义为一个具有电脑操作系统及与周围环境有互动的电动操纵结构的机械。它的基本结构是包含能够提供机器人状态反馈数据的感应器和处理这些数据中央处理器，以及能够按照指令进行动作的执行系统。医学领域的手术机器人技术革新是伴着机器人服务技术和复杂影像学技术而产生的。

手术机器人的介绍

手术机器人是在提出实现更快速、更精确的手术要求下出现的，特别是要求高精度(如神经外科手术)或可重复(如使用线圈电切镜切除前列腺)的手术过程。手术机器人系统是在工业机器人的基础上发展而来的。第一例有记录的机器人手术是发生在1985年5月11日美国洛杉矶的纪念医学中心，一台工业的机器人被改造用来在CT引导下放置探查器进行脑组织内肿瘤活检。第一次使用机器人在患者身上全自动切除真正意义上大量组织是经尿道前列腺电切术中使用的，使用的是1991年5月由英国的伦敦帝国学院开发的名为“Probot”的机器人。而骨科的手术机器人系统用于人体手术是在1992年使用Robodoc手术系统进行全髋关节成形术。

近年来，在计算机技术、微创手术技术及医学影像学等多学科发展的共同推动下，手术机器人的研究和应用得到了很大程度的进步，而现在临床上最具代表性、使用最广泛的机器人是daVinci机器人系统。

手术机器人在骨科的应用

在国内，手术机器人主要是daVinci机器人系统，应用于泌尿外科、心胸外科、妇科等学科，而在骨科手术中使用手术机器人还较少，现将手术机器人在骨科的应用综述如下。

骨科中使用的手术机器人及其原理  骨科手术中常用机器人系统有Robodoc机器人系统、MAKOplasty机器人系统、Acrobot机器人系统、SpineAssist机器人系统等，daVinci机器人系统虽然在其他外科学科中应用较多，但在骨科的应用仅停留在实验阶段，而骨科的机器人系统原理也明显不同于daVinci机器人系统。

daVinci机器人系统由外科医生控制台、床旁机械臂系统、成像系统及一些专有仪器组成。daVinci系统将控制台上手术医生手、腕和手指的运动，实时按比例缩小转换为床旁机械臂系统的手臂运动，并且可以过滤掉术者的手部震颤，同时通过类内镜的3D成像系统将手术区域的影像立体地反映在术者眼前。

daVinci机器人系统在泌尿外科、心脏外科和妇科有着较好的使用，在骨科手术中仅有实验的使用。起初，为了提高全髋置换手术过程中骨水泥永久固着的效果，美国综合手术系统公司开发了Robodoc机器人系统，1992年该手术系统在人体上使用。它工作的基本原理为首先放置定位器在患者需手术的部位，获取骨骼的尺寸、形状和方位信息，然后用CT扫描骨骼并上传至Robodoc机器人系统，重建出骨骼的三维图形，手术者在系统中选择合适的置入物和在骨骼上的正确置入位置，制定出手术方案，Robodoc机器人系统在术中按照手术方案精确进行手术。该机器人系统主要用于关节置换和关节成形术。

MAKOplasty机器人系统又称骨科关节手术机械臂系统(RIO)，主要应用于膝关节单室成形术和全膝关节成形术，其首先通过患者术前CT资料制定精确的术前方案，然后在术中精确导航，再利用机器人手臂置入假体或置入物来完成手术，该机器人系统允许外科医生按照患者个体的差异决定最优的置入物尺寸、位置和对位，以及精确的绘制出需要切除的组织区域。该手术系统允许针对受累及的单个或多个腔室病变的异常膝关节、未受累及腔室内的健康组织和不同患者膝关节运动学和病因学的要求，通过定位于膝关节内侧、外侧及髌骨连接处来制定不同的手术方案，并在术中精确执行。Acrobot机器人系统是一个协同的、半自主的机器人系统。

Acrobot机器人系统的基本原理是利用肢体三维CT影像与CAD假体模型一起规划出骨骼的对位对线、假体位置及需要切除组织的形状及范围，该机器人系统将定位、固定、切除及验证融为一体。Acrobot可利用术前CT成像及置入假体的形状划定出手术安全范围，从而机器人的机械手在手术区域内安全、精确的进行操作，明显降低了医源性损害。该机器人系统主要用于全膝关节置换及膝关节单室成形术。

SpineAssist机器人系统是由以色列公司开发用来进行脊椎手术的小型机器人，是目前用于脊柱手术临床使用较成熟的机器人系统。SpineAssist机器人系统的原理是首先将患者的脊柱CT资料输入机器人软件，软件将CT资料转换为3D影像，术者通过影像选择合适手术部位、介入方式及置入物尺寸，来形成术前手术方案，然后将机器人固定在患者脊柱上，机器人到达方案中手术介入点修复误差，开始螺钉置入的手术过程。该机器人手术系统适用于脊柱手术过程中螺钉置入固定。其他骨科使用的机器人系统有ROSA、MBARS、CRIGOS、ARTHROBOT、PINEBOT等机器人系统。

骨科手术机器人在膝关节手术中的应用  膝关节单室成形术(UKA)又称膝关节单髁置换术，是用假体置换单侧已病变的股骨髁和胫骨平台，主要用于治疗局限于单室的膝关节病变。考虑到需要膝关节成形的患者趋于年轻化和更加主动求医，而且膝关节病变常表现为早期的关节炎分期，有效的UKA对患者临床治疗及社会功能恢复有特殊的意义。单室成形术的成功预后和稳定性受多种因素的影响，包括患者相关因素、置入物设计、对位对线和固定等，对位对线不良可能是导致早期手术失败关键的因素。传统的徒手成形术放置置入物时容易出现对位对线不良，并且易损伤周围组织。MAKOplasty机器人系统是现阶段进行UKA时主要使用的机器人系统，有效的解决了上述影响因素，尤其是对位对线不良的难题。

Lonner将31例机器人辅助UKA的病例与27例传统徒手成形术的病例相比较，他检验了术后影像学胫股骨对线，并与术前方案拟定的位置作比较，确定各项技术的错误及差异度。传统徒手手术的差异度是机器人辅助手术差异度的2.6倍。Roche和Coon分别报道了73例和36例患者使用MAKOplasty机器人系统进行UKA置入物放置的精确性，主要的结果评价指标包括CT测量冠状面上胫股骨对线角度的大小、3年内膝关节社会功能评分及膝关节活动度。结论是机器人辅助手术组各项评价指标均优于传统徒手手术组。与膝关节内髁相比，外髁在解剖学和运动学有明显的不同，膝关节外髁的约束较少，对可移动的置入物和前交叉韧带缺失耐受性较低，因此外髁的膝关节单室成形术一直是一个挑战。

Thein在尸体上使用MAKOplasty机器人系统进行外髁UKA试验，右下肢使用机器人辅助进行手术，左下肢使用传统徒手手术方法，机器人辅助手术的股骨置入物位置误差明显小于传统徒手手术方法。Thein还进行了机器人辅助外髁UKA的长期临床结果试验，他评估了25例患者的26个膝关节在接受机器人辅助的外髁UKA后2年的临床和影像学资料，接受机器人辅助手术下肢的机械轴线外翻度数明显优于术前，WOMAC评分比术前也有明显提高，而与传统徒手手术的比较尚在进行中。

J.Cobb及其同事设计了前瞻性随机对照试验来比较Acrobot机器人系统辅助手术和传统徒手手术方法施行UKA的效果。将27例患者的28个膝关节随机分配进行Acrobot机器人系统辅助手术和传统徒手手术，然后使用CT在冠状位测量胫股骨对线角度和其他一些参数进行评估。Acrobot机器人辅助手术组的胫股骨对线角度与计划位置的误差在2°以内，而传统徒手手术组仅有40%可以达到该精度水平。其他的参数标准包括在术后6周、3个月时的WOMAC评分和AKS评分，机器人辅助手术组均明显优于传统徒手手术组。

全膝关节成形术(TKA)是治疗膝关节骨性关节炎及膝关节退行性疾病的一种常用的治疗方法。传统徒手手术方法成功施行TKA主要依靠术者对位对线、组织修饰和置入物的能力。为了保证膝关节的一般功能及假体置入术后无痛感，股骨、胫骨和髌骨均需切磨成与假体适合的特殊形状。一些学者强调，下肢内翻和在胫骨近端翻切＞3°与TKA的早期失败密切相关，而这些因素与手术的精确操作能力有关。术者手术精度的缺失可通过使用机器人辅助手术技术来克服。Jakopec使用Acrobot机器人系统为7例患者施行TKA，并在患者胫骨和股骨上取点进行测量，结合假体在骨骼上的位置符合度是非常好的，并且有精确的对位对线和合适的活动度，CT测量术前与术后胫股角显示仅有2°以内的偏差，且无明显的内翻。

Liow及其同事针对Robodoc机器人系统辅助TKA与传统徒手TKA在精确恢复关节对位和机械轴线方面的比较设计了前瞻性随机试验，将60例患者随机分为两组，机器人辅助组31例，传统徒手手术组29例。机器人辅助组关节对位异常率3.23%与传统徒手手术组异常率20.6%相比，存在明显差异。机器人辅助组无机械轴线异常(与正常值比较偏差大于±3°为异常)，而传统徒手手术组出现机械轴线异常率为19.4%，也存在明显差异。

骨科手术机器人在髋关节手术中的应用  Logishetty在2010年报道了手术机器人系统在治疗髋关节撞击综合征的应用。髋关节撞击综合征是在发育不良的髋关节，因非正常接触或撞击引起早期的髋关节功能不全、关节退变及继发性骨关节炎。髋关节成型术在髋关节撞击综合征的治疗上越来越普遍，而且有显著的疗效。髋关节成形术的潜在失误及手术陷阱存在于手术指征掌握、术中视野显露、病变定位、手术精度和切除范围等方面。Robodoc机器人系统、Acrobot机器人系统及MAKOplasty机器人系统均可精确的针对髋关节撞击综合征施行髋关节成形术，利用术前的三维CT影像对骨盆、髋臼及股骨近端的病灶进行准确测量，根据病灶大小及置入假体形状进行术中精确组织切除，从而保证了手术的成功并且降低了医源性损伤。

Schulz利用Robodoc机器人系统对97例患者施行了全髋置换术，平均随访3.8年，Robodoc机器人系统进行全髋置换时，Merled＇Aubigne－Postel髋关节功能评分术前为8.1分，术后为16.2分，差异具有统计学意义，并且未增加患肢短缩及异位骨化的发生。而Robodoc机器人系统通过提前设计避免了人为失误从而明显提高了手术成功率及预后。Yamamura利用Robodoc机器人系统为19例需要施行髋关节置换术的患者进行股骨腔内骨水泥移除。使用骨水泥移除范围、社会功能评分、可负重时间和并发症作为评估标准，结果显示所有病例骨水泥完全移除；Merled＇Aubigne－Postel髋关节功能评分从术前10分上升至术后14分；9例患者1周内即可全负重，其余患者在2个月内全部可完全负重；无股骨穿孔及破裂的并发症。Kather利用daVinci手术系统在尸体上施行了2例髋关节内镜检查，均取得了较好的检查结果，为daVinci手术系统替代普通的关节内镜进行检查提供了依据，但尚需要进一步的研究及评估。

骨科手术机器人在脊柱手术的应用  SpineAssist机器人系统是专门用于脊柱手术的机器人系统，有效的降低了椎弓根螺钉位置不正和术中放射暴露。Onen及其同事回顾了27例患者术前、术中及术后的资料，将术后临床资料及影像学资料与术前相比，螺钉位置的准确率在98.5%，置入每根螺钉X线暴露的平均时间仅为1.3s。Devito及其同事设计了关于SpineAssist机器人系统辅助脊柱手术的多中心回顾性研究，统计了14家医院的840例患者的资料进行分析，术后CT显示98.3%的螺钉在安全区域内，其中89.3%完全在椎弓根内，与传统徒手手术相比，SpineAssist机器人系统明显提高了螺钉置入的准确性。Lonjon及其同事利用ROSA手术系统对10例患者施行脊柱手术，与10例施行传统徒手脊柱手术相比较。机器人辅助组螺钉置入准确率为97.3%，而传统手术组仅为92%。

骨科手术机器人在骨科其他手术的应用  MonfarediR报道使用一种紧密轻型装载在患者身上与核磁共振相容的原形机器人施行肩关节成形术，该机器人可以使置入物置入更精确，并且将手术过程简化为MRI引导与置入物置入同时进行，但是其进一步的临床应用尚需改进及临床试验的证明。Lindequist使用PinTrace机器人系统测量股骨颈骨折置入螺钉的位置，精确的评价了手术的效果。

小结

手术机器人自1985年第一次应用于外科手术以来，从早期的改造于工业机器人到现在的外科专业化机器人，已经取得了里程碑式的发展。daVinci机器人系统是现今世界上使用最广泛的手术机器人之一，其类内窥镜系统的设计，使其在泌尿外科、心胸外科及妇科等学科有了广泛应用，而在骨科的使用受到很大的限制。专科设计的Robodoc机器人系统、MAKOplasty机器人系统、Acrobot机器人系统、SpineAssist机器人系统及其他机器人系统在骨科手术过程中有较为广泛的应用。

这些骨科机器人系统在膝关节单髁成形术、全膝关节成形术、髋关节成形术及脊柱螺钉置入等骨科手术中取得了令人满意的效果。手术机器人系统利用术前的影像学资料，制定出最佳的手术方案，在术中精确的进行骨组织及周围软组织的切除，准确的导航并置入假体及其他植入物，提高了手术方案的合理性及方案的执行精度，取得了良好的手术效果及预后，并降低了医源性损害。其他的优势包括降低对术者手术经验要求、延长了术者的职业年限、降低了患者的手术创伤及辐射损害等。其局限性在于其安装及维护费用较高，患者在接受治疗过程中的费用也相应的提高。并且对手术操纵者的学习要求较高。

关于手术机器人在骨科应用的大样本临床研究还较少，限制了其广泛的临床应用。在国内，手术机器人系统在骨科使用尚处于起步阶段，仅有第四军医大学西京医院、北京积水潭医院、上海第九人民医院等几家大型医学中心在骨科中开展手术机器人系统的使用及研究。但是，随着未来手术机器人系统、医学影像学及假体制造技术等多学科的进一步发展及结合，手术机器人系统必将成为微创骨科的发展趋势。

来源：中国矫形外科杂志2015年11月第23卷第22期