骨科機器人導航定位系統輔助股骨頸骨折空心螺釘內固定術的應用

曾田勇

自貢市第四人民醫院 手術室，四川自貢 643000

骨科機器人導航定位系統輔助股骨頸骨折空心螺釘內固定術的應用

曾田勇

自貢市第四人民醫院 手術室，四川自貢 643000

目的 探討骨科機器人導航定位系統輔助股骨頸骨折空心螺釘內固定術的應用效果。方法 機器人主控系統首先建立股骨頸骨折經皮空心釘內固定的有限元模型，醫生在定位執行系統的引導下完成手術操作。結果 23例手術均達到骨折解剖復位，直徑3mm的導針最大平行度偏差值＜1.2mm；C臂透視時間15.7s，平均照射次數23.1次。結論 機器人輔助創傷骨科手術定位精確、固定可靠、操作安全，同時極大地減少術中患者及醫護人員X線照射時間，有效地減小了輻射傷害。

骨科機器人；導航定位系統；股骨頸骨折；空心螺釘

股骨頸骨折是好發于老年人的下肢骨折，極易發生骨折不愈合及股骨頭壞死[1]；臨床上大多數病人通過牽引和閉合復位內固定手術能夠達到骨性愈合。Schep等[2]研究發現術中固定螺釘的精確位置和方向與骨折的穩定性、是否發生再移位和骨折愈合等預后情況密切相關，然而由于人手操作的不穩定性使得骨科醫生很難保證每一顆螺釘都處于最佳位置。機器人導航定位系統由影像學、信息科學、機器人技術、遙控技術等高新技術組合而成，為股骨頸空心螺釘置入提供了良好的操作平臺，使手術更微創、精確、安全，患者痛苦小、恢復快，顯著提高創傷骨科治療效果，滿足了廣大患者及醫生對手術安全性和有效性的要求[3]。

1 材料與方法

1.1 一般資料

對我院收治的23例股骨頸骨折患者利用骨科機器人導航定位系統輔助行空心螺釘內固定術，其中男13例，女10例，平均年齡53.0歲。

1.2 骨科機器人導航定位系統

骨科機器人是北京天智航醫療科技股份有限公司設計研發的，其輔助微創系統，由主控系統（控制臺）、定位執行系統（機器人）、TC-6智能導航手術平臺及德國西門子C臂透視機4部分組成（圖1）。該系統采用穩定可靠的分級控制方式，即機器人每一次任務的執行都完全遵從“感知—規劃—執行”的控制流程。其中“規劃”部分由主刀醫生在操作臺根據C臂透視的圖像控制完成；機器人接受醫生指令執行空間定位功能，不具有任何的自主意識。這種控制方式配合手動干預的控制策略保障系統具有充分的可靠性和安全性。

圖1 骨科機器人導航定位系統

1.3 骨科機器人操作流程

骨科機器人的操作流程，見圖2。通過信號傳輸線將機器人導航的主控系統、定位系統和C臂透視機連接。接通電源，開啟定位系統。根據病人的手術部位，選擇左側或右側標尺妥善安裝；要求標尺接合緊密，不能有縫隙或松動，且遠端不能隨意晃動。控制定位執行系統復位提示運行到位后，點擊“開始校驗”，當定位裝置運行至校驗位置，安裝校驗桿，檢查標尺裝配是否正確，若有偏差需調整標尺并重新安裝。進行右側手術時，定位執行系統擺放于患者右側，扶手端朝向患者腳部，標尺朝向頭部，C臂機擺放在兩腿之間；橫臂運動方向應與股骨干縱軸基本平行；調節定位執行系統的高度，使標尺側位的標記點與股骨頸位于同一高度，標尺正位標記點位于股骨頸前方。左側手術同理。骨折復位后拍攝并采集正、側位透視圖像各一幅，存儲備用。要求正、側位股骨頭、股骨頸、股骨大小粗隆均清晰可見；股骨頸軸線盡可能保持水平；空間定位8個點均清晰易辨認。正、側位固定復位牢固可靠，避免術中出現骨折錯位；若由于各種原因導致透視圖像存在不同程度失真，需進行校正。

圖2 骨科機器人操作流程

定位計算是軟件的核心功能，它直接影響空間定位的準確性。正、側位圖像的標記點均分為大、小坐標系兩種，需要識別每個點的中心及序號。通過手工點取或軟件自動識別的方法，提取圖像中的特征信息，如標記點、股骨頸軸線和截面等位置信息，利用軟件計算股骨頸空心釘進針點的空間位置。勾畫出股骨頭、股骨頸輪廓線，繪制截面線，設計輔助線，完成手術路徑規劃，虛擬仿真手術結果（圖3）。模擬顯示僅為空心釘置入效果參考，實際效果應以透視圖像為準；當仿真結果與預計設計有偏差時，可通過微調功能調整進針路線，保證結果的準確性。

圖3 采集圖像后處理過程

軟件通過串口發送指令，控制導航機器人運動到規劃手術路徑位置。安裝導向套筒；按照套筒指示術區位置切開表皮，鈍性分離切口深處軟組織，在導向筒內插入破筋膜導針直至骨面；然后打入導針，通過透視驗證導針路徑，確認后置入導針。退出導向套筒，控制定位執行系統運動至其他導針位置，依照上述操作置入第2～3枚導針。

2 結果

23例手術患者術后拍片顯示均達到骨折解剖復位；直徑3mm的導針最大平行度偏差值＜1.2mm；C臂透視時間15.7s，平均照射次數23.1次。收集整理資料，計算每例患者任意兩枚導針在股骨頸入點和出點的距離，定位精度在0.8～1.2mm之間。

3 討論

股骨頸骨折復位內固定技術要求嚴格，骨科醫生應具備良好的三維解剖及放射學概念。同時，內固定物置入位置要求準確，入點的選定及最佳位置的置入是手術操作中的難點[4]。骨科機器人導航定位系統利用計算機對數字化醫學影像的高速處理及控制能力，在骨外科手術的精確規劃模擬、目標靶點準確定位、手術微創化等新型診療方面具有廣闊的研究與應用前景[5]，增加了外科醫生對復雜、危險手術的信心，降低手術風險，利于患者康復[6]。閉合復位內固定手術中，有效的牽引和準確的復位是手術成功的關鍵[7]。機器人主控系統通過參考術中手術部位的正、側位X光片，仿真手術路徑，設計植入物的位置、數目，螺釘的長度及角度來建立股骨頸骨折經皮空心釘內固定的有限元模型。手術醫生在定位執行系統的引導下逐步完成操作，使手術更精確，固定更穩固，操作更安全。傳統復位操作過程中，醫生需要不斷地進行X線照射，以確保復位的正確性[8]，使患者及醫護人員長時間暴露在射線下，對人體損害較大[9-11]（表1）。

表1 使用骨科機器人與傳統方式空心釘置入所需X線時間及C臂照射次數

4 結論

機器人輔助創傷骨科手術定位精確、固定可靠、操作安全，使得照射次數明顯減少，同時極大地減少術中患者及醫護人員X線照射時間，有效地減小了輻射傷害。

[1]高想,孫福榮,葛廣勇,等.切開與閉合復位治療股骨頸骨折的療效比較[J].實用骨科雜志,2008,14（5）：265-267.

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[3]王滿宜,王軍強.計算機輔助導航骨科手術及醫用機器人技術在創傷骨科的應用[J].中華創傷骨科雜志,2005,7（11）：1004-1009.

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[11]韓乾,陳安宇.骨科三維C形臂的性能對比研究[J].中國醫療設備,2013,28（5）：152-156.

Application of the Orthopedics Robot Navigation Positioning System in Assistance of Hollow Screw Internal Fixation for Femoral Neck Fractures

ZENG Tian-yong
Operation Room, Zigong No.4 People’s Hospital, Zigong Sichuan 643000, China

Objective To explore the effectiveness of application of the orthopedics robot navigation positioningsystem in assistance of hollowscrew internal fixation for femoral neck fractures.Methods Firstly, the main controlsystem of the robot would establish a FEA （Finite Element Analysis） model of percutaneous hollowscrew internal fixation for femoral neck fractures. Then, physicians could perform thesurgeries under the guidance of the positioning implementationsystem. Results Anatomical reduction of fractures was achieved in all the 23cases ofsurgeries. Thedeviation of the maximumdegree of parallelism was less than 1.2mm for the guide pin （diameter：3mm）. The C-arm fluoroscopy time was 15.7s；while, the average number of radiation times was 23.1. Conclusion The robot-assisted trauma orthopedicssurgery proven its advantages of accurate positioning, reliable fixation andsafe operation, which could greatly and effectively reduce the intra-operative X-ray exposure time and radiation harm for patients and medicalstaff.

orthopedics robots；navigation positioningsystems；femoral neck fractures；hollowscrews

TP242.6

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.08.036

1674-1633（2015）08-0111-03

2015-01-17

修回日期：2015-03-04

作者郵箱：zengty-1985@163.com