《North American Spine Society Journal (NASSJ)》：Impact of a novel Spine Stabilization Technique on Intervertebral Movement in Cervical Spine Surgery using a Humanoid Surgical Robotic System
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背景：脊柱手术中的导航和机器人系统依赖于手术中脊柱表现为刚性体的假设；然而，在典型术中条件下，椎间运动持续存在。为使机器人执行硬组织手术有效，系统必须能够在整个干预过程中自主固定和稳定目标椎体。方法：研究人员使用六具人类颈椎标本进行了一项尸体研究。第一部分中，
背景：脊柱手术中的导航和机器人系统依赖于手术中脊柱表现为刚性体的假设；然而，在典型术中条件下，椎间运动持续存在。为使机器人执行硬组织手术有效，系统必须能够在整个干预过程中自主固定和稳定目标椎体。方法：研究人员使用六具人类颈椎标本进行了一项尸体研究。第一部分中，C2–C7椎体被植入标记物，并沿规划的椎弓根螺钉（pedicle screw）轨迹承受机器人施加的30 N力，在有和没有机器人稳定（robotic stabilization）的条件下进行。椎间运动（intervertebral motion）通过三维光学追踪系统（3D optical tracking system）量化。第二部分中，外科医生使用标准机器人辅助导航（robot-assisted navigation）置入30枚颈椎椎弓根螺钉（C1–T1），并使用一种新型获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准的双机器人双臂手术机器人系统（bi-manual two-armed surgical robotic system）置入36枚螺钉，该系统融合了自主椎体稳定（autonomous vertebral stabilization）和个体椎体追踪（individual vertebra tracking）。螺钉精度通过比较术后三维成像（postoperative 3D imaging）中的规划轨迹与实际轨迹进行评估。结果：机器人稳定在目标节段将平移运动（translational motion）最多减少57.8%，旋转运动（rotational motion）最多减少57.4%，在相邻节段也有显著减少，且效果随距离增加而减弱。在稳定条件下，未观察到重大椎弓根螺钉置入误差（>2 mm或>2°）。平均角度误差（mean angular error）减少31.7%（1.5 ± 1.2° vs. 1.0 ± 0.5°）。结论：双机器人手臂稳定显著减少了椎间运动，并提高了椎弓根螺钉置入精度。针对性术中稳定可能减轻机器人辅助导航中脊柱非刚性相关的局限性。
**论文解读：机器人椎体稳定技术减少颈椎椎间运动并提高椎弓根螺钉置入精度**
**研究背景与问题**
脊柱手术中，导航和机器人系统的核心假设是脊柱在术中表现为刚性体。然而，在典型术中条件下，由呼吸、手术器械操作、患者体位及潜在不稳定因素引起的椎间运动持续存在。这种非刚性行为是导航误差的关键来源，因为虚拟解剖模型与真实解剖不再匹配，导致注册误差和随后植入物错位，尤其是在使用高速工具进行骨切除时增加患者伤害风险。在活动度高的颈椎，现有证据表明导航椎弓根螺钉置入并未明显优于徒手技术：一项包含4,697枚颈椎椎弓根螺钉的系统综述和荟萃分析未发现导航优于徒手，另一项涵盖14,000枚颈椎椎弓根螺钉的研究报告仅微小差异（导航83% vs. 徒手85%）。因此，研究人员认为在颈椎中，仅靠导航不能保证精度提升。为有效执行硬组织手术，手术机器人必须能够在机器人干预前自主固定和稳定骨骼。基于此，本研究引入了一种新型稳定方法，利用获得FDA批准的人形双机器人（bi-manual）手术系统，旨在评估该稳定方法在减少颈椎椎间运动和提高导航精度方面的可行性和初步有效性。论文发表在《North American Spine Society Journal (NASSJ)》。
**关键技术方法**
本研究为尸体实验室研究，使用六具成人颈椎标本。关键方法包括：1）样本来源：六具尸体标本（部分有年龄性别信息，骨密度未测量，无骨质疏松或既往颈椎病理记录）。2）机器人平台：使用Dynamis Robotic Surgical System（LEM Surgical AG, Bern, Switzerland），该平台包括两个主要操作臂和一个专用于导航追踪的第三臂，实现双机器人手臂协同工作。3）椎间运动测量：在第一部分实验中，使用三维光学追踪系统（μCam RT, Axios 3D Services GmbH, Germany）以0.1 mm精度记录C2–C7椎体个体标记物的运动。4）力加载：机器人引导沿规划椎弓根螺钉轨迹施加30 N（±3 N）单向推力。5）稳定策略：通过一个臂在椎弓根内放置导针并刚性夹持实现直接稳定，或稳定相邻节段实现间接稳定。6）螺钉精度评估：在第二部分实验中，比较标准导航工作流（30枚螺钉，2名外科医生）与先进稳定工作流（36枚螺钉，3名外科医生）的术后三维影像计划与实际轨迹，评估位置误差和角度误差。统计分析采用配对t检验、Mann-Whitney U检验及Kolmogorov-Smirnov检验。
**研究结果**
**第一部分：个体椎体节段追踪（C2–C7）中稳定与非稳定力加载诱导运动的比较**
通过个体椎体标记物测量，研究人员发现非稳定条件下，力加载椎体与注册节段距离越大，未检测到的运动误差越大。例如，在非稳定状态下，1个节段距离的平均位置估计误差为0.6 mm，2个节段为1.2 mm，3个节段为1.5 mm，分别对应实际诱导运动的20%、40%和60%。直接稳定将这些误差分别减少至0.38 mm（平均差0.25 mm；p=0.03）、0.69 mm（p=0.07）和1.04 mm（p=0.02）。对所有节段（C2–C7），稳定条件下椎体运动均低于非稳定条件：直接稳定将平移运动减少0.3–2.1 mm，旋转运动减少0.1–2.2°。总体而言，直接稳定在目标节段减少平移运动最高达57.8%，旋转运动最高达57.4%。1节段间接稳定也减少了大多数情况下旋转和平移运动（减少范围：旋转0.2–2.1°，平移0.005–1.3 mm），但存在个别例外（旋转增加0.4°）。远距离（2节段以上）稳定效果减弱，甚至出现运动增加。
**第二部分：机器人稳定与非稳定程序中椎弓根螺钉置入精度比较**
在临床相关手术工作流中，先进稳定工作流（稳定+个体椎体追踪）相比标准导航工作流，平均位置误差从1.1±0.9 mm降至0.9±0.4 mm（下降22.5%），平均角度误差从1.5±1.2°降至1.0±0.5°（下降31.7%）。Mann-Whitney检验显示角度误差分布的中位数差异显著（p=0.04，95% CI [0.02, 0.52]°），而位置误差的差异未达到显著性（p=0.10）。在36枚稳定螺钉中，无一超过2 mm或2°的阈值，而标准流程的30枚螺钉中有4枚超过该阈值。
**讨论与结论**
讨论部分指出，颈椎椎间运动受关节形态和生物力学耦合影响，传统导航假设的刚性体模型可导致临床显著误差（如椎弓根螺钉偏移约3–6 mm）。现有稳定技术（如3D打印导板、静态框架、头固定装置）存在耗时、缺乏实时追踪等局限性。本研究证实，直接稳定提供了最大益处，平均减少平移运动35.5%、旋转运动38.3%，1节段间接稳定分别减少25.9%和23.3%。远距离稳定效果减弱，与文献中导航误差随距离增加一致。个体椎体标记物揭示了未注册运动可达1.4 mm，表明标准头固定装置可能不足以稳定颈椎。最重要的是，将稳定概念转化为模拟临床工作流后，角度误差显著降低36.7%，且无螺钉超过2 mm/2°安全阈值，支持了针对性术中稳定可改善移动颈椎导航可靠性的概念。
**研究结论**
这项探索性尸体研究证实，在颈椎内固定过程中，临床上相关的椎间运动持续存在，且随与导航参考节段距离增加而增大。未加控制时，三个节段以外可能残留多达1.5 mm的未检测运动，可能导致螺钉置入精度降低。在该实验模型限制下，针对性机器人椎体稳定减少了负荷下的椎体运动，直接稳定节段获益最大。当整合到具有个体椎体追踪的导航辅助手术工作流中时，稳定与平均椎弓根螺钉角度误差显著降低36.7%以及超过2 mm或2°的偏差减少相关。这些发现支持针对性术中稳定可能有助于提高移动颈椎导航可靠性的概念。需要更大规模、对照研究来确认这些观察结果。
