骨盆髖臼骨折機器人輔助治療的研究進展

宋愛華，張娟，林佳明，王鐵軍*

(1.吉林大學第一醫院創傷骨科，吉林 長春 130021；2.三原縣人民醫院骨一科，陜西 咸陽 713800；3.吉林省腫瘤醫院門急診科，吉林 長春 130012)

骨盆髖臼骨折是一種常見的骨折，主要由暴力或髖關節脫臼引起，通常由前部(恥骨聯合和恥骨支)和后部(髂骨翼、骶骨、骶髂關節)的損傷組成[1]。手術治療骨盆髖臼骨折的目的是恢復骨盆髖臼解剖結構的完整性和穩定性。近年來，手術機器人逐漸應用到骨盆髖臼骨折手術治療的過程中。手術機器人是目前工業技術水平在醫療器械上集中應用的最成功的代表，是集多項現代高科技手段于一體的綜合體[2]，具有高精準度、高穩定性、自動化、智能化等特點。機器人輔助手術可明顯提高安全性以及準確性，并且可以加快手術進度，縮短手術時間，從而可以減少手術中的出血量，促進快速康復，縮短患者的住院時間。然而機器人手術存在著明顯輻射量增加以及操作細節影響置釘準確性的問題[3]。詳細研究進展如下。

1 相關概念

1.1 骨科手術機器人 骨科手術機器人系統包括外科手術計劃和控制軟件、主機、機械臂、光學跟蹤系統、外科手術工具套件和配件[4]。與傳統的外科手術相比，骨科手術機器人也是眼、腦、手協調的過程：(1)骨科手術機器人的眼睛是圖像采集和識別。帶有C型臂系統的錐束計算機斷層掃描(CT)可以替代CT建立三維成像系統[5]，在不暴露傷口的情況下為醫生提供更完整準確的3D信息，從而更好地為高精度骨科手術服務。(2)骨科手術機器人的大腦是手術設計和注冊。機器人主機根據醫學圖像數據進行手術設計，并分配機器人各部分以實現空間配準，通過人機交互界面，醫生也可以根據情況在手術之前或期間進行手術設計。(3)骨科手術機器人之手是工具跟蹤和導航。在獲得機器人的運動學參數之后，機器人可以將手術工具準確地放置在手術部位上，此過程稱為機器人導航。在手術過程中，將機器人模塊化單元組合成一個平行框架，使其導航系統能夠提供穩定的導航平臺[6]。

1.2 骨盆髖臼骨折 骨盆骨折合并髖臼骨折是一種嚴重的高能量暴力損傷，占全身骨折的3%，死亡率卻高達13.4%。近年來，隨著交通運輸及建筑業的高速發展，骨盆骨折同時合并有髖臼骨折的發病率也在日趨增多[7]。將過去15年的數據與2005年發布的數據進行比較，骨盆髖臼骨折患者平均年齡從38.6歲上升至45.2歲。對于分型，目前臨床上最常用的是1992年提出的Tile分型，Tile分型根據骨盆環穩定性將骨盆骨折分為A、B、C三型，后來根據骨盆前環或后環損傷將此分型加以擴展，形成了獨立的半骨盆分型[8]。對于手術方法，有髂腹股溝入路、改良Stoppa入路、腹直肌旁入路等多種途徑[9]，近年來，隨著微創技術的發展和骨通道結構概念的提出，經皮螺釘內固定治療骨盆髖臼骨折已在臨床實踐中得到應用。

1.3 骨盆髖臼骨折機器人輔助治療 骨盆髖臼骨折機器人適用于機器人輔助經皮螺釘固定骨盆和髖臼骨折，通過術前成像，術中實時跟蹤和機械臂輔助來執行螺釘位置計劃，完成手術。與人工操作相比，機器人輔助治療骨盆和髖臼骨折具有明顯的優勢，比如縮短手術時間，提高手術質量，降低術后感染發生率等[10]。但機器人輔助的骨盆髖臼內固定術僅適用于位移較小的骨盆髖臼損傷或閉合有限的切開復位術，例如前環受傷，包括坐骨支斷裂和恥骨聯合分離；后環受傷，包括骶骨骨折和骶髂關節脫位；髖臼骨折，包括髖臼前柱和后柱；髂骨骨折。

2 發展現狀

機器人應用于骨科手術開始于1992年，截至2016年骨科機器人已完成骨科手術2萬余臺。當前在骨科手術領域中使用的機器人系統主要有三種類型，即半主動型、主動型和被動型[11]。國外骨科手術機器人發展較快，機器人類型更為全面，機器人系統主要包括Acrobot機器人系統、MAKOplasty機器人系統、Robodoc機器人系統、SpineAssist機器人系統等。其中，Robodoc(綜合外科手術系統)于1992年推出，旨在通過減少技術錯誤來改善非骨水泥固定型THA的治療效果[12]。與國外骨科手術機器人相比，國內骨科手術機器人研發尚處于起步階段。值得注意的是，北京積水潭醫院田偉教授等進行了脊柱導航輔助機器人手術的相關研究，主要研究方向就是脊柱椎弓根螺釘置入的相關評估，由其研發的“天璣”(TiRobot)手術機器人已于2016年底獲得國家Ⅲ類醫療器械資格證。TiRobot是在中國自主開發的，是最新的先進骨科機器人系統。該機器人系統采用模塊化、小型且通用的設計，在外科手術平臺技術上取得了突破[13]。

3 應 用

王滿宜團隊[14]使用天璣外科手術機器人對12例骨盆和髖臼微創內固定手術患者進行前瞻性病例對照研究。通過對比手術時間、術中透視時間、導針調整次數、螺釘置入位置優良率和不良事件發生率進行統計分析，發現手術機器人組各項指標均優于對照組。劉巖團隊[15]發現天璣骨科手術機器人治療老年骨盆和髖臼骨折時，術中透視次數、出血量、總鉆孔次數及并發癥發生率均顯著少于對照組。Liu等[13]利用TiRobot輔助治療不穩定的骨盆環骨折，結果顯示TiRobot組的手術時間、熒光檢查的頻率、術中出血和總鉆孔次數均少于常規組。陳宏興團隊[16]利用第三代骨科手術機器人TiRobot結合3D打印系統對12例骨盆不穩定型骨折患者行機器人輔助治療，平均手術時間70 min，平均透視次數16次，手術切口平均2 cm，所有置入螺釘位置精準滿意。傷口均一期愈合，未出現醫源性血管、神經及臟器損傷，無骨折延遲愈合或畸形愈合。Long等[17]利用TiRobot手術機器人輔助經髂骨螺釘治療盆腔后環骨折手術，與傳統方法對比，手術機器人組在透視頻率、透視時間、手術時間、切口長度、麻醉時間和失血量方面均優于常規組。Wang等[18]將TiRobot用于SI螺釘固定，結果表明機器人輔助組在置釘優良率、復位后透視時間、導絲插入時間、導線嘗試次數等都優于常規組。Du等[19]利用中國生產的第三臺Ti機器人系統治療不穩定的骨盆前后環骨折，手術時間為90～160 min，平均(112.9±16.8)min，出血為80～150 mL，平均(105.9±20.6) mL。此外，骨科機器人還用于其他骨科手術。于凌佳等[20]對1例患者進行“天璣”骨科機器人輔助精準椎弓根釘置入手術，術后X線檢查及CT提示：椎弓根螺釘置入位置滿意。Bargar等[21]通過Robodoc系統輔助髖關節置換手術。Leelasestaporn等[22]將MAKO系統用于膝關節內側骨關節炎患者手術治療，顯著縮短了手術時間，減少了術中出血量。

4 優 點

目前，切開復位內固定治療移位的骨盆、髖臼骨折被臨床廣泛接受[23]，但是具有很多缺點。以髂腹股溝入路為例，傳統的骨科技術存在手術時間長、出血量大、術后血栓發生率高、軟組織損傷大、腹外疝發生率高的缺點[24]。與之相比，骨科手術機器人完美地規避了以上問題，通過術前成像，術中實時跟蹤和機械臂輔助來執行螺釘位置計劃，以確保螺釘放置位置與計劃一致，這樣不僅可以準確地插入方頭螺釘，還可以降低手術風險和輻射暴露，提高了骨表面制備的準確性和精確度，提供了更可靠和可再現的結果以及更高的空間準確性。總之，機器人輔助治療骨盆髖臼骨折具有創傷小、手術時間短、失血少、安全性高、準確性高的特點，具有很大的臨床應用價值[17]。

5 缺陷和問題

對于骨科手術機器人技術方面的缺陷和問題主要有：(1)機器人硬件問題，例如圖像收集不清晰、機械臂無法移動到計劃的位置、示蹤劑無法有效固定等。(2)雖然視覺顯示技術已達到較先進的階段，但由于控制回路穩定性等的實際挑戰，觸覺反饋仍未得到充分利用。遠程操作系統中缺少觸覺反饋，迫使外科醫生僅依靠視覺提示來估計操作用力大小[25]。(3)由于傳感器手段有限，在技術系統無法記錄的任何不準確或不確定性的情況下，人與機器的意圖可能會出現差異[26]。(4)手術存在局限性，主要是由于神經血管結構和主要韌帶結構。在手術中，軟組織對機器人提出了挑戰[27]，在機器人計劃的路徑中可能無法避免以上重要組織。(5)應用范圍過于局限，大部分骨科機器人僅用于術中某一階段，并不能完成更多手術操作，并且難以實現跨部位、跨操作類型、跨流程的轉換。除此之外，還包括機型較大，占據較大空間以及使用成本過高等問題。

6 發展前景

骨科手術機器人的優點在于微創、安全、精確和可重復性高，不僅可以術前成像，而且可以準確地插入方頭螺釘，并降低手術風險和輻射暴露。但是，目前骨科手術機器人仍存在以上多點缺陷和問題。因此，未來骨科手術機器人治療骨盆髖臼骨折可以在以下幾個方面展開并進一步發展。

6.1 機械制造 骨科手術機器人機型較大，且硬件軟件等設備尚處于研發的起步階段，均有很大的上升空間。減小機器人的機型可以減少空間占位面積，有效提高其靈活性，升級硬件軟件可以減少操作的相對誤差，提高準確性，降低手術風險。

6.2 計算機算法 計算機算法貫穿于骨科手術機器人眼、腦、手協調的過程，在圖像采集和識別、手術設計和注冊以及工具跟蹤和導航中起到核心作用。雖然骨科手術機器人目前仍存在許多問題待解決，但隨著計算機算法的進步，必將減少操作的誤差。計算機算法的更新有助于機器人工作流程的規范化及程式化，達到從中樞指令對機器人行為進行約束和規范的目的，進而促進其推廣應用[28]。

6.3 機器人導航 導航系統通過借助外部的空間坐標跟蹤設備，將患者手術目標區域與手術器械或機器人的空間坐標進行測量，以獲取兩者的相對位置關系，從而指導醫生進行精確、快速、安全的定位和內植物置入[29]。因此要加強導航設備的研發，更全面地進行術前設計和術中定位，在手術的過程中，確保螺釘放置位置與計劃一致，實現精確化和標準化，進一步減少手術誤差，提高手術質量。

6.4 操作訓練體系 盡管機器人輔助手術被廣泛采用，機器人操作培訓工具也已經緩慢發展，但目前并沒有正式成立機器人操作訓練體系。訓練不足對于缺乏經驗的外科醫生來說將增加手術的固有風險[30]。

7 結 論

綜上所述，雖然骨科手術機器人的研發處于起步階段，但卻向著安全、精確的方向發展，在相對較短的時間內，在外科手術的使用中就取得了巨大的進步，實現了對患者和外科醫生的醫療改善，實現了人工智能全面化和標準化。我們應該推動并致力于輔助機器人的研發，完善機器人輔助治療骨盆髖臼骨折的技術，達到行業規范和臨床標準。