手术机器人旨在利用最简单的方式去提高和补充医生术中徒手操作的能力，经常以定位或远程模仿外科医生操作的形式存在。通过机器人手术理论上能提高内植物植入和外科手术的准确性，改善临床疗效，缩短手术时间，减少手术创伤及降低对患者、医生和手术人员的放射线辐射剂量。
由于该技术优点显著，近些年作为辅助系统已在多个外科学科领域获得广泛应用，如ROBODOC系统辅助髋关节骨髓腔钻孔植入内固定， CASPAR系统辅助髋关节置换， URS AESOP系统辅助内镜摄像，达・芬奇（Da Vinci）和宙斯系统（Zeus）用于远程操作微创手术。
近年来，脊柱外科手术取得了巨大的发展，但由于脊柱外科解剖结构复杂，毗邻重要血管神经，手术难度和风险性很高，因此迫切需要新的方法提高手术安全性和降低相关并发症。机器人为解决这些问题而被设计出来，其具有精度高、重复性好、耐疲劳等优点，机器臂还可转出人手腕、手指无法企及的角度，该技术在脊柱外科领域越来越受欢迎。
传统脊柱外科手术技术，如钉棒系统植入、截骨术或神经解压存在耗时、易致术者疲劳等问题，而现代脊柱外科手术技术更多借助特定解剖结构实施微创，通常经皮或有限通道，简化手术步骤、精确手术过程。随着影像导航技术的飞速发展，脊柱手术机器人辅助系统的开发和应用迎来机遇，尤其是在脊柱内固定的精确定位方面。
以色列 Mazor机器人技术有限公司开发的骨式六足微型机器人在临床上获得应用，其为由2个端板和6个活塞（可在6个自由度操纵端板）组成的圆筒形装置，以及一个运行接口软件的工作站，便于术前计划、术中图像采集与记录、运动学计算及机器人引导装置的实时运动控制。该机器人2014年获得美国FDA批准，全球暂时仅应用100台手术，2015年进入中国。
微型机器人
机器人工作站
脊柱机器人辅助手术包括以下四个步骤：
1、术前计划 将1mm层厚的CT扫描原始Dicom格式数据载入安装有Mnor公司机器人配套软件的电脑，外科医生在电脑上重建脊柱三维模型，在模型上进行椎弓根钉植入，机器人将生成脊柱整体和各节段椎弓根钉植入的相关信息（植入螺钉直径、长度和角度），然后医生将术前计划传输至工作站，以促进该计划执行。
2、平台固定 为脊柱安装连接机器人装置的固定平台，该机器包括四种固定平台：① 棘突夹平台；② 创伤T字平台；③ 床边固定平台；④ 多向性床边平台。
3、三维同步 利用术中透视和参考帧获得两个不同位置（正位和斜位均与安装的平板垂直）X线片与图像自动匹配，此步骤用于确定每个脊柱节段在三维空间中相对于安装平台的位置。
4、导航操作 首先机器人工作站根据导入的术前计划将机器人精确地分配到预定轨道位置，随后指导钻孔，然后植入合适的椎弓根螺钉、侧块螺钉或经椎板螺钉。
准确性和安全性
经椎体椎弓根置钉技术作为脊柱内固定的基础自1969年被介绍以来，为广大的脊柱外科和神经外科医生所重视，其凭借着能承受多方位负荷、保持良好的刚性、促进脊柱融合等众多优势从传统的内固定技术中脱颖而出，并广泛应用于多种脊柱疾病中，如退行性、创伤性及进展性脊柱疾病。
椎弓根钉植入的准确性和安全性很大程度取决于患者的解剖标志、导航系统及医生的经验。当患者的解剖结构发生改变、导航不精确或医生经验不够时，会导致螺钉位置的偏差，很可能就会引起相关血管及神经系统损伤，严重时出现瘫痪甚至危及生命。正如很多学者的研究所述，即使是经验丰富的医生，利用传统的徒手置钉技术发生植入物错位的机率仍然很高，报道为5.1%～31%。虽然最终导致严重临床后果的比例很低，但是一旦出现相关并发症就有可能十分重。
Devito等就机器人辅助椎弓根螺钉植入的准确性进行了一项回顾性、多中心研究，报道了682例患者共植入3912枚螺钉/导针，3271枚螺钉/导针（83.6%）是在机器人引导下植入，其他螺钉/导针由于各种原因（如定位问题、超过机器人可达到的限制范围、设备故障和机械性运动）而改为徒手植入，机器人引导植入的3271枚螺钉/导针术中透视显示3204枚螺钉/导针（98%）达到临床可接受范围。术后139例（约646枚螺钉/导针）接受了CT扫描，发现98.3%的螺钉在安全范围内（89.3%完全位于椎弓根内，9%穿破椎弓根壁2mm以内），4例出现神经功能受损，经翻修手术后均未出现永久性神经损伤。
Kantelhardt等对比了传统徒手椎弓根钉植入和机器人引导椎弓根钉植入的准确性，共11例患者，报道显示机器人组（55例）螺钉偏差较传统徒手显著降低（1.1%），但经皮与开放式机器人手术置钉之间无统计学差异。机器人手术发生术中不良事件发生率为4.7%（1例大出血，6例硬膜撕裂），而传统手术组9.1%。机器人组术后均未出现脑脊液漏，但传统手术患者发生率为6.1%。机器人手术组术后感染发生率为2.7%，而传统组发生率为10.7%。
Hu和 Lieberman等对102例患者采用机器人辅助螺钉植入的准确性进行评估，其中95例成功应用机器人引导植入螺钉960枚，准确植入的螺钉949枚（占计划植入1085枚螺钉的87.5%，占成功植入的98.9%），11枚（1.1%）错位，尽管多数患者脊柱畸形明显和（或）曾经做过脊柱手术。对于位置不佳的螺钉进行分析，发现“工具切出”是主要原因。7例终止机器人手术，其中4例由于影像学因素所致，提示术中前后位及斜位透视对于定位至关重要。
国内首都医科大学附属朝阳医院利用该技术对10例患者共植入74枚椎弓根螺钉，1例脊柱后凸畸形，1例胸椎占位，1例重度僵硬性脊柱侧弯，1例先天性脊柱侧弯（半椎体切除），6例腰椎退行性疾病。其中1例重度僵硬性脊柱侧弯因为患者自身原因改用徒手置钉，其他9例成功应用机器人引导植入62枚螺钉，术中透视和术后CT显示所有机器人引导植入的螺钉（100%）均准确的置入椎弓根内。机器人引导椎弓根钉植入不仅能成功应用于腰椎退行性患者中，也能在脊柱畸形患者中得到推广。这些报告连同初期尸体研究表明机器人辅助技术能提高内植物植入准确度。
机器人辅助置钉治疗先天性脊柱侧弯。A.脊柱全长片示L1半椎体畸形；B.术前进行规划上下椎体固定+半椎体切除；C.术后X线片显示畸形完全矫正；D.术中和术后影像学示螺钉均准确的在椎弓根内。
机器人辅助置钉治疗脊柱后凸畸形。A.脊柱全长片示脊柱后凸畸形；B.术前机器人规划椎弓根置钉和多节段Ponte截骨；C.书中机器人准确引导椎弓根钉植入；D.术后透视可见椎弓根钉位置可靠。
手术时间
多种因素导致采用机器人系统植入螺钉所需时间存在差异，如医生的经验、医生对系统的熟悉程度和定位过程的准确度。Lieberman等利用尸体进行了一组对照性研究，发现与传统的手术方式相比，机器人手术花费时间更短，且经验丰富的医生平均每植入1枚螺钉和建立机器人系统所花费的时间更短。但 Kantelhardt等对112例患者进行回顾性对照研究中，发现机器人组和传统组之间，每枚螺钉植入的平均时间并无显著性差异。
据报道，单节段或多节段定位也会影响植入椎弓根螺钉所花时间。Takahashi等研究表明，利用机器人引导系统进行多节段定位与单节段定位可显著缩短椎弓根钉植入时间和总的手术时间。为了充分评估这一问题，还需要对机器人手术进行进一步的评估。
放射线暴露
脊柱手术前需要彻底了解每例患者的脊柱解剖结构、三维空间中椎体方向及其与潜在神经结构的关系，这就需要医生通过结合术中透视或图像引导以获得螺钉/导针植入的最佳位置。
大量研究已证明，传统的术中透视辅助椎弓根螺钉植入对医生和手术室工作人员的放射线辐射较大并证实，与传统术中透视辅助椎弓根钉植入手术相比，采用机器人系统引导植入的放射线辐射大幅减少。但是，由于机器人辅助系统需要薄层或高分辨率CT扫描，当比较术前CT扫描与术中透视辐射剂量时，患者总辐射量增加、减少还是不变尚未定论。
脊柱畸形与翻修手术
对于严重脊柱畸形（如脊柱侧弯）患者及因解剖标志改变而需进行翻修手术的患者，椎弓根螺钉植入十分具有挑战性。传统的徒手椎弓根螺钉植入在脊柱畸形中，导致螺钉错位的发生率为4.2%～15.7%。机器人的设计理论上能提高脊柱畸形的置钉准确率。
Devito等报道了80例青少年脊柱侧弯患者利用机器人辅助植入椎弓根螺钉的治疗经验，其中男14例，女66例，平均年龄14.4岁，所有患者均行开放式后路脊柱融合术，脊柱侧弯角度平均66.5°（46°～95°），通过机器人辅助系统共植入1163枚螺钉，其中95%的螺钉完全在椎弓根内（如果包括其他可行位置可达99%）。目前尚未发现植入物相关并发症，螺钉不需要翻修。
Hu和Lieberman等进行了一项前瞻性研究，分析了102例脊柱畸形与翻修手术患者，共采用机器人辅助系统植入1085枚螺钉。将这些患者分成4组：无脊柱畸形或未接受过脊柱手术的患者为第1组；患有脊柱畸形但未接受过脊柱手术的患者为第2组；接受过脊柱手术但未患有脊柱畸形的患者为第3组；患有脊柱畸形并接受脊柱手术的患者为第4组。
整体看来，成功植入949枚螺钉，11枚螺钉位置不佳，改为手动重新定位植入。由于系统相关的技术问题（如无法获得足够的术中X射线及软件或硬件故障），110枚螺钉改为徒手植入，15枚螺钉经医生慎重考虑后放弃植入。当分析螺钉植入错位率时，发现4组间无显著性差异（第1组3.92%，第2组0.71%，第3组2.94%，第4组0.74%）。该研究总螺钉错位率为1.01%，相比历史数据有所改善。
对于一些畸形患者，由于脊柱重度旋转致使机器人操作平台难以放置等问题存在，导致机器人无法方便地应用于某些特殊脊柱侧弯群体（如重度僵硬性脊柱侧弯、先天性脊柱侧弯），相关应用还有待技术的进一步完善。
微创手术技术
在微创脊柱手术（如经皮螺钉植入）中，机器人辅助系统已显示出一定的优势。 Pechlivanis等报道了一个31例患者组成的病例系列，所有患者均采用经皮椎弓根螺钉植入加后路腰椎椎体间融合，结果显示机器人辅助系统在29例患者中融合成功，经皮共植入133枚螺钉（节段为L2～S1），所有患者术后CT扫描验证，轴向平面91.5%的螺钉及纵向平面98.4%的螺钉植入与术前计划相比误差在2mm以内。同时发现机器人系统对操作者的依赖程度较低，因为这些螺钉由4位不同医生植入，研究中未发生螺钉失败相关并发症。
在一项尸体研究中，作者对机器人辅助系统在经皮椎弓根螺钉植入手术中的效率进行了研究，将234枚椎弓根螺钉植入12具尸体（试验组：15位医生，197枚螺钉，10个标本；对照组：2位医生，37枚螺钉，2个标本）。结果显示：试验组比对照组植入螺钉更准确[平均误差分别为（1.1±0.4）mm和（2.6±0.7）mm；P＜0.0001，试验组椎弓根螺钉超出椎弓根壁4mm的较少平均为1.5%和5.4%），并且该组医生能够更快地完成手术。
在一项回顾性多中心研究中， Devito等报道635例机器人手术，其中49%采用经皮椎弓根螺钉植入，均获得准确的植入位置，强调了机器人辅助系统在手术过程中不需要直接观察解剖标志这优势，并且还讨论机器人平台使得医生能够在皮肤层面准确定位，从而可减少皮肤切口。
临床预后和成本效益
迄今为止，只有一项研究比较了电脑导航机器人辅助下椎弓根螺钉植入与传统开放手术的功能预后情况，报道称，采用机器人手术的患者需要较少阿片类药物，住院治疗时间缩短且围术期不良反应的发生率降低。这些优势可能是由于机器人手术组比开放组患者采用经皮微创螺钉植入的比例较高所致。
目前，尚无研究比较机器人辅助脊柱内固定手术与非机器人辅助脊柱内固定手术的长期功能预后情况。与传统脊柱手术技术相比，如果电脑导航脊柱机器人手术的临床预后更好且成本效益高，那么则需精心设计随机对照试验去加以证实。
同所有新技术一样，机器人辅助技术的应用毫无疑问会增加成本。但是一旦这些技术通过验证，相关领域将会制定新的医药经济制度，其成本将趋于稳定。考虑到椎弓根螺钉植入错位翻修手术的成本过高，对于富有挑战性的脊柱手术病例（如畸形患者）利用机器人或者导航符合成本效益。
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