——【北京日报】6月12日第9版整版，从全球首台脊柱椎板自主切削手术机器人等医工融合科技创新成果，讲述骨科李危石医生的科研之路。

内连五脏六腑，外接四肢百骸，脊柱是人体的“顶梁柱”与“生命线”。

为了给患者守护好这道“生命线”，北京大学第三医院骨科主任李危石在繁忙的临床工作之余，不遗余力地耕耘在医学创新的原野上。

积土成山，风雨兴焉。

在他的不辍努力下，首台可实现脊柱椎板自主切削操作的手术机器人、超材料生物力学适配骨科内植物等医工融合的科技成果持续涌现。预计今年年底，手术机器人就能在有条件的医疗机构推广应用，成为坚实患者脊梁、突破领域内“卡脖子”问题的“关键之钥”。

李危石在手术室

“履冰”之困

北医三院科研楼天工大厦7层的骨科实验室里，一台骨科机器人正在运转。机械臂操作着骨刀，在3D打印的人体腰椎模型上，发出有节奏的打磨声。

这是一台椎板切除减压的模拟手术，与众不同的是，“主刀者”并非经验丰富的人类医生，而是全球首台可实现脊柱椎板自主切削操作的手术机器人。

李危石聚精会神地注视着机器人的每一步操作，不时查看屏幕上显示的实时数据。

怀抱着为智慧骨科奠基的初心，他带领团队研发了这台能够个性化智能规划手术路径、精准自主切削脊柱椎板的机器人。

随着我国人口老龄化进程加快，胸腰椎管狭窄、腰椎间盘突出等退行性脊柱疾病患者明显增多。切削椎板，从而减轻脊髓及神经压迫，属于高难度手术操作，也是脊柱外科手术的关键环节。作为一名拿了20多年手术刀的成熟专家，李危石深知其中的困境。“这类手术太依赖主刀医生的手感和经验了。然而，即使经验非常丰富的医生，每一天的状态、每一台手术过程中的每一个细微动作都可能是不稳定的。”

人的骨骼像是管道，神经就像是贯通管道中的“电线”。李危石解释，一旦病变导致椎管狭窄，就像“管道”挤压“电线”，对脊髓和神经产生压迫。通过手术来减压，就需要切除椎板，直到暴露受压的脊髓或神经根。

减压的范围直接决定了手术疗效。传统的手术方法，需要医生依靠经验和手感控制椎板切削操作的深度和力度，存在一定的脊髓神经损伤风险。

“精准地掀开骨骼、露出神经，这是一个非常微妙的尺度。”如果下刀力度不够，就凿不透骨头；要是下刀力度过猛，就会凿伤神经。经过20多年的锤炼，李危石已经练就了眼看、耳听、手感全方位预判病变位置深浅的技能，但初上手术台时那种战战兢兢、如履薄冰的感觉，他至今难以忘怀。

“因为怕凿伤神经对患者造成伤害，每到快凿透的时候，我们就用骨刀一点一点掰。就这样不知掰坏了多少把骨刀，自己再花钱购买补上。我到现在还记得，那时候买一把骨刀需要花600元。”如今，李危石已经可以笑着回忆年轻时的窘迫，但他也深知，无数新手医生依然经历着他当年的困境。

怎样有效减少减压操作的并发症、提高手术的疗效，是脊柱外科面临的巨大挑战。开发脊柱椎板切除手术机器人系统，正是为了直面挑战、解除困境。

2019年，他作为项目负责人，集合北医三院、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、南开大学、机器人和超声骨刀企业等研发优势单位的力量，启动了“面向脊柱椎板切除手术的机器人系统”国家重点研发项目。经过3年多的努力，终于成功研制出了这台拥有自主知识产权的骨科手术机器人。“它综合了力、速度、距离等一系列参数做出精准算法，并通过AI（人工智能）学习优化改进，能够实现‘切透即停’，将操作精度控制在0.3至0.5毫米，实现了手术去差异化。”

为了保证机器人的手术精度，李危石带领团队攻克了种种难关。

椎板切削手术使用的是超声骨刀，需要不断利用冷水进行降温，防止局部温度过高损伤神经。怎样保证切削过程中不发生卡顿、切口降温及时，并实现实时的信息采集，这是团队要解决的第一道难题。

通过大量的动物实验，团队最终设计了“小范围、高速度、往复切”的独特切割路径和策略。李危石介绍：“这种策略不仅能够保证水流及时进入切口，还能不断获取骨刀速度、位移、压力等参数信息，精准把握、实时调整手术的进度。”

路径确定了，如何实现“切透即停”，保证手术的精准和安全，是手术机器人亟待突破的第二大难题。

刚开始，手术机器人“切透即停”的准确率在90%左右，“这样的安全系数，要用在人身上，显然是远远不够的。”通过不断整合AI的识别算法，团队终于将实验室操作的成功率提高到了100%。

项目顺利进入动物实验阶段。

智慧“随动”

进入动物实验阶段后，团队遇上了最大的难题——如何解决手术中“呼吸随动”的问题。

“不论是动物还是人，即便在镇静状态下也得呼吸，还经常会出现不规律的呼吸起伏。”李危石解释：虽然识切功能的程序已经设计好了，但此前对手术的要求是实验室的“完美”环境。而在实操的过程中，实验动物一呼吸，位于手术刀末端的信息识别系统获取的参数就会发生变化，机器人就“犯迷糊”了。

此时的实验结果令团队成员陷入崩溃——部分实验动物术后产生了严重的并发症，但项目的结题期限近在眼前，留给大家改进手术效果的时间所剩无几。

李危石和团队成员们面临着空前的压力。“国家将如此重任交到我们手上，大家也为之付出了几年的心血，我们没法回头，只能拼了！”

一个又一个的方案被提出又否决。为了找到一条可行之路，那段时间，团队成员干脆住进实验室，夜以继日地研究对策。

“既然数据的采集和分析千头万绪，我们能不能找到一个‘以不变应万变’的方法呢？”

纷繁之中，李危石静下心来，仔细梳理现状。

山高月小，水落石出。一个“无招胜有招”的念头，醍醐灌顶般为接下来的科研指明了主攻方向——干脆使用物理方法，让切削的工具与椎板之间保持相对不动，这样就能解决手术对象无序呼吸造成的困扰。

团队制作了一个套筒，一端固定骨刀，另一端卡在椎板上，通过消除骨刀和椎板之间的相对运动，解决了呼吸随动的问题。最终，最直接的方法，破解了整个研发过程中最复杂的难题。此后，又经过反复动物实验，手术成功率达到100%。

项目终于进入临床试验阶段。

2023年7月16日，全球首台脊柱椎板机器人自主识切手术在北医三院的骨科手术室进行。

接受手术的是一名65岁的男性患者，因为腰椎管狭窄症导致出现腰痛、双下肢疼痛麻木、间接性跛行等症状，亟待手术。患者的情况，十分适合进行机器人手术，但做第一个“吃螃蟹的人”，需要极大的勇气。

术前，李危石团队与患者和家属进行了充分的沟通。“老人只问了一个问题：做机器人手术，李主任上不上台？”当时的情形，让李危石记忆犹新，在得到肯定的答复后，患者当即决定接受手术、为科学研究贡献力量。“患者的话让我感动，更深感责任重大——手术不能有一点失误。”李危石说。

术中，李危石紧紧握住机器人的急停按钮。随着骨刀有节奏的打磨声，切削的位置离神经越来越近，李危石的心跳也越来越快。预定的路径“走”完了，患者电生理信号完全正常。患者神经硬膜完好，术中检查没有任何异常。术后，相关数据证明，患者的神经功能没有受到任何影响。

团队悬着的心放下了。

里程碑式的一刻随之到来——全球首台脊柱椎板机器人自主识切手术宣告成功！

李危石还记得，当天手术结束后，团队成员久久没有离开现场。“大家在机器人旁边整整齐齐站好，照了一张合影，纪念这个为之奋斗了数年的时刻。”

此后，李危石与老人仍保持着联系，关注患者动态、敦促患者随访、解答患者咨询。“患者术后康复得不错，症状消除、疼痛缓解。不久前，老人还自驾去阿尔山景区游玩。真替他高兴！”李危石说，正是患者无条件的信任，鼓舞着医者精进水平、创新技术，不断交出令人满意的答卷。

随着首台手术顺利完成，“面向脊柱椎板切除手术的机器人系统”项目也如期结项。但李危石的探索却远未止步。

“我们希望这台机器人不仅能做到‘切透即停’，还能做到在‘透前就停’，给操作留出零点几毫米的余量，进一步保障手术的安全性。”李危石介绍，目前该功能已基本实现。手术机器人进入注册前研究阶段，已经顺利完成了多中心的临床试验。

预计在今年年底，手术机器人就能落地应用，并在有条件的医疗机构推广开来，切实解决面向脊柱椎板切除手术的无差别化、精准化难题。

步履不停

“近年来，病房里的老年患者越来越多了。这是骨科医生共同的感受。”李危石说，脊柱退变性疾病已成为威胁老年人健康和生活质量的主要疾病，而脊柱融合术是治疗这类疾病的“终极方案”。

“脊柱融合术虽是一项脊柱外科基本的常规技术，但现阶段要想在老年脊柱退变患者中实现稳定的植骨融合仍然面临很大挑战。”李危石解释：老年患者大多患骨质疏松，骨强度差、骨愈合慢，融合手术后更容易出现内植融合器下沉、螺钉松动、融合内固定失败等风险。

李危石想起了自己从医生涯中最艰难的一次手术。

2021年，他接诊了一名70多岁的老年患者，因腰椎管狭窄已经做了3次手术。遗憾的是，几次手术后，患者植入的内植物最终也没有融合，固定在盆骨上的骨钉发生了松动、脱落，患部出现感染。“不夸张地说，患者的盆骨上千疮百孔，全是‘窟窿’。如果再进行修复，很难找到固定内植物的空间，修复难度极大。”

“李主任，我是个老中医，我还想出诊。请您帮帮我，我愿意承担手术的风险。”面对这么复杂的情况，李危石也曾迟疑，“我也了解，医生不是万能的，不可能解决所有问题。”但患者热切企盼的目光，令他无法拒绝，决定迎难而上、放手一搏。

手术已没有失败的余地。他利用AI导航系统，对患者患部进行了精准的术前定位，最终找到了固定的锚点。经过十余个小时的手术，最终精准地将3D打印的内植物成功固定，形态精准适配。

手术虽然成功了，但不论是医生还是患者，都不敢松口气。毕竟，此前患者3次手术都是因为术后内植物和骨骼融合失败，继而影响预后、加重病情。

“通过3D打印技术，领域内已实现了脊柱外科内植物形态上的精准适配。推动内植物生物学适配，助力病损组织与器官的有效修复、生理功能的康复重建，是更深层次的需求。”李危石说。

骨科疾病的手术治疗通常需要使用金属骨植入物。然而，金属内植物和老年人的骨质相比显然过硬，可能直接造成其周围的骨组织骨折，导致手术失败。此外，过硬的内植物还容易引起应力屏蔽效应，妨碍局部骨融合，甚至导致局部骨吸收。

针对这一临床难题，李危石首次提出了生物力学适配的椎间融合器的设计理念，“也就是说，通过3D打印技术不仅要实现内植物的形状适配，同时也要和植入物周围的骨组织实现生物力学的相互匹配。”

在保证内植物强度的前提下，能否进一步降低内植物的弹性模量，是一个未解难题。李危石另辟蹊径，将探索的目光聚焦于新的材料——力学超材料身上。这是一种通过人工设计的微结构实现特殊力学性能的新型材料体系，其核心特征在于通过几何结构而非材料成分，实现自然界材料不具备的物理特性。

基于3D打印技术，李危石团队创新超材料结构设计，最终发明了线性超材料支架，突破了现有金属骨植入物的理论极限，向新一代3D打印内植物的研发迈出了坚实一步。通过医工合作，李危石团队研发出低弹性模量的椎间融合器，可以很好地匹配老年患者脊柱的骨质情况。通过临床验证，此种生物力学适配的椎间融合器可以大幅降低植入物周围骨质的骨折，并提高植骨融合率。

“这项创新成果为临床骨修复材料的个性化设计提供了重要支撑。相信未来3D打印内植物的研发应用将取得更多成果，为应对老龄化脊柱手术的挑战提供强有力的科技支撑。”李危石乐观地预测。

“脊柱是人体的‘顶梁柱’与‘生命线’。脊柱的任何问题，都马虎不得！”为此，李危石不遗余力地推动领域内的医学技术向着精准化、智能化、微创化方向不断发展。

工作日，李危石忙着出诊、手术、实验……周末也很少休息，近期的周末行程单上，学术交流研讨活动已经排到两个月后。

“7年前，我接任了北医三院骨科主任一职，7年来，我的工作就是在不断‘过关打怪’。打掉一个再来一个，不断面对新的挑战。”李危石说，他特别欣赏一位朋友给自家书房起的斋名——发呆处。“人生有的时候是需要停下来，看看周围的风景，发发呆。”他虽心生羡慕，却始终没有停下脚步。

“危楼高百尺，手可摘星辰。”

“泉声咽危石，日色冷青松。”

危，高也。危石，就是高峰。李危石说，热爱古诗词的父亲给他取了这个名字，希望他能做一个勇攀高峰的人。

正如父亲的期许，正如名字的寓意，李危石向着远处的峰岭和穹顶的星辰，一路攀登不辍。

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