骨科手术机器人的技术特征及发展前景展望

3.0 闻远设计 2023-05-18 99 8 28.92KB 7 页 2光币

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骨科手术机器人的技术特征及发展前景展望

　　摘要：复杂的骨科手术对机器人提出了更高的要求，智能化、微创化和精准化成为骨科手

术机器人的发展方向。根据骨科手术方法分类，将骨科手术机器人分为关节骨科、创伤骨科以

及脊柱外科手术机器人三种。本文介绍了几类典型骨科机器人的发展状况，论述了骨科手术机

器人的技术特征，并对骨科手术机器人的发展前景进行展望。

　　关键词：骨科手术；机器人；人机协作；

　　作者简介：*匡绍龙，E-mail:slkuang@suda.edu.cn;;*胡磊，E-mail:hulei9971@sina.com;

　　 Abstract:Orthopedic　surgery　is　complicated　and　presents　higher　requirements　on　surgical　robots.　

The　current　developmentrequirements　of　orthopedic　surgical　robots　are　to　be　more　intelligent,　

minimally　invasive　and　precise.　According　to　the　classifi-cation　of　orthopedic　surgery　methods,　

orthopedic　surgery　robots　are　divided　into　three　types:　joint　orthopedics,　trauma　orthope-dics　and　spine

surgery　robots.　In　this　article,　the　development　status　of　some　typical　kinds　of　orthopedic　robots　was　

introduced,their　technical　characteristics　were　expounded,　and　the　development　trend　was　prospected.

　　 Keyword:Orthopedic　Surgery;　Robots;　Human-Robot　Cooperation;

　　近年来，随着机器人技术的迅速发展，手术机器人在临床上的应用和优势逐渐凸显，骨科

手术机器人作为手术机器人的一种，在精确性和可重复性上具有巨大的优势[1,2,3].1986 年，一

款专用于骨科手术的机器人 Robo　Doc 诞生，并且在 1991 年完成全球第一例机器人全髋关节置

换术的临床试验[4].随后，全球多个国家相继开展骨科手术机器人的研发和应用探索。经过 30

多年的探索和实践，美国的 TCAT（原 ROBODOC）、Sculptor　RGA（原 ACROBOT）、Mako　

RIO、Mazor　Renaissance（原 Spine　Assist）、Pi　Galileo、OMNIBotics（原 Praxim　i　

Block）、ROSA、Navio　PFS 等骨科手术机器人已获得美国食品药品监督管理局授权许可进入

商业领域[5].随着骨科手术机器人的应用与发展，产生了几种典型骨科手术机器人及其技术的

应用范式。

　　本文介绍了几类典型骨科机器人的发展状况，并从人机协作角度对当前研发和商业化的骨

科手术机器人及其技术模式进行梳理和归纳，以探究适合临床的骨科手术机器人系统，为骨科

手术机器人的研究和推广提供借鉴。

　　 1　典型骨科手术机器人的发展现状

　　骨科手术机器人按手术类型分为脊柱外科、关节骨科和创伤骨科手术机器人。

　　 1.1　脊柱外科手术机器人

　　传统脊柱手术中存在患者个体差异、医师视野受限等原因，导致手术创伤较大、并发症较

多，且比较依赖医师的经验，脊柱外科手术机器人将先进机器人技术和医疗技术相结合，可以

实现精准、微创的脊柱外科手术，提高手术安全性，同时也缩短了医师的手术学习时间，提高

了手术效率。

　　 Spine　Assist/Renaissance 脊柱外科手术机器人（Mazor 公司，以色列，图 1A）采用 6自由

度Stewart 并联构型，重量仅为 250　g,在手术过程中可以直接放在脊柱上，实现快速安装[6].脊

柱外科手术机器人 MXSE（美敦力公司，美国）将 Stealth 平台、Mazor 机器人技术和智能算法

相结合（图 1B），该系统可以为医师提供包括术前规划和手术路径的引导和实时可视化信息

支持，满足高精度和微创的手术要求[7].ROSA　One 脊柱外科手术机器人（捷迈邦美公司，美

国，图 1C），该系统采用 6自由度机器臂和力觉反馈技术，可以实现复杂器械操作，在手术中

能够动态追踪患者的体位，辅助医师完成手术[8].

　　在北京航空航天大学初始技术的支撑下分别演化和研发了相应的脊柱外科手术机器人系统

天玑[9]（天智航公司，图 1D）和佐航（铸正公司，图 1E）。

　　 1.2　关节骨科手术机器人

　　因骨质和金属材料一样具备刚性，从工程角度很容易将计算机辅助设计（computer-aided　

design,CAD）和计算机辅助制造（computer-aided　manufacturing,CAM）技术迁移到骨科手术机

器人中[10],关节置换手术是机器人研究者关注最多的外科领域，也是目前食品药品监督管理局

授权临床许可销售种类最多的机器人。

　　最早研发的关节骨科手术机器人是ROBDOC（图 2A），起源于1986 年IBM 和加州大学

戴维斯分校联合开发的用于全髋关节置换手术，1992 年成立ISS 公司开始运营[11],后在欧洲、

日本、韩国等有少量销售，中间受销售和资金限制，几经周折后于 2014 年更名为TCAT,整套

系统命名为TSolution　One[12],于2017 和2019 年分别获得食品药品监督管理局在全髋和全膝关

节手术的重新授权许可。另一款用于关节的典型系统为德国研制的CASPAR 机器人[13]（图

2B），开展关节置换和交叉韧带重建手术，后因销售以及安全事故于2004 年破产清算[14].这

两款系统主要采用主动方式，在医师监督下完成关节面的高精度切除工作。

　　 1996 年，英国帝国理工学院的Davis 等[15]研发了用于膝关节置换的 Acrobot 机器人（图

2C），该机器人以手术助手为特征开发，既在医师手动控制下按照规划进行作业，又能限制医

师手的抖动以及机器人运动的范围，从而达到人机共享方式作业。后来的 Mako　RIO 机器人

[16]（图 2D）同样强调手感在关节置换手术中的重要作用，提出"触觉交互"的概念[17],目前该

机器人在全球销售 1000 多套，开展 45 万余例手术，成为唯一获得市场高度认可的关节骨科手

术机器人。捷迈邦美公司利用已生产的 ROSA 脊柱定位机器人通过修改末端工具和软件，研发

了用于关节面铣削定位的ROSA　Knee 机器人[18].用于全膝关节置换术的 Ti　Robot　Recon 机器人

（天智航公司）也是这种模式[19].

　　关节骨科手术机器人个体庞大，给医师和手术室的布局带来很大的影响，一些研究者提出

研发基于骨安装的关节置换手术机器人，目前已有采用 i　Block 机器人的 OMNIBotics[20]关节

骨科手术机器人获得了授权，该产品源于早期的Praxiteles 机器人（法国 TIMC-IMAG 和

Neuromotor　Control 公司联合研发，图 2E）[21].另外，基于传统计算机辅助导航手术，在手术

工具上使用了机器人技术，研发了基于手持式的用于关节置换手术的 Blue　Belt 机器人（图

2F）[22],保障医师手持手术工具在手术边界区域和非手术区域的安全。

　　国内从目前媒体报道来看，主要借助Kuka　iiwa 或类似人机协作机械臂，实现诸如 ROSA　

Knee 的定位功能，由截骨导板实现关节面的铣削，以完成关节置换手术。

　　图1　脊柱外科手术机器人

　　 A.Renaissance;B.MXSE;C.ROSA　One;D.天玑；E.佐航

　　图2　关节骨科手术机器人

　　 A.ROBDOC;B.CASPAR;C.ACROBOT;D.MAKO;E.Praxiteles;F.BlueBelt

　　 1.3　创伤骨科手术机器人

　　鉴于创伤的复杂性，机器人在这个领域的应用也呈多样性。早期的创伤骨科手术机器人主

要用于髓内钉内固定等手术[23],但随着对机器人的要求越来越高而逐渐淡出研究。近年来，用

于长骨骨折复位和骨盆骨折复位的创伤骨科手术机器人也有一些研究的报道，但相对脊柱和关

节仍然很少。

　　最早实施骨折手术的是国内哈尔滨工业大学团队在国家 863 计划支撑下于2002 年研制的

基于stewart 结构的遥操作正骨手术机器人系统（图 3A）[24].随后，德国雷根斯堡大学

Füchtmeier 等[25]于2004 年报道了该团队基于史陶比尔RX130 工业机器人研制的Ropo　Robo 骨

折复位系统（图 3B）。之后，国内外多家研究机构陆续报道了以长骨骨折复位为主的创伤骨

科手术机器人及其系统，如德国汉堡创伤医院研制基于stewart 平台的 Intelligent　Fixator 骨折复

位机器人系统（图 3C）[26];日本大阪大学和东京大学联合研制的串联构型骨折复位机器人

FRAC-Robo（图 3D）[27];英国西英格兰大学布里斯托机器人实验室Stewart 结构机器人研制的

具有 3D 导航能力的 RAFS 骨折复位机器人等（图 3E）[28].

　　国内，中国人民解放军总医院联合北京航空航天大学研发了基于stewart 平台的长骨骨折

复位机器人 MART（图 3F），并成功进入了临床试验[29].北京航空航天大学联合积水潭医院研

发了开口式stewart 构型长骨骨折复位机器人（图 3G）[30].香港大学设计了串并联混合的骨干

骨折复位机器人（图 3H）。上述研究除MART 外，所有系统均处于原型构建或样机初步尝试

阶段。

　　在更为复杂的骨盆骨折复位手术机器人方面，国外只见一篇关于骨盆复位机器人构型及设

计的研究，是由意大利都灵理工大学利用Stewart 结构构件骨盆复位机器人的原理样机（图

3I）[31].国内最早见于2012 年北京航空航天大学和中国人民解放军总医院联合研发的串并联结

构骨盆骨折复位机器人（图 3J），相比 Stewart 结构有更好的适应性[32].2015 年，积水潭医院

联合北京航空航天大学对并联机器人在骨盆复位方面的应用进行了尝试性分析（图 3K）[33].

　　 2　骨科手术机器人的技术特征

　　从机器人构型特征可将骨科机器人分为三类：基于工业机器人构型的骨科手术机器人（如

ROBODOC、Acrobot、RIO 等）、基于骨安装的微型专用骨科手术机器人（如

Renaissance、PiGalileo、OMNIBotics、FPS 等）[34]和基于并联结构的骨科手术机器人（如

MART、RAFS 等）[35,36].基于骨安装微型专用骨科手术机器人针对特定手术适应证，作为微

创手术高精度、高安全的定位工具而设计，主要在脊柱手术和全膝关节置换手术中使用，因应

用场合而受限。基于并联结构或串并联结构机器人主要用于创伤复位等需要大操作力的场合，

一般采用主从遥操作控制。基于工业机器人构型的骨科手术机器人因其具备更大的作业空间和

操作灵活性，可针对各种植入、骨去除、骨假体植入等手术操作，有更好的通用性，因而从研

究角度受工程和临床关注更多。

　　图3　创伤骨科手术机器人

　　 A.遥操作正骨机器人；B.RopoRobo;C.Intelligent　Fixator;D.FRAC-Robo;E.RAFS;F.MART;G.

长骨骨折复位机器人；H.骨干复位机器人；I.并联机构骨盆复位机器人；J.串并联结构骨盆骨折

复位机器人；K.骨盆复位机器人

　　图3　创伤骨科手术机器人

　　 A.遥操作正骨机器人；B.RopoRobo;C.Intelligent　Fixator;D.FRAC-Robo;E.RAFS;F.MART;G.

长骨骨折复位机器人；H.骨干复位机器人；I.并联机构骨盆复位机器人；J.串并联结构骨盆骨折

复位机器人；K.骨盆复位机器人

　　基于工业机器人构型的骨科手术机器人（如ROBODOC 等机器人）早期主要基

于CAD/CAM 原理[10]对关节置换的病骨进行切除操作，尽管手术精度高于常规手术[37],但

CASPAR 在市场的退出以及 ROBODOC 机器人在市场的几经周折都表明，其具备工业机器人

特征的自主作业模式未得到医师的广泛认可。其次，为了强调手术调整中医师对机器人的直接

控制，在机器人每个关节或机器人末端加上力/力矩传感器，当医师用手把持机器人末端并施

力时，机器人跟随医师意图做被动跟随运动，达到手术区域时进行精准定位，由医师实施手

术，后期的ROBODOC 机器人[38]一直倡导这种方式。这是当前定位为主的脊柱外科手术机器

人和关节骨科手术机器人的主要操作模式。

　　为了保障手术过程中机器人的安全性和医师对机器人的主动控制能力，Davies 等[15]于

1994 年提出了"主动约束"的概念，开发了以手术助手为特征的 Acrobot 机器人。该机器人在其

末端安装一带力测量的操作手柄，术中医师把持手柄带动机器人跟随运动，同时考虑医师误操

作和抖动等因素，保障操作安全性，机器人在手术导航规划和定位跟踪下，自动限制医师的运

动在手术规划区域内，形成了"主动约束"或者"Hands-On"技术的操控机制。后来，诸多关节外

科手术机器人在研发时，都采用这种基于医师操作力的人机协作模式的被动跟随运动，形成了

所谓的半自主机器人[39].成功采用"Hands-On"技术的机器人还有RIO 机器人（MAKO 公司，美

国），被称作"触觉交互"模式的机器人。该机器人除做全膝/髋关节置换手术外，近几年在单髁

关节置换和定制化局部关节置换方面做了很多坚实的临床验证工作[40].

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骨科手术机器人的技术特征及发展前景展望　　摘要：复杂的骨科手术对机器人提出了更高的要求，智能化、微创化和精准化成为骨科手术机器人的发展方向。根据骨科手术方法分类，将骨科手术机器人分为关节骨科、创伤骨科以及脊柱外科手术机器人三种。本文介绍了几类典型骨科机器人的发展状况，论述了骨科手术机器人的技术特征，并对骨科手术机器人的发展前景进行展望。　　关键词：骨科手术；机器人；人机协作；　　作者简介：*匡绍龙，E-mail:slkuang@suda.edu.cn;;*胡磊，E-mail:hulei9971@sina.com;　　Abstract:Orthopedic　surgery　is　complica...

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