2.1  骨科手术机器人主要构成  骨科手术机器人主要包括3部分：机械系统、影像系统、计算机系统^[6]，见图2。规划导航定位机构一般是由测量仪器、传感器、定位仪等计算机软件构成；手术执行机构主要依靠机械系统相关运动单元。建模与规划阶段主要依靠影像系统完成图像的采集、处理与特征分析，确定手术实施策略，此阶段主要由机器人的规划导航定位部分来确保手术的操作与运行。下面针对骨科机器人的3个组成系统进行系统分析。

2.1.1  机械系统  机械臂是骨科机器人的最终执行终端及术后效果的直接体现，需要充分保证其精确性、灵活性、人性化及可靠性。值得注意的是在以往临床应用中出现了机械臂冲突的情况。2013年通过嵌入式现场可编程门阵列设备替代关节力矩传感，增加了机械臂的精确度^[7]。研究表明，机械臂在结构上需要保持运动精确平稳，减少元件损害，延长使用寿命^[8-9]；对于机械臂的末端反馈灵敏度仍需要进一步提升，需要联合视、力、触、滑觉的四模态执行机构共同反馈；对机械臂末端手术器械仍需进一步改进，不能局限于操作的标准化；对于复杂机械臂甚至可实现由多名术者同时进行手术。通过对机械系统的改良，可以预见传统微创手术甚至可以更“微”，使手术操作更加安全可靠，减少手术的二次伤害，增加患者满意度。

2.1.2  影像系统  骨科机器人的影像系统当顺应影像学精、准、细的发展趋势，为术者提供更清晰、更真实的影像资料，促进定位及导航精准化。通过对比手术前后影像建立数据库，进一步调整骨科机器人的手术规划^[10]。对于微小脏器，提供安置微型机器人，辅助影像系统，实时监控体内变化，增加手术精准度。随着虚拟现实技术的发展，构建虚拟手术仿真系统^[11]，能够有效协助医师熟练骨科机器人相关操作，也可模拟手术过程，优化手术步骤，保证了手术的可靠与安全。

2.1.3  计算机导航系统  计算机辅助导航技术是骨科手术机器人的核心，按照医学图像成像方法不同，主要经历了CT导航、X射线透视导航、无图像导航、超声技术导航、激光导航等几个阶段^[12]：①基于CT的导航系统：录入患者术前手术部位的CT图像，在术中根据图像进行导航定位；②基于X射线透视图像的导航系统：C型臂机在术中实时拍摄X射线透视图像进行导航定位，利用C型臂机进行连续多平面透视拍摄，由专业系统多角度进行三维重建，从而使术者定位清晰，增加手术可靠性；③无图像导航：无需依靠术前或者术中透视图像，通过光与电信号确定患者体位标记与解剖结构，可以与传统的CT导航、X射线透视导航结合使用；④超声导航：其优势是无辐射、无创伤、可进行实时跟踪。由于超声波回弹测距原理，可以检测到骨胳的轮廓及结构，通过光学信号检测超声探头位置，再通过计算、定位配准技术获得超声轮廓，并与术前影像实时对准。目前已经有大量的基础、临床实验对超声配准进行了深入研究^[13-15]，由于声速、传播距离、软组织形变等因素影响，尚未临床推广。

同时，术者操纵机器人的行为标准化及解剖学位置的确定对机器人辅助手术也至关重要。导航功能通过对手术机器人的实时定位和跟踪让医生更加明确手术器械和患者的相对位置关系^[16]，从而更加高效安全地完成手术，在一定程度上可以降低对手术机器人自身精度和刚度的要求。现今的导航技术发展多样且较为成熟，但无创、无辐射、高精度、实时追踪仍是导航技术未来研究发展方向。

对于手术机器人来说，由于术中操作会引起软组织形变而导致解剖位置发生变化，这会使空间标定的非线性化而引起误差，包括术前图像、定位系统、传感系统、操作器械引起的误差，所致使手术器械精确定位面临较多的误差，最终导致手术失败。因此手术机器人将术前规划与术中实际相结合需要考虑患者模型建立问题及手术器械的相对稳定和引导问题，要有效解决以上这些问题，术中导航技术对于手术机器人的实际应用及发展起至关重要的作用。对于常用骨科机器人导航技术的分析，文章综合了导航技术的常用数据，见表1。

2.2  机器人技术在骨科手术中的应用

2.2.1  国外机器人技术在骨科手术中的应用  从骨科人工智能的发展历史来说，1988年美国研发了一款用于人工髋关节置换的机器人，优点在于运用视觉系统对骨骼的切削精确化^[17]；不久Integrated Surgical Systems公司研发了RoboDoc机器人——全球首款骨科手术机器人，并完成了全球首例手术机器人辅助人工全髋关节置换手术，其研发与试验的成功是世界医学领域上的一个里程碑，但其中仍然存在着手术时间过长及系统缺乏稳定性等问题，并且术中造成坐骨神经损伤的风险较高。随着科技的进步，各国不断进行改良创新，一大批手术机器人供术者选择，如英国的Acrobot机器人系统、瑞典的骨科机器人手术平台PinTrace、法国的小型模块化机器人 Praxiteles及美国的RIO系统和Navio PFS机器人系统等手术机器人^[18]。

目前普遍认为应用骨科手术机器人的主要目的在于：为手术中的骨骼提供精准的切割及改善对于内置物和骨胳肌肉的接触^[19]，从而提高手术精准度及成功率，使术中操作更为可靠。至今，骨科手术机器人大多用于膝关节或髋关节置换手术，也有一些应用于脊柱和创伤手术中。

在关节手术中的应用：①在膝关节单髁置换术中的应用：膝关节单髁置换放置假体时容易出现对线不良、假体不匹配，导致假体松动、过度磨损等问题。随着技术的进步，医学界已经研发出多种手术机器人辅助完成关节置换手术。机器人系统分为3个主要类型：被动型、半主动型、主动型，其他包括触觉型和自主型。被动系统机器人监测手术的进展，并向医生提供详细信息，医生仍然使用传统工具，具有完全的自主控制权^[17]，如Hip Nav、Knee Nav；半主动系统如RIO、Acrobot等是由医生下达命令并控制机械完成手术操作的同时机械约束医生，减少失误^[20]；主动型系统机器人执行手术而不需要医生直接干预，如Robodoc和Caspar。RIO系统机器人可以根据患者身体条件和差异决定内置物的材质、尺寸、位置、对位及精确规划出需要切割的区域，这有效解决了对位不良等问题。LONNER等^[21]临床研究显示，人工传统成形术后的对线差异度达到了机器人辅助手术的2.6倍。COBB等^[22]通过随机对照试验将传统人工置换与Acrobot机器人系统辅助手术效果做对比，结果显示Acrobot机器人辅助手术组术后胫股骨对线角度与原计划位置的误差小于2°，而传统徒手人工置换组中仅有40%达到机器人辅助组的水平，平均误差远大于2°，机器人辅助手术的优势显而易见。②在全膝关节成形术中的应用：术者的术前规划能力、对位对线能力、植入假体能力、组织修复能力对于传统全膝关节成形手术的成功起到至关重要的作用。例如胫骨、股骨和髌骨需要切割磨合成与假体吻合的形态，才能保证膝关节的功能活动及假体植入后无痛感。大量研究表明，全膝关节成形术早期失败的原因与下肢内翻和胫骨近端翻切>3°密切相关^[23]。而这些由于人工操作带来的不精准都可以由手术机器人解决。MOON等^[24]通过尸体实验比较Robdoc机器人系统辅助全膝关节成形术和传统全膝关节成形术恢复关节对位和机械轴线方面情况，结果示Robdoc辅助全膝关节成形术和传统全膝关节成形术在机械轴线、股骨假体对位、胫骨假体对位、胫骨矢状角无明显差异，在旋转对线与髁轴方面明显优于传统全膝关节成形术。有些学者认为机器人辅助全膝关节成形术恢复膝关节功能较之传统全膝关节成形术无明显优势。SONG等^[25]设计前瞻性随机试验比较了机器人辅助与传统全膝关节成形术的结果，显示两者术后膝关节活动度无显著差异；1年后随访，KSS膝关节功能评分、WOMAC评分、机械轴、矢状面假体对位和机械轴异常值有显著差异，得出结论：尽管机器人全膝关节置换在影像学上有了改善，但不能证明这些差异对术后结果有影响。③在全髋置换中的应用：Robodoc机器人系统、Acrobot机器人系统及 RIO机器人系统利用术前三维CT影像对骨盆、髋臼及股骨近端的病灶进行准确测量，从而使内置物与病灶处精确吻合。SCHULZ等^[26]完成了97例患者的全髋置换，平均随访3.8年，通过改良Merled＇Aubigne-Postel髋关节运动功能评定术前为8.1分，术后达16.2分，数值具有统计学意义。YAMAMURA等^[27]将骨水泥移除范围、可负重时间、社会功能评定和并发症作为评估标准，结果显示：19例病例骨水泥完全移除；术后Merle d＇Aubigne-Postel髋关节功能评分上升至14分，较术前提高4分；术后1周内可负重患者达到9例；术后2周全部患者均可负重；无股骨穿孔及破裂的并发症。证明手术机器人未增加患肢短缩及异位骨化的发生，且该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。

在脊柱手术中的应用：SpineAssist机器人系统主要为脊柱融合术中螺钉人工植入过程提供精确的方向导引，用于椎弓根螺钉手术和经椎板关节突螺钉固定手术，是目前唯一可用于脊柱微创手术的机器人产品。ONEN等^[28]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 射线暴露的平均时间仅为 1.3 s。DEVITO等^[29]设计了关于Spine -Assist机器人系统辅助脊柱手术的多中心回顾性研究，统计了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，Spine Assist机器人系统明显提高了螺钉置入的准确性。大量临床试验表明SpineAssist可显著提高置入物精确性、减少辐射，尚无发生永久神经损伤的报道^[30-32]。

在创伤手术中的应用：LEFAIVRE等^[33]研制了一种骨盆额复位架，在透视导航下辅助完成骨盆骨折的复位并能维持复位以进行骨折固定，临床应用获得了满意结果。骨盆和髋臼骨折手术分为常规透视引导下与利用透视计算机导航引导置入经皮螺钉术两种。与常规透视引导下的手术操作相比较，基于导航辅助的骶髂关节螺钉内固定在透视时间、骶髂螺钉置入手术准确率方面有明显优势^[34]。股骨颈骨折的手术方式众多，空心拉力螺钉内固定成为治疗年轻股骨颈骨折和老年无移位性股骨颈骨折的主要方式。传统的空心钉置入方法与术者经验息息相关，可能导致骨折不愈合、股骨头坏死和内固定失效等并发症，影响患者的功能预后。手术机器人可以提高手术操作的精准度和治疗效果，并减少X射线辐射对术者和患者的损伤，真正实现骨折的精准化治疗^[35]。目前骨科机器人主要用于关节置换和脊柱外科，针对创伤骨科的机器人应用研究相对较少，需要不断创新、不断进步，实现创伤修复精准化^[36]。

2.2.2  国内手术机器人研究进程  中国骨科手术机器人的相关研究始于20世纪90年代中期。与发达国家相比，国产骨科手术机器人仍处于初级阶段，目前主要研究及使用单位主要有北京积水潭医院、解放军总医院、洛阳正骨医院等医疗机构及北京航空航天大学、第三军医大学、哈尔滨工业大学、中国科学院沈阳自动化研究所、上海交通大学等科研机构^[37]。伴随着科学技术的进步，2004年中国完成了首例机器人辅助骨科手术的临床试验，解决了传统骨折内固定定位困难、主要依赖术者经验及术中透视角度差等问题^[38-39]，但存在术中系统骨折内固定定位困难等不足。随后，上海交通大学与上海第二医科大学联合研发了适用于人工关节置换手术的小型机器人系统，可通过骨夹直接固定于患肢。2006年完成了中国首次骨科手术机器人远程异地手术并取得良好成果，这一次的成功不论从理念上还是从技术上都验证了实现骨科手术远程化的可能性，促进了远程骨科医学的发展，为骨科手术的现代化积累经验。此举使中国荣获了首个骨科机器人Ⅲ类器械注册证，填补了中国此领域的空白，开启了骨科手术的新篇章。2015年北京积水潭医院应用TiRobot骨科手术机器人完成了全球首例实时三维影像的机器人辅助胸腰椎骨折内固定和首例颈椎畸形矫正手术，术后效果良好^[40]。

虽然中国近年来手术机器人相关科研成果较多，但真正进入产业化的科技成果所占比例却很低。其中整骨骨科机器人是中国特色产品，综合运用中国传统中医的正骨技术对患者骨组织进行修复治疗。综合利用现代影像技术于与计算机技术对患处进行整体分析，得出整复数据，然后利用导航技术通过对整骨机器人机械系统发送指令完成整复。整骨骨科机器人具有辐射量少、康复快、缓解水肿和并发症少等特点。整骨骨科机器人是由哈尔滨第五医院研制的计算机模拟智能整骨机，该院先后与哈尔滨工业大学、哈尔滨工程大学、黑龙江大学联合研制了六自由度机械臂^[41]，完善了三维图像导航系统，提升了骨折整复网络控制技术，使用该机器人完成上百例手术，成功率达100%。手术机器人的出现进一步促进了医疗进步与发展，指明了未来医学发展方向，促进了各学科之间的联系，标志着医疗行业已经进入了智能化时代^[42-43]。

20世纪80年代后，医学影像技术的飞速发展为骨科疾病诊疗提供了极大便利。传统骨科手术方式易受到患者体位定位、手术器械控制精准度及医生个人经验和疲劳程度等因素的影响，难以精准完成手术规划，降低了手术成功率及可靠性^[1]。安全性与可靠性是进行任何手术操作最重要的指标之一，而手术精准度则是保证手术安全性与可靠性的重要因素。与传统手术相反，手术机器人可自动执行或在术者指令下被动执行，机械手操作代替术者徒手操作，手术操作的稳定性和精准性得到提升^[2-3]。合理应用机器人辅助手术不仅可避免人手操作时产生的震颤，而且可以提供3D手术视野，提高了手术成功率^[4]。随着计算机信息技术的进步、机械制造工业的发展及微创外科手术理念的出现，机器人技术逐渐被引入医疗领域，用于保证手术的精准度，进而提高手术临床疗效，是未来骨科手术发展中重要的方向^[5]。于此背景下文章将简述骨科手术机器人操作原理及其临床应用，总结目前手术机器人的应用现状并对其现存优势与不足作出讨论，预测未来机器人手术的发展空间。

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

1.1  资料来源  以中文检索词“机器人，骨科，手术，精准度”和英文检索词“Robot，Orthopedics，Surgery，Accrucy”分别检索CNKI数据库、维普数据库、万方数据库和PubMed数据库自建库至2019年6月的文献。

1.2  入选标准

纳入标准：①研究内容为骨科手术机器人的文章(研究原著、经验交流、病例报告、系统评价)；②具有原创性，论点论据可靠的文章；③同一领域文献选择近期发表或权威杂志的文献。

排除标准：低质量及重复性研究。

1.3  质量评估  计算机初检得到455篇文献，包括中文285篇，英文170篇。阅读标题和摘要进行初筛，排除研究目的与本文无关及内容重复的文献，最后保留其中49篇归纳总结，见图1。

3.1  机器人在骨科手术中的可靠性  精准、微创是21世纪骨科手术发展的主旋律，已逐渐被大家认可。骨科手术机器人作为医疗领域“新技术革命”的典型代表，是推动精准、微创手术发展和普及的核心智能化装备。相比传统手术方式，骨科手术机器人优势在于：极大提高导针置入准确率，减少导针调整次数；缩短有创操作时间，从而减少术区暴露，降低感染风险；明显减少术中透视次数，降低患者和医生辐射量；操作简便，避免反复操作后手臂疲劳^[44]。实现了骨科手术的位置数字化、信息可视化、操作精密化，有效解决了骨科手术的视野小、辐射、操作不精密等瓶颈问题。

3.2  机器人在骨科手术中的提升空间  骨科手术机器人也有其局限性，设备庞大，价格昂贵，软件设备和硬件设备会伴随周围的网络条件及软件升级等变化而不断变化，这对机器人售后服务及医生的使用习惯是一个挑战；自动型机器人还存在完全自动化操作会发生误操作的可能，目前对于机器人手术后的效果评价周期较短，并没有随机、前瞻、对照的长期随访结果，无法精准客观评价手术机器人的优劣^[45]。因此，机器人构型仍旧需要不断改进，以减小体积、增加稳定性和精确性；安全性方面的技术保障需要不断的完善及发展，使手术操作更加可靠。现代手术机器人操控机械臂缺失力的感觉，术中定位、术程规划、运行操作都需要实时测量与力学反馈等技术，这种反馈技术能将手术工具与人体组织之间作用力直接传导于术者手部，从而使术者有亲临现场的感觉。因此，一套力反应操控体系对于骨科手术机器人的发展将是一大进步。作为计算辅助技术及全息影像技术的最新成果，混合现实技术近年来也在骨科领域崭露头角^[46]。术中将患者虚拟的数字模型与患者病变部位完全重叠在一起，转化为高维度“透视”手术区域的工具。相信混合现实技术能够进一步加强骨科手术机器人的精确性和安全性。

骨科机器人的诞生是现代多学科交叉的产物，经过短短的20多年更新发展，已经展现出巨大的临床应用价值和潜力。从世界机器人的发展趋势来看，以骨关节辅助手术机器人为代表的骨科机器人发展迅速^[47]。相信不久的未来，机器人辅助手术将成为骨科手术中不可缺少的一部分^[48]。由于骨科手术要求高度精准化，骨科手术机器人必将成为未来骨科发展的重头戏，与数字骨科学深度结合为骨科医生的诊断及治疗提供坚实基础。未来人工智能在医疗领域的发展必定向高度准确化、高度智能化、高度个性化、高度数字化、高度一体化转变^[49]。

近几年纳米技术的不断进步，微型手术机器人将是医疗机器人的下一个主战场。手术机器人的出现不仅是对传统手术的挑战，也是传统手术更新的标志，它标志着全医疗领域将进入一个崭新的时代。  

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文题释义：
骨科手术机器人：主要包括3部分——机械系统、影像系统、计算机系统。规划导航定位机构一般是由测量仪器、传感器、定位仪等计算机软件构成；手术执行机构主要依靠机械系统相关运动单元。建模与规划阶段主要依靠影像系统完成图像的采集、处理与特征分析，确定手术实施策略，此阶段主要由机器人的规划导航定位部分来确保手术的操作与运行。
人工智能：亦称机器智能，是指由人工制造出来的系统所表现出来的智能，可以概括为研究智能程序的科学。

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

文章就骨科手术机器人的可靠性与提升空间两个重点来介绍手术机器人的历史发展及其不足之处，从而具体叙述了未来骨科手术机器人与现今骨科传统手术的对比，证明了骨科手术机器人于临床的可运用性及可靠性。并根据于手术操作运用及临床使用中出现的不足之处，作为今后骨科手术机器人的未来发展方向与提升空间，为中国未来骨科临床单位提出重要的发展方向。

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