机器人助力骨科新技术革命_田伟.pdf

1159 2022 年第 24 卷第 12 期(总第 230 期)院士观点机器人助力骨科新技术革命田伟院士骨科最初并不是一个纯粹的手术科室。自 20世纪 50 年代以来，随着各种与骨科相关的内固定、人工关节、人工材料等技术革命的不断推进，全球骨科及其病患治疗方式也随之发生质的变化。20世纪 80 年代，受社会环境和医疗条件所限，我国骨科住院患者常采用保守治疗，一般住院时间较长，动辄几周，甚至数月不等。改革开放加速了我国吸纳全球科技和医疗先进技术的进程，骨科患者住院时间大大缩短，有些骨折患者做完手术第二天就可以出院，较多微创手术甚至当天就可以下地行走。这得益于科学技术的持续创新，是骨科学科发展质的飞跃。当前手术机器人的出现，更是颠覆和助力了骨科新技术革命。1骨科机器人发展来源“机器人”最初来源于文学幻想。俄罗斯近代著名作家阿西莫夫 20 世纪在美国发表了一系列关于机器人的科幻小说;代表作我，机器人 主要描写了基于其想象的未来机器人能够在这个世界上做很多事情，并且为机器人制定了著名的“三定律”，包括机器人不能对人产生危害等。目前我们所熟知的很多机器人大战电影(如星球大战 等)都是以他的小说为蓝本延伸拍摄的。1954 年，阿西莫夫的两个小说迷，德国工程师戴沃尔和恩格尔伯格，开始实践阿西莫夫的想法;最终于 1959 年，两人首次完成了第一台名为“Unimate”的机器人，后成功转化，卖给通用公司，主要应用于生产线，负责把很沉重的零件定时搬到生产线，从根本上解决了人力所不能及的问题。所以解决人类的短板和痛点，是机器人发端的成功之处。谈到骨科手术，实际上也是先有工业机器人的引领在先，随后才有手术机器人的蓬勃发展。1985年，某华裔医生曾借用工业机器人，在美国发明了用于脑组织穿刺活检的机器人，属于第一次用影像作为导航引导机器人展开操作的科学实验;虽然案例并未成功，临床上也未得到广泛应用，但该华裔医生的大胆构想却刷新了机器人在医学领域的应用。自此，一系列各种各样的机器人纷纷被纳入医学研究领域，当然也数次经历失败。2骨科机器人应用实践到目前为止，全球应用比较成功的手术机器人有两个，一个是“达芬奇”，另一个是“天玑”。“达芬奇”主要是临床软组织腔镜手术时，通过人手在外操控，借用显微镜，把小的机械手伸到细小的腔道里，代替人手进行手术操作。目前，我国国内如“妙手”等一系列相关产品依次诞生。“天玑”是我国自主研发的机器人，可以达到亚毫米级，实际上准确度能达至 0 2 mm 左右，目前在机器人市场上准确度最高。“天玑”机器人不同于国外每一手术设计一种机器人的设计理念，目前可以在23 个部位进行手术，是具有广泛模块化的多部位应用机器人。研发初衷主要是考虑到骨科手术的同时需要进行较多内固定，而人类某些技能穷尽问题，包括视觉穷尽、动态精准控制技能穷尽等，都是目前暂时无法解决的。视觉穷尽问题:目前从人体外部看向组织内部，是人眼无法完成的;但骨科手术需要开展内固定操作，一旦内固定不精准，则潜在风险巨大。国际上也有两个案例，正是因为人眼的不可及，导致一例误穿到脊髓上造成患者脊髓的瘫痪;一例误穿到血管上，造成患者血管破损。动态精准控制技能穷尽问题:手术过程中，当医生好不容易找准一个位置，在操作过程中若出现走形，可能就无法精准到达病患部位，这种三维空间位置寻找的精准化技能穷尽目前是人类不可控和解决不了的。即使手术前临床医生做好做足了充分的手术方案，甚至也借用三维设计软件展开三维状态下的手术规划，但规划的手术和真实的手术操作毕竟不完全一致，一旦面对上述问题，仍将无解。基于此，我们一直在深入思考和实践能解决这些问题的方法或手段。早在 15 年以前，我们课题组研究团队集结产学研展开相关研究，包括导航和机器人的融合、空间布局、呼吸的精度影响、安全控制等临床和工学课题。现在“天玑”机器人终于面世，其原理 1160 2022 Volume 24 No.12(Serial No.230)就是通过导航把虚拟地图和人联系在一起，医生进行三维手术以后，导航自主引导机器人，按照医生手术的位置在皮肤表面精准达成。这个手术过程，医生操作切开也行，不切开也行，“天玑”机器人均能精准匹配医生所要进行手术的具体位置，瞬间解决手术规划精准执行事宜。据研究发现，“天玑”手术机器人目前在精度、适用部位、影像学的方法以及配准 4 个重要指标方面远超其他国家的手术机器人。某些难度比较高的手术，如脊柱呈现 70以上、大 S 弯的畸形患者进行手术矫正时，因为弯曲脊柱，临床实践中很难准确判断出每一个椎体上打螺钉的最终位置;但是如果通过机器人做引导，按照手术设计，机器人将会准确展现三维空间中每一个螺钉的精准位置，甚至从哪个方向入手都一一呈现，手术固定方式既牢固又准确，矫正效果非常好。以前，我曾做过一例很难的手术，患者罹患一系列畸形、先天融合、神经压迫、小环椎病症，术前三维显示结构非常不好;患者一侧颈椎基本上未有发育，另一侧也非常细窄，只有一个位置能够打进一颗螺钉，而这颗螺钉至为关键，因为在它前方必须要有一个锚定的支撑点，如果没有这个支撑点，整个手术后方固定就形不成三角支撑。该手术放在以前是无论如何不能进行的，但是借助“天玑”机器人，提前做好手术设计，找准位置，在机器人引导下精准实现了在患者预判位置打好螺钉的手术案例，这也是我国首次面向全球报道机器人能解决医生无法解决的高风险区域手术成功的案例，我国首次在该领域的医疗贡献得到了同行广泛认可。也可以自豪地理解为，在整个上颈椎手术的发展历程中，我国现已站在了世界医疗发展的制高点。截至目前，我国已完成 25 000 多例的骨科机器人手术，而且国产骨科机器人占有率已达 80%，是唯一一个在高精尖医疗设备中国产设备占绝对优势的领域。前瞻性随机对照研究发现，骨科机器人的准确率比传统方法提高了 53.6%，患者手术损伤小，出血量明显减少，术中辐射剂量明显减少，但手术时间、住院时间差异均无统计学意义。统计分析全国范围内 16 家医院关于使用骨科机器人开展手术后 的 平 均 准 确 率 为 98.6%，较 以 往 准 确 率(50%60%)显著增加。3未来展望长期以来，我们课题组一直在骨科诊疗精准化、微创化、智能化的研究及应用上深耕;关于骨科领域机器人的研发和应用，我们即是见证者，更是亲身实践者，并借助当前智能技术持续开展积极、有意义的扩展和尝试。虽然国际上目前有很多通过远程 5G 来实现的医疗手术，但可能多数仅仅是“展示”，我们自身也曾受到过包括专家级领导在内的一些质疑，认为新技术尚未成熟，现在搞5G 远程手术，只是说得热闹，而没有实用性。然而，“天玑”机器人在医疗方面的实用性正在清晰展示，而且通过远程 5G 平台，我们现已完成 100多例骨科手术，临床疗效有目共睹。近期，我们课题组还与中国电信合作进行了“one-to-many”的技术创意:即在北京做好骨折手术方案设计，同时操控不同地方(一个是烟台，一个是嘉兴)的两台机器人同时开展两台不同的手术，所有异地机器人均通过远程 5G 来实现遥控指挥，精准安装螺钉。现在，课题组还在尝试“一对三”手术模式;当然“一对三”手术模式目前只能勉强应付下来，还有不少困难。我个人认为，“一对二”手术模式效果还是很不错的。目前骨科机器人的应用实际上只是刚刚起步，我们有理由坚信，未来必将拥有更为广阔的空间。未来手术机器人不仅要能代替或帮助那些经验不足的医生，甚至是经验丰富的临床医师，可以通过设计每一次适宜、精准的手术规划，通过不断改进精准定位技术，包括将螺钉固定到深部组织的减压、截骨术等适应证，向更广泛领域扩展。今后我们也可以不断完善手术机器人传感器的敏感度以及相互配合技术等，使其灵活性越来越接近人类;也可以通过收集、整理那些混乱、无规则的临床应用大数据，借助人工智能开展数据挖掘和规范化设计，进一步为骨科技术发展做好大数据支撑。当然，正如阿西莫夫所提及的“我写小说都可能写出危险”，机器人在应用发展的同时，也必然存在各种危机。例如临床实践中也曾期待“沃司”机器人能全然替代肿瘤医生，从诊断、手术到治疗方案等全部由机器人处理，然而由此却导致诸多恶性事件发生。事实上，以目前人工智能水平，这种想法根本做不到。再例如，全球关于“达芬奇”机器人应用过程中的正面报道和负面报道都很多，某些恶性事件的危害更是值得我们时刻警惕。因此，亟需正视并积极回避机器人应用发展的相关风险:一方面要坚持手术机器人对医学的正向帮助，摒弃现阶段存在的“机器人完全替代医生”的想法，而 1161 2022 年第 24 卷第 12 期(总第 230 期)尽量在“能帮助医生解决一些技术穷尽的问题”层面展开深入研究和思考。另一方面，针对高精尖技术的手术机器人，要有更为严格的操作培训、设备维护和安全管控手段，尽量从品质管控、技术层面来避免机器人发展过程中所导致的恶性事件。再者，手术机器人需要和人、病患打交道，一系列复杂的社会问题可能会接踵而来。我们需要严肃对待，尽量采用前瞻性的研究理念和方法，注重对机器人应用实践中关于医学伦理学、法学、经济学、社会学等方面问题的认知。田伟(中国工程院院士，骨外科专家，北京积水潭医院首席科学家、主任医师)2022 年 12 月田伟，骨外科专家，中国工程院院士，北京积水潭医院首席科学家、主任医师。1983 年毕业于北京医学院;1994 年获得日本国立弘前大学医学博士学位;1995 年回国担任北京积水潭医院副院长;1997 年创建北京积水潭医院脊柱外科，并担任脊柱外科主任;20032020 年担任北京积水潭医院党委副书记、院长;2017 年担任骨科机器人技术北京市重点实验室主任，9 月当选为北京学者;2019 年当选为中国工程院院士。先后主编专著 12 部，发表论文 300 余篇;主持制定国际指南 1 项、国家卫生行业标准 3 项、中国国内指南 5 项。田伟教授长期致力于骨科诊疗精准化、微创化、智能化研究及应用。自主研发国际首台通用型骨科手术机器人等产品，并在临床广泛应用。首创计算机辅助微创脊柱手术理念(CAMISS)，创新 5 种新术式，成为国际手术金标准。首次发现颈椎术后吞咽困难的发病机制，革新手术理念;提出椎旁骨化新理论，改变人工椎间盘设计方向。田伟教授主导的基于影像导航和机器人技术的智能骨科手术体系建立及临床应用荣获国家科技进步二等奖，曾获北京市科学技术奖一等奖 2 项、中华医学科技奖二等奖 1 项、教育部高等学校科学研究优秀成果(科学技术)科技进步奖 1 项。