骨盆復(fù)位機(jī)器人試驗(yàn)研究*

徐九峰韓巍王軍強(qiáng)林鴻王彬彬馮云

（1.北京市延慶縣醫(yī)院骨科，北京102100；2.北京積水潭醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，北京100035；3.北京醫(yī)療機(jī)器人工程實(shí)驗(yàn)室，北京100192；4.北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京100191；5.北京天智航醫(yī)療科技股份有限公司，北京100192）

骨盆復(fù)位機(jī)器人試驗(yàn)研究*

徐九峰1韓巍2**王軍強(qiáng)2林鴻3王彬彬4馮云5

（1.北京市延慶縣醫(yī)院骨科，北京102100；2.北京積水潭醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，北京100035；3.北京醫(yī)療機(jī)器人工程實(shí)驗(yàn)室，北京100192；4.北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京100191；5.北京天智航醫(yī)療科技股份有限公司，北京100192）

背景：大多數(shù)骨盆骨折伴有骨盆環(huán)移位，需要進(jìn)行復(fù)位操作。手法復(fù)位存在復(fù)位次數(shù)多和復(fù)位不良的問題；手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)指導(dǎo)醫(yī)師進(jìn)行骨折復(fù)位操作僅能為醫(yī)師指示復(fù)位狀態(tài)，而不能實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)位的精細(xì)調(diào)整。

目的：應(yīng)用骨盆復(fù)位機(jī)器人進(jìn)行骨盆模型復(fù)位試驗(yàn)研究，對(duì)復(fù)位效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和評(píng)估，為骨盆復(fù)位技術(shù)研究提供臨床試驗(yàn)依據(jù)。

方法：由創(chuàng)傷骨科實(shí)習(xí)醫(yī)師和創(chuàng)傷骨科主任醫(yī)師各完成10次骨盆模型復(fù)位操作。試驗(yàn)過程中記錄復(fù)位操作過程中的照相次數(shù)；復(fù)位完成后分別測(cè)量骶髂關(guān)節(jié)間隙、骶髂關(guān)節(jié)上下移位、骶髂關(guān)節(jié)前后移位、恥骨聯(lián)合間隙、恥骨聯(lián)合上下移位、恥骨聯(lián)合前后移位。所得數(shù)據(jù)均采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行分析，P＜0.05為有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

結(jié)果：兩組的復(fù)位效果均達(dá)到骨盆骨折理想復(fù)位的要求，且兩組間的復(fù)位效果數(shù)據(jù)和照相次數(shù)均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.05）。

結(jié)論：本研究的模型骨試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了恥骨聯(lián)合分離合并骶髂關(guān)節(jié)脫位的準(zhǔn)確復(fù)位，初步驗(yàn)證了骨盆復(fù)位機(jī)器人的精度和可用性。骨盆復(fù)位機(jī)器人輔助手術(shù)具有對(duì)操作者的手術(shù)經(jīng)驗(yàn)要求少，X線暴露時(shí)間短的特點(diǎn)。

骨盆；機(jī)器人；治療；計(jì)算機(jī)輔助

Background:ound:Most pelvic fractures associatew ith pelvic ring displacementwhich needsmanualmanipulation.Manualmanipulationmay take several tries and the reductionmay be unsatisfactory.Computerassisted navigation can guide surgeon's manipulation,however,itonly indicates reduction statusand cannotachieve fineadjustment.

Objective:tive:To develop pelvic reduction onmodel bones by using reduction robot,and to evaluate statistically the results of the reduction in order to provide experimental supports for clinic.

Methods:hods:Experiments in this study were conducted by an intern or a chief physician on trauma surgery.Each doctor completed pelvic reduction ofmodelbone for 10 times.The frequency of X-ray fluoroscopy during the experimentwas recorded.The sacroiliac joint gap,inferior and superior disp lacement of the sacroiliac joint,anterior and posterior displacementof the sacroiliac joint,pubic symphysis gap,inferior and superior displacement of the pubic symphysis,anterior and posterior displacementof the pubic symphysisweremeasured after reduction.The bilateral t testwas implemented to all the parameters.When Pvaluewere less than 0.05,the testwas considered to have statisticalsignificance.

Results:ults:Satisfactory reduction was achieved in all the experimentsand there were no significant differences in the frequency of X-ray fluoroscopy or reduction parametersbetween two operators.

Conclusions:ions:Experimentsdeveloped on themodelbone in thisstudy achieve thegoal to complete accurate reduction on pubic symphysis separation w ith sacroiliac joint dislocation.The accuracy and usability of the reduction robot are prelim inarily validated.The operation requires less surgical experiences.Furthermore,intraoperative X-ray radiation and operation timeare significantly reduced.

骨盆骨折是一種嚴(yán)重?fù)p傷，多由高能外傷所導(dǎo) 致，占全身骨折的1%～3%，因其多伴有合并癥和多發(fā)

傷，致殘率高達(dá)50%～60%，致死率可達(dá)13%以上[1-3]。大多數(shù)骨盆骨折伴有骨盆環(huán)移位，治療時(shí)需要進(jìn)行復(fù)位操作。臨床上多采用手法復(fù)位法對(duì)骨盆進(jìn)行復(fù)位，要求復(fù)位時(shí)持續(xù)用力但又不能用力過猛，以防止造成新的骨折[4,5]，同時(shí)醫(yī)師要多次進(jìn)行透視檢查以了解復(fù)位情況直至達(dá)到令人滿意的復(fù)位效果[6]。該方法對(duì)醫(yī)師的依賴程度很高，且對(duì)傳統(tǒng)的X線片和X線透視的依賴程度很高[7,8]，致使醫(yī)師和患者的放射線暴露時(shí)間較長(zhǎng)。此外，該方法需要醫(yī)師徒手操作且復(fù)位過程中依靠目測(cè)進(jìn)行定位[9]，但人類生理結(jié)構(gòu)的限制導(dǎo)致該方法存在穩(wěn)定性欠缺和精確定位困難等不足，故為得到滿意的復(fù)位效果需要進(jìn)行反復(fù)的嘗試與調(diào)整。綜上，復(fù)位次數(shù)多和復(fù)位不良是該方法不容忽視的問題。據(jù)文獻(xiàn)顯示，骨盆骨折幾乎都涉及骨盆環(huán)，畸形愈合發(fā)生率為5%[10-12]。復(fù)位不良將為患者帶來(lái)雙下肢不等長(zhǎng)、疼痛等問題，有時(shí)需要進(jìn)行二次手術(shù)來(lái)矯正。

目前，臨床上多采用手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)指導(dǎo)醫(yī)師進(jìn)行骨折復(fù)位操作[13]，其可實(shí)現(xiàn)術(shù)前手術(shù)入路的模擬、術(shù)中環(huán)境下相關(guān)手術(shù)設(shè)備、器械及患者等被跟蹤目標(biāo)相對(duì)位置和姿態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等[14,15]。但整體而言，手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)僅能為醫(yī)師指示復(fù)位狀態(tài)，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)位的精細(xì)調(diào)整且不能輔助醫(yī)師進(jìn)行復(fù)位操作并抵抗肌肉牽拉力維持復(fù)位。

骨折復(fù)位操作需要同時(shí)滿足復(fù)位精度高、射線輻射量少和操作時(shí)間短等要求[9,16,17]。基于以上需求，本研究在進(jìn)行骨盆骨折復(fù)位時(shí)選擇主從式六自由度并聯(lián)骨折復(fù)位手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，擬通過骨折模型試驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)能否得到滿意的復(fù)位效果，為骨盆復(fù)位提供一個(gè)有效的方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

使用骨盆模型骨作為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行重復(fù)操作。骨折模擬骶髂關(guān)節(jié)脫位和恥骨聯(lián)合分離，將骨盆模型左右髂骨分別用2根直徑5mm固定針與復(fù)位機(jī)器人左右支架固定，骨盆模型骶髂關(guān)節(jié)未分離側(cè)固定在平臺(tái)上（圖1）。將照相機(jī)連接到顯示器上，以模擬術(shù)中的X線透視設(shè)備，分別從入口位和出口位對(duì)手術(shù)部位成像。術(shù)者手持的操作桿與機(jī)器人之間通過微處理器、一個(gè)按鈕控制器和接口模塊相連接（圖2）。機(jī)器人本體的性能指標(biāo)是：操作范圍50mm，定位精度1.0mm，復(fù)位操作力490 N。

圖1 復(fù)位機(jī)器人安裝方式

1.2 試驗(yàn)操作

術(shù)者背對(duì)骨盆模型，助手根據(jù)術(shù)者要求對(duì)骨盆模型進(jìn)行照相，術(shù)者通過顯示器觀察骨盆模型的形態(tài)并控制操縱桿將復(fù)位動(dòng)作信號(hào)傳至機(jī)器人，以控制骨折復(fù)位（圖2）。

1.3 試驗(yàn)分組

試驗(yàn)由兩位術(shù)者完成，分別為創(chuàng)傷骨科實(shí)習(xí)醫(yī)師（A組）和創(chuàng)傷骨科主任醫(yī)師（B組）。實(shí)習(xí)醫(yī)師具有參觀和協(xié)助手術(shù)的經(jīng)歷，主任醫(yī)師有六年手術(shù)操作的經(jīng)歷，兩位術(shù)者同時(shí)接受1天的培訓(xùn)和練習(xí)。每組試驗(yàn)分別由兩個(gè)術(shù)者各完成10次骨盆模型復(fù)位操作。

1.4 數(shù)據(jù)測(cè)定

復(fù)位操作過程中記錄照相次數(shù)。復(fù)位完成后分別測(cè)量骨盆模型的以下數(shù)據(jù)：骶髂關(guān)節(jié)間隙（L1）、骶髂關(guān)節(jié)上下移位（L2）、骶髂關(guān)節(jié)前后移位（L3）、恥骨聯(lián)合間隙（L4）、恥骨聯(lián)合上下移位（L5）、恥骨聯(lián)合前后移位（L6）。

圖2 骨盆模型復(fù)位操作

1

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，所測(cè)得數(shù)據(jù)均采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，兩組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，P＜0.05為有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

2 結(jié)果

骨盆復(fù)位達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)可認(rèn)為復(fù)位滿意：骶髂關(guān)節(jié)上下移位（L2）和前后移位（L3）均≤5mm，恥骨聯(lián)合上下移位（L5）≤5mm，恥骨聯(lián)合前后移位（L6）≤10mm[18]。對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果如表1所示。復(fù)位后骶髂關(guān)節(jié)的前后和上下移位，恥骨聯(lián)合的上下和前后移位等指標(biāo)均達(dá)到了理想復(fù)位要求。統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)表明，兩組間的復(fù)位效果參數(shù)L1～L6和照相次數(shù)的均值均無(wú)明顯差異（表1）。

3 討論

骨盆環(huán)的高能量損傷可導(dǎo)致各種類型的骨折損傷移位。恥骨聯(lián)合或恥骨支損傷可致前環(huán)不穩(wěn)，而骶髂關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)囊及韌帶的損傷可致后環(huán)不穩(wěn)。由于骨盆是環(huán)形結(jié)構(gòu)，單純固定后環(huán)時(shí)，骨盆結(jié)構(gòu)呈幾何可變體系，受力時(shí)不能維持原有結(jié)構(gòu)和形態(tài)，因而穩(wěn)定性差；同時(shí)固定前后環(huán)時(shí)，骨盆形成了閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)，呈幾何不變體系，抗變形維持原來(lái)結(jié)構(gòu)的能力明顯增強(qiáng)。恥骨聯(lián)合分離合并骶髂關(guān)節(jié)脫位或骶骨骨折時(shí)，通常在髂嵴或髂前上棘和髂前下棘之間置入固定針，術(shù)者借助固定針反復(fù)通過提拉、內(nèi)旋、外旋等動(dòng)作來(lái)閉合恥骨聯(lián)合，并使骶髂關(guān)節(jié)或骶骨盡可能實(shí)現(xiàn)解剖復(fù)位，由于骨盆自身復(fù)雜的多維度結(jié)構(gòu)，術(shù)者需要憑借經(jīng)驗(yàn)反復(fù)調(diào)整復(fù)位角度直至滿意，這一過程會(huì)大幅增加手術(shù)時(shí)間，很難實(shí)現(xiàn)精確的解剖復(fù)位，且術(shù)者需接受大量X射線。國(guó)外有學(xué)者基于骨盆CT三維重建模型，對(duì)骨盆復(fù)位的位移和扭矩進(jìn)行分析，但并未對(duì)臨床起到實(shí)際的指導(dǎo)作用。鑒于機(jī)器人自身的高精度、穩(wěn)定的剛性結(jié)構(gòu)以及多自由度運(yùn)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，本研究采用簡(jiǎn)捷的六自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu)作為主手，用映射的方法控制復(fù)位并聯(lián)機(jī)器人從手，對(duì)骨盆骨折模型進(jìn)行復(fù)位試驗(yàn)，效果較好。

表1 兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（x x±s s）

本研究實(shí)現(xiàn)了恥骨聯(lián)合分離合并骶髂關(guān)節(jié)脫位的準(zhǔn)確復(fù)位，初步驗(yàn)證了六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的精度和可用性，但仍存在諸多不足之處：①模型較為簡(jiǎn)單，無(wú)法模擬對(duì)抗肌肉等軟組織牽拉力量的真實(shí)手術(shù)情況，關(guān)于骨盆復(fù)位中所需的操作力和扭矩等數(shù)據(jù)未進(jìn)行采集，尚需進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證；②模型骨與真實(shí)骨在生物力學(xué)上仍有差異，可能影響復(fù)位效果；③由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)操作范圍是50mm，有時(shí)出現(xiàn)超出操作范圍無(wú)法繼續(xù)沿該方向運(yùn)動(dòng)的情況，需要術(shù)者重新改變復(fù)位路徑，增加操作次數(shù)，但同時(shí)也避免了過度操作，從而增加了系統(tǒng)的安全性。

本研究的創(chuàng)新和特點(diǎn)體現(xiàn)在：①率先使用了六自由度并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行骨盆骨折復(fù)位，能更好地滿足復(fù)位操作要求；②與導(dǎo)航下機(jī)器人輔助骨折復(fù)位方法相比，該方法完全依賴術(shù)者的目測(cè)，故復(fù)位精度不如導(dǎo)航軟件計(jì)算得那么精確，但基本滿足臨床上骨盆骨折復(fù)位標(biāo)準(zhǔn)（骨盆骨折的復(fù)位以功能恢復(fù)為首要目標(biāo)，而形態(tài)恢復(fù)相對(duì)次要，當(dāng)形態(tài)恢復(fù)涉及耗時(shí)復(fù)雜的操作時(shí)，顯然簡(jiǎn)潔的功能恢復(fù)更具有實(shí)用性），而且不需要安裝導(dǎo)航設(shè)備以及術(shù)前在軟件上對(duì)骨折遠(yuǎn)近端進(jìn)行分割、規(guī)劃等復(fù)雜耗時(shí)的操作；③手術(shù)經(jīng)驗(yàn)很少的實(shí)習(xí)醫(yī)師與主任醫(yī)師所達(dá)到的復(fù)位效果相當(dāng)，說明本系統(tǒng)對(duì)操作者的手術(shù)經(jīng)驗(yàn)要求少；④本系統(tǒng)主從端的連接方式允許術(shù)者遠(yuǎn)離手術(shù)區(qū)域，可以減少醫(yī)師的X射線暴露。

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Pelvic reduction robot:an experimental study*

XU Jiufeng1,HANWei2**,WANG Junqiang2,LIN Hong3,WANG Binbin4,FENG Yun5
(1.Departmentof Orthopedics,Beijing Yanqing County Hospital,Beijing 102100;2.Departmentof Orthopedicsand Traumatology, Jishuitan Hospital,Beijing 100035;3.M edical Robot Engineering Laboratory,Beijing 100192;4.Schoolof Biological Science and MedicalEngineering,Beihang University,Beijing100191;5.TinaviMedicalTechnologiesCompany Lim ited,Beijing100192,China)

ords:Pelvic;Robotics;Therapy;Computer-Assisted

2095-9958（2015）06-0 242-04

10.3969/j.issn.2095-9958.2015.03-011

北京積水潭醫(yī)院FRCS基金資助；北京市科技計(jì)劃課題支持（Z131100006413027）

**通信作者：韓巍，E-mail:hanweijst@hotmail.com