摘要：尤其是常见的腰椎、脊柱和髋部等部位，面对日渐庞大的老年骨科患者人群和老龄化带来的影响，骨科领域相关的医生和医疗设备的需求会持续增大。

我国新一次人口普查结果显示60岁及以上的人口占比超过18%，人口老龄化的问题进一步加深。

放眼全球，根据联合国最新报告来看，预计到 2050 年，65 岁以上的老人占比将会达到惊人的25%。

在老龄化问题日益严重的情况下，医疗方面的社会需求也日益增加，骨科疾病的患病率会随着年龄的增加而提升。

尤其是常见的腰椎、脊柱和髋部等部位，面对日渐庞大的老年骨科患者人群和老龄化带来的影响，骨科领域相关的医生和医疗设备的需求会持续增大。

与此同时，随着电子产品的普及和应用，青年一族也开始成为骨科疾病的 “奴隶”。

长期缺乏体育锻炼、不规律的饮食起居和职业需求导致的姿态困扰，使得近些年来脊柱病尤其是颈椎病和腰椎病的发病率和复病率非常高。

不难看出，我国骨科疾病患者基数大且患病率相对较高，骨科疾病治疗的市场需求较大，具有广阔的增长空间。

随着整体科学技术的不断创新突破，机器人的发展也迎来了蓬勃的发展空间，在相对成熟的工业机器人领域之外。

医疗机器人和家庭服务机器人得到社会上的重点关注并逐渐出现在日常生活中，尤其是手术机器人。

医疗机器人产业得到了我国政府的高度重视和大力扶持。

根据国际机器 人联合会分类，医疗机器人可以分为手术机器人、服务机器人、辅助机器人和康 复机器人四大类。

近年来，全球的医疗机器人市场规模迅速增长，其中手术机器人规模最大，其细分领域中，骨科系列手术机器人是众多手术机器人中较为重要的一部分。

主要应用在矫形外科、牙科、脊柱外科和膝关节置换等领域，随着时代的发展，骨科机器人将会在医疗手术中发挥不可替代的作用。

对骨组织的铣削操作在临床上是一项基础而关键的技术，应用广泛，其中常见的形式就是利用高速旋转的铣刀对骨组织上的目标区域进行打孔或者磨削。

像典型的椎弓根螺钉内固定和椎板切除减压手术，前者利用钻头在脊柱上打孔 后植入骨顶，广泛应用于脊柱骨折、矫形以及颈腰椎退变性疾病的治疗。

后者则需要利用铣刀对病灶区域进行打磨后摘除椎板，以缓解神经压迫。

传统的骨铣 削手术中，医生在手术过程中手持铣刀在骨表面进行磨削，骨组织刚度低，受力易变形，高速旋转的铣刀容易对硬脊膜或其他软组织造成损害。

因此手术需要 较高的精准度，并且高度依赖医生经验，以颈椎椎板磨削手术(椎板拆除减压手术)为例。

在狭小的空间内，医生需手握转速高达几万转每分钟的电钻对目标区域进行长时间的磨削，椎板周围则布满脊髓、血管和神经根等重要结构。

医生对于铣削程度的判断仅依靠个人在手中力状态感知和视觉观察方面长期的经验积累，这无疑增加了手术的风险程度。

而较长时间的注意力高度集中和姿势维持对青年医生来说又是一个不小的挑战，一旦出现操作失误，就会给患者造成不可逆的损害。

随着科学技术的进步，机器人被广泛应用于各个行业，手术机器人的发展 和应用使得手术的安全性和可操作性得到全面地提升。

尤其是和医生的相互配合，能够很好地完成一些复杂操作。在骨铣削手术中，骨科手术机器人通过各种传感器采集不同信号。

能够实现手术过程中的实时监测，辅助医生完成精准铣削，避免了铣削厚度不确定和手部颤抖等人工失误导致的不可预测的后果。

进而提 高了手术成功率和安全性；骨科手术机器人可以提高铣削效率，缩短手术时间。

因此可以减小对目标区域周围组织的伤害，便于患者的术后恢复；同时，骨科手术机器人结合各种学科。

有效解决了医生在手术时面临的操作困难，同时降低了 医生的培养成本，使得青年医生能更好地上手使用。

也为骨科手术方面的临床研 究提供了应用和理论等方面的基础，对医-工多交叉结合的实践具有重要意义。

综上所述，骨科手术机器人有很高的应用价值和广阔的发展空间，目前大部分的手术机器人在临床使用阶段。

技术上仍不够完善，需要综合考虑各方面的因 素从而进行更深一步的研究，本文在相关的研究基础上，自行搭建了一套四自由度的骨科手术机器人。

通过采集分析振动信号着重研究曲面铣削过程中深度控制问题，进而有助于提升骨科手术机器人在曲面条件下的手术安全性和精准度。

骨科手术机器人和传统机器人的操作对象具有一致的属性——可以认为同为刚体，这使得机器人技术在该领域的临床应用中具有天然的优势。

因此骨科手术机器人在临床应用方面是使用最早的手术机器人之一。

1992 年由美国 ISS 公司研发的用于执行人体髋关节置换手术的骨科手术机器人系统ROBODOC问世。

它可以使骨科医生能够更准确地检查患者的骨骼，并在全髋关节置换术(THR)之前执行术前计划。

由于当时的系统存在稳定性方面的问题，因此存在一些术后患者的并发症概率较高等弊端，但其手术操作的精准程度满 足且更优于临床手术水平。

ROBODOC 作为第一台真正意义上的骨科手术机器人，极大推进了相关方面的研究。

1997 年德国公司 OrthoMaquet 研发了CASPAR机器人系统。

其功能类似ROBODOC系统通过术前CT(Computed Tomography)影像进行路径规划，自主完成骨表面磨削和隧道钻削等骨骼成形操作。

CASPAR机器人系统在2000年完成了首例临床应用，手术前后路径规划误保持在1°以内，并且铣削精度达到0.10mm，相比其他传统手术操作具有明显的优势。

英国Acrobot公司于2001年研发出了ACROBOT(Active Constraint Robot)系统，其采用主动约束控制方式来进行单髁膝关节置换术(UKA)。

并在多组随机实验对比表现出了较好的性能，ACROBOT 机器人系统的使用分为三部分。

首先通过术前影像为基础做规划工作；在术中通过一个四轴机器人来 进行切割；最后使用基于CT的术后准确性检查系统与术前规划做精确度对比。

ACROBOT 机器人系统的使用显著降低了关节置换中的不精确风险，并显示了系统的健壮性。

以色列MAKO公司研发的RIO机器人系统具有更高的精准度，并于2015年获得美国FDA(Food and Drug Administration)官方认可。

RIO 机器人系统相比ACROBOT系统也具有术前影像的路径规划功能。

但在手术过程中须有医生操作以保证绝对的安全性，其6自由度机械臂的设计更加注重人机交互的操作性。

在脊柱手术应用方面，以色列的 Mazor Robotics 公司于2003 年研发的 SpineAssist 机器人系统用于椎弓根螺钉固定手术上。

它可以直 接作用在患者脊柱以避免来自脊椎晃动的位置影响。SpineAssist使用便捷，实用 性强，并且具有较高的重复定位精度。

经过不断的研发改进，于2004年通过欧 盟CE和美国FDA的双认证，其安全性可靠性受到普遍认同。

而改进升级 后的Renaissance 机器人系统于2011年问世，并以其极低的手术风险性临床使用了上千例。

国内手术机器人起步相对较晚，但近年来各大学校、研究院所和公司都投入 了大量的精力，使得骨科机器人领域得到快速发展，并取得了不少的成果。

北京 航天航空大学在2006年设计了基于力反馈的脊椎手术磨削系统，利用两个步进电机带动磨削工具构成2自由度的机械平台。

通过力传感器 采集力信号来完成磨削实验，其操作误差可以控制在1.0mm以内。

该系统虽然 不具备临床试验的条件，但对国内骨科手术机器人的发展起到了推动作用。

2008年，第三军医大学与中科院沈阳自动化研究所共同研发脊柱微创手术机器人系统。

并于2010年成功推出原理样机，该系统主要包括机械臂、控制台、视觉监视系统和基座四部分，并有较高的实验精度。

哈尔滨工业大学在2016年研发出一款主从式脊柱手术机器人，该机器人具备力反馈功能，通过对主手的操作来控制从端机器人的运动。

利用粒子群算法来辨识主从两端之间的定位误差，根据建立的映射机制求得两端的雅可比矩阵，进而通过前馈神经网络来进行误差补偿。

主从式手术机器人使 得人机交互性能进一步得到提升，该机器人系统在牛脊骨实验中证明了主从两端运动的一致性。

但还需要在安全性和精准度上进一步研究，2020年，哈尔滨工业大学又研发出一款混联式脊柱微创手术机器人系统。

该系统主要验证了机器人在人体脊柱复杂表面下进行柔顺控制的可行性。

2015 年，北京天智航医疗科技有限公司研发出一款高成熟度的骨科手术机 器人——天玑手术机器人系统。

并于次年获得国家食品医药监管局(CFDA)颁发的医疗机械注册证。天玑手术机器人系统主要由机器人、光学跟踪系统和软件控 制系统组成。

是世界上首个能够展开骨盆、四肢和脊柱全节段(颈椎、胸椎、腰 椎和骶椎)手术的骨科机器人。

机器人的机械臂为 6 自由度串联结构，主要 在术中完成导针把持和路径定位的功能。

光学跟踪系统的主要作用是提供机器人和患者的实时位置数据，并通过软件控制系统来进行手术工具的位置补偿。

天玑手术机器人的定位精度比美国的RIO和ROBODOC更高，达到0.8mm，同时还具有还辐射少、效率高、出血量少和创伤小等临床显著优点。

目前该产品已经得到广泛的应用，根据国家骨科手术机器人应用中心显示的数 据，截至2020年末，天玑骨科手术机器人已经辅助医生完成手术超万例。

来源：蒙哥浅谈健康