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在全球市場，脊柱手術(shù)機(jī)器人將繼續(xù)向發(fā)達(dá)國家的基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)滲透，提高產(chǎn)品的普及率，隨著醫(yī)療技術(shù)的不斷進(jìn)步和人們對醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量要求的提高，基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)對先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備的需求也在逐漸增加，脊柱手術(shù)機(jī)器人企業(yè)可以通過提供更具性價比的產(chǎn)品和完善的售后服務(wù)，滿足基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)的需求，擴(kuò)大市場份額。
一、類型劃分?
椎弓根螺釘輔助置入機(jī)器人：這是目前臨床應(yīng)用較為廣泛的一類脊柱手術(shù)機(jī)器人。其主要作用是在脊柱外科手術(shù)過程中，幫助外科醫(yī)生更準(zhǔn)確地置入椎弓根螺釘。手術(shù)通常分為術(shù)前計劃、安裝支架、匹配術(shù)前 CT 與術(shù)中透視圖像、置入螺釘?shù)炔襟E。術(shù)前，醫(yī)生根據(jù)患者的 CT 影像資料，利用手術(shù)計劃軟件在虛擬環(huán)境中規(guī)劃出最佳的螺釘置入路徑和位置；手術(shù)時，通過安裝在患者身體上的支架和機(jī)器人的光學(xué)跟蹤系統(tǒng)，實現(xiàn)術(shù)前 CT 圖像與術(shù)中實際脊柱位置的精確匹配，機(jī)器人根據(jù)預(yù)設(shè)的路徑引導(dǎo)醫(yī)生將椎弓根螺釘準(zhǔn)確地植入到脊柱中，有效提高了螺釘置入的準(zhǔn)確率，減少了脊髓神經(jīng)損傷等并發(fā)癥的發(fā)生。Mazor Robotics 公司的 Renaissance 脊柱手術(shù)機(jī)器人，在全球范圍內(nèi)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類脊柱手術(shù)中，為眾多患者帶來了更安全、有效的治療。?
主動式機(jī)器人系統(tǒng)：以達(dá)芬奇機(jī)器人系統(tǒng)為代表，這類機(jī)器人通常由多個手臂組成，如達(dá)芬奇機(jī)器人由 4 個手臂構(gòu)成，其中 3 個用于手術(shù)操作，1 個用于攝像頭。手術(shù)過程中，外科醫(yī)生完全控制和操縱主系統(tǒng)，通過可視化屏幕進(jìn)行操作，主系統(tǒng)發(fā)出的計算機(jī)指令（通常是操縱桿移動）傳遞給由機(jī)械部分組成的從屬系統(tǒng)，從屬系統(tǒng)按照指令進(jìn)行手術(shù)操作。主動式機(jī)器人系統(tǒng)具有較高的靈活性和操作精度，能夠完成一些復(fù)雜的手術(shù)操作，如在脊柱腫瘤切除手術(shù)中，可以更加精確地切除腫瘤組織，同時最大限度地保護(hù)周圍的神經(jīng)和血管組織。但這類機(jī)器人系統(tǒng)通常價格昂貴，對手術(shù)環(huán)境和操作人員的要求也較高。?
基于直觀圖像定位的機(jī)器人：此類機(jī)器人首創(chuàng)直觀定位方法，手術(shù)前在 3D 環(huán)境中完成手術(shù)方案制定，手術(shù)中依靠 2D 影像及靈巧的機(jī)械臂完成精準(zhǔn)的定位，可以直接顯示手術(shù)操作是否傷及神經(jīng)、血管等重要組織。鑄正機(jī)器人的佐航 300，在臨床應(yīng)用中證明了在脊柱手術(shù)中的精準(zhǔn)性和安全性，尤其在退變椎體乃至畸形椎體進(jìn)行椎弓根螺釘置入具有良好效果。它能夠幫助醫(yī)生更直觀地了解手術(shù)部位的解剖結(jié)構(gòu)，提高手術(shù)的安全性和準(zhǔn)確性，同時減少手術(shù)時間和患者的輻射暴露。?
導(dǎo)航定位機(jī)器人：主要側(cè)重于為手術(shù)提供精確的導(dǎo)航定位功能。通過整合患者的術(shù)前影像資料（如 CT、MRI 等）和術(shù)中實時的光學(xué)跟蹤數(shù)據(jù)，在手術(shù)過程中為醫(yī)生提供手術(shù)器械和脊柱解剖結(jié)構(gòu)的實時位置信息，引導(dǎo)醫(yī)生準(zhǔn)確地進(jìn)行手術(shù)操作。這類機(jī)器人通常具有較高的定位精度和穩(wěn)定性，能夠輔助醫(yī)生完成各種復(fù)雜的脊柱手術(shù)，如脊柱側(cè)彎矯正手術(shù)、脊柱骨折固定手術(shù)等。它們可以幫助醫(yī)生更好地規(guī)劃手術(shù)路徑，避免損傷周圍的重要組織和器官，提高手術(shù)的成功率和患者的預(yù)后效果。?
二、工作原理與關(guān)鍵技術(shù)?
1、工作流程詳解?
術(shù)前計劃階段：患者首先需要進(jìn)行高精度的影像學(xué)檢查，如 CT 掃描或 MRI 檢查，以獲取脊柱的詳細(xì)解剖信息。這些影像數(shù)據(jù)被傳輸?shù)绞中g(shù)計劃軟件中，醫(yī)生利用軟件的三維重建功能，構(gòu)建出患者脊柱的精確三維模型。在這個虛擬的三維環(huán)境中，醫(yī)生可以全方位地觀察脊柱的結(jié)構(gòu)，包括椎體的形態(tài)、椎弓根的位置和方向、神經(jīng)和血管的分布等。醫(yī)生根據(jù)患者的具體病情和手術(shù)需求，在模型上規(guī)劃手術(shù)路徑，確定螺釘?shù)闹萌胛恢谩⒔嵌群蜕疃鹊汝P(guān)鍵參數(shù)，制定出個性化的手術(shù)方案。對于一位脊柱側(cè)彎患者，醫(yī)生會在三維模型上仔細(xì)測量側(cè)彎的角度和程度，規(guī)劃出最佳的矯正方案，確定需要植入螺釘?shù)淖刁w節(jié)段和具體位置，以達(dá)到最佳的矯正效果。?
手術(shù)準(zhǔn)備階段：患者被送入手術(shù)室后，先進(jìn)行麻醉處理。醫(yī)生在患者的脊柱部位安裝機(jī)器人的定位支架和示蹤器，這些設(shè)備將用于在手術(shù)過程中實時跟蹤患者脊柱和手術(shù)器械的位置。同時，將手術(shù)機(jī)器人的機(jī)械臂主機(jī)、光學(xué)跟蹤系統(tǒng)和主控電腦系統(tǒng)等設(shè)備調(diào)試到最佳工作狀態(tài)，確保各設(shè)備之間的通信和協(xié)作正常。通過校準(zhǔn)和初始化操作，使機(jī)器人系統(tǒng)準(zhǔn)確識別患者的體位和手術(shù)部位，為后續(xù)的手術(shù)操作做好準(zhǔn)備。?
術(shù)中操作階段：手術(shù)開始后，光學(xué)跟蹤系統(tǒng)實時捕捉手術(shù)器械和患者脊柱上示蹤器的位置信息，并將這些數(shù)據(jù)傳輸給主控電腦系統(tǒng)。主控電腦系統(tǒng)根據(jù)術(shù)前制定的手術(shù)方案和實時的位置數(shù)據(jù)，計算出機(jī)械臂的運(yùn)動軌跡和操作指令，控制機(jī)械臂精確地移動到預(yù)定位置。醫(yī)生通過操作控制臺，利用機(jī)械臂引導(dǎo)手術(shù)器械進(jìn)行手術(shù)操作，如鉆孔、置入螺釘?shù)?。在整個手術(shù)過程中，醫(yī)生可以通過主控電腦系統(tǒng)的顯示屏實時監(jiān)控手術(shù)進(jìn)展情況，根據(jù)實際情況對手術(shù)操作進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。在置入椎弓根螺釘時，機(jī)械臂按照預(yù)設(shè)的路徑準(zhǔn)確地引導(dǎo)鉆頭到達(dá)椎弓根的入口位置，醫(yī)生根據(jù)顯示屏上的實時反饋信息，精確控制鉆頭的深度和角度，確保螺釘準(zhǔn)確無誤地植入到預(yù)定位置。?
術(shù)后評估階段：手術(shù)完成后，患者需要進(jìn)行術(shù)后的影像學(xué)檢查，如 X 線、CT 掃描等，以評估手術(shù)的效果。醫(yī)生通過對比術(shù)前和術(shù)后的影像資料，檢查螺釘?shù)奈恢檬欠駵?zhǔn)確、脊柱的矯正效果是否達(dá)到預(yù)期等。同時，密切觀察患者的術(shù)后恢復(fù)情況，包括傷口愈合、神經(jīng)功能恢復(fù)等方面，及時發(fā)現(xiàn)并處理可能出現(xiàn)的并發(fā)癥。如果發(fā)現(xiàn)螺釘位置存在偏差或患者出現(xiàn)神經(jīng)損傷等并發(fā)癥，醫(yī)生會根據(jù)具體情況制定相應(yīng)的治療方案，進(jìn)行進(jìn)一步的治療和康復(fù)。?
2、核心技術(shù)
導(dǎo)航技術(shù)：導(dǎo)航技術(shù)是脊柱手術(shù)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一，它如同手術(shù)的 “指南針”，為手術(shù)器械的精確定位提供了重要保障。目前，常用的導(dǎo)航技術(shù)包括光學(xué)導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航和機(jī)械導(dǎo)航等。光學(xué)導(dǎo)航是利用光學(xué)跟蹤設(shè)備，如紅外攝像頭、激光掃描儀等，實時捕捉手術(shù)器械和患者身體上標(biāo)記物的位置信息，通過三角測量原理計算出手術(shù)器械在空間中的位置和方向。這種導(dǎo)航方式具有精度高、響應(yīng)速度快、不受金屬器械干擾等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于脊柱手術(shù)機(jī)器人中。電磁導(dǎo)航則是通過發(fā)射和接收電磁場信號，來確定手術(shù)器械的位置，它可以在不依賴視覺的情況下進(jìn)行導(dǎo)航，適用于一些特殊的手術(shù)場景，但容易受到周圍金屬環(huán)境的干擾。機(jī)械導(dǎo)航通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的連接和傳動來實現(xiàn)定位，雖然精度相對較低，但具有穩(wěn)定性好、成本低的特點。導(dǎo)航技術(shù)能夠?qū)⑿g(shù)前規(guī)劃的手術(shù)路徑與術(shù)中實際操作相結(jié)合，幫助醫(yī)生實時了解手術(shù)器械與脊柱解剖結(jié)構(gòu)的相對位置關(guān)系，避免手術(shù)誤差和損傷，提高手術(shù)的安全性和準(zhǔn)確性。?
機(jī)械臂控制技術(shù)：機(jī)械臂是脊柱手術(shù)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其控制技術(shù)直接影響到手術(shù)操作的精度和穩(wěn)定性。機(jī)械臂控制技術(shù)涉及到機(jī)械設(shè)計、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、控制理論等多個學(xué)科領(lǐng)域。為了實現(xiàn)高精度的運(yùn)動控制，機(jī)械臂通常采用多關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，每個關(guān)節(jié)都配備有高精度的伺服電機(jī)和傳感器，如位置傳感器、力傳感器等。通過對這些傳感器數(shù)據(jù)的實時采集和分析，控制系統(tǒng)可以精確地控制機(jī)械臂的運(yùn)動軌跡和力度。在控制算法方面，常用的有 PID 控制、自適應(yīng)控制、模糊控制等，這些算法可以根據(jù)手術(shù)的不同需求和實際情況，對機(jī)械臂的運(yùn)動進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。在進(jìn)行螺釘植入操作時，機(jī)械臂控制技術(shù)能夠確保機(jī)械臂按照預(yù)設(shè)的路徑和力度，精確地將螺釘植入到脊柱中，避免因用力過大或過小導(dǎo)致的螺釘松動或骨折等問題。同時，機(jī)械臂還需要具備良好的穩(wěn)定性和可靠性，能夠在長時間的手術(shù)過程中保持精確的運(yùn)動控制，為手術(shù)的順利進(jìn)行提供保障。?
圖像處理技術(shù)：圖像處理技術(shù)在脊柱手術(shù)機(jī)器人中起著至關(guān)重要的作用，它貫穿于手術(shù)的整個過程。在術(shù)前，圖像處理技術(shù)用于對患者的影像學(xué)資料進(jìn)行三維重建和分析，幫助醫(yī)生更直觀地了解脊柱的解剖結(jié)構(gòu)和病變情況，制定出合理的手術(shù)方案。通過圖像分割、邊緣檢測、曲面擬合等算法，將 CT、MRI 等二維影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為逼真的三維模型，醫(yī)生可以在模型上進(jìn)行手術(shù)模擬和規(guī)劃，提高手術(shù)的準(zhǔn)確性和可行性。在術(shù)中，圖像處理技術(shù)用于實時監(jiān)控手術(shù)進(jìn)展和手術(shù)器械的位置，通過對術(shù)中采集的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理和分析，為醫(yī)生提供手術(shù)部位的實時圖像信息，幫助醫(yī)生及時調(diào)整手術(shù)操作。在進(jìn)行脊柱腫瘤切除手術(shù)時，圖像處理技術(shù)可以實時顯示腫瘤的邊界和周圍組織的情況，幫助醫(yī)生準(zhǔn)確地切除腫瘤組織，避免損傷周圍的正常組織。圖像處理技術(shù)還可以用于圖像融合，將不同模態(tài)的影像數(shù)據(jù)（如 CT 和 MRI）進(jìn)行融合，為醫(yī)生提供更全面、準(zhǔn)確的信息，進(jìn)一步提高手術(shù)的質(zhì)量和效果。
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