手术的精准性、微创性和智能安全性是骨外科医师的追求目标。随着计算机辅助手术（CAS）、计算机辅助微创手术（CAMIS）、计算机辅助导航骨科手术（CAOS）的发展，以及这些技术与多学科的紧密结合，骨科机器人导航手术成为未来骨科的主要发展方向之一。骨科手术机器人涉及自动化、人工智能、电子信息、医学图像处理等技术，将骨科手术学与计算机软件、工程机械等紧密整合，延伸骨科医师的视觉、触觉范围，提高手术操作的精确性、安全性和可重复性，辅助医师完成一些既往不可能完成的高风险复杂手术，减少手术创伤，降低医师和患者的X线透视辐射损伤。X线、CT、MRI、超声等医学影像技术的进步和微创外科手术的发展，提高了骨科疾病的诊断和治疗水平。国际CAOS协会于年成立，重点研究CAOS的临床应用和相关生物医学工程技术。近三十年来，骨科手术机器人在关节外科、脊柱外科、创伤骨科、运动医学、骨肿瘤等领域逐步应用，以其为代表的骨科精准治疗技术正改变着传统诊疗模式，其战略地位日益受到世界各国重视。年美国机器人发展规划将医疗机器人列为第二重要发展方向；欧盟的SPARC机器人研发计划、日本版“机器人新战略”及韩国《机器人未来战略》，都将手术机器人作为重要发展计划。笔者以“骨科机器人”“导航”“智能”“手术”“orthopaedicrobot”“navigation”“intelligence”“surgery”“robot-assistedsurgery”作为关键词，在中国知网(CNKI)、万方数据库、PubMed、Springer数据库中检索，检索年1月-年12月文献，语种限定为中文和英文。文献纳入标准：（1）骨科机器人导航手术的解剖学、影像学、机械工程学方面的基础研究；（2）骨科机器人导航手术的临床应用。文献排除标准：（1）内容重复或无关的文献；（2）质量较低、证据等级不高的文献；（3）无法获取全文的文献。共检索到文献篇，依据纳入和排除标准，最终纳入文献53篇，其中中文19篇，英文34篇。笔者对骨科机器人导航手术的发展史、导航原理及分类、骨科手术机器人的种类、临床应用及其不足进行综述，为临床骨科机器人导航手术的研究提供思路。
1骨科机器人导航手术的发展史
年Roberts等发明了神经导航（Neuronavigation）技术，开启了导航机器人手术的新时代。年美国集成手术系统（IntegratedSurgicalSystems,ISS）公司和IBM共同研发了ROBODOC外科手术机器人系统。经过20多年的发展，目前的ROBODOC可以进行非骨水泥型全髓关节置换、全膝关节置换、全髓关节翻修等手术操作。由美国CarnegieMellonUniversity（卡耐基梅隆大学）于年开发的HipNav系统和KneeNav系统，术前采集CT等影像数据，术中采用光学导航，能辅助骨科医师完成髓臼假体置入、前交叉韧带重建和膝关节置换等手术操作，获得满意的临床疗效。年Davies等]研制专用于全膝关节置换术（TKA）的手持式机器人Acrobot，应用于膝关节单髁置换。其机械臂在股骨和胫骨的限定区域内截骨，操作精度高达0.4mm，可有效防止术中出现意外损伤。CASPAR系统由OrtoMaquet公司于年研制，该系统在术前置入骨性标记再进行CT扫描定位，用于交叉韧带重建手术，有效提高手术的精确度。年法国PraximMedivision公司研制小型化机器人Praxiteles，安装于股骨上，辅助截骨手术。年研制出微型6自由度并联机器人MBARS，机械臂固定于骨髓上，使截骨面与假体的配合更为精确。之后，骨科手术机器人从关节外科扩展至脊柱外科、创伤骨科。
2骨科机器人导航手术的关键原理及分类
导航系统是借助术前及术中三维或二维X线透视图像，术中通过图像注册技术，用基准法或形态法等将这些信息与真实解剖相匹配。基准法要求在成像前准标必须固定在相关的骨髓上，术中准标将其所处的空间信息传输到电脑。形态法则是使用光学示踪器、激光表面扫描或视频影像等不同的传感系统，通过追踪外形曲线和解剖平面的变化，将术前获得的影像学资料与术中测量所得到的图像信息建立关联，完成图像注册。最常用的传感系统是红外线视觉跟踪系统，包括被动式红外线反射示踪和主动式红外线发射示踪两种。另一个重要的组件是光学传感相机，接受传感系统示踪器的红外线信号，捕捉示踪器的空间位置。
骨科手术的核心难点在于术者的视野及操作空间的局限性，造成不必要的手术损伤和人为失误。在微创手术治疗中需反复行X线透视观察，虽可有效避免上述局限性，但大剂量辐射对医护人员也会造成伤害。微创手术不能直视观察重要的神经血管结构，潜在损伤的风险较大。骨科手术机器人的出现有效提升了精度，合理规划手术，减少损伤，提高成功率，降低术后并发症，同时也有效减少了术中透视的次数，避免术者长期高剂量暴露于放射线辐射环境。
CAOS有不同的分类方法，串联机器人工作空间大、体积大，末端定位精度差；并联机器人工作空间小、体积小，定位精度高。根据与人的交互性和自动化程度可将CAOS分为三类：（1）全自动导航，根据预设的程序自动执行手术操作，如全髓关节置换时应用ROBODOC、CASPAR、MBARS等；（2）半自动化交互式导航，如Acrobot，全膝关节置换时，遇到危险区域会限制外科医师继续操作；（3）非自动化被动导航，如HipNav、KneeNav、Galileo、SurgiCate等，仅传递术者的手部动作，机器人提供定位、导向、导航等功能。按照医学影像成像方法的不同，分为X线透视二维导航、IsoC-3D、CT导航、MRI导航、光电跟踪导航、超声导航、激光导航和完全开放式导航等，各种导航系统都有其自身的优缺点。相比传统光学导航，电磁导航不受视野视线限制，缺点是受到附近电磁场、含铁材料干扰，手术室内存在众多金属、电子设备导航可能失效，但有学者正在努力解决这个问题。超声导航通过自身回波测距原理得到骨表面点云轮廓，通过光学示踪器实时捕获超声探头位置，再通过数学配准技术与术前图像（X线片、CT、MRI等）实时配准，具有无辐射、实时跟踪的优势。但受到超声声速、传播距离、软组织变形等因素限制，目前尚在实验研究阶段。
3骨科手术机器人的临床应用骨科手术机器人的机械臂是手术的核心执行模块，以往临床应用中出现机械臂冲突的情况。如何使机械臂结构运动精确平稳、功能专一有效以及特殊元件的设计是目前急需解决的问题。机械臂末端反馈的人体仿真设计，模仿人类的视觉、力觉、触觉是该领域需要进一步研究的前沿问题。年Zhu等提出用嵌入式现场可编程门阵列设备替代关节力矩传感，提高模块化机械手的精度，使手术可以更微创和精准，减小对患者的二次伤害。
3.1关节外科和运动医学领域骨科机器人
传统手术中，术者的主观经验和判断是手术误差的主要来源，如传统的关节置换和交叉韧带重建手术往往存在力线不良、假体不匹配和置入点选择偏差、骨隧道建立方向错误等难题。针对这一问题，关节置换手术机器人应运而生。这一类型的手术机器人在国外应用较多，而国内引入较晚，因此国内的临床应用报道较少。年美国ISS公司研发生产的ROBODOC手术机器人（图1）是最早应用于关节置换的机器人，其采用四轴直角坐标工业机器人本体，主要由控制台和操作臂组成，通过在股骨上置入铁金属针来实现机器人与患者骨髓的相对定位。目前，该手术机器人系统最新增加了术前影像导航，升级为TSolutionOne系统，应用于全髓关节置换术（THA）及TKA、全膝关节置换翻修术（RTKA），临床效果得到了广泛认可。目前，医院所应用的CASPAR机器人系统，是由德国OrtoMaquet公司于年完成研制，该系统采用StabubliRX90工业机器人，用于THA、TKA中的骨骼磨削，以及前交叉韧带重建术的隧道入点定位，磨削精度达到0.10mm。Elmallah等对例机器人辅助下THA患者进行前瞻性研究，结果显示99%的髓臼杯位置在术前设计的安全区内。该研究表明，与传统手术相比，机器人辅助手术对关节面塑形精准，改善假体与骨髓的接触与固定，提高了髓臼杯置入的准确性，并减少术后无菌性松动和髓关节脱位的发生率。然而，目前的机械臂仅能根据术前规划在关节面自动磨削、钻孔，最后仍需要手术者用传统方式置入假体。
美国MAKOSurgical公司研发的Rio机器人手臂骨科系统为一种交互式机器人，该公司年上市的MAKOplasty可进行膝关节单间室或多间室置换、髓关节的假体置换（图2）。其原理是依靠CT影像的三维视图技术，术前对患者的假体置换部位进行个性化设计，精确计划假体大小、位置和力线，然后应用机器人导航系统和集成骨切割工具，实施关节微创手术，具备手术切口小、截骨精确、关节切割精细和假体镶嵌置入精度高等诸多优点。
年、年分别通过美国食品药品监督管理局（FDA）认证的iBlock机器人和Navio机器人主要应用于TKA和膝关节单髁置换手术。该系统无须术前CT定位和注册，仅需术中置入骨定位组件，借助股骨和胫骨的骨性解剖标志点完成注册，术者使用切割工具分次完成关节表面成形。该类手术机器人的机械臂为手持式，顶端有导航组件，骨钻为可伸缩设计，当术中活动范围超出规划范围时骨钻会自动回缩至保护管内，避免对周围组织的损伤。同内亦有多位学者对关节置换机器人进行研究，但目前尚无临床正式使用的相关报道。
大量临床研究证实手术机器人具备手术精准度高、操作误差小等优势，然而目前的关节置换机器人仍有较多的局限性。今后的发展方向主要体现在如下方面：（1）改善机械臂的安全性、可靠性；（2）提升识别能力，从仅能识别骨组织，向全术野识别发展，减少切口暴露范围，减少对关节周围组织的手术损伤；（3）从单一切割、磨削功能向显露术野、安装假体等自动化手术操作拓展，提高手术效率；（4）在单一功能上追求专业化、小型化，以满足不同手术需求。
3.2脊柱外科骨科机器人早期的脊柱机器人的应用主要