基于骨科手術(shù)機(jī)器人定位系統(tǒng)的精準(zhǔn)微創(chuàng)內(nèi)固定治療股骨頸骨折

王軍強(qiáng) 張騰 吳新寶

股骨頸骨折是骨科常見損傷，約占全部骨折的3.6%，好發(fā)于老年骨質(zhì)疏松患者，多為低能量損傷，也可見于受到高能量損傷的青壯年人。

股骨頸骨折的手術(shù)治療方式多樣，其中空心拉力螺釘內(nèi)固定由于其微創(chuàng)、損傷小、固定可靠等優(yōu)勢(shì)成為治療年輕股骨頸骨折患者和老年無移位性股骨頸骨折患者的主要方式。目前常用的空心釘構(gòu)型為“▽”型，應(yīng)用時(shí)要求3枚空心釘平行分散，且盡可能貼近股骨頸骨皮質(zhì)和股骨頭軟骨下骨，以獲得良好的螺釘把持力，同時(shí)提供良好的生物力學(xué)穩(wěn)定性。此外，為了提供更好的穩(wěn)定性，還有學(xué)者研究4枚螺釘固定(3枚平行分散螺釘+1枚垂直骨折線螺釘)、雙平面雙支撐螺釘固定等構(gòu)型[1-2]。

傳統(tǒng)的空心釘徒手置入方法存在諸多缺點(diǎn)，如術(shù)者經(jīng)驗(yàn)不足時(shí)可能無法根據(jù)骨折類型做好術(shù)前螺釘位置規(guī)劃，鉆孔時(shí)手持不穩(wěn)難以控制導(dǎo)針方向，調(diào)整導(dǎo)針位置時(shí)反復(fù)鉆孔可能造成骨質(zhì)破壞，以及可能出現(xiàn)螺釘位置不良或穿出等，這些因素可能間接或直接造成骨折不愈合、股骨頭壞死和內(nèi)固定失效等術(shù)后并發(fā)癥，影響患者的功能預(yù)后[3]。同時(shí)，術(shù)中為確定導(dǎo)針及螺釘位置需多次透視，增加了術(shù)者和患者的放射線暴露。

隨著醫(yī)學(xué)影像、計(jì)算機(jī)、機(jī)器人等技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人輔助骨科手術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。應(yīng)用骨科手術(shù)機(jī)器人可以提高手術(shù)操作的精準(zhǔn)度和手術(shù)的治療效果，并減少X線輻射對(duì)術(shù)者和患者的損傷[4]，真正實(shí)現(xiàn)骨折的精準(zhǔn)化治療。

為了使骨科手術(shù)機(jī)器人在股骨頸骨折內(nèi)固定術(shù)中的應(yīng)用規(guī)范化，使骨科精準(zhǔn)治療技術(shù)惠及更多患者，現(xiàn)以“天璣”骨科手術(shù)機(jī)器人(TiRobot)為例闡述骨科手術(shù)機(jī)器人輔助下的股骨頸骨折空心釘內(nèi)固定術(shù)的技術(shù)要點(diǎn)，以促進(jìn)骨科手術(shù)機(jī)器人的臨床應(yīng)用。

一、骨科手術(shù)機(jī)器人簡(jiǎn)介

1．骨科手術(shù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)：骨科手術(shù)機(jī)器人定位系統(tǒng)通常由手術(shù)計(jì)劃和控制軟件、主機(jī)、機(jī)械臂、光學(xué)跟蹤系統(tǒng)、手術(shù)工具包和附件等多個(gè)部分組成。例如，TiRobot由主機(jī)、機(jī)械臂、手術(shù)計(jì)劃與控制軟件、光學(xué)跟蹤系統(tǒng)、主控臺(tái)車和導(dǎo)航定位工具包組成(圖1)。

圖1 TiRobot骨科手術(shù)機(jī)器人及其各部件名稱

2.骨科手術(shù)機(jī)器人的工作原理：與傳統(tǒng)外科手術(shù)一樣，機(jī)器人輔助骨科手術(shù)也是機(jī)器人的“眼-腦-手”協(xié)調(diào)工作的過程。這一過程與骨科醫(yī)生了解的常規(guī)傳統(tǒng)手術(shù)過程既有相似也有不同之處。(1)骨科手術(shù)機(jī)器人的“眼”——圖像獲取和識(shí)別系統(tǒng)：作為骨科臨床工作中最常用的診斷手段，骨科手術(shù)機(jī)器人的X線機(jī)和“C”型臂CT機(jī)可以在不暴露患者傷口的前提下為術(shù)者提供更多的患者信息。骨科手術(shù)機(jī)器人獲取這些數(shù)字化的圖像信息，可以指導(dǎo)術(shù)者更加準(zhǔn)確地實(shí)施骨科微創(chuàng)手術(shù)治療。術(shù)中 “C”型臂CT機(jī)獲取的影像數(shù)據(jù)可以提供患者更完整精確的三維信息，從而可以更好地服務(wù)于高精度骨科手術(shù)，但是，由于輻射劑量相對(duì)較大、術(shù)中位置較難擺放等原因，不如術(shù)中X線應(yīng)用廣泛。因此，對(duì)多模態(tài)影像的兼容能力，很大程度上決定了骨科手術(shù)機(jī)器人在不同手術(shù)適應(yīng)證中應(yīng)用的廣泛程度。為了更好地利用圖像信息，實(shí)現(xiàn)空間定位，一些定位標(biāo)記被置于骨科手術(shù)機(jī)器人的醫(yī)學(xué)影像獲取視野內(nèi)，從而可以使影像更明確。骨科手術(shù)機(jī)器人可以通過軟件識(shí)別算法，快速準(zhǔn)確地識(shí)別并定位標(biāo)記，為配準(zhǔn)做準(zhǔn)備。在傳統(tǒng)手術(shù)中術(shù)者的視力會(huì)影響手術(shù)的精準(zhǔn)度，同理，圖像的質(zhì)量在很大程度上影響機(jī)器人的配準(zhǔn)精確程度。因此，在獲取二維圖像方面，高精度低畸變的數(shù)字平板“C”型臂X線機(jī)較影像增強(qiáng)式“C”型臂X線機(jī)更適合骨科手術(shù)機(jī)器人。(2)骨科手術(shù)機(jī)器人的“腦”——手術(shù)設(shè)計(jì)與配準(zhǔn)系統(tǒng)：手術(shù)設(shè)計(jì)是骨科手術(shù)機(jī)器人的核心技術(shù)之一。精確的圖像在獲取后被上傳給骨科手術(shù)機(jī)器人的主機(jī)，術(shù)者可以利用醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行手術(shù)設(shè)計(jì)，并交由機(jī)器人完成空間位置配準(zhǔn)。通過人機(jī)交互界面，術(shù)者可以依據(jù)需求在術(shù)前或術(shù)中實(shí)現(xiàn)手術(shù)設(shè)計(jì)方案。依據(jù)所獲取圖像的不同，手術(shù)設(shè)計(jì)方式分為二維手術(shù)設(shè)計(jì)和三維手術(shù)設(shè)計(jì)。一般來說，通過骨科手術(shù)定位機(jī)器人進(jìn)行的螺釘通道規(guī)劃為二維手術(shù)設(shè)計(jì)，即在多幅圖像上定義螺釘?shù)娜朦c(diǎn)和止點(diǎn)。而通過關(guān)節(jié)手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行的手術(shù)設(shè)計(jì)則多為三維手術(shù)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)植入物關(guān)節(jié)面與骨面的良好貼合。配準(zhǔn)算法是骨科手術(shù)機(jī)器人的另一核心技術(shù)，其本質(zhì)是將術(shù)者在圖像上做的手術(shù)設(shè)計(jì)方案完整精確地呈現(xiàn)至現(xiàn)實(shí)的手術(shù)空間。由于所使用的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)不同，機(jī)器人的配準(zhǔn)方法也截然不同。在創(chuàng)傷骨科手術(shù)中常用的X線圖像的配準(zhǔn)方式為“C”型臂X線機(jī)標(biāo)定方法，原理是機(jī)器人通過特定結(jié)構(gòu)的標(biāo)記點(diǎn)，計(jì)算“C”型臂X線機(jī)的發(fā)射源，標(biāo)記點(diǎn)以及術(shù)者設(shè)計(jì)的螺釘入、止點(diǎn)之間的相對(duì)空間關(guān)系，并轉(zhuǎn)換為可識(shí)別的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，指導(dǎo)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。對(duì)于CT或“C”型臂CT機(jī)的影像數(shù)據(jù)，則需要進(jìn)行三維配準(zhǔn)來獲得機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。較為前沿的技術(shù)是采用X線影像與術(shù)前CT影像實(shí)現(xiàn)二維影像向三維影像配準(zhǔn)，既可保留大量的三維空間信息，也可最大程度地減少術(shù)中透視時(shí)間。但是，此項(xiàng)技術(shù)尚不成熟，近期尚不能投入至臨床應(yīng)用中。(3)骨科手術(shù)機(jī)器人的“手”——工具追蹤與導(dǎo)航系統(tǒng)：獲得運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)后，機(jī)器人可以將手術(shù)工具(如鉆頭、銑刀等)精確地放置于相應(yīng)的手術(shù)操作部位，這一過程稱為機(jī)器人導(dǎo)航。在理論上，機(jī)器人可以獲取自身位置信息，因此可以獨(dú)立完成導(dǎo)航定位。但是，現(xiàn)階段的骨科手術(shù)機(jī)器人的絕對(duì)定位精度難以滿足臨床手術(shù)的需求，需要另外的精確的外部設(shè)備對(duì)機(jī)器人導(dǎo)航進(jìn)行精度補(bǔ)償。光學(xué)捕捉系統(tǒng)是目前常見的精度補(bǔ)償設(shè)備，通過實(shí)時(shí)光學(xué)跟蹤指導(dǎo)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精度補(bǔ)償，可以將定位誤差從1～2 mm減小至1 mm以下，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)移位補(bǔ)償、呼吸補(bǔ)償?shù)戎匾墓δ?。需要注意的是，光學(xué)捕捉系統(tǒng)對(duì)捕捉視野有一定的要求，合理的機(jī)器人擺位可以較大程度地避免因手術(shù)工具被遮擋導(dǎo)致的跟蹤失敗。

為保障手術(shù)的安全性，骨科手術(shù)機(jī)器人在導(dǎo)航過程中具備最高權(quán)限的機(jī)械式緊急制動(dòng)功能，以保證在出現(xiàn)危險(xiǎn)的情況下機(jī)器人能夠立即停止工作，避免對(duì)患者造成傷害。另外，骨科手術(shù)機(jī)器人，尤其是骨科定位手術(shù)機(jī)器人，多為手術(shù)輔助設(shè)備，只為術(shù)者提供準(zhǔn)確安全的螺釘通道，而不實(shí)施自主鉆削操作。因此，骨科手術(shù)機(jī)器人在安全性和醫(yī)生認(rèn)同度方面均高于自動(dòng)切削式機(jī)器人。術(shù)者可通過唯一的鉆削通道進(jìn)行自主可控的螺釘植入操作，完成高精準(zhǔn)度高難度的骨科手術(shù)。

二、TiRobot輔助股骨頸骨折內(nèi)固定術(shù)的適應(yīng)證和禁忌證

1.適應(yīng)證：TiRobot輔助股骨頸骨折內(nèi)固定術(shù)適用于移位小或可閉合復(fù)位的股骨頸骨折。

2.禁忌證：(1)因硬件因素或患者因素造成所采集的圖像不清晰，無法實(shí)施安全的手術(shù)規(guī)劃。(2)無法使用空心釘技術(shù)完成有效固定的股骨頸骨折。(3)機(jī)器人規(guī)劃的手術(shù)路徑可能無法避開重要組織，如血管、神經(jīng)等。(4)機(jī)械臂無法移動(dòng)到規(guī)劃部位，例如術(shù)中多名醫(yī)生協(xié)同完成復(fù)位時(shí)對(duì)示蹤器產(chǎn)生遮擋，或由于患者體位和手術(shù)床位置等因素使機(jī)械臂無法移動(dòng)至規(guī)劃部位。 (5)示蹤器無法得到有效固定，如患者骨質(zhì)疏松較嚴(yán)重，或因呼吸幅度較大而需要多名醫(yī)生協(xié)同完成復(fù)位并維持復(fù)位等。 (6)通過術(shù)前規(guī)劃確定導(dǎo)針與骨面成角過小，無法完成入點(diǎn)的固定，或產(chǎn)生無法避免的誤差。

三、TiRobot輔助股骨頸骨折內(nèi)固定術(shù)的操作規(guī)范與流程

1.術(shù)前準(zhǔn)備：行椎管內(nèi)麻醉后置患者于牽引床，將患肢沿身體長(zhǎng)軸方向牽引，健側(cè)下肢成角度打開。

2.復(fù)位骨折：采用透視下牽引閉合復(fù)位或有限切開復(fù)位等方法，盡可能使骨折處恢復(fù)正常解剖結(jié)構(gòu)，并建立空心釘內(nèi)固定的骨性通道。

3.準(zhǔn)備機(jī)器人：常規(guī)消毒鋪巾，同時(shí)擺放機(jī)器人各部件及“C”型臂X線機(jī)至適當(dāng)位置，確保機(jī)械臂工作空間可達(dá)手術(shù)區(qū)域。將光學(xué)跟蹤相機(jī)置于患者足端，移動(dòng)式“C”型臂X線機(jī)置于術(shù)者對(duì)側(cè)。

4.采集和配準(zhǔn)圖像：于患者患肢髂前上棘安裝患者示蹤器，同時(shí)組裝并固定機(jī)器人示蹤器和無菌保護(hù)套，建立術(shù)中機(jī)械臂無菌工作環(huán)境。應(yīng)用“C”型臂X線機(jī)獲取包含機(jī)器人定位標(biāo)記點(diǎn)的術(shù)中透視影像，并將其傳輸至主機(jī)工作站用于配準(zhǔn)運(yùn)算。 (1)對(duì)創(chuàng)傷骨盆螺釘通道術(shù)中圖像的要求：①完整清晰顯示螺釘骨性通道。②盡可能使正、側(cè)位平面透視圖像相互垂直，以利于計(jì)算機(jī)構(gòu)建三維空間關(guān)系。③定位標(biāo)尺均于圖像內(nèi)且不能相互重疊。 (2)對(duì)計(jì)算機(jī)導(dǎo)航圖像的要求：股骨頸骨折螺釘內(nèi)固定術(shù)中攝股骨頸螺釘通道正位和側(cè)位像。 (3)透視圖像識(shí)別要點(diǎn)：①攝股骨頸螺釘通道正位像時(shí)，使患者取仰臥位，將透視影像增強(qiáng)器垂直于患者冠狀面，完整顯示股骨外側(cè)骨皮質(zhì)至股骨頭全長(zhǎng)。見圖2、3。②攝股骨頸通道側(cè)位像時(shí)，使患者取仰臥位，將透視影像增強(qiáng)器垂直于股骨頸螺釘通道平面，完整顯示股骨外側(cè)骨皮質(zhì)至股骨頭全長(zhǎng)。見圖4、5。

5.規(guī)劃手術(shù)路徑：根據(jù)術(shù)中采集的圖像，基于典型標(biāo)識(shí)點(diǎn)和骨性標(biāo)志結(jié)構(gòu)，在主控系統(tǒng)規(guī)劃軟件上進(jìn)行螺釘路徑規(guī)劃。通過股骨頸置釘通道正位和側(cè)位雙平面像確認(rèn)股骨頸螺釘通道的路徑。進(jìn)行手術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮手術(shù)安全性及螺釘?shù)淖罴蚜W(xué)分布。通過股骨頸螺釘正位像確認(rèn)螺釘在股骨頸上方皮質(zhì)與股骨矩下的骨性邊界以及螺釘與骨折線的關(guān)系；通過股骨頸螺釘側(cè)位像確認(rèn)股骨頸骨皮質(zhì)內(nèi)外邊界以及螺釘與股骨頸前傾角的關(guān)系，最后根據(jù)尖頂距調(diào)整螺釘長(zhǎng)度。見圖6、7。

6.運(yùn)行機(jī)械臂：通過規(guī)劃軟件中的機(jī)械臂姿態(tài)模擬模塊模擬機(jī)械臂的運(yùn)行姿態(tài)，確認(rèn)機(jī)械臂位姿適合后續(xù)操作，由主控系統(tǒng)控制和監(jiān)督機(jī)械臂沿規(guī)劃路徑運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置。在機(jī)械臂末端安裝定位套筒。定位套筒的擺放原則包括：(1)使定位套筒始終在清潔區(qū)域運(yùn)動(dòng)，并預(yù)留足夠的運(yùn)行空間；(2)預(yù)留術(shù)者植入導(dǎo)針的操作空間；(3)保證定位套筒與患者視蹤器可以被光學(xué)跟蹤器實(shí)時(shí)追蹤，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)操作精準(zhǔn)度。

7．置入螺釘：在入釘點(diǎn)做2 cm小切口。鈍性分離皮下組織，將套筒尖端抵至入釘點(diǎn)骨皮質(zhì)。通過規(guī)劃軟件確認(rèn)入

圖2 股骨頸正位X線像 圖3 股骨頸正位CT三維重建像 圖4 股骨頸側(cè)位X線像 圖5 股骨頸側(cè)位CT三維重建像

釘點(diǎn)和虛擬探針方向是否與規(guī)劃相符，如軟件顯示其與規(guī)劃路徑有明顯偏差，可以使機(jī)器人對(duì)手術(shù)路徑進(jìn)行微調(diào)。在定位套筒抵達(dá)骨面后通過透視對(duì)其正、側(cè)位像進(jìn)行驗(yàn)證，以確保預(yù)置入路徑與規(guī)劃路徑相符。確認(rèn)路徑精準(zhǔn)后，在透視監(jiān)控下經(jīng)過套筒向骨性通道內(nèi)鉆入導(dǎo)針。見圖8、9。

8.通過透視驗(yàn)證置釘路徑：通過透視確認(rèn)導(dǎo)針位置準(zhǔn)確后擰入空心螺釘，最后確認(rèn)空心螺釘位置良好后撤出導(dǎo)針，沖洗切口后縫合。

四、TiRobot輔助股骨頸骨折內(nèi)固定術(shù)的注意事項(xiàng)

1.對(duì)術(shù)者的要求：掌握股骨頸骨折切開復(fù)位手術(shù)技術(shù)，在機(jī)器人出現(xiàn)故障時(shí)不局限于機(jī)器人輔助，可以繼續(xù)完成手術(shù)。具體要求有如下4個(gè)方面：(1)熟練掌握股骨頸骨折閉合復(fù)位內(nèi)固定技術(shù)，可以較好地操作并完成手術(shù)規(guī)劃。 (2)熟悉機(jī)器人工作的基本原理，可以正確操作并完成機(jī)器人的圖像采集。 (3)術(shù)中密切關(guān)注示蹤器的位置，盡可能減少任何因素對(duì)示蹤器的干擾，以便減少誤差。 (4)在置入導(dǎo)向器和導(dǎo)針時(shí)，盡可能減少局部創(chuàng)傷，同時(shí)避免各種因素如皮膚、筋膜和肌肉組織等對(duì)所規(guī)劃螺釘置入方向的影響。

2.圖像采集過程中的注意事項(xiàng)： (1)圖像包含術(shù)區(qū)全部骨性結(jié)構(gòu)及解剖要素，骨性通道連續(xù)且完整。 (2)機(jī)器人定位及配準(zhǔn)組件清晰呈現(xiàn)于透視圖像中。 (3)導(dǎo)航相機(jī)同時(shí)識(shí)別并捕捉患者示蹤器及機(jī)器人示蹤器的空間位置信息。 (4)按照術(shù)式所需的圖像組合依次采集，明確規(guī)劃位圖像及驗(yàn)證位圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.防止發(fā)生圖像漂移：螺釘置入的準(zhǔn)確性依賴于圖像與手術(shù)部位空間位置的相對(duì)固定。術(shù)中過度牽拉導(dǎo)致手術(shù)部位空間位置變化，患者示蹤器與手術(shù)部位發(fā)生相對(duì)位移以及示蹤器與紅外線光學(xué)跟蹤器之間傳輸路徑被干擾等因素均可造成圖像與手術(shù)部位不符，這種情況稱為圖像漂移。術(shù)者在術(shù)中應(yīng)具備判斷圖像是否發(fā)生漂移的能力并進(jìn)行驗(yàn)證，如發(fā)生不可糾正的圖像漂移則須重新采集圖像。

4.復(fù)核手術(shù)路徑： (1)在使用骨科手術(shù)機(jī)器人定位系統(tǒng)輔助完成手術(shù)的過程中，操作者應(yīng)該始終監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行。當(dāng)機(jī)器人出現(xiàn)非預(yù)期的運(yùn)動(dòng)、設(shè)備故障等情況時(shí)，應(yīng)立即停止設(shè)備的運(yùn)行，將所有與患者接觸的部件移除后進(jìn)行相應(yīng)處理。 (2)使用“C”型臂X線機(jī)對(duì)植入物置入過程進(jìn)行監(jiān)視，經(jīng)透視確認(rèn)螺釘置入無誤后結(jié)束手術(shù)。

5.對(duì)手術(shù)間的要求： (1)手術(shù)室面積>30 m2，具有良好的供電及安全條件。 (2)配套使用的手術(shù)臺(tái)應(yīng)滿足患者體位和圖像采集的要求。

6.骨科手術(shù)機(jī)器人的維護(hù)： (1)嚴(yán)格按照使用說明書操作，禁止未經(jīng)培訓(xùn)人員使用手術(shù)設(shè)備。 (2)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)包含精密部件，其運(yùn)輸和儲(chǔ)存應(yīng)嚴(yán)格遵照使用說明書。 (3)按照使用說明書對(duì)手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行定期維護(hù)和校準(zhǔn)。 (4)使用過程中保證供電電壓穩(wěn)定，并對(duì)手術(shù)間定期進(jìn)行用電安全檢查。 (5)當(dāng)進(jìn)行熏蒸消毒時(shí)，將機(jī)器人推出熏蒸房間，以免機(jī)器人的電路板及元件受到腐蝕或損壞。 (6)對(duì)機(jī)器人防塵并經(jīng)常進(jìn)行擦拭除塵。(7)當(dāng)手術(shù)機(jī)器人長(zhǎng)期閑置不用時(shí)應(yīng)除濕防潮。特別是在潮濕地區(qū)，應(yīng)每周至少除濕1次，每次2～3 h。

圖6 螺釘通道的正位規(guī)劃 圖7 螺釘通道的側(cè)位規(guī)劃

圖8 通過正位像驗(yàn)證定位套筒和導(dǎo)針的位置和方向

圖9 通過側(cè)位像驗(yàn)證定位套筒和導(dǎo)針的位置和方向