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在全球市场，脊柱手术机器人将继续向发达国家的基层医疗机构渗透，提高产品的普及率，随着医疗技术的不断进步和人们对医疗服务质量要求的提高，基层医疗机构对先进医疗设备的需求也在逐渐增加，脊柱手术机器人企业可以通过提供更具性价比的产品和完善的售后服务，满足基层医疗机构的需求，扩大市场份额。
一、类型划分
椎弓根螺钉辅助置入机器人：这是目前临床应用较为广泛的一类脊柱手术机器人。其主要作用是在脊柱外科手术过程中，帮助外科医生更准确地置入椎弓根螺钉。手术通常分为术前计划、安装支架、匹配术前 CT 与术中透视图像、置入螺钉等步骤。术前，医生根据患者的 CT 影像资料，利用手术计划软件在虚拟环境中规划出最佳的螺钉置入路径和位置；手术时，通过安装在患者身体上的支架和机器人的光学跟踪系统，实现术前 CT 图像与术中实际脊柱位置的精确匹配，机器人根据预设的路径引导医生将椎弓根螺钉准确地植入到脊柱中，有效提高了螺钉置入的准确率，减少了脊髓神经损伤等并发症的发生。Mazor Robotics 公司的 Renaissance 脊柱手术机器人，在全球范围内已经广泛应用于各类脊柱手术中，为众多患者带来了更安全、有效的治疗。
主动式机器人系统：以达芬奇机器人系统为代表，这类机器人通常由多个手臂组成，如达芬奇机器人由 4 个手臂构成，其中 3 个用于手术操作，1 个用于摄像头。手术过程中，外科医生完全控制和操纵主系统，通过可视化屏幕进行操作，主系统发出的计算机指令（通常是操纵杆移动）传递给由机械部分组成的从属系统，从属系统按照指令进行手术操作。主动式机器人系统具有较高的灵活性和操作精度，能够完成一些复杂的手术操作，如在脊柱肿瘤切除手术中，可以更加精确地切除肿瘤组织，同时最大限度地保护周围的神经和血管组织。但这类机器人系统通常价格昂贵，对手术环境和操作人员的要求也较高。
基于直观图像定位的机器人：此类机器人首创直观定位方法，手术前在 3D 环境中完成手术方案制定，手术中依靠 2D 影像及灵巧的机械臂完成精准的定位，可以直接显示手术操作是否伤及神经、血管等重要组织。铸正机器人的佐航 300，在临床应用中证明了在脊柱手术中的精准性和安全性，尤其在退变椎体乃至畸形椎体进行椎弓根螺钉置入具有良好效果。它能够帮助医生更直观地了解手术部位的解剖结构，提高手术的安全性和准确性，同时减少手术时间和患者的辐射暴露。
导航定位机器人：主要侧重于为手术提供精确的导航定位功能。通过整合患者的术前影像资料（如 CT、MRI 等）和术中实时的光学跟踪数据，在手术过程中为医生提供手术器械和脊柱解剖结构的实时位置信息，引导医生准确地进行手术操作。这类机器人通常具有较高的定位精度和稳定性，能够辅助医生完成各种复杂的脊柱手术，如脊柱侧弯矫正手术、脊柱骨折固定手术等。它们可以帮助医生更好地规划手术路径，避免损伤周围的重要组织和器官，提高手术的成功率和患者的预后效果。
二、工作原理与关键技术
1、工作流程详解
术前计划阶段：患者首先需要进行高精度的影像学检查，如 CT 扫描或 MRI 检查，以获取脊柱的详细解剖信息。这些影像数据被传输到手术计划软件中，医生利用软件的三维重建功能，构建出患者脊柱的精确三维模型。在这个虚拟的三维环境中，医生可以全方位地观察脊柱的结构，包括椎体的形态、椎弓根的位置和方向、神经和血管的分布等。医生根据患者的具体病情和手术需求，在模型上规划手术路径，确定螺钉的置入位置、角度和深度等关键参数，制定出个性化的手术方案。对于一位脊柱侧弯患者，医生会在三维模型上仔细测量侧弯的角度和程度，规划出最佳的矫正方案，确定需要植入螺钉的椎体节段和具体位置，以达到最佳的矫正效果。
手术准备阶段：患者被送入手术室后，先进行麻醉处理。医生在患者的脊柱部位安装机器人的定位支架和示踪器，这些设备将用于在手术过程中实时跟踪患者脊柱和手术器械的位置。同时，将手术机器人的机械臂主机、光学跟踪系统和主控电脑系统等设备调试到最佳工作状态，确保各设备之间的通信和协作正常。通过校准和初始化操作，使机器人系统准确识别患者的体位和手术部位，为后续的手术操作做好准备。
术中操作阶段：手术开始后，光学跟踪系统实时捕捉手术器械和患者脊柱上示踪器的位置信息，并将这些数据传输给主控电脑系统。主控电脑系统根据术前制定的手术方案和实时的位置数据，计算出机械臂的运动轨迹和操作指令，控制机械臂精确地移动到预定位置。医生通过操作控制台，利用机械臂引导手术器械进行手术操作，如钻孔、置入螺钉等。在整个手术过程中，医生可以通过主控电脑系统的显示屏实时监控手术进展情况，根据实际情况对手术操作进行调整和优化。在置入椎弓根螺钉时，机械臂按照预设的路径准确地引导钻头到达椎弓根的入口位置，医生根据显示屏上的实时反馈信息，精确控制钻头的深度和角度，确保螺钉准确无误地植入到预定位置。
术后评估阶段：手术完成后，患者需要进行术后的影像学检查，如 X 线、CT 扫描等，以评估手术的效果。医生通过对比术前和术后的影像资料，检查螺钉的位置是否准确、脊柱的矫正效果是否达到预期等。同时，密切观察患者的术后恢复情况，包括伤口愈合、神经功能恢复等方面，及时发现并处理可能出现的并发症。如果发现螺钉位置存在偏差或患者出现神经损伤等并发症，医生会根据具体情况制定相应的治疗方案，进行进一步的治疗和康复。
2、核心技术
导航技术：导航技术是脊柱手术机器人的关键技术之一，它如同手术的 “指南针”，为手术器械的精确定位提供了重要保障。目前，常用的导航技术包括光学导航、电磁导航和机械导航等。光学导航是利用光学跟踪设备，如红外摄像头、激光扫描仪等，实时捕捉手术器械和患者身体上标记物的位置信息，通过三角测量原理计算出手术器械在空间中的位置和方向。这种导航方式具有精度高、响应速度快、不受金属器械干扰等优点，被广泛应用于脊柱手术机器人中。电磁导航则是通过发射和接收电磁场信号，来确定手术器械的位置，它可以在不依赖视觉的情况下进行导航，适用于一些特殊的手术场景，但容易受到周围金属环境的干扰。机械导航通过机械结构的连接和传动来实现定位，虽然精度相对较低，但具有稳定性好、成本低的特点。导航技术能够将术前规划的手术路径与术中实际操作相结合，帮助医生实时了解手术器械与脊柱解剖结构的相对位置关系，避免手术误差和损伤，提高手术的安全性和准确性。
机械臂控制技术：机械臂是脊柱手术机器人的执行机构，其控制技术直接影响到手术操作的精度和稳定性。机械臂控制技术涉及到机械设计、运动学、动力学、控制理论等多个学科领域。为了实现高精度的运动控制，机械臂通常采用多关节的结构设计，每个关节都配备有高精度的伺服电机和传感器，如位置传感器、力传感器等。通过对这些传感器数据的实时采集和分析，控制系统可以精确地控制机械臂的运动轨迹和力度。在控制算法方面，常用的有 PID 控制、自适应控制、模糊控制等，这些算法可以根据手术的不同需求和实际情况，对机械臂的运动进行优化和调整。在进行螺钉植入操作时，机械臂控制技术能够确保机械臂按照预设的路径和力度，精确地将螺钉植入到脊柱中，避免因用力过大或过小导致的螺钉松动或骨折等问题。同时，机械臂还需要具备良好的稳定性和可靠性，能够在长时间的手术过程中保持精确的运动控制，为手术的顺利进行提供保障。
图像处理技术：图像处理技术在脊柱手术机器人中起着至关重要的作用，它贯穿于手术的整个过程。在术前，图像处理技术用于对患者的影像学资料进行三维重建和分析，帮助医生更直观地了解脊柱的解剖结构和病变情况，制定出合理的手术方案。通过图像分割、边缘检测、曲面拟合等算法，将 CT、MRI 等二维影像数据转化为逼真的三维模型，医生可以在模型上进行手术模拟和规划，提高手术的准确性和可行性。在术中，图像处理技术用于实时监控手术进展和手术器械的位置，通过对术中采集的影像数据进行实时处理和分析，为医生提供手术部位的实时图像信息，帮助医生及时调整手术操作。在进行脊柱肿瘤切除手术时，图像处理技术可以实时显示肿瘤的边界和周围组织的情况，帮助医生准确地切除肿瘤组织，避免损伤周围的正常组织。图像处理技术还可以用于图像融合，将不同模态的影像数据（如 CT 和 MRI）进行融合，为医生提供更全面、准确的信息，进一步提高手术的质量和效果。
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