您的位置：山东大学 -> 科技期刊社 -> 《山东大学学报（医学版）》

山东大学学报 (医学版) ›› 2023, Vol. 61 ›› Issue (3): 46-56.doi: 10.6040/j.issn.1671-7554.0.2023.0018

• 专家综述 • 上一篇    下一篇

脊柱手术机器人研究进展

杜付鑫1,张体冲1,李倩倩2,宋锐3,*()   

  1. 1. 山东大学机械工程学院, 山东 济南 250061
    2. 山东大学齐鲁医学院口腔医学院, 山东 济南 250012
    3. 山东大学控制科学与工程学院, 山东 济南 250061
  • 收稿日期:2023-01-05 出版日期:2023-03-10 发布日期:2023-03-24
  • 通讯作者: 宋锐 E-mail:rsong@sdu.edu.cn
  • 作者简介:杜付鑫，工学博士，山东大学机械工程学院副研究员、博士研究生导师。2020年获得山东大学青年未来学者人才项目，主持国家重点研发计划等国家级项目3项，山东省重大科技创新工程等省部级项目6项，军工与企业合作项目10余项；发表SCI/EI论文30余篇，授权发明专利30余项。重点围绕连续体摩擦建模、静力学建模、优化方法、运动学建模与动力学分析等方面展开深入研究，自主研发了消化内镜手术机器人、微创脊柱外科手术机器人、鼻咽喉手术机器人等多种手术机器人系统；并担任《Nonlinear Dynamics》《Precision Engineering》《Advanced Robotics》《Advances in Mechanical System》等期刊审稿人

Research advances of spine surgery robot

Fuxin DU1,Tichong ZHANG1,Qianqian LI2,Rui SONG3,*()   

  1. 1. School of Mechanical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, Shandong, China
    2. School and Hospital of Stomatology, Cheeloo College of Medicine, Shandong University, Jinan 250012, Shandong, China
    3. School of Control Science and Engineering, Shandong University, Jinan 250061, Shandong, China
  • Received:2023-01-05 Online:2023-03-10 Published:2023-03-24
  • Contact: Rui SONG E-mail:rsong@sdu.edu.cn

RichHTML

32

PDF (PC)

290

摘要：

脊柱手术机器人具有定位精准、操作稳定、减少辐射暴露等优势，具有极大的临床应用价值，近年来已成为机器人研究和应用的热点领域。论文根据不同应用场景将脊柱手术机器人按引导式和主动操作式两种进行分类，并对应介绍国内外研究机构和公司研发的脊柱机器人及最新成果，同时结合研究和应用现状，对脊柱机器人应用的关键技术和未来机器人发展趋势进行简要阐述和总结。

关键词: 脊柱, 机器人, 辅助定位, 置钉, 磨削

Abstract:

Spine surgery robot has advantages of accurate positioning, stable operation and reduced radiation exposure. With great clinical application value, it has become a hot field of research and application in recent years. This paper classifies spine surgery robot into guided and active operation according to different scenarios, and introduces spine robots developed by domestic and foreign research institutions and companies and their latest achievements, and elaborates and summarizes the key technologies and future development trends.

Key words: Spine, Robot, Assisted positioning, Nail set, Grinding

中图分类号: 

  • R687.1

图1

脊柱手术机器人分类及发展"

图2

Mazor系列脊柱手术机器人 A: Spine assist; B: Renaissance; C: Mazor X; D: Mazor X stealth."

图3

获FDA认证的商用脊柱机器人 A：ROSA机器人；B：Excelsius GPS机器人；C：Cirq机器人。"

图4

国外研究机构引导机器人系统 A：ActBot系统；B：B-RobⅡ系统；C：5自由度并联机器人；D：吸附式脊柱机器人；E：SPINEBOT。"

图5

天玑脊柱手术机器人系统 A：天玑脊柱手术机器人；B：辅助置钉效果。"

图6

SPINEBOTⅠ脊柱手术系统"

图7

Vector-Bot机器人系统"

图8

国外研究机构钻孔机器人 A：Corass机器人；B：摩擦轮式骨钻机器人；C: 东京农工大学NIR。"

图9

国内研究机构钻孔脊柱机器人 A：脊柱微创手术机器人系统；B：RSSS系统；C：主从式脊柱机器人；D：混合式脊柱机器人。"

图10

鑫君特ORTHBOT机器人"

图11

Kinguide机器人系统"

图12

深圳先进技术研究院相关机器人系统 A：磨削机器人；B：RSSS-Ⅲ系统。"

图13

南开大学声压辨识磨削机器人系统"

图14

国内研究机构代表性磨削机器人 A：北京协和医学院磨削机器人；B：哈尔滨工业大学(深圳)磨削机器人。"

图15

美国圣易路斯大学脊柱机器人系统"

图16

美国约翰霍普金斯大学压电式机器人"

图17

美国约翰霍普金斯大学连续体磨钻"

图18

韩国大邱庆北科学技术院连续体磨钻"

图19

香港中文大学脊柱手术机器人 A：微型可弯磨钻系统；B：微型骨钻系统。"

图20

手术导航系统图"

图21

脊柱椎体分割图"

1 Sukovich W , Brink-Danan S , Hardenbrook M . Miniature robotic guidance for pedicle screw placement in posterior spinal fusion: early clinical experience with the SpineAssist[J]. Int J Med Robot, 2006, 2 (2): 114- 122.
doi: 10.1002/rcs.86
2 Togawa D , Kayanja MM , Reinhardt MK , et al. Bone-mounted miniature robotic guidance for pedicle screw and translaminar facet screw placement: part 2: evaluation of system accuracy[J]. Neurosurgery, 2007, 60 (2): 129- 139.
3 Khan A , Meyers JE , Siasios I , et al. Next-generation robotic spine surgery: first report on feasibility, safety, and learning curve[J]. Oper Neurosurg (Hagerstown), 2019, 17 (1): 61- 69.
doi: 10.1093/ons/opy280
4 Lefranc M , Peltier J . Evaluation of the ROSATM Spine robot for minimally invasive surgical procedures[J]. Expert Rev Med Devices, 2016, 13 (10): 899- 906.
doi: 10.1080/17434440.2016.1236680
5 Stoianovici D , Cleary K , Patriciu A , et al. AcuBot: a robot for radiological interventions[J]. IEEE Trans Robotics Autom, 2003, 19 (5): 927- 930.
doi: 10.1109/TRA.2003.817072
6 Korb W , Kornfeld M , Birkfellner W , et al. Risk analysis and safety assessment in surgical robotics: a case study on a biopsy robot[J]. Minim Invasive Ther Allied Technol, 2005, 14 (1): 23- 31.
doi: 10.1080/13645700510010827
7 Maurin B , Bayle B , Piccin O , et al. A patient-mounted robotic platform for CT-scan guided procedures[J]. IEEE Trans Biomed Eng, 2008, 55 (10): 2417- 2425.
doi: 10.1109/TBME.2008.919882
8 Bekku A, Kim J, Nakajima Y, et al. A body-mounted surgical assistance robot for minimally invasive spinal puncture surgery[C]//5th IEEE RAS/EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics. Sao Paulo: IEEE, 2014: 19-23.
9 Chung J , Kim S , Yi BJ , et al. Cadaver study for spinal fusion surgery using an image-guided surgical robot system[J]. Int J Control Autom Syst, 2010, 8 (3): 564- 573.
doi: 10.1007/s12555-010-0309-2
10 田伟, 王晋超, 刘亚军, 等. 上颈椎手术方式回顾及应用机器人辅助上颈椎手术的体会[J]. 中国医疗器械信息, 2017, 23 (7): 9- 13.
doi: 10.3969/j.issn.1006-6586.2017.07.002
TIAN Wei , WANG Jinchao , LIU Yajun , et al. Review of upper cervical spine surgery and application experience of robot assisted upper cervical[J]. China Medical Device Information, 2017, 23 (7): 9- 13.
doi: 10.3969/j.issn.1006-6586.2017.07.002
11 Tian W , Liu YJ , Liu B , et al. Guideline for thoracolumbar pedicle screw placement assisted by orthopaedic surgical robot[J]. Orthop Surg, 2019, 11 (2): 153- 159.
doi: 10.1111/os.12453
12 Chung GB , Kim S , Lee SG , et al. An image-guided robotic surgery system for spinal fusion[J]. Int J Control Autom Syst, 2006, 4 (1): 30- 41.
13 Ortmaier T , Weiss H , Döbele S , et al. Experiments on robot-assisted navigated drilling and milling of bones for pedicle screw placement[J]. Int J Med Robot, 2006, 2 (4): 350- 363.
doi: 10.1002/rcs.114
14 Lee J, Kim K, Chung WK, et al. Human-guided surgical robot system for spinal fusion surgery: CoRASS[C]//2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Pasadena: IEEE, 2008: 3881-3887.
15 Shim S , Choi H , Ji D , et al. Robotic system for bone drilling using a rolling friction mechanism[J]. IEEE/ASME Trans Mechatron, 2018, 23 (5): 2295- 2305.
doi: 10.1109/TMECH.2018.2854890
16 Onogi S , Nakajima Y , Koyama T , et al. Robotic vertebral puncture system for percutaneous vertbroplasty[J]. J Med Biol Eng, 2013, 33 (5): 491- 496.
doi: 10.5405/jmbe.954
17 张鹤. 脊柱微创手术机器人系统(遥控型)及关键技术研究[D]. 重庆: 第三军医大学, 2012.
18 Jin HY , Hu Y , Tian W , et al. Kinematics and cooperative control of a robotic spinal surgery system[J]. Robotica, 2016, 34 (1): 226- 242.
doi: 10.1017/S0263574714001283
19 Rezazadeh S , Bai WB , Sun MJ , et al. Robotic spinal surgery system with force feedback for teleoperated drilling[J]. J Eng, 2019, 2019 (14): 500- 505.
doi: 10.1049/joe.2018.9407
20 李少东. 机器人辅助脊柱微创手术系统及其导航和力控制技术研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2020.
21 Hu Y , Jin HY , Zhang LW , et al. State recognition of pedicle drilling with force sensing in a robotic spinal surgical system[J]. IEEE/ASME Trans Mechatron, 2014, 19 (1): 357- 365.
doi: 10.1109/TMECH.2012.2237179
22 Sun Y , Jiang ZL , Qi XZ , et al. Robot-assisted decompressive laminectomy planning based on 3D medical image[J]. IEEE Access, 2018, 6, 22557- 22569.
doi: 10.1109/ACCESS.2018.2828641
23 Jiang ZL , Qi XZ , Sun Y , et al. Cutting depth monitoring based on milling force for robot-assisted laminectomy[J]. IEEE Trans Autom Sci Eng, 2020, 17 (1): 2- 14.
doi: 10.1109/TASE.2019.2920133
24 Li M , Qi XZ , Sun Y , et al. A stability and safety control method in robot-assisted decompressive laminectomy considering respiration and deformation of spine[J]. IEEE Trans Autom Sci Eng, 2023, 20 (1): 258- 270.
doi: 10.1109/TASE.2022.3147270
25 Xia GM, Yao B, Dai Y, et al. Cutting Depth Compensation Based on Milling Acoustic Signal for Robotic-Assisted Laminectomy[C]//2021 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). Xi'an, IEEE, 2021: 12464-12469.
26 Xia GM , Jiang ZF , Zhang JX , et al. Sound pressure signal-based bone cutting depth control in robotic vertebral Lamina milling[J]. IEEE Sens J, 2022, 22 (11): 10708- 10718.
doi: 10.1109/JSEN.2022.3167664
27 Xia GM , Wang JG , Dai Y , et al. Vibration-based cutting depth control and angle adjustment of robotic curved bone milling[J]. IEEE Trans Instrum Meas, 2022, 71, 1- 10.
doi: 10.1109/TIM.2022.3191714
28 屈昊. 脊柱术区组织多模态信息感知及在机器人辅助手术中的实验研究[D]. 北京: 北京协和医学院, 2021.
29 李琨伦. 机器人辅助脊柱椎板减压手术影像交互与恒力切削控制研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2020.
30 Smith AD , Chapin J , Birinyi PV , et al. Automated polyaxial screw placement using a commercial-robot-based, image-guided spine surgery system[J]. IEEE Trans Med Robotics Bionics, 2020, 3 (1): 74- 84.
31 Opfermann JD, Killeen BD, Bailey C, et al. Feasibility of a Cannula-mounted piezo robot for image-guided vertebral augmentation: toward a low cost, semi-autonomous approach[C]//2021 IEEE 21st International Conference on Bioinformatics and Bioengineering (BIBE). Kragujevac, IEEE, 2021: 1-8.
32 Alambeigi F , Wang Y , Sefati S , et al. A curved-drilling approach in core decompression of the femoral head osteonecrosis using a continuum manipulator[J]. IEEE Robotics Autom Lett, 2017, 2 (3): 1480- 1487.
doi: 10.1109/LRA.2017.2668469
33 Kim S , Shim S , Ji D , et al. Wave-shaped notched compliant joint with high rigidity[J]. IEEE Robotics Autom Lett, 2022, 7 (4): 10168- 10175.
doi: 10.1109/LRA.2022.3192607
34 Wang Y , Yip HW , Zheng H , et al. Design and experimental validation of a miniaturized robotic tendon-driven articulated surgical drill for enhancing distal dexterity in minimally invasive spine fusion[J]. IEEE/ASME Trans Mechatron, 2021, 26 (4): 1858- 1866.
doi: 10.1109/TMECH.2021.3077706
35 Wang Y , Zheng H , Taylor RH , et al. A handheld steerable surgical drill with a novel miniaturized articulated joint module for dexterous confined-space bone work[J]. IEEE Trans Biomed Eng, 2022, 69 (9): 2926- 2934.
doi: 10.1109/TBME.2022.3157818
36 Qi XZ , Meng J , Li M , et al. An automatic path planning method of pedicle screw placement based on preoperative CT images[J]. IEEE Trans Med Robotics Bionics, 2022, 4 (2): 403- 413.
doi: 10.1109/TMRB.2022.3155288
[1] 张小艳 李刚 王令平. 不同剂量舒芬太尼对脊柱手术患者全麻诱导期血流动力学及血浆皮质醇的影响[J]. 山东大学学报(医学版), 2209, 47(6): 76-79.
[2] 李希,王秉翔,李娜,曹丽娜,李爱华,冠潇,张志勉. 下肢外骨骼机器人康复训练对脑卒中偏瘫患者下肢运动的影响[J]. 山东大学学报 (医学版), 2023, 61(3): 121-126.
[3] 王政,孙小刚,李超,王连雷,李冬来,原所茂,田永昊,刘新宇. 机器人辅助MIS-TLIF与徒手开放TLIF治疗腰椎退行性疾病的比较:2年随访[J]. 山东大学学报 (医学版), 2023, 61(3): 97-106.
[4] 乔桦,李慧武. 膝关节置换手术机器人应用现状与研究进展[J]. 山东大学学报 (医学版), 2023, 61(3): 29-36.
[5] 刘新宇,李冬来,赵文龙,王政,李超,王连雷,原所茂,田永昊. 机器人/导航辅助下椎弓根螺钉植入在脊柱畸形矫正中的应用[J]. 山东大学学报 (医学版), 2023, 61(3): 21-28.
[6] 吴南,仉建国,朱源棚,陈癸霖,陈泽夫. 人工智能在脊柱畸形诊疗中的应用[J]. 山东大学学报 (医学版), 2023, 61(3): 14-20.
[7] 王辉,王连雷,吴天驰,田永昊,原所茂,王霞,吕维加,刘新宇. 人工智能辅助设计3D打印手术导板在脊柱侧凸矫形术中的应用[J]. 山东大学学报 (医学版), 2023, 61(3): 127-133.
[8] 郭永园,孙厚义,张元凯,颜廷宾,刘培来,贾玉华. 鸿鹄机器人辅助全膝关节置换的早期学习曲线[J]. 山东大学学报 (医学版), 2023, 61(3): 115-120.
[9] 李超,孙小刚,李昊,田永昊,原所茂,刘新宇,王连雷. 机器人联合三维“C”型臂辅助置钉在44例脊柱侧弯矫形术中的应用价值[J]. 山东大学学报 (医学版), 2023, 61(3): 107-114.
[10] 刘亚军,袁强,吴静晔,韩晓光,郎昭,张勇. 130例锥形束CT影像腰椎椎弓根螺钉自动规划的初步分析[J]. 山东大学学报 (医学版), 2023, 61(3): 80-89.
[11] 刘亚军,郎昭,郭安忆,刘文勇. 骨科冲击波治疗的智能化发展现状及趋势分析[J]. 山东大学学报 (医学版), 2023, 61(3): 7-13.
[12] 匡风霞,赵晓虹,韩宝佳,高成杰. 对控制机器人甲状腺癌根治术患者手术应激反应麻醉深度的探讨[J]. 山东大学学报 (医学版), 2022, 60(5): 81-86.
[13] 李明波,黄燕波,刘俊城,任东成,谭成双,徐继禧,丁金勇. 黄芪桂枝五物汤治疗强直性脊柱炎的网络药理学探讨[J]. 山东大学学报 (医学版), 2022, 60(3): 29-38.
[14] 田辉,易文波,李树海. 达芬奇机器人食管癌切除术之齐鲁实践[J]. 山东大学学报 (医学版), 2022, 60(11): 28-32.
[15] 庄大勇,贺青卿,李小磊,周鹏,岳涛,徐婧. 达芬奇机器人在儿童及青少年甲状腺癌中的应用[J]. 山东大学学报 (医学版), 2021, 59(1): 45-48.
Viewed
Full text


Abstract

Cited
  Shared   
  Discussed   
[1] 索东阳,申飞,郭皓,刘力畅,杨惠敏,杨向东. Tim-3在药物性急性肾损伤动物模型中的表达及作用机制[J]. 山东大学学报 (医学版), 2020, 1(7): 1 -6 .
[2] 张宝文,雷香丽,李瑾娜,罗湘俊,邹容. miR-21-5p靶向调控TIMP3抑制2型糖尿病肾病小鼠肾脏系膜细胞增殖及细胞外基质堆积[J]. 山东大学学报 (医学版), 2020, 1(7): 7 -14 .
[3] 付洁琦,张曼,张晓璐,李卉,陈红. Toll样受体4抑制过氧化物酶体增殖物激活受体γ加重血脂蓄积的分子机制[J]. 山东大学学报 (医学版), 2020, 1(7): 24 -31 .
[4] 肖娟,肖强,丛伟,李婷,丁守銮,张媛,邵纯纯,吴梅,刘佳宁,贾红英. 两种甲状腺超声数据报告系统诊断效能的比较[J]. 山东大学学报 (医学版), 2020, 1(7): 53 -59 .
[5] 徐玉香,刘煜东,张蓬,段瑞生. 101例脑小血管病患者脑微出血危险因素的回顾性分析[J]. 山东大学学报 (医学版), 2020, 1(7): 67 -71 .
[6] 徐继禧,陈伟健. 髓内弥漫性中线胶质瘤伴H3 K27M突变1例[J]. 山东大学学报 (医学版), 2020, 1(7): 96 -101 .
[7] 冀永娟,项紫霓,匡桂芳. 青岛市两所三甲医院医务人员职业倦怠对生活质量影响的路径分析[J]. 山东大学学报 (医学版), 2020, 1(7): 102 -107 .
[8] 吕龙飞,李林,李树海,亓磊,鲁铭,程传乐,田辉. 腔镜下细针导管空肠造瘘在微创McKeown食管癌切除术中的应用[J]. 山东大学学报 (医学版), 2020, 1(7): 77 -81 .
[9] 张娟,张璐嘉,肖伟,李顺平. 住院医师规范化培训学员压力知觉与留职意愿及影响因素[J]. 山东大学学报 (医学版), 2020, 1(7): 108 -114 .
[10] 龙婷婷,谢明,周璐,朱俊德. Noggin蛋白对小鼠脑缺血再灌注损伤后学习和记忆能力与齿状回结构的影响[J]. 山东大学学报 (医学版), 2020, 1(7): 15 -23 .
版权所有 © 2018 《山东大学学报(医学版)》编辑部　
地址:山东大学科技期刊社（济南市历城区山大南路27号山东大学中心校区明德楼B座721室） 电话: 0531-88366918 E-mail: xbyxb@sdu.edu.cn
本系统由北京玛格泰克科技发展有限公司设计开发