近年來(lái)，腰椎手術(shù)機(jī)器人的作用已經(jīng)很顯著。它可以輔助醫(yī)生完成術(shù)中導(dǎo)航、螺釘植入和影像定位。

但面對(duì)真正狹窄、彎曲的手術(shù)空間，機(jī)器人能不能把器械送進(jìn)去，沿著狹窄而復(fù)雜的路徑抵達(dá)傳統(tǒng)工具難以觸及的位置，再完成切除和止血？

這仍然是一道難題。

近日，四川大學(xué)華西醫(yī)院手術(shù)機(jī)器人研究團(tuán)隊(duì)，研發(fā)出一套名為 MicroSpine 的微創(chuàng)脊柱手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。它最特別的地方，不是機(jī)械臂更大，而是足夠小。這是目前外徑最小，自由度最多的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。

系統(tǒng)將三根外徑僅 2 毫米的細(xì)長(zhǎng)機(jī)械臂，集成進(jìn)一根外徑 8 毫米的套管。三根機(jī)械臂分別搭載內(nèi)窺鏡、抓鉗和銩激光光纖，可以沿側(cè)前方入路進(jìn)入狹窄椎間隙，再向后方彎曲，嘗試完成神經(jīng)減壓。

相關(guān)論文于近日發(fā)表在機(jī)器人領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Science Robotics》，題為《A minimally invasive robotic spinal surgical system for anterior lumbar nerve decompression》。

01.

從前方進(jìn)入很微創(chuàng)，但未必能減壓徹底

腰椎退行性疾病的核心問(wèn)題并不復(fù)雜。

椎間盤(pán)突出、骨贅形成、黃韌帶肥厚等病變組織，會(huì)擠壓椎管內(nèi)的神經(jīng)，引發(fā)腰痛、腿痛甚至活動(dòng)障礙。手術(shù)的目標(biāo)，是切除這些壓迫組織，釋放神經(jīng)。

傳統(tǒng)后路手術(shù)的優(yōu)勢(shì)，是醫(yī)生可以從背部直接抵達(dá)病灶，充分處理后方組織。

代價(jià)也很明顯。需要切開(kāi)皮膚、分離椎旁肌肉，創(chuàng)傷和出血相對(duì)較大。論文引用的既有研究顯示，傳統(tǒng)后路減壓術(shù)的癥狀緩解率可以超過(guò) 85%，但術(shù)中出血量通常為 300至500毫升，相關(guān)并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)為21.6%。

另一種路徑，是從腰椎側(cè)前方進(jìn)入。

斜外側(cè)腰椎椎間融合術(shù)，也就是OLIF（Oblique Lateral Interbody Fusion），可以利用腹膜后天然解剖間隙建立手術(shù)通道，減少對(duì)背部肌肉的損傷。論文引用的研究數(shù)據(jù)顯示，其術(shù)中出血量通常約為 30 毫升。

然而，問(wèn)題在于，傳統(tǒng)OLIF更多依賴(lài)“間接減壓”。

醫(yī)生植入融合器，撐開(kāi)椎間隙，為神經(jīng)爭(zhēng)取空間。但面對(duì)后方的骨贅、肥厚關(guān)節(jié)突等病變組織，筆直而剛性的器械很難繞過(guò)去直接切除。

論文援引既有臨床研究指出，OLIF對(duì)中央椎管狹窄的有效率為 65%至78%，術(shù)后殘留癥狀比例可達(dá)32.4%。器械到不了，是一個(gè)重要原因。

MicroSpine 想解決的，正是這個(gè)問(wèn)題。它試圖保留前路手術(shù)創(chuàng)傷較小的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)把減壓方式從“撐開(kāi)空間”變成“直接切除”。

02.

三根機(jī)械臂，擠進(jìn)一根8毫米套管

人的腰椎椎間隙通常只有8至13毫米高。

在如此狹窄的空間里，醫(yī)生不僅要看清組織，還要同時(shí)完成牽拉、切除和止血。常規(guī)手術(shù)器械尺寸較大，末端又缺乏靈活性，很難完成這種多工具協(xié)同。

MicroSpine 的解決思路，是把器械做得更細(xì)、更靈活。

三根機(jī)械臂外徑均為 2毫米，內(nèi)徑為 0.9 毫米。每根機(jī)械臂擁有 6 個(gè)自由度，總計(jì) 18 個(gè)自由度。三根機(jī)械臂被集成在一根外徑 8 毫米的套管內(nèi)，分別承擔(dān)不同任務(wù)。

一根搭載可調(diào)彎內(nèi)窺鏡，負(fù)責(zé)觀察手術(shù)區(qū)域；一根搭載抓鉗，用于牽拉神經(jīng)、剝離組織和取出切除物；另一根搭載銩激光光纖，用于切除組織和止血。

套管內(nèi)部還設(shè)置了固定攝像頭、沖洗通道和吸引通道。生理鹽水持續(xù)循環(huán)，一邊清潔鏡頭，一邊帶走組織碎屑，并輔助維持清晰視野。

真正關(guān)鍵的，是機(jī)械臂本身的結(jié)構(gòu)。

研究團(tuán)隊(duì)采用了一種同心推拉機(jī)器人結(jié)構(gòu)，英文簡(jiǎn)稱(chēng) CPPR（Concentric Push-Pull Robot）。簡(jiǎn)單理解，每個(gè)可轉(zhuǎn)向段由兩根同心嵌套的薄壁空心鋼管構(gòu)成。鋼管表面加工出精細(xì)的榫卯式切縫，通過(guò)內(nèi)外管之間的相對(duì)推拉，機(jī)械臂前端可以發(fā)生彎曲。它的材料就是常見(jiàn)的醫(yī)療級(jí)不銹鋼。

近端和遠(yuǎn)端兩段機(jī)械臂的最大彎曲角度，分別達(dá)到98度和120 度。這讓它不只是“向前伸”，而是可以在進(jìn)入椎間隙后繼續(xù)轉(zhuǎn)彎，繞到脊柱后方。

榫卯結(jié)構(gòu)還有另一個(gè)作用。機(jī)械臂彎曲時(shí)，切縫之間會(huì)逐漸咬合，從而提高剛度。處理神經(jīng)附近的軟組織時(shí)，可以保留一定柔順性；面對(duì)需要牽拉的組織時(shí)，又可以提高支撐力。

在單臂的操作力測(cè)試中，近端和遠(yuǎn)端結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生的最大末端作用力分別為 4.4N和 2.6 N。開(kāi)放環(huán)路徑跟蹤測(cè)試中，系統(tǒng)的均方根位置誤差為0.9 mm，最大誤差為1.65mm。

它不是單純追求“柔”，而是在狹窄空間里尋找靈活性與剛度之間的平衡。

03.

機(jī)械臂能不能繞到后方？先用3D打印脊柱測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)能否抵達(dá)傳統(tǒng)器械難以觸及的位置，研究團(tuán)隊(duì)首先制作了一套3D打印的人體腰椎模型。模型來(lái)自真實(shí)患者的CT數(shù)據(jù)，覆蓋 L3 至 L5 腰椎區(qū)域，并模擬了椎間盤(pán)突出等病變結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)不是切得多快，而是看三根機(jī)械臂能不能真正穿過(guò)狹窄椎間隙，到達(dá)六個(gè)關(guān)鍵區(qū)域：左右兩側(cè)的上、下關(guān)節(jié)突，以及 L4、L5 椎體后方中線區(qū)域。

結(jié)果顯示，在 20 次重復(fù)實(shí)驗(yàn)中，機(jī)械臂到達(dá)左后方區(qū)域的成功率為100%，到達(dá)右后方區(qū)域的成功率為 95%。

唯一一次失敗發(fā)生在首次實(shí)驗(yàn)中，原因是操作者對(duì)解剖位置判斷不準(zhǔn)確。此后的測(cè)試均成功完成。

MicroSpine 的價(jià)值并不在于替代融合器，而在于補(bǔ)上OLIF 的短板。從前側(cè)方進(jìn)入之后，器械仍然能夠跨過(guò)中線，繞到脊柱后方，對(duì)兩側(cè)關(guān)節(jié)突附近的病變組織進(jìn)行直接處理。

04.

激光既負(fù)責(zé)切除，也負(fù)責(zé)止血

機(jī)械臂足夠細(xì)，也帶來(lái)了新的問(wèn)題。

直徑只有 2 毫米，意味著器械本身能夠提供的機(jī)械切削力有限。面對(duì)骨性組織，僅靠微型抓鉗很難完成有效切除。研究團(tuán)隊(duì)因此引入了銩激光。在豬脊柱活體實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)測(cè)試了不同激光參數(shù)，用于處理纖維環(huán)、髓核、關(guān)節(jié)突和靜脈出血。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究人員首先以2焦耳、20 瓦的參數(shù)嘗試切除堅(jiān)韌的纖維組織，但能量不足。將參數(shù)調(diào)整為 4 焦耳、40 瓦后，激光可以有效切除纖維環(huán)。

在出現(xiàn)短暫出血后，團(tuán)隊(duì)再次將激光參數(shù)切換至 2焦耳、20瓦，用于靜脈止血。配合生理鹽水循環(huán)，渾濁液體被快速吸走，視野重新恢復(fù)清晰。

論文記錄顯示，這次出血持續(xù)約10 秒，估算總出血量約為 5 毫升。完成椎間盤(pán)切除后，研究人員將激光調(diào)整至 4焦耳、60 瓦，對(duì)右側(cè)上、下關(guān)節(jié)突進(jìn)行處理，耗時(shí)約 2 分鐘。

激光在這里承擔(dān)了兩個(gè)任務(wù)：既是切除工具，也是止血工具。醫(yī)生不需要頻繁更換器械，三根機(jī)械臂可以在狹窄空間內(nèi)持續(xù)協(xié)同工作。

但這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)也有明確邊界。豬腰椎椎間隙高度只有約 3 毫米，明顯窄于人體腰椎。受空間限制，機(jī)械臂幾乎無(wú)法進(jìn)入左后方區(qū)域；其中一根機(jī)械臂末端也沒(méi)有安裝抓鉗，僅用于剝離組織。

因此，這一階段主要驗(yàn)證的是銩激光切除、即時(shí)止血和機(jī)械臂操作能力。

05.

尸體標(biāo)本實(shí)驗(yàn)：約3厘米切口，減壓流程約15分鐘

隨后，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)展了“大體老師”標(biāo)本實(shí)驗(yàn)。

研究人員沿用標(biāo)準(zhǔn) OLIF 手術(shù)路徑，在標(biāo)本側(cè)腰部建立約 3 厘米長(zhǎng)的切口，通過(guò)腹膜后通道抵達(dá) L3 至 L4 椎間隙。

側(cè)方撐開(kāi)器將椎間空間擴(kuò)大至約 8 毫米。醫(yī)生在椎間盤(pán)上手動(dòng)建立一個(gè) 7 毫米×16 毫米的入口，隨后將三根機(jī)械臂送入。

進(jìn)入椎間隙后，銩激光首先切除椎間盤(pán)組織，建立一條通往后方的路徑。可轉(zhuǎn)向內(nèi)窺鏡隨后穿過(guò)通道，對(duì)后方區(qū)域進(jìn)行觀察。

激光機(jī)械臂和抓鉗機(jī)械臂繼續(xù)向左右兩側(cè)移動(dòng)，抵達(dá)上、下關(guān)節(jié)突附近。抓鉗負(fù)責(zé)剝離組織，激光負(fù)責(zé)處理骨性結(jié)構(gòu)。完成減壓后，醫(yī)生再手動(dòng)植入融合器，恢復(fù)脊柱穩(wěn)定性。

論文記錄顯示，整個(gè)減壓流程從切除椎間盤(pán)開(kāi)始，到套管退出撐開(kāi)器結(jié)束，耗時(shí)約15 鐘。其中相當(dāng)一部分時(shí)間用于通過(guò)錐形束 CT 確認(rèn)手術(shù)位置。

但這一數(shù)據(jù)需要謹(jǐn)慎理解。

這不是臨床手術(shù)。尸體標(biāo)本本身并未被診斷為腰椎退行性疾病，而且已冷藏保存超過(guò)一年，因此實(shí)驗(yàn)無(wú)法真實(shí)反映活體組織出血、術(shù)后恢復(fù)和并發(fā)癥情況。

它證明的是，三支機(jī)械臂可以進(jìn)入狹窄椎間隙，抵達(dá)左右兩側(cè)后方區(qū)域，并完成組織切除。距離真正進(jìn)入臨床，還有很長(zhǎng)的一段路。

06.

脊柱手術(shù)機(jī)器人，開(kāi)始從“導(dǎo)航”走向“操作”

目前，MicroSpine 仍是一套實(shí)驗(yàn)階段的機(jī)器人系統(tǒng)。

論文也明確指出了它的局限。由于機(jī)械臂內(nèi)部空間有限，系統(tǒng)尚未集成末端傳感器，目前仍采用開(kāi)環(huán)控制。醫(yī)生主要依靠?jī)?nèi)窺鏡畫(huà)面判斷器械位置，無(wú)法獲得觸覺(jué)反饋。

現(xiàn)有的人機(jī)交互界面也不夠直觀，操作效率仍有提升空間。微型內(nèi)窺鏡的畫(huà)面分辨率只有 400×400 像素，焦距約5 毫米，距離高質(zhì)量臨床成像仍有差距。

研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步集成光纖布拉格光柵傳感器，為機(jī)械臂增加本體感知能力；同時(shí)引入多模態(tài)大語(yǔ)言模型，融合術(shù)前影像、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)信息和實(shí)時(shí)內(nèi)窺鏡視頻，輔助醫(yī)生理解術(shù)中場(chǎng)景并作出決策。

MicroSpine 的意義，不在于已經(jīng)解決了所有問(wèn)題。

它展示了一種值得關(guān)注的變化：脊柱手術(shù)機(jī)器人正在嘗試從“輔助定位”走向“進(jìn)入體內(nèi)完成操作”。

當(dāng)機(jī)械臂縮小到毫米級(jí)，可以進(jìn)入過(guò)去難以抵達(dá)的空間；當(dāng)器械末端具備足夠的彎曲能力，可以繞開(kāi)直線工具的局限；當(dāng)內(nèi)窺鏡、抓鉗和激光被壓縮進(jìn)同一條微創(chuàng)通道，機(jī)器人就不再只是導(dǎo)航儀，而開(kāi)始成為醫(yī)生伸進(jìn)人體深處的一雙手。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adu0590