Posterior脊柱手术是一种常见的手术方法，用于治疗脊柱疾病，如胸椎或腰椎椎管狭窄。脊柱后路手术的关键步骤主要包括椎弓根螺钉置入内固定、椎板减压切除和融合。每一步都必须小心进行，以避免损伤邻近的神经或血管，这有时可能是灾难性的。在过去的20年里，旨在提高椎弓根螺钉置入精度的脊柱机器人得到了快速发展，已有多个机器人成功应用于临床。1 - 32018年，Fan等人在元分析中得出结论，机器人辅助技术在椎弓根螺钉置入精度方面比传统方法具有统计学上的显著优势。开云体育世界杯赔率4在一些报道中，机器人辅助螺钉置入的准确率高达99%。5机器人在椎弓根螺钉置入领域的应用已经取得了巨大的成功。然而，椎板减压切除术这一步骤与椎弓根螺钉放置一样重要，目前还没有成熟的机器人辅助系统。6
椎板切除术涉及多种风险，如神经根损伤、硬脑膜损伤、马尾综合征和脊髓损伤。7，8部分原因是椎板的解剖位置与这些关键结构相邻，部分原因是外科医生在进行手动椎板切除术(ML)时可获得的信息有限。即使是最有经验的外科医生也只能通过间接的信息来判断椎板是否被穿透，比如从切骨工具中感受到的力量。这要求外科医生不仅要对这种力量的变化敏感，而且要在察觉到这种变化时立即停止切割，当外科医生由于手术时间长而疲劳时，这可能很难做到。考虑到这一点，机器人系统具有优势，因为它对力的变化更敏感，而且不会疲劳。我们设计了一个协同脊柱机器人系统来辅助椎板切除术。该机器人系统采用压电式骨刀系统作为切骨工具，根据力信息监测椎板是否被穿透。这项初步研究旨在探索该机器人系统的可靠性，并将其与同样使用压电骨刺系统的ML进行比较。
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机器人体系结构
该新型机器人系统包括操作系统和控制系统。操作系统包括装在机械臂末端的6自由度机械臂(I5，奥博机器人科技有限公司)和力传感器(SRI，上海宇利实业有限公司)，结合压电骨刺系统(XD880A, SMTP科技有限公司)(图1)．压电式骨刺系统的手柄上装有机器人系统专用的刀片，宽4.5毫米，厚0.7毫米。与常用的手持刀片相比，它的形状从斜向变形为近方形，以便在垂直方向上提供更有价值的力信息。它也比手持刀片长7厘米，以防止机械臂接触椎骨而影响切割过程(图1 c)．压电式骨刺系统的控制终端与工作站连接，形成机器人的控制系统。工作站运行专门设计的软件，实现术中与操作系统的交互，以控制操作，包括机械臂的运动或压电骨刺系统参数的调整等方面。机器人系统被设计成一个协作系统。操作者需要在切割前手动定位机器人，并在椎板切除术的开始和结束时发出指令。切割过程由机器人在监督下自动执行。
答:机器人系统的照片，包括一个6自由度的机械臂，一个力传感器，和一个压电骨刺系统。B:力传感器。C:机器人专用刀片(上)与手持刀片相比(较低的）;机器人刀片接近方形，且较长。
削减战略
视频1。垂直切割的2步视频。每个切割步骤包括开始切割(垂直向下移动)，停止切割(机器人系统识别到它即将穿透薄片)，抬起，并向前移动4毫米。如果在这4步之后没有收到停止命令，在短暂的停顿之后，机器人进入下一个切割步骤，并继续循环，直到操作员认为切割已经完成并发送停止命令。视频的右上角显示了机器人的操作软件。该专门设计的软件实时呈现力信息，方便操作人员监控。版权所有:李伟士。已获授权发布。点击在这里查看。
操作过程
使用机器人系统进行单侧椎板切除术的整体操作过程如下。1)腰椎标本固定在夹具上(图2一个)．外科医生手动移动机械臂，使刀片停留在切割部位，通常是椎板的头侧，并且刀片的方向与切割轨迹一致(图2 b)．2)在工位上设定切割方向(头侧或尾侧)。手术在外科医生的监督下开始。机器人根据上述垂直切割策略逐步进行切割(图2 c而且视频1)．操作人员可以通过机器人的急停按钮随时停止操作。3)当机器人完成最后一次垂直切割板尾侧时，助手通过工作站停止机器人操作。
这个机器人系统的操作过程的照片。答:取下椎体后，将腰椎标本固定在固定装置上。B:刀片移动到指定位置是手动执行的。刀片方向与切割轨迹保持一致(白色箭头)．C:机器人根据垂直切割策略自动执行椎板切除术(白色箭头)，直到它收到操作员的停止命令。
研究设计
实验在30个离体猪腰椎标本上进行。对广西巴马迷你猪(在其他研究项目后，腰椎仍完好无损的猪)实施安乐死后，获得腰椎标本，并将其解剖成单个椎体，以充分暴露椎板的外部。移除了椎体以充分暴露椎板内侧(图2一个)．实验于标本采集后1天内进行。从5头12月龄(30 - 35公斤)的L1-6猪身上取30个腰椎标本。机器人辅助椎板切除术(RAL)在左侧椎板上进行，而ML在右侧使用与机器人系统相同刀片的压电骨刺系统进行。虽然刀片是为机器人优化的，但它也可以在手动操作时使用。ML由一名有1年经验的主治医生进行，他也被要求尽量避免穿透椎板。实验方案经我院伦理委员会审核通过。为了全面评价椎板切除术的效果，我们从以下3个角度进行分析。1)完成一侧椎板切除术的时间，从刀片第一次接触椎板外层皮质骨到完成椎板切除术所需要的时间。2)薄片穿透状态，其中1个垂直切口的穿透状态可分为不穿透、不完全穿透和完全穿透。 If the length of the penetration hole was < 4.5 mm (the width of the blade), it was classified as incomplete penetration. In this case, the procedure was still considered safe because even in the case of partial penetration, the invasion of the blade into the spinal canal is minimal. If the length of the penetration hole was ≥ 4.5 mm, it was considered complete penetration, which was unsafe because judging how far the blade had intruded into the spinal canal was not possible. Therefore, if there was no complete penetration during the laminectomy, we defined the lamina penetration status for that laminectomy as grade A, meaning that the procedure was safe. On the contrary, if complete penetration occurred, it was defined as grade B, meaning unsafe (图3)．3)剩余的板层厚度，将板层切割面分成4等份，测量5个边界的厚度。最后，将其平均值作为剩余层的厚度。
椎板穿透情况照片。答:板板内侧未观察到穿透孔，为A级，安全。B:可以观察到几个不完全的穿透孔(白色箭头)，因为这些穿透孔的长度< 4.5 mm(叶片的宽度)。这种情况也被定义为A级，意味着安全。C:均完全穿透(黑色箭头；穿透孔= 4.5 mm)和不完全穿透(白色箭头)，即为B级，不安全。
统计分析
不服从正态分布的连续变量以中位数和IQR表示，并使用Mann-Whitney u检验进行组间比较。分类变量以百分比表示，并使用卡方检验进行分析。数据分析采用IBM SPSS Statistics version 24.0 (IBM Corp.)。p < 0.05为差异有统计学意义。
结果
RAL组进行单侧椎板切除术的中位时间为326秒(IQR 133秒)，ML组为108.5秒(IQR 43秒)(p < 0.001)。此外，两组间中位残余椎板厚度无显著差异(1.035 mm vs 1.084 mm, p = 0.842)。完全椎板穿透(B级)在RAL组发生2次(6.7%)，在ML组发生9次(30%);差异有统计学意义(p = 0.045) (表1)．
RAL组与ML组比较
| 变量 | RAL组(n = 30) | ML组(n = 30) | p值 |
|---|---|---|---|
| 椎板切除术平均时间，秒(IQR)__ | 326.0 (133.0) | 108.5 (43.0) | < 0.001＊ |
| 椎板中位剩余厚度，mm (IQR) | 1.035 (0.419) | 1.084 (0.383) | 0.842 |
| 穿透，n (%)‡ | 0.045＊ | ||
| 一个年级 | 2 (6.7) | 9 (30) | |
| 乙级 | 28日(93.3) | 21 (70) |
P < 0.05，差异有统计学意义。
单侧椎板切除术的时间。
A级:从椎板内侧未见穿透或仅见不完全穿透(穿透点长度< 4.5 mm)，表示椎板切除术安全。B级:观察到完全穿透(穿透点长度≥4.5 mm)，表明椎板切除术不安全。
讨论
目前在RAL领域还没有成熟的机器人系统报道。更安全的椎板切除术方法不是直接切开椎板，而是在深度“即将穿透”椎板时停止椎板切除术。椎板的断裂由外科医生处理，这样可以避免深切造成神经根或硬膜外损伤。纵向层状结构可以简化为外皮质骨-中松质骨-内皮质骨的夹层模型。如果机器人能够识别这3层，并在穿透内皮质骨层之前停止，则可以保证RAL的安全性。机器人系统的状态识别策略是目前研究的重点。2010年，王等人。9利用椎板切除术时的力信息作为状态识别的基础，通过计算互相关系数来识别不同的骨层，到达椎板内皮质骨时停止铣削。2015年，戴等人。10采用基于小波包变换的带通滤波器对椎板切除过程中通过传声器采集到的声压信号进行分析，识别不同的铣削状态。此外，他们还尝试利用铣削过程中的振动谐波振幅来识别不同的铣削状态。11但在实际操作过程中，周围环境可能会对声音产生干扰。此外，由于手术空间有限，在椎板切除术中收集振动信息具有挑战性。相反，有关力的信息稳定且容易获得。因此，在本研究中，我们选择了武力信息作为状态识别的基础。对垂直力信息进行归一化，建立模糊控制力学模型，最终实现状态识别。
在他们的研究中，Wang等人。9显示单侧椎板切除术的时间是10到14分钟。在我们的研究中，单侧RAL的时间接近5.5分钟，明显缩短。虽然与ML组相比还有差距，这是由于目前机器人的垂直切割速度被设置为0.5 mm / s，但这个时间差距可以进一步提高。在切骨策略上，以往的研究大多采用逐层磨削，受到磨削钻头的限制9，11 - 13而且整体效率很低。据我们所知，这是第一个在RAL中使用压电骨刀系统作为骨切割工具，采用垂直切割方法的研究。
在本研究中，使用机器人系统进行椎板切除术，成功识别内侧皮质骨28次(93.3%)而没有完全穿透椎板，而ML组为21次(70%)。这是因为，在ML中，当椎板已经被穿透时，只能判断穿透的时刻。然而，在RAL中，机器人不仅可以识别穿透的时刻，还可以识别它接触内皮层骨层的时刻，使机器人的反应速度比外科医生快一步。从这个角度来看，RAL比ML更安全。
在本研究中，薄片的切削深度作为一个参数也很重要。如果切割深度不足，折断椎板所需的力最终会增加，增加患者的风险。因此，我们比较了两组之间最后剩下的椎板厚度，没有发现显著差异。两组均留有约1mm。这说明机器人的椎板切除术深度是足够的，验证了机器人在这方面的安全性。
Yang等人提出的机器人自动化等级分级系统。14(0 - 5级)包括0级，没有自主权;1级，机器人辅助;二级，任务自主性;第三级，条件自治;四级，高度自治;第5级，完全自主(不需要人力)。根据这一分级体系，目前RAL领域的机器人自动化水平为0 - 2级。6Ponnusamy等人。15报道了在动物实验中使用达芬奇机器人进行椎板切除术以进行脊柱后路手术的尝试。达芬奇机器人是0级机器人，是一种远程机器人，其动作完全依赖于操作员，没有自动化程度。1级机器人只提供机械引导或协助，而人类对系统有持续的控制。例如Hein等人报道的机器人。16弗朗索瓦丝等人。17采用1级虚拟夹具技术。根据危险区规划，外科医生和机器人在手术过程中紧握磨钻，机器人仅用于确保切骨工具的末端不进入危险区。2级自主机器人可以在人类监督下自主执行一些操作。这在近期有关RAL的研究中很常见。虽然目前还没有成熟的机器人系统，但这些研究中使用的操作平台已经达到了这种自动化水平，可以自动进行椎板切除术。9，11，12，18 - 20我们开发的机器人系统是2级。选择这种自动化水平是合理的，因为机器人的感知能力比人类更好。我们的结果也在一定程度上验证了机器人系统自动执行椎板切除术的安全性。
本研究有一定的局限性。首先，机器人的定位需要人工进行，机器人无法自主识别板的位置，这一过程需要时间。其次，本研究仅在体外进行，其应用场景与实际临床应用有较大差异。例如，在现实生活中，椎板会随着患者的呼吸运动而移动，这将导致垂直力信息发生更复杂的变化，并干扰机器人的判断。因此，后续研究需要将医学图像配准与导航相结合，实现机器人自动识别薄片的目标。同时，应改进呼吸运动的补偿，使其更接近临床实际操作环境。
结论
在这项研究中，我们报告了一种基于力信息的安全策略的新型椎板切除术协作机器人系统。虽然切割效率还需要进一步提高，但该机器人系统的切割安全性是可以接受的。这些结果证实了RAL的可行性，并为后续研究提供了基础。
致谢
国家重点研发计划项目(2018YFB1307604)和北京市自然科学基金项目(no. 2018YFB1307604)资助。L202010)。
披露的信息
作者报告在本研究中使用的材料或方法或本文中指定的发现没有利益冲突。开云体育世界杯赔率
作者的贡献
构思与设计:李伟，李智，胡。数据采集:Z Li, Jiang, Song, Liu, Wang。数据分析与解释:李z，蒋，刘，王。文章起草人:李z。对文章进行批判性修改:李震，蒋，胡。已审阅稿:李文，李志江。代表所有作者:W Li批准了稿件的最终版本。统计分析:李z，蒋，刘。行政/技术/物资支持:李文，宋文，胡文。
