机器人辅助经皮穿刺活检诊断脊柱病变的优势

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2385

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (6): 844-848.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2385

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机器人辅助经皮穿刺活检诊断脊柱病变的优势

张伟，胡豇，唐六一，万仑，俞阳，林书，唐智，王飞

四川省医学科学院·四川省人民医院，四川省成都市 610072

收稿日期:2020-04-23 修回日期:2020-04-25 接受日期:2020-06-03 出版日期:2021-02-28 发布日期:2020-12-02
通讯作者: 王飞，博士，主治医师，四川省医学科学院·四川省人民医院，四川省成都市 610072
作者简介:张伟，男，1977年生，四川省南部县人，汉族，2011年第二军医大学毕业，博士，副主任医师，主要从事脊柱外科方面研究。
基金资助:
四川省科技厅科技计划项目(2019YFS0268)

Advantages of robot assisted percutaneous biopsy in the diagnosis of spinal lesions

Zhang Wei, Hu Jiang, Tang Liuyi, Wan Lun, Yu Yang, Lin Shu, Tang Zhi, Wang Fei

Sichuan Academy of Medical Sciences & Sichuan Provincial People’s Hospital, Chengdu 610072, Sichuan Province, China

Received:2020-04-23 Revised:2020-04-25 Accepted:2020-06-03 Online:2021-02-28 Published:2020-12-02
Contact: Wang Fei, MD, Attending physician, Sichuan Academy of Medical Sciences & Sichuan Provincial People’s Hospital, Chengdu 610072, Sichuan Province, China
About author:Zhang Wei, MD, Associate chief physician, Sichuan Academy of Medical Sciences & Sichuan Provincial People’s Hospital, Chengdu 610072, Sichuan Province, China
Supported by:
the Science and Technology Plan Project of Science and Technology Department of Sichuan Province, No. 2019YFS0268

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
骨科手术机器人：机器人系统在20世纪90年代开始进入骨科领域，目前国内外已有多个机构开发出了应用于骨科手术的机器人系统，具有精准、微创等特点。此次研究使用的“天玑”骨科手术机器人系统为国内自主研发，可应用于脊柱全节段、创伤、运动医学领域。
经皮穿刺活检：对于脊柱病变患者，明确病变性质是治疗的基础，通过临床检验及影像学等检查无法明确诊断的病例，可通过经皮穿刺活检明确诊断，为进一步治疗提供依据。

背景：骨科手术机器人辅助手术已经逐步在临床推广，应用领域包括脊柱、关节、创伤及运动医学，具有精准、微创等特点，而目前关于机器人辅助穿刺活检在脊柱病变诊疗中的应用报道较少。
目的：探讨骨科手术机器人辅助下经皮穿刺活检在脊柱病变诊断中的应用价值。
方法：回顾性分析2018年11月至2020年1月四川省人民医院收治的38例脊柱病变患者的临床资料，所有患者均在天玑骨科手术机器人辅助下行经皮穿刺活检术，术后活检标本送病理科行组织病理学检查。
结果与结论：①38例活检病灶组织刺中率为100%，其中脊柱转移瘤21例，原发恶性肿瘤4例，中间性肿瘤5例，脊柱良性肿瘤5例，非特异性炎症反应3例；②平均手术时间为(37.11±5.65)min，所有患者未发生穿刺相关并发症；③提示机器人辅助下经皮穿刺活检具有安全、快速、微创、准确率高的特点，是一种高效的诊断脊柱病变的活检方法。
https://orcid.org/0000-0003-1886-2525 (张伟)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 骨, 脊柱, 机器人, 经皮, 穿刺, 活检

Abstract: BACKGROUND: Robot assisted orthopedic surgery has been gradually popularized in clinical practice, and its application fields include spine, joint, trauma and sports medicine, which are precise and minimally invasive. However, there are few reports on the application of robot assisted puncture biopsy in the diagnosis and treatment of spinal lesions.
OBJECTIVE: To explore the clinical value of percutaneous biopsy assisted by orthopedic surgical robot in the diagnosis of spinal lesions.
METHODS: The clinical data of 38 patients with spinal lesions treated in Sichuan Provincial People’s Hospital from November 2018 to January 2020 were analyzed retrospectively. All patients underwent percutaneous biopsy assisted by TINAVI orthopedic surgery robot. The biopsies were sent to the pathology department for histopathological examination.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The successful rate of biopsy was 100% in 38 samples. Of them, 21 cases affected metastases; 4 cases had primary malignant tumors; 5 cases suffered from borderline tumors; 5 cases had benign tumors; and 3 cases experienced non-specific inflammatory reaction. (2) The average operation time was (37.11±5.65) minutes, and no complications occurred in all patients. (3) Robot assisted percutaneous biopsy is a safe, rapid, minimally invasive and accurate method for the diagnosis of spinal lesions.

Key words: bone, spine, robot, percutaneous, puncture, biopsy

中图分类号:

张伟, 胡豇, 唐六一, 万仑, 俞阳, 林书, 唐智, 王飞. 机器人辅助经皮穿刺活检诊断脊柱病变的优势[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 844-848.

Zhang Wei, Hu Jiang, Tang Liuyi, Wan Lun, Yu Yang, Lin Shu, Tang Zhi, Wang Fei. Advantages of robot assisted percutaneous biopsy in the diagnosis of spinal lesions[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(6): 844-848.

图/表（结果） 2

2.1 参与者数量分析共纳入脊柱病变患者38例，全部进入结果分析，无失败病例。
2.2 试验流程图见图5。

2.3 一般资料此组38例患者，包括胸椎18例，腰椎15例，骶椎5例。所有患者均一次性规划、穿刺成功，顺利置入工作套筒并取出组织标本，穿刺活检成功率为100%。所有患者平均手术时间为(37.11±5.65) min，在穿刺过程中均未发生血管、神经及周围脏器损伤，术后未见出血及血肿，无伤口感染。
2.4 病理结果 38例均得到有效病理结果，印证病灶组织刺中率100%，包括：①脊柱转移瘤21例，其中有15例提示了可能的原发灶，Tomita 外科分型：Ⅰ型0例，Ⅱ型5例，Ⅲ型7例，Ⅳ型6例，Ⅴ型2例，Ⅵ型0例，Ⅶ型1例；②原发恶性肿瘤4例，其中孤立性浆细胞骨髓瘤2例，骨肉瘤2例；③中间性肿瘤5例，其中骨巨细胞瘤4例，局部侵袭性动脉瘤样骨囊肿1例；④良性肿瘤5例，其中血管瘤2例，骨纤维结构不良1例，朗格汉斯细胞组织增生症1例，富于细胞神经鞘瘤1例；⑤慢性非特异性炎症3例，见表2。总体活检阳性率为92%(35/38)。
经皮穿刺活检后开放手术治疗19例，包括转移瘤12例、原发恶性肿瘤2例、中间性肿瘤5例。手术后大体标本病理检查结果与穿刺标本完全符合19例，手术与穿刺标本的病理检查结果符合率为100%。其余9例脊柱转移瘤转肿瘤科继续治疗；2例浆细胞骨髓瘤病例无神经症状及脊柱不稳，转血液科继续治疗；5例良性肿瘤及3例非特异炎症反应患者无症状及椎体不稳，予以对症治疗，目前仍在随访中，暂无变化。

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引言

材料方法

1.1 设计回顾性病例分析。
1.2 时间及地点于2018年11月至2020年1月在四川省人民医院骨科完成。

1.3 对象回顾性分析2018年11月至2020年1月于四川省人民医院骨科行机器人辅助下经皮穿刺活检术的脊柱病变患者38例，男22例，女16例；年龄23-73岁，平均49.79岁；其中胸椎病变18例，腰椎病变15例，骶椎病变5例,见表1。

纳入标准：通过临床表现、检验及影像学检查，初步考虑脊柱病变，难以明确诊断，需通过机器人辅助穿刺活检明确诊断患者。
排除标准：术前已诊断骨质疏松症性压缩骨折或其他疾病，需通过机器人辅助下行经皮椎体后凸成形术/经皮椎体成形术同时活检的患者。
1.4 机器人手术设备采用第三代天玑骨科手术机器人系统，由北京积水潭医院与北京航空航天大学及北京天智航医疗科技股份有限公司等联合研发。该系统包括主控台、机械臂主机及光学跟踪系统(图1)。数据采集使用德国西门子ARCADIS Orbic 三维C型臂X射线机完成。

1.5 方法
1.5.1 术前准备所有患者术前完成血常规、超敏C-反应蛋白、生化、凝血全套、输血全套、血沉、肿瘤标志物，病变部位CT平扫、核磁增强及全身骨显像检查。
1.5.2 手术操作 ①术前根据患者的CT及核磁结果初步确定穿刺入针部位及深度，在CT重建图像中模拟导针位置，对于经椎弓根无法到达病灶部位的病例采用椎弓根通道外入路；②患者平卧于机器人手术专用碳纤维手术床，C臂透视定位确认术区；③常规消毒铺巾；④使用3M薄膜紧密覆盖术区后安放示踪器，3M薄膜交叉固定示踪器，将示踪器与患者身体接触点全部固定，同时在水平和垂直两个方向再次固定，最终活动示踪器，确认在三维空间上示踪器与人体的相对位置即与操作椎体相对位置固定牢靠(图2)；⑤三维C型臂X射线机180°扫描后数据导入机器人主机，结合扫描实时图像及术前方案规划导针位置，包括导针的方向和置入的深度(图3)；⑥机器人辅助定位下做0.5 cm精准切口(局麻患者根据定位做局部浸润麻醉)，置入二级套筒；⑦沿二级导筒电钻辅助置入定位导针至合适病变区域，C臂正侧位透视确认；⑧沿导针置入工作通道；⑨C臂透视确认工作通道位置(图4)；⑩使用专用活检钳取适量病变组织送检；⑪置入针芯后拔除工作套筒；⑫消毒后无需缝合，皮肤减张包扎伤口。

1.6 主要观察指标手术时间，手术并发症，术后病理结果。
1.7 统计学分析采用SPSS 19.0软件进行描述性及频率统计分析，计量资料以x±s表示。

讨论

术前明确脊柱病变性质是临床诊断的重要依据，也是制定治疗方案的关键[1]。现代影像学技术让脊柱定位诊断变得比较容易，然而结合临床症状、查体、实验室检查及影像学检查进行定性诊断依然很困难，国内外报道正确率仅为38%-75%[2-3]。影像引导下的经皮穿刺活检术逐渐成为术前明确脊柱病变性质的重要手段，据文献报道，X射线、CT、超声等技术引导下能有效达到病变部位，但存在分辨率低、放射暴露、伪影等缺点，病理活检的准确率参差不齐，总准确率为16%-92%，而相关并发症的发生率则为0-10%[4-5]。随着技术的进步，骨科手术机器人在脊柱外科领域应用越来越广泛，精准度及可靠性得到显著提高，同时降低了术中辐射剂量[6-9]。
此次研究中38例患者平均手术时间仅为(37.11± 5.65)min(从术前定位至包扎伤口)，主要取决于机器人系统的可靠性及学习曲线短[13-15]，以及固定的机器人操作、护理和手术医师团队。研究者所在单位于2017年即已经开展该类手术，由于新技术及设备的早期应用需要手术团队内部及人机交互的磨合，为保证研究结果的时效性，此次研究未纳入该新技术开展第1年的病历资料。
此次研究病例穿刺活检成功率为100%，且术后均未发生穿刺相关并发症，是一项安全有效的活检技术。安全是机器人系统最重要的问题，因此提高机器人程序的安全性和稳定性就显得尤为重要。“天玑”骨科手术机器人机械臂的重力效应是平衡的，如果发生意外，如断电或超速，机械臂不会向下移动导致重要脏器损伤。此外，机器人可以在两种模式下进行控制，即粗位置的协作模式和精确位置的主动模式，从而最大限度地提高末端执行器的灵活性，并提高这些操作的准确性和稳定性。光学跟踪系统提供患者和机器人位置实时跟踪数据，手术计划和控制软件系统根据这些数据实时计算手术工具与规划手术路径的相对位置，并据此控制机器人运动，实现手术工具位置的定位补偿[7,16-17]。
传统方法利用C臂或CT导航进行经皮穿刺活检时，外科医生根据二维图像在3个平面上协调轨迹，技术难度较大，需要在不同角度与方向上反复调整，增加了术中辐射剂量，对邻近关节突关节囊也造成了损伤。PARK等[18]报道经皮穿刺或者置钉导致50%的患者近端小关节受到损伤；PATEL等[19-20]也报道58%的近端关节突关节受到过度损伤，这些都可能导致邻近节段退变加速。机器人手臂则精准引导外科医生穿刺术前计划的轨迹，到达病灶部位，无论外科医生的熟练程度如何，机器人手臂系统都能准确地引导穿刺。
穿刺诊断的准确性与病变部位及取材质量有非常密切的关系[21]。KORNBLUM等[22]报道胸椎穿刺活检的准确率低于腰椎，并认为胸椎诊断率低与取材的技术性困难有关，特殊的解剖结构及神经损伤风险限制了较粗穿刺针及工作的应用。FYFE等[23]报道，如果活检穿刺针增加2 mm，那么活检的准确率将从59%增加到90%。此组患者中穿刺活检的成功率达到100%，病检结果阳性率为92.1%，这与机器人能够精准导航穿刺针达到病变部位有关，即便是紧靠椎体边缘的病灶；同时可以选择更粗的穿刺针及套管，取出更多的病灶组织，提高活检的准确率。
机器人辅助下穿刺活检除了以上特点外，对于椎体特殊部位的病变如椎体后下部，经椎弓根无法达到的位置，存在明显优势，机器人系统可以快速、精确规划出经椎弓根外的避免损伤脊髓神经的入针点及方向(图3，4)，直达病变部位，提高活检效率。
虽然机器人辅助下脊柱病变穿刺活检具有安全、精度高等优势，但目前也存在诸多局限性。首先，目前临床中应用的机器人系统价格普遍非常高昂，限制了其推广及改进。其次，与传统手术相比，手术部位骨密度对于手术影响更大，对于重度骨质疏松患者，透视后三维重建出的图像质量欠佳，仍需要通过人工调节对比度亮度来进行有限的改善，在此次研究中，高度依赖于研究者团队中经验丰富的高年资手术室影像学技师。
最后，目前临床应用的机器人系统，无论是国外进口或国内自主研发，最核心的价值仍然在于精准的定位或引导作用，最终主要的侵入性操作还是由手术医师来完成；同时也缺乏术中的实时监测，虽然在操作工具安置示踪器可以在系统上实时看到操作器械的方向，但无法判断深度[24-27]，在操作过程中仍然需要通过透视来确认安全性。也正是由于这些局限性，骨科手术机器人系统还存在很大的发展空间，这对国内研发具有自主产权的机器人系统是机遇也是挑战，目前国内已有多个机构自主研发骨科手术机器人系统，智能骨科手术体系也逐步建立和推广应用，为实现中国手术机器人系统从引进、学习到占领技术高地的跨越式发展拉开序幕[28-30]。
综上，骨科机器人系统辅助下经椎弓根穿刺活检具有较高的安全性与准确性，同时可避免因反复调整穿刺针位置而增加透视次数，优势明显，并且随着该技术的不断改进，具有良好的发展前景。由于该技术应用时间较短，此次研究纳入样本量相对较少且为回顾性分析，研究结果仍需要大样本的前瞻性研究进一步验证。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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