骨科機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀與研究進(jìn)展分析

郝寶喜 天津市第四中心醫(yī)院骨二科 （天津 300140）

內(nèi)容提要： 醫(yī)學(xué)技術(shù)持續(xù)發(fā)展的當(dāng)下，逐漸向智能化、精準(zhǔn)化、微創(chuàng)化方向發(fā)展，骨科機(jī)器人的出現(xiàn)，為骨科手術(shù)發(fā)展開辟了新道路，衍生出更多新穎的治療理念及治療方案。在骨科治療中應(yīng)用機(jī)器人，為解剖結(jié)構(gòu)、生物力學(xué)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的眾多骨科疾病，提出了非常多精準(zhǔn)化、智能化且個體化的治療方案，骨科機(jī)器人目前的主要應(yīng)用范圍如關(guān)節(jié)置換手術(shù)、脊柱微創(chuàng)手術(shù)、創(chuàng)傷骨折手術(shù)等，規(guī)避了傳統(tǒng)手術(shù)方案的不足，大大提高了手術(shù)效率和效果。

近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，手術(shù)機(jī)器人在臨床上的應(yīng)用和優(yōu)勢逐漸凸顯，骨科機(jī)器人作為機(jī)器人的一種，在精確性和可重復(fù)性上具有巨大的優(yōu)勢。1985年，一名加拿大醫(yī)生（Kwoh）第一次應(yīng)用PUMA560型工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行腦腫瘤活檢手術(shù)，這是世界上機(jī)器人在外科手術(shù)中應(yīng)用的第一例，之后各種結(jié)構(gòu)、各種用途的機(jī)器人相繼誕生，但因功能或結(jié)構(gòu)等方面的局限性，當(dāng)時在骨科手術(shù)中的應(yīng)用情況較少[1]。1992年，機(jī)器人第一次用于骨科手術(shù)，至今已可以將骨科機(jī)器人分為三種類型：①主動型；②半主動型；③被動型[2]。骨科醫(yī)師在手術(shù)方面，不斷追求智能性、微創(chuàng)性以及精準(zhǔn)性，骨科機(jī)器人利用多種先進(jìn)技術(shù)，例如電子信息技術(shù)、人工智能技術(shù)、自動化技術(shù)等，幫助骨科醫(yī)師在視覺方面、觸覺方面，所涉范圍都進(jìn)一步擴(kuò)大，進(jìn)而手術(shù)可獲得更加安全、精準(zhǔn)的效果，并且實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)性操作，既往難以完成的復(fù)雜高風(fēng)險手術(shù)也可在機(jī)器人輔助下完成[3]。目前骨科機(jī)器人已經(jīng)用于多個領(lǐng)域，如骨腫瘤、脊柱外科、關(guān)節(jié)外科等，慢慢改變了傳統(tǒng)局限性較大的診療模式，為骨科手術(shù)治療開辟了一條新道路?，F(xiàn)將從骨科手術(shù)的難點(diǎn)、國內(nèi)骨科機(jī)器人的分類、應(yīng)用現(xiàn)狀等方面展開充分的分析總結(jié)，報告如下。

1.骨科手術(shù)難點(diǎn)

醫(yī)療機(jī)器人屬于新型交叉研究領(lǐng)域，集合了數(shù)學(xué)分析、計算機(jī)視覺、計算機(jī)圖形學(xué)、材料學(xué)、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域，醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域的一個重要分支即為骨科機(jī)器人[4]。21世紀(jì)后，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度發(fā)生了非常大的提升，交通業(yè)、建筑業(yè)等在快速發(fā)展的同時，也間接地提高了骨科疾病發(fā)生率，且疾病類型日益復(fù)雜化，傳統(tǒng)骨科手術(shù)已無法適應(yīng)時代的發(fā)展，需提供一些更加新穎的治療方式和理念[5]。骨科手術(shù)難點(diǎn)是手術(shù)操作者的視野、空間均存在很大局限性，可能導(dǎo)致誤傷，微創(chuàng)手術(shù)經(jīng)多次的X射線透視觀察，能一定程度上縮小局限性，但是X射線透視會產(chǎn)生大劑量輻射，危害醫(yī)護(hù)人員身體健康，并且微創(chuàng)手術(shù)無法實(shí)現(xiàn)重要神經(jīng)血管結(jié)構(gòu)的直視觀察，潛在風(fēng)險比較大[6]。骨科機(jī)器人問世后，發(fā)揮了微創(chuàng)精準(zhǔn)定位、規(guī)劃模擬以及手術(shù)導(dǎo)航等功能，利于醫(yī)生的手術(shù)操作和決策判斷，手術(shù)精準(zhǔn)度大大提高，減少損傷、并發(fā)癥的同時，手術(shù)放射線輻射污染減少，手術(shù)成功率大大提高。

2.骨科機(jī)器人分類

以國內(nèi)為例，雖然發(fā)展起步時間較國外更晚，但是也不斷有新的突破，目前，北京積水潭醫(yī)院、中國人民解放軍總醫(yī)院、第三軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院等醫(yī)療機(jī)構(gòu)，再加上哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)，都致力于骨科機(jī)器人的研究和使用。將其分為如下兩類：①遙控型脊柱機(jī)器人。第一個遙控型脊柱機(jī)器人是中國科學(xué)院沈陽自動化研究所機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合周躍教授（任職于第三軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院骨科）研發(fā)，共六個自由度，目前將其用于脊柱微創(chuàng)手術(shù)中置入椎弓根螺釘，因尖端夾持氣鉆，可實(shí)現(xiàn)遙控完成打孔操作，縮短術(shù)者術(shù)中輻射暴露時間，但因無法結(jié)合導(dǎo)航系統(tǒng)，使其臨床應(yīng)用備受限制[7]。②導(dǎo)航輔助機(jī)器人?！疤飙^”手術(shù)機(jī)器人在2016年的年底獲得國家Ⅲ類醫(yī)療器械資格證，能夠用于四肢手術(shù)中、骨盆手術(shù)中、脊柱全節(jié)段手術(shù)中。北京積水潭醫(yī)院等眾多單位，曾經(jīng)進(jìn)行了關(guān)于計算機(jī)導(dǎo)航下長骨干骨折的研究，研發(fā)出骨折復(fù)位機(jī)器人，所涉范圍包括骨盆骨折、股骨骨折等。

3.骨科機(jī)器人的應(yīng)用

3.1 脊柱微創(chuàng)骨科機(jī)器人

作為人體比較復(fù)雜的一個運(yùn)動系統(tǒng)：脊柱，其不僅存在復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，而且毗鄰重要神經(jīng)和血管組織，例如靜脈叢、椎動脈、脊髓等[8]。傳統(tǒng)的脊柱外科手術(shù)術(shù)中視野存在很大局限性，此外患者本身存在較多不確定因素，常出現(xiàn)手術(shù)精準(zhǔn)度低、創(chuàng)傷大、并發(fā)癥多等問題，微創(chuàng)脊柱外科手術(shù)需要術(shù)者具有豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)和高超的操作技術(shù)，可能因操作疲勞影響手術(shù)效果，并且無法避免輻射問題，脊柱微創(chuàng)骨科機(jī)器人的應(yīng)用，對于術(shù)者來說，手術(shù)學(xué)習(xí)曲線較短，很大程度上規(guī)避了傳統(tǒng)手術(shù)、微創(chuàng)手術(shù)存在的一些問題[9]。脊柱微創(chuàng)骨折機(jī)器人結(jié)合了自動化技術(shù)以及先進(jìn)的醫(yī)療技術(shù)，目前制造技術(shù)比較成熟的屬法國Medtech醫(yī)療公司，其所研制的ROSA Spine，還有以色列Mazor公司，其研制的Spine Assist/Renaissance，目前均已獲得美國FDA、歐洲CE的雙重認(rèn)證。Renaissance目前主要應(yīng)用在脊柱外科手術(shù)中椎弓根螺釘術(shù)、經(jīng)椎板關(guān)節(jié)突螺釘固定術(shù)，屬于Spine Assist升級版，二者均可大大提高椎弓根螺釘置入的精準(zhǔn)性，我國在2014年將其引入[10]。目前已有研究對其實(shí)際使用效果進(jìn)行了研究評價，得出結(jié)論如下：機(jī)器人輔助下的手術(shù)時間大大縮短，醫(yī)護(hù)人員射線暴露時間也縮短，置釘準(zhǔn)確率提高，術(shù)中出血量減少。國內(nèi)骨科機(jī)器人的研究起步時間相較于國外更晚，目前已有多個單位致力于脊柱微創(chuàng)骨科機(jī)器人的研究[11,12]。第三軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院聯(lián)合中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研發(fā)脊柱微創(chuàng)骨科機(jī)器人，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院聯(lián)合多家機(jī)構(gòu)一同研發(fā)的RSSS，雖然都在國內(nèi)處于領(lǐng)先的水平，但是還未大規(guī)模投入使用[13]。目前的“天璣”骨科機(jī)器人是我國頂尖水平，精準(zhǔn)度甚至已經(jīng)達(dá)到了國際的領(lǐng)先水平。謝海清等[14]在《骨科機(jī)器人輔助與傳統(tǒng)透視下經(jīng)皮椎體成形術(shù)治療骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折的比較》研究中，選擇180例骨質(zhì)疏松行椎體壓縮性骨折患者為研究對象，分為兩組，一組利用C型臂透視輔助下完成經(jīng)皮椎體成形術(shù)（對照組），另一組應(yīng)用“天璣”骨科機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)皮椎體成形術(shù)，結(jié)果顯示，觀察組于手術(shù)時間、住院時間、骨水泥灌注量、穿刺內(nèi)傾角度方面，均優(yōu)于對照組，兩組術(shù)后第1天、術(shù)后1周、術(shù)后1個月的疼痛評分、功能障礙指數(shù)都低于術(shù)前，傷椎Cobb角和術(shù)前無較大差異，骨水泥滲漏情況對照組發(fā)生15例，觀察組發(fā)生4例，總體而言，兩種手術(shù)方式的療效都較好，但應(yīng)用“天璣”骨科機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)皮椎體成形術(shù)可提高手術(shù)效率，減少骨水泥滲漏情況發(fā)生，具有良好的應(yīng)用前景。

3.2 創(chuàng)傷骨科機(jī)器人

按照功能來劃分，可將創(chuàng)傷骨科機(jī)器人分為兩種類型，第一種是定位機(jī)器人，第二種是復(fù)位機(jī)器人。其中，定位機(jī)器人的主要特點(diǎn)是微創(chuàng)、定位精準(zhǔn)，常用于骨盆髖臼損傷的微創(chuàng)螺釘內(nèi)固定術(shù)、股骨頸骨折空心螺釘內(nèi)固定術(shù)、髓內(nèi)釘內(nèi)固定術(shù)等方面，電磁導(dǎo)航髓內(nèi)釘遠(yuǎn)端瞄準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)用于臨床，能夠?qū)⑿g(shù)中髓內(nèi)釘、瞄準(zhǔn)器位置通過三維動畫的方式展示出來，大大減少射線暴露，縮短手術(shù)時間。目前，我國自主研發(fā)的GD2000骨科機(jī)器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)用于股骨頸骨折手術(shù)，可明顯縮短手術(shù)時間，減少術(shù)中透視次數(shù)。骨折復(fù)位機(jī)器人目前臨床實(shí)際應(yīng)用較少，國內(nèi)外的發(fā)展速度都比較慢，原因在于復(fù)位阻力、復(fù)位前后骨塊位置的變化以及術(shù)中意外傷害等原因，增加了其研發(fā)難度。

3.3 關(guān)節(jié)置換骨科機(jī)器人

第一次行人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)、單髁膝關(guān)節(jié)置換術(shù)、人工關(guān)節(jié)置換術(shù)三種類型的手術(shù)，都可應(yīng)用關(guān)節(jié)置換骨科機(jī)器人，分為三類系統(tǒng)：①主動式骨科手術(shù)機(jī)器人結(jié)合術(shù)前規(guī)劃，機(jī)器人對擴(kuò)髓、截骨等操作的指揮，自主完成手術(shù)，為最先進(jìn)的一類骨科機(jī)器人，我國目前還處于研發(fā)階段，國外研發(fā)技術(shù)已經(jīng)比較成熟；②被動式骨科機(jī)器人無術(shù)中操作功能，主要代表計算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)；③半主動式骨科機(jī)器人于計算機(jī)模擬、規(guī)劃之后，再由手術(shù)操作者經(jīng)觸覺反饋系統(tǒng)來操控機(jī)械臂，于機(jī)器人規(guī)范區(qū)間內(nèi)完成假體安置操作，這類機(jī)器人目前應(yīng)用比較多[15]。

3.3.1 膝關(guān)節(jié)置換骨科機(jī)器人

膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)成功的關(guān)鍵條件在于截骨是否精確、假體是否合適、下肢力線重建情況、軟組織平衡情況，利用膝關(guān)節(jié)置換骨科機(jī)器人，于術(shù)前規(guī)劃構(gòu)建骨骼模型，將假體的大小、截骨量、截骨角度等均精準(zhǔn)計算出來，相對于傳統(tǒng)手術(shù)，該手術(shù)方法可實(shí)現(xiàn)下肢力線和關(guān)節(jié)對位趨于正常生物力學(xué)，但是也可能因定位針移位或者是骨水泥技術(shù)等而影響到下肢力線重建效果，目前相關(guān)研究僅局限于短期療效的評價層面，長期隨訪還有待進(jìn)一步收集病例完成研究。

3.3.2 全髖關(guān)節(jié)置換骨科機(jī)器人

全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)術(shù)后假體是否穩(wěn)定，假體壽命長短，和假體位置、周圍軟組織平衡性有關(guān)，全髖關(guān)節(jié)置換骨科機(jī)器人的使用，可促進(jìn)假體和骨皮質(zhì)連接更加緊密，且安置更加精準(zhǔn)，并且于髖關(guān)節(jié)生物力學(xué)解剖精準(zhǔn)度方面，有很大潛力，目前我國全髖關(guān)節(jié)置換骨科機(jī)器人還處于探索期。

4.骨科機(jī)器人應(yīng)用問題

雖然骨科機(jī)器人為骨科手術(shù)治療開辟了新途徑，但是也不可忽視其所存在的系列問題，例如自身缺陷、用途單一、成本昂貴等問題，手術(shù)室的空間有限，而機(jī)器人大多體積龐大，需要較長時間來安裝調(diào)試，再加上系統(tǒng)技術(shù)比較復(fù)雜，若出現(xiàn)故障后處理的難度比較大，目前為止，大部分骨科機(jī)器人都只適用于一種手術(shù)類型，或者是適用于多種復(fù)雜手術(shù)類型，但只針對其中的一個步驟，功能相對單一，此外，系統(tǒng)定期維護(hù)、專利保護(hù)等問題，增加了其購置成本。

5.對骨科機(jī)器人的展望

就目前而言，我國醫(yī)療研究中主要矛盾依舊是以醫(yī)生為主，其醫(yī)療資源供給遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足患者的增長速度，這也在一定程度上導(dǎo)致我國醫(yī)療行業(yè)對骨科機(jī)器人的依賴性較大，其需求也有所增加。對現(xiàn)有骨科手術(shù)機(jī)器人而言，無論脊柱外科、關(guān)節(jié)骨科還是創(chuàng)傷骨科機(jī)器人，能夠解決的問題主要以定位、骨切除、復(fù)位動作操作為主，以替代醫(yī)師體力和不精確操作。再者，臨床數(shù)據(jù)也是對骨科機(jī)器人發(fā)展的基石，如何將大數(shù)據(jù)變得更直觀化，并在后期轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄓ眯怨ぞ呤种匾?。骨科機(jī)器人系統(tǒng)相對人類手動統(tǒng)計而言，更有收集數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)的能力，但無法做出恰當(dāng)?shù)臎Q策，因此，骨科機(jī)器人系統(tǒng)依舊只能充當(dāng)醫(yī)生的工具及助手，最終的決策能力依舊在醫(yī)生手上。對于未來的骨科機(jī)器人，還應(yīng)開發(fā)出更多不同深度學(xué)習(xí)算法之間的移植和優(yōu)化，還可對骨科機(jī)器人進(jìn)行創(chuàng)新和突破，研究出更智能、更人性化的骨科機(jī)器人。

6.小結(jié)

骨科機(jī)器人已不止數(shù)十年的發(fā)展歷程，其應(yīng)用潛力很大，但也存在局限性，聯(lián)合超聲技術(shù)、電磁技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、自動化技術(shù)、智能化控制技術(shù)等，獲取準(zhǔn)確的定位信息，完成多目標(biāo)監(jiān)控導(dǎo)航，幫助骨科手術(shù)走向更高的臺階，相信在不就的將來，對骨科機(jī)器人進(jìn)行改良優(yōu)化，并同時研發(fā)出功能更強(qiáng)大的型號，可為骨科疾病治療帶來質(zhì)的改變。