AI手术机器人在骨科治疗中的作用研究

AI手术机器人在骨科治疗中的作用研究

陆军

捷迈（上海）医疗国际贸易有限公司，上海 200001

摘要：人工智能( AI) 是目前最热门的新兴计算机科学之一，该技术主要应用于对智能机器的仿人类智能模拟方面的研究。通过数据处理、深度学习、模型构建为医学领域疾病的诊断和治疗提供辅助帮助。尤其在骨科领域中，AI通过深度学习构建人工神经网络，利用医学数据集建立训练模型进行图像解释、风险评估等，提高临床诊断的准确性。根据骨科手术的固有特性和临床需求，骨科手术机器人可提供术前规划、术中定位导航等功能，保证手术精准度，提升植入物放置准确性，从而保证手术的安全进行。本文通过综述骨科手术机器人的概况、行业情况以及优劣势分析重点阐述了骨科手术机器人在临床上的作用。

关键词：AI 骨科手术机器人 骨科治疗

1. 医疗机器人概况

临床上，微创、减少侵入性操作、提高手术精准性是当前手术领域的发展大趋势，机器人技术由于自身优势，在医疗领域的应用越来越广泛。如下图所示，目前医疗机器人根据作用主要分为手术机器人、医用服务机器人、康复机器人和医用辅助机器人^[1]，其中手术机器人占全部市场的 60% 以上。手术类机器人的主要研究方向集中在外科、骨科、神经系统和内窥镜领域，其中骨科机器人和神经机器人的主要功能在手术的定位导航方面，而其他手术机器人则更多涉及手术的直接操作,与骨科（神经）机器人有较为明显的差异。

从 1983 年，第一款髋关节手术机器人 Arthrobot 在加拿大的开发和使用，到 2018 年，达芬奇手术机器人的全球手术量达到约 103 万例。手术机器人走过了快速发展阶段，并拥有广泛的市场空间。手术机器人的快速发展得益于前沿技术推动的临床获益，如微创、快速等。传统的开放式手术创伤面积较大，对病人的损害较大，感染风险较高并且恢复时间长，已经逐步被微创手术所替代，但由于微创手术本身采用内窥镜等方式，人手的自然抖动导致对手术器械的操作很难稳定，影响手术效果。而手术机器人由于本身受机械控制，在操作精度等方面有大大的提升，并且在智能化的手术规划及导航系统的辅助下，手术效果进一步得到加强，因此可以获得很好的临床获益。不仅如此，机器人手术能有效地预防医务人员因手术接触导致的传染性疾病的发生，可以在特定情况下代替医生执行有危险的操作，这些都是推动医疗机器人快速发展的重要因素。

2. 骨科手术机器人的主要概况

与机器人系统在外科手术中的应用有所不同，在骨科领域，机器人的应用方法出现了更多样的变化,在骨科最重要的关节、脊柱、创伤领域中，机器人如何提供更好的助力，仍在研究和探索中。骨科机器人从切割动作与骨头的相互作用分为直接或间接动作。从医生参与角度看，可以分为以下 3 类^[2] ：① 依赖于医生操作的被动机器人，比如 OMNIBotics（OMNI）以及曾用于肩部手术的达芬奇机器人 [15] ；② 需要医生在一些动作控制下进行操作的半自动机器人，如 MAKO 机器人；③ 直接按照预设程序算法和参数进行骨切割，无需人操作的全自动机器人，如 Think Surgical 的 Robodoc，仅需要医生启动和停止机器人操作，术中无法更改机器人动作。该公司的 TSolution one 可以在没有医生介入的情况下实现自动磨骨。常用的切割动作控制技术上有力感知技术、边界控制技术、切割导航技术的全自动机器人，如 Think Surgical 的 Robodoc，仅需要医生启动和停止机器人操作，术中无法更改机器人动作。该公司的 TSolution one 可以在没有医生介入的情况下实现自动磨骨。常用的切割动作控制技术上有力感知技术、边界控制技术、切割导航技术。

目前来看，大多数机器人都还处在被动机器人和半自动机器人层面，Think Surgical 某种程度上代表了骨科手术机器人的一个发展方向。

骨科机器人在产品技术研发演进方向上，一方面需要进行适合于临床术式和应用习惯的软件系统，另一方面，也需要在机械臂、光学跟踪系统等硬件方面打破技术壁垒，实现核心技术自主化，才能获得更强的产品竞争力和更多的市场青睐。以 MAKO Surgical 的发展来看其技术迭代。MAKO 成立于 2004 年，其前身是 1997 年成立的Z-KAT，这是一家源自麻省理工学院的机械臂研发公司。根据 MAKO 在 2005 年 MAKO 首次注册机器人产品时提交的材料看，已经包含机械臂等硬件设备在内。同样的，MedTech 的 ROSA 平台在首次注册时也已经包含骨科机器人所需的各类硬件产品^[3]。

3. 骨科机器人的优劣势分析

骨科机器人的优势相当明显，主要表现在以下 5 点。

（1）术前规划和三维重建使得手术更为易于理解。尤其对于年轻医生而言，术前规划系统能让医生直观，全面的理解手术中需要面临的情况。和其他平面媒介所提供的资料不同，三维图像更贴近于真实，能有效的缩短医生的学习曲线。

（2）有利于手术的微创化和标准化。高精度可以减少手术创伤，标准化手术规划，造就了标准化的手术结果，避免了人为造成的误差，能提高手术的安全性。

（3）可以减少术中的 X 线辐射。常规骨科手术中往往需要多次的 X 线摄片来验证植入物的位置。机器人系统的高精度，以及导航定位系统，都能有效的减少不必要的X 线照射，对操作者和患者本身都能带来获益。

（4）手术操作者主观体验的改善。现在机器人手术的优势在于改善了传统的操作方式，术者可以在自然站立或者端坐的情况下完成以往需要低头数小时才能完成的手术，并且手术视野和操作空间都有极大的改善。

（5）机器人功能的可扩展性强。科技的发展和时代的进步决定了机器人功能有无限的发展可能，4G 技术就已经能支持远程手术规划，5G 技术可以实现远程手术操作，机器人技术在未来的应用是值得期待的。

同时，骨科机器人目前还处在应用和推广的早期阶段，一些问题值得研发者们不断克服^[4]。一是目前价格和使用成本较高 ；二是由于机器人在应用领域方面的设计总体还在早期阶段，对于人机交互结果的合理性，操作习惯的改变等等因素，一些手术情况下可能会造成时间成本的增加；三是需要持续观察大量应用下的长期疗效。由此可见，骨科机器人具有独特的优势，通过进一步的改良提升，必然会实现临床效果的改善。

四．捷迈公司自主研发的骨科手术机器人及其作用

骨科是手术机器人最早进入的领域之一，也是目前手术机器人研究和产业化集中领域，2016年，捷迈邦美以不低于13.2亿美元的价格收购拥有Rosa Brain和Rosa Spine机器人辅助手术平台的法国手术机器人公司Medtech。收购完成后，捷迈邦美在Rosa Brain和Rosa Spine的基础上开发出了ROSA ONE®。ROSA ONE 是一个支持在一个系统上提供脑外科和脊柱外科手术的应用程序的双功能机器人，可以提高手术机器人平台的利用率，减少采购、服务、维修和成本，并可以简化整个机器人的学习曲线。

其中， ROSA ONE Spine （脊柱）包括一个机器人助手和一套导航技术，可以提高植入物以及器械放置的准确性和可预测性。ROSA ONE Spine的机械臂具有六个自由度，可稳定、灵活地进入手术部位，“动态跟踪”功能允许机器人与患者的动作同步实时移动。 椎弓根螺钉固定术是脊柱外科常用的内固定技术，也是一种可以对脊柱侧凸畸形进行三维矫正的强有力技术。尽管很少发生，但椎弓根螺钉错位可导致灾难性的神经损伤。为了解决由于螺钉位置错误而引起的潜在的神经血管并发症，出现了多种新方法来提高椎弓根螺钉置入的准确性，骨科手术机器人也是其中之一。机器人辅助椎弓根螺钉置入术是一种较新的技术，准确率为 92.8%~97.9%，可以提高椎弓根螺钉置入的准确性和安全性。

此外，捷迈邦美在业务量最大的膝关节和髋关节领域，也开发了手术机器人ROSA® Knee System、ROSA® Partial Knee System和ROSA® Hip System。 Rosa ®骨科系列手术机器人可以帮助外科医生在膝关节、髋关节手术中提供连续的数据分析，以协助复杂的决策，并使外科医生能够使用计算机和软件技术控制和移动手术器械。 骨盆髋臼骨折是一种常见的骨折，占全身骨折的 3%，多由高能损伤引起，具有较高死亡率和致残率。髋臼骨折手术治疗的目的是恢复骨盆环和髋臼解剖结构的对称性和稳定性。常用的手术治疗方式为切开复位内固定，但切开手术存在创伤大、出血多、感染风险高等问题。随着微创技术的发展，经皮拉力螺钉技术在骨盆和髋臼骨折的临床治疗中得到了应用，并被证明是安全有效的，临床治疗效果显著。传统透视下螺钉置入术容易造成螺钉错位，甚至微小的角度变化都可能导致螺钉穿出和神经血管损伤。机器人辅助骨盆髋臼骨折手术可以通过术前成像、术中实时跟踪、机械手臂辅助等方式确保螺钉放置位置与术前规划一致。

截至2019年Q1，捷迈邦美的Rosa Knee和Rosa One均获得FDA批准，Rosa Knee正式进入膝关节市场，捷迈邦美也因此成为了第一个在手术机器人市场上获得脑、脊柱、膝关节FDA批准的公司。

总结

近年来，随着人工智能骨科手术机器人等高新科技的发展和在医学的应用，骨科诊疗诊断率实现了历史性的突破，同时也为有效治疗提供了必要的支撑。在骨科的应用上，一旦模型搭建过程中数据缺少必要的准确率，那么其生成的图像解释准确率就会大大降低。捷迈公司自主研发的骨科机器人ROSA ONE 是一个支持在一个系统上提供脑外科和脊柱外科手术的应用程序的双功能机器人，提高了模型搭建过程中准确与手术机器人平台的利用率，减少采购、服务、维修和成本，并可以简化整个机器人的学习曲线。对AI骨科手术机器人在骨科治疗方面具有理论与现实作用。

参考文献

1. 刘毅,孙磊青,樊瑜波.骨科机器人的行业概况与发展[J].中国医疗设备,2021,36(01):159-163.

2. 张成,李超,韩向东,高武长.骨科手术机器人临床应用综述[J].医疗卫生装备,2021,42(01):97-101.

3. 李川,阮默,苏踊跃,蒙旭晗,冯凡哲,徐永清.手术机器人在骨科领域中的应用及发展[J].中华创伤骨科杂志,2021,23(03):272-276.

4. 胡昊楠,张元智.骨科手术机器人在脊柱置钉中的研究应用[J].临床医学研究与实践,2021,6(07):191-192+195.

5. 贺云靖,杨文卓,蔡睿,李强,王金成.人工智能在骨科中的应用[J].透析与人工器官,2021,32(02):49-51+56.