骨科脊柱手术机器人的未来之路，一个大三甲医院骨科医生的反思

为什么常被称为外科老大的骨科，似乎在这个手术机器人应用火热的时代落后很多了？

在过去十几年中，机器人系统在外科手术中的使用大大增加。普外科、泌尿外科、妇科等领域已广泛采用机器人手术作为日常实践的一部分，甚至都放在了住院医师规范化培训中；而我们的骨科医生很多还在徒手打钉子、上钢板、换关节和徒手进行内镜微创手术，与上世纪的骨科医生的工作似乎没有什么太大变化，只不过钢板是新型号，钉子是新款式，关节是新界面，微创倒是出现了一些新术式。

国际上看，骨科机器人产品已经开始推广布局，尤其是在脊柱外科。Zimmer Biomet 的Rosa Spine，Globus 的Excelsius GPS，以及Medtronic的Mazor X等都已经广泛开展临床应用。Stryker也收购了Mobius以及旗下Cardan 机器人，要进一步集成为一体化的脊椎微创手术机器人平台。目前来看，国外厂商最新的发展趋势是“术中3D影像+手术机器人+人工智能+专有耗材”一体化，他们计划提供完整的平台解决方案。

全球骨科机器人手术机构分布  图片来源：biomedcentral.com

国内，在手术机器人第一股——天智航的带动下，脊柱机器人公司也是如雨后春笋般的涌现出来。但目前还未看到能够和国际品牌相匹敌的具有完整平台解决方案的机器人系统；此外，机器人的优势主要体现在精确性、微创性、可重复性等，但当前商用化的骨科机器人还不能完成高效的全流程手术操作，多数局限在脊柱置钉导航辅助，或是辅助关节置换手术中的若干步骤。

内科手术外科化，外科手术微创化是未来的手术趋势，关节外科的机器人仅提高了植入物的精确性，而椎间盘镜、关节镜这些技术结合机器人可使患者获益于微创和精确植入。把这些技术与机器人技术相结合，才会使得更多患者获益，但是这些微创技术门槛较高，需要更多系统化的技术集成，培训及临床技术更新。普外科、泌外科、妇产科等已经借助腔镜机器人系统走到了微创机器人外科的前面，骨科目前仍然需要进一步的努力。当然，从目前的治疗来看，传统治疗仍然占临床治疗中的大多数。新生代的大型医院医生们正在积极参与研发属于下一代的机器人产品，这也正是我国骨科事业发展的重要机遇。

目前布局骨科脊柱手术机器人公司包括Brainlab（CIRQ）、Curexo（CUVIS-spine）、Globus Medical（ExcelsiusGPS）、Medtronic（Mazor X）、TINAVI Medical Technologies（TiRobot）、Zimmer Biomet（ROSA One Spine）、Stryker（Mobius - Cardan），在此推动下，最近几年的脊椎外科相关的专利数量急剧增加。

脊柱外科美国、欧洲创新专利数量  图片来源：researchgate.net

安全有效的脊柱手术依赖于精准的影像基础，它多以精准3D影像为基础，结合实时定位手段，引导机器人臂进行手术导航乃至辅助手术操作。

在进行手术操作时，脊柱机器人提供了一些优势，包括减少外科医生的疲劳和颤抖，同时通过固定的工作角度为器械提供稳定性，从而提高准确性和精确度，并且可以有效减少术中医生透视次数和时间，减少医生和患者的辐射剂量。目前脊椎手术机器人正从置钉导航，发展到半自动置针，下一步就是发展全流程手术机器人尤其是骨科微创手术机器人，据了解，目前在已经有公司开始开发类似的全流程骨科内镜微创手术机器人，例如国内的歌锐科技（Great Robotics），国外的Stryker公司。

内窥镜脊柱手术机器人辅助脊柱融合手术中的置钉  图片来源：.semmes-murphey.com

脊柱外科医生目前把脊柱融合（椎体固定）作为治疗的“最后的手段和最重要的手段”。 内固定主要是基于脊柱不稳或传统切开手术对原有脊柱稳定性大量破坏后的操作。

问题来了，真的那么多脊柱都需要内固定吗？

新时代的内镜微创技术操作下，在并没有破坏脊柱大部分稳定结构的情况下，可能只有很少一部分需要内固定置钉技术。但目前的骨科导航手术机器人主流仍然在强调置钉精确、置钉优势。不可否认，从传统的几十年来，置钉是基础，是重要手段，但不是唯一方式。随着椎间盘镜下融合，镜下器械、OLIF等等技术的发展，置钉融合未来可能逐渐需要被淡化或被推迟实施。

美国脊柱内镜技术的创始人Yeung 的第一篇文章“远离融合”于 2015年12 月发表在《脊柱杂志》上。从 Yeung 对 58 名患者进行 5 至 10 年随访的初步审查中分析发现，大约 36% 的患者避免了脊柱融合手术（打脊柱椎弓根钉），但 100% 的患者对延迟融合作为他们的第一个手术选择的决定感到满意。他建议患者首先选择内镜减压术作为“过渡手术”时，诊断和治疗有助于缓解患者的疼痛，提高患者的生活质量。这就相当于关节镜治疗是骨关节炎治疗的过渡手术，并不是每个人都需要直接做关节置换一个道理。

近几十年来，已经引入了各种微创手术技术，以最大限度地减少与入路相关的组织创伤，同时优化围手术期护理和长期功能结果。目前国内外也开始出现用于脊柱微创的新一代手术机器人系统，该领域重新变为热点。脊柱微创手术在术中需要在高精度术中影像的引导下进行精确的操作以及一些重复性的操作，因此特别适合手术机器人辅助。

未来的新一代脊柱机器人技术需要不仅仅在置钉方面表现优秀，还需要在微创手术的定位、建立通道、内镜下减压和镜下融合等方面具有更多技术特点。结合新一代的末端器械，以及光学/磁追踪器械，使得脊柱外科的手术越来越简单化。

脊柱内镜手术。内窥镜脊柱手术是一种先进的微创脊柱手术形式，旨在为患者提供比传统脊柱手术方法更快的恢复时间和更少的复发性疼痛。在大多情况下，可以使用局麻代替全身麻醉进行内镜手术，从而降低年龄较大或合并有可能增加手术风险的内科疾病患者的整体医疗风险。脊柱内窥镜技术是一种更具技术挑战性的手术，但它有优良的术后效果。

内窥镜脊柱手术  图片来源：outpatient-spine-surgeon.com

人工间盘置换术。融合与置换一直存在争议，部分学者认为融合是过时的，尤其是颈椎，因为数据非常清楚，以至于人工颈椎间盘置换在很多结果指标上都优于融合，人工椎间盘通过模仿正常椎间盘的粘弹性，可以改善替代物的生物力学。

3D打印。3D打印技术在脊柱有很多用途。2019 年，纽约市特殊外科医院与 LimaCorporate 建立合作伙伴关系，推出基于供应商的增材制造 3D 打印设施，用于个性化定制骨科植入物。3D打印Cage提供定制的尺寸和形态，工程师设计了系统的Cage，使用精确的映射和术前手术计划来恢复适当的高度和角度。RTI Surgical 等公司开发了 Fortilink Interbody Fusion 3D 打印植入物用于治疗退行性椎间盘疾病。最新的骨科3D打印可以进行在位的3D打印，更符合临床的需求。

混合现实。约翰霍普金斯医院的三名神经外科医生使用增强现实系统对一名患者进行了首次脊柱融合术，Augmedics 在脊柱领域引起了轰动。该公司的 FDA 批准的 Xvision 脊柱系统使外科医生能够在术中可视化 3D 脊柱解剖结构，因此他们可以在看着患者的同时浏览器械和植入物。混合现实技术的联合在术前评估、医患沟通、远程会诊、提高患者安全、改善术后效果、减少并发症方面具有巨大潜力。

人工智能。人工智能在医疗保健领域具有巨大潜力。人工智能可以帮助做出手术决策和阅读影像研究。该技术不会取代外科医生，但可以增强外科医生的数据处理能力，为患者制定最佳治疗流程。

再生医学。再生医学在脊柱领域仍处于起步阶段。一种治疗方法是 Discseel，其中外科医生将纤维蛋白注射到撕裂的椎间盘中以密封纤维环内的撕裂。

远程医疗。新冠大流行迫使许多专家在2020年初暂时推迟了手术，并转向远程医疗问诊。患者现在对这项技术感到满意，并希望脊柱外科医生可以进行远程问诊和虚拟手术方案咨询。新一代的脊柱机器人也可能配备5G远程手术解决方案，为患者执行远程手术。

当机器人技术对所有医院外科医生来说都是一种实用且有效的选择时，它就会真正成为脊柱手术的未来。例如提高CBCT（锥束CT）成像的精度与密度分辨率，将术前MRI/CT影像与术中CBCTc相融合，再结合脊柱内镜，明显可以提高安全性并扩大进一步的应用。

未来脊柱机器人最重要的特征可能是通用性的概念，像达芬奇机器人这种平台化的产品。它们必须能够执行多种程序，并且最好与植入物制造商们更多兼容，适用于脊柱手术的几乎所有领域，从微创到开放领域，而且不仅仅是椎弓根螺钉的放置。当今脊柱手术的主要原则涉及减压、矫形和稳定性。脊柱机器人要蓬勃发展，它们必须能够端到端的参与手术的各个方面并具有普遍性。

手术机器人的成本必须降低，当脊柱机器人以更合理的价格出售，并且有合理的使用成本，应用于包括颈椎、胸椎和腰椎在内的多种类型的手术时，甚至其他骨科手术时，它们才能真正的推广应用。尤其在中国实践，需要考虑医保覆盖的能力。

如果开发出基于力反馈的器械，机器人可能会用于自动执行手术的减压部分，从而减少手术时间和失血量，甚至可能广泛的应用于脊柱畸形矫正的手术和恢复。

手术效率要高，如果可以通过多臂协同提高手术效率和成功率，降低并发症将会是一个不错的选择。

2001 年至 2010 年间，北美进行了大约 360 万次脊柱融合术，这些手术的总估计累计成本超过 2870 亿美元。40 岁及以上的成年人中有超过 40% 患有脊柱疾病，当前的医疗手段尤其是在中国，不仅应侧重于改善手术结果，还应侧重于降低成本。

考虑到手术机器人在未来可能会越来越多地减少手术时间、患者住院时间、透视曝光和手术翻修率，可以预测在脊柱手术中使用机器人所获得的潜在经济节约。考虑到这些变化，到 2022 年，脊柱手术机器人的全球市场预计将从 2600 万美元增加到 27.7 亿美元，如果考虑到融合手术的一半都先进行内镜下的非融合微创治疗，那么脊柱微创的市场的估量则将进一步扩大。

具体到中国的医疗生态，未来的脊椎微创内镜手术机器人的应用将会普及微创手术，实现阶梯治疗，提高治疗效果，减少附加伤害。从而利于降低整体的国家医保负担和个人负担。

最近国家医疗保障局发了 关于骨科“手术机器人”和3D打印辅助收费的征询意见函，这个函文将骨科手术机器人根据临床贡献价值大致分成了四类：1.规划类；2.导航类；3部分手术辅助；4.全流程手术手术机器人/远程操控手术机器人，制定的建议收费标准从1到4逐步提升，将引导骨科手术机器人向全手术、系统化、微创化的平台化解决方案的方向发展。

在过去的几年里，我们看到结合了增强现实、远程医疗、机器学习、数据分析、人工智能等技术的各类手术机器人解决方案的大规模宣传，就目前而言，很多人认为是一种商业炒作，而不是提供真正的临床优势。个人PC刚出来的时候有人这么认为，智能手机来的时候有人这么认为，5G来的时候有人这么认为，无人驾驶来的时候也有人这么认为，元宇宙来的时候还是有人这么认为……，只有时间会告诉我们真正的答案，但很显然它们在未来极有潜力来真正改变我们的工作和生活，因为它们是时代创新的脚印。类似的，我对新一代的脊椎微创手术机器人的未来发展充满了信心。