基于骨科手術機器人定位系統(tǒng)的精準微創(chuàng)內固定治療股骨頸骨折

王軍強 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。

股骨頸骨折的手術治療方式多樣，其中空心拉力螺釘內固定由于其微創(chuàng)、損傷小、固定可靠等優(yōu)勢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型為“▽”型，應用時要求3枚空心釘平行分散，且盡可能貼近股骨頸骨皮質和股骨頭軟骨下骨，以獲得良好的螺釘把持力，同時提供良好的生物力學穩(wěn)定性。此外，為了提供更好的穩(wěn)定性，還有學者研究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型[1-2]。

傳統(tǒng)的空心釘徒手置入方法存在諸多缺點，如術者經驗不足時可能無法根據骨折類型做好術前螺釘位置規(guī)劃，鉆孔時手持不穩(wěn)難以控制導針方向，調整導針位置時反復鉆孔可能造成骨質破壞，以及可能出現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、股骨頭壞死和內固定失效等術后并發(fā)癥，影響患者的功能預后[3]。同時，術中為確定導針及螺釘位置需多次透視，增加了術者和患者的放射線暴露。

隨著醫(yī)學影像、計算機、機器人等技術的發(fā)展，機器人輔助骨科手術應運而生。應用骨科手術機器人可以提高手術操作的精準度和手術的治療效果，并減少X線輻射對術者和患者的損傷[4]，真正實現骨折的精準化治療。

為了使骨科手術機器人在股骨頸骨折內固定術中的應用規(guī)范化，使骨科精準治療技術惠及更多患者，現以“天璣”骨科手術機器人(TiRobot)為例闡述骨科手術機器人輔助下的股骨頸骨折空心釘內固定術的技術要點，以促進骨科手術機器人的臨床應用。

一、骨科手術機器人簡介

1．骨科手術機器人的結構：骨科手術機器人定位系統(tǒng)通常由手術計劃和控制軟件、主機、機械臂、光學跟蹤系統(tǒng)、手術工具包和附件等多個部分組成。例如，TiRobot由主機、機械臂、手術計劃與控制軟件、光學跟蹤系統(tǒng)、主控臺車和導航定位工具包組成(圖1)。

圖1 TiRobot骨科手術機器人及其各部件名稱

2.骨科手術機器人的工作原理：與傳統(tǒng)外科手術一樣，機器人輔助骨科手術也是機器人的“眼-腦-手”協(xié)調工作的過程。這一過程與骨科醫(yī)生了解的常規(guī)傳統(tǒng)手術過程既有相似也有不同之處。(1)骨科手術機器人的“眼”——圖像獲取和識別系統(tǒng)：作為骨科臨床工作中最常用的診斷手段，骨科手術機器人的X線機和“C”型臂CT機可以在不暴露患者傷口的前提下為術者提供更多的患者信息。骨科手術機器人獲取這些數字化的圖像信息，可以指導術者更加準確地實施骨科微創(chuàng)手術治療。術中 “C”型臂CT機獲取的影像數據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于高精度骨科手術，但是，由于輻射劑量相對較大、術中位置較難擺放等原因，不如術中X線應用廣泛。因此，對多模態(tài)影像的兼容能力，很大程度上決定了骨科手術機器人在不同手術適應證中應用的廣泛程度。為了更好地利用圖像信息，實現空間定位，一些定位標記被置于骨科手術機器人的醫(yī)學影像獲取視野內，從而可以使影像更明確。骨科手術機器人可以通過軟件識別算法，快速準確地識別并定位標記，為配準做準備。在傳統(tǒng)手術中術者的視力會影響手術的精準度，同理，圖像的質量在很大程度上影響機器人的配準精確程度。因此，在獲取二維圖像方面，高精度低畸變的數字平板“C”型臂X線機較影像增強式“C”型臂X線機更適合骨科手術機器人。(2)骨科手術機器人的“腦”——手術設計與配準系統(tǒng)：手術設計是骨科手術機器人的核心技術之一。精確的圖像在獲取后被上傳給骨科手術機器人的主機，術者可以利用醫(yī)學影像數據進行手術設計，并交由機器人完成空間位置配準。通過人機交互界面，術者可以依據需求在術前或術中實現手術設計方案。依據所獲取圖像的不同，手術設計方式分為二維手術設計和三維手術設計。一般來說，通過骨科手術定位機器人進行的螺釘通道規(guī)劃為二維手術設計，即在多幅圖像上定義螺釘的入點和止點。而通過關節(jié)手術機器人進行的手術設計則多為三維手術設計，可實現植入物關節(jié)面與骨面的良好貼合。配準算法是骨科手術機器人的另一核心技術，其本質是將術者在圖像上做的手術設計方案完整精確地呈現至現實的手術空間。由于所使用的醫(yī)學影像數據不同，機器人的配準方法也截然不同。在創(chuàng)傷骨科手術中常用的X線圖像的配準方式為“C”型臂X線機標定方法，原理是機器人通過特定結構的標記點，計算“C”型臂X線機的發(fā)射源，標記點以及術者設計的螺釘入、止點之間的相對空間關系，并轉換為可識別的運動學參數，指導機器人運動。對于CT或“C”型臂CT機的影像數據，則需要進行三維配準來獲得機器人運動學參數。較為前沿的技術是采用X線影像與術前CT影像實現二維影像向三維影像配準，既可保留大量的三維空間信息，也可最大程度地減少術中透視時間。但是，此項技術尚不成熟，近期尚不能投入至臨床應用中。(3)骨科手術機器人的“手”——工具追蹤與導航系統(tǒng)：獲得運動學參數后，機器人可以將手術工具(如鉆頭、銑刀等)精確地放置于相應的手術操作部位，這一過程稱為機器人導航。在理論上，機器人可以獲取自身位置信息，因此可以獨立完成導航定位。但是，現階段的骨科手術機器人的絕對定位精度難以滿足臨床手術的需求，需要另外的精確的外部設備對機器人導航進行精度補償。光學捕捉系統(tǒng)是目前常見的精度補償設備，通過實時光學跟蹤指導機器人運動，實現精度補償，可以將定位誤差從1～2 mm減小至1 mm以下，同時也可以實現移位補償、呼吸補償等重要的功能。需要注意的是，光學捕捉系統(tǒng)對捕捉視野有一定的要求，合理的機器人擺位可以較大程度地避免因手術工具被遮擋導致的跟蹤失敗。

為保障手術的安全性，骨科手術機器人在導航過程中具備最高權限的機械式緊急制動功能，以保證在出現危險的情況下機器人能夠立即停止工作，避免對患者造成傷害。另外，骨科手術機器人，尤其是骨科定位手術機器人，多為手術輔助設備，只為術者提供準確安全的螺釘通道，而不實施自主鉆削操作。因此，骨科手術機器人在安全性和醫(yī)生認同度方面均高于自動切削式機器人。術者可通過唯一的鉆削通道進行自主可控的螺釘植入操作，完成高精準度高難度的骨科手術。

二、TiRobot輔助股骨頸骨折內固定術的適應證和禁忌證

1.適應證：TiRobot輔助股骨頸骨折內固定術適用于移位小或可閉合復位的股骨頸骨折。

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，無法實施安全的手術規(guī)劃。(2)無法使用空心釘技術完成有效固定的股骨頸骨折。(3)機器人規(guī)劃的手術路徑可能無法避開重要組織，如血管、神經等。(4)機械臂無法移動到規(guī)劃部位，例如術中多名醫(yī)生協(xié)同完成復位時對示蹤器產生遮擋，或由于患者體位和手術床位置等因素使機械臂無法移動至規(guī)劃部位。 (5)示蹤器無法得到有效固定，如患者骨質疏松較嚴重，或因呼吸幅度較大而需要多名醫(yī)生協(xié)同完成復位并維持復位等。 (6)通過術前規(guī)劃確定導針與骨面成角過小，無法完成入點的固定，或產生無法避免的誤差。

三、TiRobot輔助股骨頸骨折內固定術的操作規(guī)范與流程

1.術前準備：行椎管內麻醉后置患者于牽引床，將患肢沿身體長軸方向牽引，健側下肢成角度打開。

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

3.準備機器人：常規(guī)消毒鋪巾，同時擺放機器人各部件及“C”型臂X線機至適當位置，確保機械臂工作空間可達手術區(qū)域。將光學跟蹤相機置于患者足端，移動式“C”型臂X線機置于術者對側。

4.采集和配準圖像：于患者患肢髂前上棘安裝患者示蹤器，同時組裝并固定機器人示蹤器和無菌保護套，建立術中機械臂無菌工作環(huán)境。應用“C”型臂X線機獲取包含機器人定位標記點的術中透視影像，并將其傳輸至主機工作站用于配準運算。 (1)對創(chuàng)傷骨盆螺釘通道術中圖像的要求：①完整清晰顯示螺釘骨性通道。②盡可能使正、側位平面透視圖像相互垂直，以利于計算機構建三維空間關系。③定位標尺均于圖像內且不能相互重疊。 (2)對計算機導航圖像的要求：股骨頸骨折螺釘內固定術中攝股骨頸螺釘通道正位和側位像。 (3)透視圖像識別要點：①攝股骨頸螺釘通道正位像時，使患者取仰臥位，將透視影像增強器垂直于患者冠狀面，完整顯示股骨外側骨皮質至股骨頭全長。見圖2、3。②攝股骨頸通道側位像時，使患者取仰臥位，將透視影像增強器垂直于股骨頸螺釘通道平面，完整顯示股骨外側骨皮質至股骨頭全長。見圖4、5。

5.規(guī)劃手術路徑：根據術中采集的圖像，基于典型標識點和骨性標志結構，在主控系統(tǒng)規(guī)劃軟件上進行螺釘路徑規(guī)劃。通過股骨頸置釘通道正位和側位雙平面像確認股骨頸螺釘通道的路徑。進行手術設計時需考慮手術安全性及螺釘的最佳力學分布。通過股骨頸螺釘正位像確認螺釘在股骨頸上方皮質與股骨矩下的骨性邊界以及螺釘與骨折線的關系；通過股骨頸螺釘側位像確認股骨頸骨皮質內外邊界以及螺釘與股骨頸前傾角的關系，最后根據尖頂距調整螺釘長度。見圖6、7。

6.運行機械臂：通過規(guī)劃軟件中的機械臂姿態(tài)模擬模塊模擬機械臂的運行姿態(tài)，確認機械臂位姿適合后續(xù)操作，由主控系統(tǒng)控制和監(jiān)督機械臂沿規(guī)劃路徑運動到目標位置。在機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)域運動，并預留足夠的運行空間；(2)預留術者植入導針的操作空間；(3)保證定位套筒與患者視蹤器可以被光學跟蹤器實時追蹤，以便實時監(jiān)測操作精準度。

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

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 股骨頸側位X線像 圖5 股骨頸側位CT三維重建像

釘點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，可以使機器人對手術路徑進行微調。在定位套筒抵達骨面后通過透視對其正、側位像進行驗證，以確保預置入路徑與規(guī)劃路徑相符。確認路徑精準后，在透視監(jiān)控下經過套筒向骨性通道內鉆入導針。見圖8、9。

8.通過透視驗證置釘路徑：通過透視確認導針位置準確后擰入空心螺釘，最后確認空心螺釘位置良好后撤出導針，沖洗切口后縫合。

四、TiRobot輔助股骨頸骨折內固定術的注意事項

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

2.圖像采集過程中的注意事項： (1)圖像包含術區(qū)全部骨性結構及解剖要素，骨性通道連續(xù)且完整。 (2)機器人定位及配準組件清晰呈現于透視圖像中。 (3)導航相機同時識別并捕捉患者示蹤器及機器人示蹤器的空間位置信息。 (4)按照術式所需的圖像組合依次采集，明確規(guī)劃位圖像及驗證位圖像的對應關系。

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

4.復核手術路徑： (1)在使用骨科手術機器人定位系統(tǒng)輔助完成手術的過程中，操作者應該始終監(jiān)控系統(tǒng)的運行。當機器人出現非預期的運動、設備故障等情況時，應立即停止設備的運行，將所有與患者接觸的部件移除后進行相應處理。 (2)使用“C”型臂X線機對植入物置入過程進行監(jiān)視，經透視確認螺釘置入無誤后結束手術。

5.對手術間的要求： (1)手術室面積>30 m2，具有良好的供電及安全條件。 (2)配套使用的手術臺應滿足患者體位和圖像采集的要求。

6.骨科手術機器人的維護： (1)嚴格按照使用說明書操作，禁止未經培訓人員使用手術設備。 (2)手術機器人系統(tǒng)包含精密部件，其運輸和儲存應嚴格遵照使用說明書。 (3)按照使用說明書對手術機器人進行定期維護和校準。 (4)使用過程中保證供電電壓穩(wěn)定，并對手術間定期進行用電安全檢查。 (5)當進行熏蒸消毒時，將機器人推出熏蒸房間，以免機器人的電路板及元件受到腐蝕或損壞。 (6)對機器人防塵并經常進行擦拭除塵。(7)當手術機器人長期閑置不用時應除濕防潮。特別是在潮濕地區(qū)，應每周至少除濕1次，每次2～3 h。

圖6 螺釘通道的正位規(guī)劃 圖7 螺釘通道的側位規(guī)劃

圖8 通過正位像驗證定位套筒和導針的位置和方向

圖9 通過側位像驗證定位套筒和導針的位置和方向