骨科機器人應用現(xiàn)狀與研究進展

蔡尚歡，宋永偉，曹向陽，范華雨

(1 河南中醫(yī)藥大學，河南洛陽471002；2 河南省洛陽正骨醫(yī)院)

近年來，隨著電子與計算機科學的迅速發(fā)展，在工業(yè)自動化領(lǐng)域中，機器人得到快速發(fā)展和廣泛應用。上世紀80年代，機器人開始引入外科領(lǐng)域輔助完成手術(shù)，已經(jīng)從早期基于工業(yè)化的機器人逐漸發(fā)展為專用的手術(shù)機器人。經(jīng)過幾十年的不斷改進、創(chuàng)新和發(fā)展，手術(shù)機器人已經(jīng)展現(xiàn)出其獨特的技術(shù)優(yōu)勢，不僅引起了手術(shù)方式的革命，還推動了精準微創(chuàng)醫(yī)療的發(fā)展。目前，手術(shù)機器人主要用于外科手術(shù)規(guī)劃模擬、微創(chuàng)精確定位操作、無損傷診斷與檢測以及新型手術(shù)醫(yī)學治療等方面。而骨科機器人是手術(shù)機器人領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。本文結(jié)合文獻就骨科機器人應用現(xiàn)狀與研究進展作一綜述。

1 骨科機器人起源

醫(yī)療機器人是集醫(yī)學、生物力學、機械學、機械力學、材料學、計算機圖形學、計算機視覺、數(shù)學分析、機器人等諸多學科為一體的新型交叉研究領(lǐng)域[1]。骨科機器人是醫(yī)療機器人領(lǐng)域的一個分支，起源于上世紀90年代初。1991年，全球第一個骨科機器人RoboDoc誕生，并于當年7月份完成臨床試驗，1992年輔助完成了第一例全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)。進入21世紀以來，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展、人口老齡化程度不斷加深以及交通規(guī)模擴張等多種因素的影響，骨科疾病已成為現(xiàn)代社會的常見病和多發(fā)病，需要手術(shù)治療的骨科疾病日益增多。由于人們對精準、微創(chuàng)治療需求日趨迫切，而傳統(tǒng)骨科手術(shù)已不能完全適應時代發(fā)展，臨床亟需新的治療理念、手段和設(shè)備來滿足治療骨科疾病的需求。骨科機器人能夠提供手術(shù)導航、規(guī)劃模擬及微創(chuàng)精準定位等功能，為臨床醫(yī)生的決策判斷和操作提供保障，有效提高靶點定位、精密微創(chuàng)和復雜手術(shù)的操作質(zhì)量，憑借其智能性、微創(chuàng)性、精準性，展現(xiàn)出了卓越的臨床應用價值。

2 骨科機器人應用現(xiàn)狀與研究進展

目前，骨科機器人在臨床上主要用于脊柱微創(chuàng)、關(guān)節(jié)置換以及創(chuàng)傷骨折等。

2.1 脊柱微創(chuàng)骨科機器人 脊柱是人體中復雜的運動系統(tǒng)，其解剖結(jié)構(gòu)復雜且毗鄰脊髓、椎動脈、靜脈叢等重要神經(jīng)或血管組織。傳統(tǒng)脊柱外科手術(shù)因施術(shù)者視野的局限，加之患者個體差異和體位變化等不確定因素，導致手術(shù)創(chuàng)傷較大、精準度較低、并發(fā)癥較多。微創(chuàng)脊柱外科手術(shù)非常依賴施術(shù)者技術(shù)和經(jīng)驗，而且存在操作疲勞和輻射難以避免。而脊柱微創(chuàng)骨科機器人能明顯縮短手術(shù)學習曲線，避免傳統(tǒng)脊柱外科手術(shù)和微創(chuàng)脊柱外科手術(shù)的不足。

脊柱微創(chuàng)骨科機器人是先進醫(yī)療技術(shù)與自動化技術(shù)的結(jié)合體。國外現(xiàn)今研究比較成熟的脊柱微創(chuàng)骨科機器人有以色列Mazor公司研制的Spine Assist/Renaissance和法國Medtech醫(yī)療公司研制的ROSA Spine，二者均通過歐洲CE和美國FDA雙重認證[2，3]。此外，處于研發(fā)改善階段的有韓國浦項工業(yè)大學研發(fā)的CORA、漢陽大學研發(fā)的SOINEBOT以及德國研發(fā)的VectorBot/Kinemedic/LWR系統(tǒng)等。

Renaissance是Spine Assist的升級版，主要用于脊柱外科手術(shù)中椎弓根螺釘手術(shù)和經(jīng)椎板關(guān)節(jié)突螺釘固定手術(shù)，Spine Assist/Renaissance對椎弓根螺釘置入的精準度較高，該機器人于2014年引入我國。翟驍?shù)萚4]運用Renaissance輔助椎弓根螺釘置入矯正脊柱側(cè)凸，共置入螺釘148枚，術(shù)后CT顯示置入準確率為95.3%，說明Renaissance對椎弓根螺釘置入具有較高的精準度。方國芳等[5]對Renaissance輔助治療胸腰椎骨折和脊柱畸形的安全性和準確性進行系統(tǒng)評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Renaissance組螺釘置入優(yōu)良率明顯高于傳統(tǒng)組，并且Renaissance輔助椎弓根穿刺椎體成形術(shù)中手術(shù)時間、射線暴露時間均明顯縮短。陳龍等[6]研究認為，機器人輔助置入椎弓根螺釘雖然較徒手置釘準確率更高、術(shù)中出血量更少，但并未明顯縮短手術(shù)時間。上述研究結(jié)果表明，脊柱微創(chuàng)骨科機器人在輔助手術(shù)方面具有精準性和安全性更高、手術(shù)時間更短、醫(yī)患輻射更少等優(yōu)勢。

國外早期的脊柱微創(chuàng)骨科機器人主要側(cè)重于提高椎弓根螺釘置入的精準性、減少血管神經(jīng)損傷和醫(yī)患輻射等，臨床應用較為成熟、規(guī)范，其未來的研究方向是遠程遙控、虛擬手術(shù)仿真、結(jié)合三維圖像建模等。國內(nèi)骨科機器人研究起步較晚，目前整體上仍處于起步階段。脊柱微創(chuàng)骨科機器人研究單位主要有北京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學、中國科學院沈陽自動化研究所、上海交通大學等，使用單位主要有北京積水潭醫(yī)院、第三軍醫(yī)大學新橋醫(yī)院、中國人民解放軍總醫(yī)院、洛陽正骨醫(yī)院等。中國科學院沈陽自動化研究所和第三軍醫(yī)大學新橋醫(yī)院聯(lián)合研制的脊柱微創(chuàng)骨科機器人及中國科學院深圳先進技術(shù)研究院等多家機構(gòu)合作研制的RSSS以及正在實驗階段的RSSS-Ⅱ[7]，這些脊柱微創(chuàng)骨科機器人在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平，但均未在臨床上大規(guī)模應用。北京積水潭醫(yī)院研制的天璣骨科機器人代表了我國該領(lǐng)域的頂尖水平，并突破了頸椎節(jié)段手術(shù)的限制，于2015年完成世界首例機器人輔助下頸椎手術(shù)[8]，其精準性已達到國際領(lǐng)先水平。

2.2 關(guān)節(jié)置換骨科機器人 關(guān)節(jié)置換骨科機器人主要用于初次人工關(guān)節(jié)置換術(shù)(TKA)、初次單髁膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(UKA)和初次人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(THA)。該機器人系統(tǒng)分為三類：主動式、半主動式和被動式。被動式骨科機器人的代表是計算機導航系統(tǒng)，并不具備術(shù)中操作功能。半主動式骨科機器人是在計算機模擬和規(guī)劃后，由術(shù)者通過觸覺反饋系統(tǒng)操控機械臂，在機器人規(guī)劃的范圍內(nèi)實現(xiàn)假體的精確安置，是目前關(guān)節(jié)外科所采用機器人的主流形式，比較成熟的有Acrobot、Navio PFS、MAKOplasty系統(tǒng)。主動式骨科手術(shù)機器人是根據(jù)術(shù)前規(guī)劃，由機器人指揮截骨、擴髓等操作，自主完成手術(shù)過程，是目前最先進的骨科機器人，以美國Integrated Surgical Systems公司開發(fā)的ROBODOC機器人及其新研制的T-Solution One?[9]、MBARS為代表[10]。但國內(nèi)該領(lǐng)域研發(fā)方面仍處于起步摸索階段。

2.2.1 膝關(guān)節(jié)置換骨科機器人 膝關(guān)節(jié)置換骨科機器人主要用于初次TKA和UKA患者，但國內(nèi)相關(guān)研究和應用較少。在膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中，精確的截骨、合適的假體選擇與下肢力線的重建以及良好的軟組織平衡是保證手術(shù)成功和遠期療效的重要因素。膝關(guān)節(jié)置換骨科機器人可以通過術(shù)前規(guī)劃構(gòu)建骨骼模型，精準計算假體大小、對線、截骨角度和截骨量。與傳統(tǒng)人工膝關(guān)節(jié)置換術(shù)比較，膝關(guān)節(jié)置換骨科機器人輔助下手術(shù)可使下肢力線與關(guān)節(jié)對位更契合正常生物力學表現(xiàn)。Dunbar等[11]通過對比膝關(guān)節(jié)置換術(shù)前后假體位置偏移距離，Bell等[12]通過直接測量假體與機械軸的夾角，均得出膝關(guān)節(jié)置換骨科機器人術(shù)后假體位置安放更精準的結(jié)論。Lonner等[13]采用Navio PFS輔助開展UKA，結(jié)果發(fā)現(xiàn)置入的假體位置精準，無旋轉(zhuǎn)、偏移，患者術(shù)后膝關(guān)節(jié)功能恢復良好。Liow等[14]對采用膝關(guān)節(jié)置換骨科機器人輔助下膝關(guān)節(jié)置換者隨訪2年發(fā)現(xiàn)，患者膝關(guān)節(jié)功能恢復較傳統(tǒng)人工膝關(guān)節(jié)置換效果更好，但由于樣本數(shù)量有限，尚需進一步驗證。以上研究表明，膝關(guān)節(jié)置換骨科機器人在膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中具有更精準的優(yōu)勢，但由于骨水泥技術(shù)、定位針移位等一些不可控因素，并不能保證下肢力線完美契合生物力學標準。由于膝關(guān)節(jié)置換骨科機器人臨床應用時間較短，現(xiàn)有病例數(shù)量有限，缺乏長期療效隨訪評價。

2.2.2 全髖關(guān)節(jié)置換骨科機器人 骨科機器人應用于初次THA已有20余年歷史，但以T-Solution One?為代表的新一代骨科機器人用于臨床尚不足10年。在全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中，良好的假體位置及合適的周圍軟組織平衡是術(shù)后假體穩(wěn)定的保證，還可延長假體壽命。全髖關(guān)節(jié)置換骨科機器人在THA中可以實現(xiàn)假體與骨皮質(zhì)的緊密相連和精準安置。Domb等[15]研究發(fā)現(xiàn)，全髖關(guān)節(jié)置換骨科機器人置入臼杯假體的準確率明顯高于傳統(tǒng)手術(shù)和導航輔助手術(shù)。Illgen等[16]研究發(fā)現(xiàn)，全髖關(guān)節(jié)置換骨科機器人輔助下行THA，可明顯降低術(shù)后2年內(nèi)假體脫位率。全髖關(guān)節(jié)置換骨科機器人在重建髖關(guān)節(jié)生物力學解剖精準性上更具潛力，但在假體周圍軟組織重建方面并無證據(jù)證實其更具有優(yōu)勢，在5年遠期隨訪髖關(guān)節(jié)功能恢復方面亦與傳統(tǒng)手術(shù)無明顯統(tǒng)計學差異。但近年Bukowski等[17]隨訪發(fā)現(xiàn)，全髖關(guān)節(jié)置換骨科機器人術(shù)后2年比傳統(tǒng)人工手術(shù)的UCLA髖關(guān)節(jié)評分和改良Harris髖關(guān)節(jié)評分更高，髖關(guān)節(jié)功能恢復更好。上述研究結(jié)果證實，全髖關(guān)節(jié)置換骨科機器人在THA中療效確切，并在某些方面更具優(yōu)勢。目前國內(nèi)全髖關(guān)節(jié)置換骨科機器人的研究尚處于探索階段。2016年中國人民解放軍總醫(yī)院、北京協(xié)和醫(yī)院、河南省人民醫(yī)院在國內(nèi)率先引入T-Solution One?機器人，并認為其在THA股骨側(cè)自動化處理中具有明顯優(yōu)勢[18]。

2.3 創(chuàng)傷骨科機器人 創(chuàng)傷骨科機器人按照其功能可分為定位機器人和復位機器人。定位機器人以精確定位、微創(chuàng)為特點，主要應用于髓內(nèi)釘內(nèi)固定術(shù)、股骨頸骨折空心螺釘內(nèi)固定術(shù)、骨盆髖臼損傷的微創(chuàng)螺釘內(nèi)固定術(shù)等。應用于臨床的有電磁導航髓內(nèi)釘遠端瞄準系統(tǒng)，該機器人系統(tǒng)能在術(shù)中顯示髓內(nèi)釘和瞄準器位置的三維動畫，可有效減少手術(shù)時間和射線暴露。在股骨頸骨折手術(shù)方面有我國自主研發(fā)的GD2000骨科機器人導航定位系統(tǒng)，與傳統(tǒng)徒手定位操作相比，GD2000骨科機器人導航定位系統(tǒng)能明顯降低手術(shù)時間、術(shù)中透視次數(shù)。大部分研究證實，創(chuàng)傷骨科機器人導航定位系統(tǒng)可以提高手術(shù)精準性、減少輻射傷害、減少術(shù)中損傷等[19，20]。在骨盆髖臼損傷方面，天璣骨科機器人輔助經(jīng)皮骶髂螺釘固定治療骨盆不穩(wěn)定性骨折亦取得了滿意的臨床療效[21，22]。

骨折復位機器人在國內(nèi)外發(fā)展都相對緩慢且大多尚未應用于臨床，主要原因是復位前后骨塊位置變化、復位阻力大以及術(shù)中可能造成額外損傷等，導致其研發(fā)難度較高。國外最新報道的骨折復位機器人有韓國基于力覺反饋的六自由度骨折機器人[23]、美國三腿并聯(lián)機器人[24]，國內(nèi)王軍強教授研制的輔助股骨干并聯(lián)機器人和主從式長骨骨折復位機器人，唐佩福團隊基于Stewart平臺的并聯(lián)機器人、串并聯(lián)長骨骨折復位機器人以及第四軍醫(yī)大學基于數(shù)字化主從控制的股骨干骨折復位機器人等[25，26]。骨折復位機器人經(jīng)歷了由工業(yè)化串聯(lián)機器人到并聯(lián)機器人再到串并混聯(lián)機器人的發(fā)展歷程，但大多停留在實驗設(shè)計、模擬骨骼或尸體等層面，尚無骨折復位機器人用于臨床。

3 骨科機器人存在的問題及發(fā)展方向

骨科機器人是推動精準、微創(chuàng)、智能化醫(yī)療發(fā)展的典范，但其并非完美無瑕，在臨床大規(guī)模推廣中仍存一定限制。①自身缺陷：相對于手術(shù)室的有限空間，其體積過于龐大，安裝調(diào)試時間長，且由于系統(tǒng)技術(shù)復雜，術(shù)中機械故障難以處理；②成本昂貴：由于專利保護、系統(tǒng)定期維護升級等原因，其設(shè)備購置費和維修費相當昂貴；③用途單一：大多骨科機器人只針對某一種類型的骨科手術(shù)或一些復雜手術(shù)中的一個步驟，功能單一。

盡管存在以上問題，但畢竟其發(fā)展時間較短，隨著醫(yī)學和科技的不斷進步，骨科機器人必將會適應手術(shù)外科發(fā)展方向。目前骨科機器人亟待解決的問題有靈巧耐用的硬件結(jié)構(gòu)、更加智能化和個性化的精準診療、遠程骨科手術(shù)開展、適應證多功能化等，未來發(fā)展方向應是與遙控操作、數(shù)字骨科、3D打印等技術(shù)的完美結(jié)合。

總之，骨科機器人以其微創(chuàng)、精準的特點為解剖和生物力學結(jié)構(gòu)復雜的骨科疾病提供了個性化、智能化、精準化治療方案，成為骨科臨床治療發(fā)展的一個重要方向。