骨科手術(shù)機(jī)器人臨床應(yīng)用綜述

張 成，李 超，韓向東，高武長

（淄博市第七人民醫(yī)院足踝外科，山東淄博 255000）

0 引言

隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)器人輔助手術(shù)治療已逐步在臨床應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)臨床疾病微創(chuàng)、精準(zhǔn)、個(gè)性化治療提供了一個(gè)新的研究方向。臨床上使用的第一個(gè)外科機(jī)器人是PUMA200，由美國賓夕法尼亞州匹茲堡西屋電氣公司制造[1]。骨科手術(shù)機(jī)器人是機(jī)器人臨床應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)分支，起源于20 世紀(jì)90 年代初[2]。1991 年全球第一個(gè)骨科機(jī)器人RoboDoc 誕生，并于同年7 月份完成臨床試驗(yàn)[3]。1992 年美國ISS 公司研發(fā)、生產(chǎn)的ROBODOC 骨科手術(shù)機(jī)器人最早應(yīng)用于關(guān)節(jié)置換手術(shù)[4]。2017 年，我國自主研發(fā)設(shè)計(jì)的“天璣”骨科手術(shù)機(jī)器人成功完成了世界首例骨科手術(shù)機(jī)器人導(dǎo)航的胸腰段骨折手術(shù)、寰樞椎經(jīng)關(guān)節(jié)突內(nèi)固定手術(shù)，其是一款通用骨科導(dǎo)航機(jī)器人[4]。

骨科手術(shù)機(jī)器人是一種集醫(yī)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)制造、電子信息工程及生物力學(xué)等多學(xué)科、多領(lǐng)域?yàn)橐惑w的新型醫(yī)療器械，主要包括機(jī)械系統(tǒng)、影像系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3 個(gè)部分[5]。其臨床應(yīng)用仍處于起步階段，目前尚未得到普及，術(shù)后臨床療效還有待長期隨訪進(jìn)一步觀察。本文主要對骨科手術(shù)機(jī)器人在骨折復(fù)位、關(guān)節(jié)置換、骨盆髖臼骨折、股骨頸骨折以及脊柱椎弓根螺釘置入中的應(yīng)用情況進(jìn)行綜述。

1 骨科手術(shù)機(jī)器人在骨折復(fù)位中的應(yīng)用

骨折復(fù)位的原則是對骨折塊進(jìn)行重新定位和排列，以盡可能實(shí)現(xiàn)解剖復(fù)位，使機(jī)體恢復(fù)術(shù)前功能活動(dòng)。受限于C 臂的視野，傳統(tǒng)骨折復(fù)位的術(shù)后療效主要取決于外科醫(yī)生的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。而不恰當(dāng)?shù)膹?fù)位會(huì)導(dǎo)致骨折畸形愈合和骨不連等并發(fā)癥的發(fā)生。骨折復(fù)位導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)解決了上述問題，利用該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的骨折復(fù)位，解剖關(guān)系及力線恢復(fù)更好，可減少常規(guī)復(fù)位手術(shù)骨折部位畸形愈合等相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生[6]。

徐九峰等[7]報(bào)道分別由創(chuàng)傷骨科實(shí)習(xí)醫(yī)師和創(chuàng)傷骨科主任醫(yī)師采用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)對骨盆骨折模型進(jìn)行了10 次復(fù)位操作，全部達(dá)到了理想復(fù)位的要求，初步證實(shí)了骨折復(fù)位手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)對骨盆骨折復(fù)位的精度及可用性。韓巍等[8]研究中對8 例股骨干骨折模型進(jìn)行了機(jī)器人輔助復(fù)位，采用C 臂透視二維圖像進(jìn)行復(fù)位軌跡規(guī)劃，證實(shí)機(jī)器人復(fù)位精度能夠滿足臨床要求，可有效維持復(fù)位狀態(tài)。Dagnino 等[9]指出基于新的導(dǎo)航系統(tǒng)可以對下肢關(guān)節(jié)內(nèi)骨折進(jìn)行模擬復(fù)位，并且通過模擬復(fù)位手術(shù)機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)復(fù)位，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)骨折復(fù)位精度為1 mm 和1.5°，可以滿足股骨遠(yuǎn)端骨折復(fù)位的臨床要求。Wang 等[10]研究中利用并聯(lián)機(jī)器人PMR 對8 個(gè)人工股骨干骨折模型和一個(gè)尸體模型進(jìn)行了骨折復(fù)位操作（具體操作情況如圖1 所示），經(jīng)過調(diào)整后軸向偏差為（0.63±0.19）mm，橫向平移偏差為（0.75±0.26）mm。

圖1 并聯(lián)機(jī)器人PMR 對股骨干骨折進(jìn)行復(fù)位操作[10]

骨折復(fù)位手術(shù)機(jī)器人輔助骨折復(fù)位是一種可行、準(zhǔn)確的復(fù)位方法，操作更加微創(chuàng)，可以減少術(shù)者人工牽拉復(fù)位體力的消耗，能最大限度地減少患者和醫(yī)務(wù)人員的X 射線輻射。但目前骨科手術(shù)機(jī)器人在骨折復(fù)位中的臨床應(yīng)用仍處于摸索、探討、試驗(yàn)階段，發(fā)展相對緩慢，距離臨床廣泛推廣使用仍有一定的差距，現(xiàn)有臨床報(bào)道較少，尤其是對于復(fù)雜粉碎性骨折的復(fù)位處理比較棘手，需要進(jìn)一步研究?；颊叩陌踩院蜋C(jī)器人的性能是制約骨折復(fù)位機(jī)器人發(fā)展的重要指標(biāo)[11]。未來骨折復(fù)位機(jī)器人可向多模態(tài)示蹤導(dǎo)航系統(tǒng)、控制單元與執(zhí)行單元分開等方向發(fā)展改進(jìn)[12]。

2 骨科手術(shù)機(jī)器人在關(guān)節(jié)置換中的應(yīng)用

關(guān)節(jié)置換是治療嚴(yán)重關(guān)節(jié)炎的常用方法，假體對位、對線不良可能導(dǎo)致術(shù)后療效不佳。關(guān)節(jié)置換假體松動(dòng)的常見原因?yàn)檩S向偏差和假體位置放置不當(dāng)。為提高治療的精準(zhǔn)性，骨科手術(shù)機(jī)器人被用來協(xié)助外科醫(yī)生進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃設(shè)計(jì)和術(shù)中操作。目前，機(jī)器人輔助全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)在歐洲已得到廣泛應(yīng)用[13]。在關(guān)節(jié)置換截骨過程中，與人工截骨相比，機(jī)器人輔助截骨術(shù)的效果更好。

崔可賾等[14]回顧性分析了采用MAKO 機(jī)器人輔助下通過后外側(cè)入路進(jìn)行人工髖關(guān)節(jié)置換的26 例患者資料，手術(shù)平均時(shí)間為（87.0±16.1）min，顯性出血平均為（336±246）mL，置換后 3 個(gè)月髖關(guān)節(jié) Harris評(píng)分為（92.1±4.7）分，其中MAKO 機(jī)器人輔助全髖關(guān)節(jié)置換過程如圖2 所示。孫長鮫等[15]指出半主動(dòng)機(jī)器人會(huì)改善髖臼假體的定位，降低下肢不等長的發(fā)生率，能夠更好地恢復(fù)髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心。侯毅等[16]研究中使用主動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)對5 例股骨頭壞死患者成功實(shí)施全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，術(shù)后復(fù)查X 射線片示假體位置良好、雙下肢等長，隨訪期間無并發(fā)癥發(fā)生。Siebert等[17]研究中對70 例特發(fā)性膝關(guān)節(jié)炎患者使用骨科手術(shù)機(jī)器人輔助技術(shù)成功實(shí)施全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)，沒有觀察到與使用機(jī)器人系統(tǒng)有關(guān)的重大不良事件發(fā)生。Martelli 等[18]指出使用機(jī)器人輔助全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)可以將假體放置的精度提高2.5 mm 和2°，減少了手術(shù)時(shí)間和手術(shù)失誤。王俏杰等[19]報(bào)道在機(jī)器人輔助下對20 例患者進(jìn)行膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)，末次隨訪時(shí)，患側(cè)膝關(guān)節(jié)的美國膝關(guān)節(jié)協(xié)會(huì)評(píng)分臨床評(píng)分由術(shù)前的（57±13）分提高至（90±6）分，功能評(píng)分由術(shù)前的（48±18）分提高至（79±12）分。骨科手術(shù)機(jī)器人應(yīng)用于關(guān)節(jié)置換術(shù)中效果顯著，大大提高了假體放置精度，可以獲得更優(yōu)的假體重建結(jié)果。

圖2 MAKO 機(jī)器人手臂輔助全髖關(guān)節(jié)置換[14]

3 骨科手術(shù)機(jī)器人在骨盆髖臼骨折中的應(yīng)用

骨盆髖臼骨折是一種常見的骨折，占全身骨折的3%，多由高能損傷引起，具有較高死亡率和致殘率[20]。髖臼骨折手術(shù)治療的目的是恢復(fù)骨盆環(huán)和髖臼解剖結(jié)構(gòu)的對稱性和穩(wěn)定性。常用的手術(shù)治療方式為切開復(fù)位內(nèi)固定，但切開手術(shù)存在創(chuàng)傷大、出血多、感染風(fēng)險(xiǎn)高等問題。隨著微創(chuàng)技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)皮拉力螺釘技術(shù)在骨盆和髖臼骨折的臨床治療中得到了應(yīng)用，并被證明是安全有效的，臨床治療效果顯著。傳統(tǒng)透視下螺釘置入術(shù)容易造成螺釘錯(cuò)位，甚至微小的角度變化都可能導(dǎo)致螺釘穿出和神經(jīng)血管損傷。機(jī)器人輔助骨盆髖臼骨折手術(shù)可以通過術(shù)前成像、術(shù)中實(shí)時(shí)跟蹤、機(jī)械手臂輔助等方式確保螺釘放置位置與術(shù)前規(guī)劃一致[20]。

劉華水等[21]報(bào)道中利用第三代骨科手術(shù)機(jī)器人TiRobot 系統(tǒng)對16 例不穩(wěn)定骨盆骨折患者行機(jī)器人輔助經(jīng)皮空心螺釘內(nèi)固定骨盆前、后環(huán)手術(shù)（機(jī)器人輔助路徑規(guī)劃情況如圖3 所示），無一枚螺釘穿出骨皮質(zhì)，未出現(xiàn)醫(yī)源性血管、神經(jīng)及臟器損傷。龍濤等[22]研究中在機(jī)器人輔助下對11 例骨盆后環(huán)骨折或骶髂分離患者進(jìn)行了經(jīng)皮骶髂關(guān)節(jié)螺釘?shù)墓潭?，共置入骶髂關(guān)節(jié)螺釘15 枚，末次隨訪時(shí)采用Majeed 骨盆骨折量化評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行功能評(píng)價(jià)，結(jié)果優(yōu)8 例、良3 例。洪石等[23]研究中對15 例新鮮閉合性骨盆與髖臼骨折患者在骨科機(jī)器人輔助下行各通道經(jīng)皮螺釘內(nèi)固定術(shù)，術(shù)后CT 驗(yàn)證無螺釘切出骨皮質(zhì)，螺釘位置優(yōu)良率為100%。劉華水等[24]分析了臨床上骨科手術(shù)機(jī)器人輔助微創(chuàng)治療骨盆環(huán)損傷患者108 例，機(jī)器人輔助共置入螺釘344 枚，其中326 枚一次置釘成功且位置滿意。Liu 等[25]研究中指出對24 例不穩(wěn)定前后骨盆環(huán)損傷患者采用骨科手術(shù)機(jī)器人TiRobot 系統(tǒng)輔助經(jīng)皮空心螺釘固定（TiRobot 組），并與21 例接受傳統(tǒng)手術(shù)治療的患者（常規(guī)組）進(jìn)行了對比，TiRobot 組手術(shù)時(shí)間、透視頻率、術(shù)中出血量、鉆孔總次數(shù)明顯低于常規(guī)組（P<0.05）。Du 等[26]報(bào)道采用國產(chǎn)第三代Ti 機(jī)器人系統(tǒng)治療17 例不穩(wěn)定前后骨盆環(huán)骨折患者，末次隨訪Majeed 評(píng)分85～98 分，優(yōu)17例。綜上所述，機(jī)器人輔助手術(shù)為骨盆環(huán)損傷的微創(chuàng)治療提供了一種新的方法，降低了骨盆髖臼骨折經(jīng)皮螺釘置入的操作難度，一次性螺釘置入成功率高，臨床效果滿意。

圖3 機(jī)器人輔助下經(jīng)皮空心螺釘固定骶髂關(guān)節(jié)[21]

4 骨科手術(shù)機(jī)器人在股骨頸骨折中的應(yīng)用

股骨頸骨折是骨科最常見的骨折之一，約占骨折總數(shù)的3.6%，多見于老年骨質(zhì)疏松癥患者，多為低能量損傷[27]。治療股骨頸骨折有多種手術(shù)方法，其中經(jīng)皮空心螺釘內(nèi)固定治療股骨頸骨折具有創(chuàng)傷小、出血少、固定牢固等特點(diǎn)，受到骨科醫(yī)生的青睞。然而傳統(tǒng)的徒手螺釘置入受諸多因素的限制，螺釘錯(cuò)位率很高，直接導(dǎo)致其生物力學(xué)穩(wěn)定性降低，甚至?xí)霈F(xiàn)血管損傷導(dǎo)致股骨頭缺血性壞死。此外，過度鉆孔會(huì)損傷松質(zhì)骨，影響螺釘?shù)陌殉至?，從而降低?nèi)固定的穩(wěn)定性，增大失敗的風(fēng)險(xiǎn)。骨科手術(shù)機(jī)器人輔助股骨頸骨折可以實(shí)現(xiàn)術(shù)前螺釘置入軌跡的規(guī)劃，提供更為微創(chuàng)和精準(zhǔn)的手術(shù)治療。

劉奎民等[28]回顧性分析了使用“天璣”骨科手術(shù)機(jī)器人定位空心釘內(nèi)固定治療120 例股骨頸骨折患者和傳統(tǒng)手術(shù)的120 例股骨頸骨折患者的資料，指出運(yùn)用“天璣”骨科手術(shù)機(jī)器人治療股骨頸骨折具有手術(shù)時(shí)間、術(shù)后住院時(shí)間及總住院時(shí)間短，住院總費(fèi)用、藥物治療費(fèi)用低，直接疾病經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)輕等優(yōu)勢。雷春湘等[29]收集21 例行機(jī)器人定位下空心釘內(nèi)固定術(shù)的股骨頸骨折患者資料，證實(shí)機(jī)器人輔助下定位準(zhǔn)確，術(shù)中出血量更少，值得臨床推薦。Song 等[30]報(bào)道中指出使用雙平面機(jī)器人輔助股骨頸骨折內(nèi)固定手術(shù)治療過程中，螺釘置入三維軌跡重建的入點(diǎn)、出點(diǎn)和角度誤差分別為（1.23±0.39）mm、（1.49±0.49）mm和（0.33±0.23）°。Wu 等[27]以骨科手術(shù)機(jī)器人TiRobot 系統(tǒng)為例，闡述了機(jī)器人輔助經(jīng)皮空心螺釘內(nèi)固定治療股骨頸骨折的技術(shù)要點(diǎn)，具體術(shù)前設(shè)計(jì)與術(shù)中實(shí)際操作對比情況如圖4 所示。綜上所述，機(jī)器人輔助經(jīng)皮空心螺釘內(nèi)固定治療股骨頸骨折可以大大降低X 射線輻射劑量和內(nèi)固定失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 機(jī)器人輔助經(jīng)皮空心螺釘內(nèi)固定治療股骨頸骨折具體術(shù)前設(shè)計(jì)與術(shù)中實(shí)際操作對比[27]

5 骨科手術(shù)機(jī)器人在脊柱椎弓根螺釘置入中的應(yīng)用

椎弓根螺釘固定術(shù)是脊柱外科常用的內(nèi)固定技術(shù)，也是一種可以對脊柱側(cè)凸畸形進(jìn)行三維矯正的強(qiáng)有力技術(shù)。盡管很少發(fā)生，但椎弓根螺釘錯(cuò)位可導(dǎo)致災(zāi)難性的神經(jīng)損傷。為了解決由于螺釘位置錯(cuò)誤而引起的潛在的神經(jīng)血管并發(fā)癥，出現(xiàn)了多種新方法來提高椎弓根螺釘置入的準(zhǔn)確性，骨科手術(shù)機(jī)器人也是其中之一。機(jī)器人輔助椎弓根螺釘置入術(shù)是一種較新的技術(shù)，準(zhǔn)確率為92.8%～97.9%[31]，可以提高椎弓根螺釘置入的準(zhǔn)確性和安全性。

叢琳等[32]報(bào)道了機(jī)器人輔助皮下經(jīng)肌間置釘技術(shù)微創(chuàng)治療青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸畸形病例，完全實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)微創(chuàng)矯正側(cè)凸畸形的目的。楊睿等[33]報(bào)道胸腰椎椎弓根螺釘內(nèi)固定的88 例患者中有45 例為機(jī)器人輔助置釘，43 例為傳統(tǒng)徒手置釘，機(jī)器人輔助置釘?shù)男Ч麅?yōu)于傳統(tǒng)徒手置釘，2 組在置釘準(zhǔn)確性和術(shù)中接受的放射劑量方面差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）（術(shù)中大體操作情況如圖5 所示）。翟功偉等[34]研究中將31 例脊柱側(cè)凸患者隨機(jī)分為脊柱機(jī)器人輔助后路椎弓根螺釘內(nèi)固定矯形組和傳統(tǒng)后路椎弓根螺釘內(nèi)固定矯形組，結(jié)果顯示前者置釘準(zhǔn)確率（95.3%）高于后者（85.1%）（P＜0.05），術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率（18.8%）與后者（13.3%）比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。Shaw 等[31]研究中采用機(jī)器人輔助后路脊柱融合椎弓根螺釘固定術(shù)治療了49 例青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸患者，共置入椎弓根螺釘844 枚，總體置釘準(zhǔn)確率為97%。Macke 等[35]報(bào)道中采用機(jī)器人輔助椎弓根螺釘置入治療了50 例兒童青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸患者，機(jī)器人輔助螺釘置入的錯(cuò)位率低于傳統(tǒng)（非機(jī)器人輔助）手術(shù)。綜上所述，機(jī)器人輔助椎弓根螺釘置入術(shù)是一種安全、有效的治療方法，降低了因椎弓根螺釘置入不當(dāng)而導(dǎo)致的相關(guān)神經(jīng)血管損傷并發(fā)癥的發(fā)生。

圖5 術(shù)中機(jī)器人置釘操作[33]

6 結(jié)語

從最初的CT 導(dǎo)航、2D 透視導(dǎo)航、3D 透視導(dǎo)航到無圖像導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航以及超聲導(dǎo)航，骨科手術(shù)機(jī)器人不斷發(fā)展完善，實(shí)現(xiàn)了術(shù)前仿真規(guī)劃、術(shù)中實(shí)時(shí)監(jiān)控、術(shù)后追蹤觀察等全程可控性操作[36]。骨科手術(shù)機(jī)器人通過細(xì)致的術(shù)前規(guī)劃設(shè)計(jì)能夠取得良好的術(shù)后治療療效。因此骨科手術(shù)機(jī)器人臨床應(yīng)用具有許多優(yōu)勢，如操作微創(chuàng)，對患者機(jī)體損傷小，能夠?qū)崿F(xiàn)快速康復(fù)，縮短住院時(shí)間；由于良好的術(shù)前規(guī)劃設(shè)計(jì)，術(shù)中定位準(zhǔn)確，可以大大縮短手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中透視次數(shù)，降低X 射線輻射量；在較短時(shí)間內(nèi)精準(zhǔn)高效完成手術(shù)，可以降低感染、神經(jīng)血管損傷等相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生率；智能化操作可以使許多高難度手術(shù)操作簡單化，能夠減少術(shù)中操作者的體力消耗；可以開展臨床遠(yuǎn)程手術(shù)，實(shí)現(xiàn)遙控操作等，有利于解決醫(yī)療人員分布不均衡的問題。當(dāng)然也存在一定的不足，比如骨科手術(shù)機(jī)器人價(jià)格昂貴，手術(shù)成本相對較高；體積較大，占用手術(shù)室大量空間，會(huì)影響術(shù)中操作；安裝不穩(wěn)定，影響術(shù)中精準(zhǔn)定位；操作靈活度不夠，略顯笨重等。未來骨科手術(shù)機(jī)器人發(fā)展應(yīng)與人工智能技術(shù)、混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及納米技術(shù)等相結(jié)合。人工智能技術(shù)能夠模仿醫(yī)生思維，通過大數(shù)據(jù)分析，使骨科手術(shù)機(jī)器人臨床操作精準(zhǔn)度更高。混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)可將患者虛擬數(shù)字模型與患者病變部位完全重疊在一起，轉(zhuǎn)化為高維度“透視”手術(shù)區(qū)域，進(jìn)一步提高骨科手術(shù)機(jī)器人的準(zhǔn)確性和安全性[5]。納米技術(shù)的應(yīng)用可以生產(chǎn)出微型骨科手術(shù)機(jī)器人，手術(shù)實(shí)施不再受空間、地點(diǎn)影響，能夠解決骨科機(jī)器人安裝不穩(wěn)定的情況，有利于提高治療療效。相信隨著骨科手術(shù)機(jī)器人的不斷發(fā)展，其在不斷適應(yīng)骨科手術(shù)需求的同時(shí)臨床應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛。