術、混合現實技術等可以被應用于脊柱手術機器人系統，從而在機器人的輔助下真正做到精準化、自動化及安全化。
