查曄軍 蔣協(xié)遠(yuǎn) 花克涵

肘關(guān)節(jié)對于上肢的功能至關(guān)重要，具有良好的肘關(guān)節(jié)功能才能充分發(fā)揮手的功能，完成日常生活和工作所需的動作。然而，在臨床中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)復(fù)雜骨折脫位的病例在術(shù)中或術(shù)后出現(xiàn)不穩(wěn)定及脫位，或因制動時間過長導(dǎo)致關(guān)節(jié)僵硬。應(yīng)用鉸鏈?zhǔn)酵夤潭芸稍试S患者進行早期活動，盡可能恢復(fù)肘關(guān)節(jié)功能。對于關(guān)節(jié)面嚴(yán)重粉碎、關(guān)節(jié)間隔成形以及關(guān)節(jié)間隙狹窄的僵硬患者，通過外固定架做一定的撐開有助于術(shù)后的恢復(fù)。對于陳舊損傷或關(guān)節(jié)松解患者，應(yīng)用外固定架可幫助避免出現(xiàn)術(shù)后不穩(wěn)定，并允許患者術(shù)后進行早期功能鍛煉。

肘關(guān)節(jié)外固定架在保持穩(wěn)定的同時應(yīng)盡可能不影響肘關(guān)節(jié)屈伸旋轉(zhuǎn)活動。肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心軸在肱尺和肱橈關(guān)節(jié)屈伸活動過程中并非恒定不變[1-2]，在冠狀面及水平面上的角度變化范圍相對較小，因此臨床中常以肱骨小頭和滑車的共同圓心作為平均旋轉(zhuǎn)軸，近似肘關(guān)節(jié)實際旋轉(zhuǎn)中心軸[3]。隨著手術(shù)技術(shù)的進步和器械的革新與改進，鉸鏈?zhǔn)酵夤潭茉谥怅P(guān)節(jié)手術(shù)的臨床應(yīng)用中變得愈發(fā)重要[4]。對于肘關(guān)節(jié)不穩(wěn)定和復(fù)雜性肘關(guān)節(jié)骨折脫位病例應(yīng)用鉸鏈?zhǔn)酵夤潭芸深A(yù)防術(shù)后不穩(wěn)定。對于接受肘關(guān)節(jié)間隔式成形術(shù)和肘關(guān)節(jié)松解術(shù)的病例應(yīng)用鉸鏈?zhǔn)酵夤潭芸蛇M行關(guān)節(jié)間隙撐開，防止術(shù)后不穩(wěn)定，保護修復(fù)的韌帶等長愈合。而應(yīng)用鉸鏈?zhǔn)酵夤潭ㄔO(shè)備最關(guān)鍵的步驟是精確定位肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心軸的位置。

在臨床實際操作中，通常在“C”型臂X線機透視下定位旋轉(zhuǎn)中心軸。在標(biāo)準(zhǔn)肘關(guān)節(jié)側(cè)位X線片上使肱骨小頭、小頭-滑車間溝及肱骨滑車的投影成為同心圓，即“三圓同心”。打入的定位導(dǎo)針需調(diào)整為一個點，與同心圓的圓心完全重合，因此手術(shù)操作相對困難。手術(shù)操作精度在很大程度上取決于醫(yī)生的手術(shù)技巧、熟練度以及主觀判斷。在置針時通常需要多次嘗試、反復(fù)透視并及時調(diào)整定位針的位置及方向，因此即使對于經(jīng)驗豐富的醫(yī)生也存在一定難度。患者及醫(yī)生所承受的輻射量也較大，加之有時因患者合并肩關(guān)節(jié)外展和內(nèi)旋活動受限導(dǎo)致術(shù)中無法擺出標(biāo)準(zhǔn)肘關(guān)節(jié)側(cè)位，或因解剖結(jié)構(gòu)先天或后天畸形等因素的影響，難以準(zhǔn)確置入肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心軸。這在很大程度上影響了鉸鏈?zhǔn)酵夤潭ㄔO(shè)備的準(zhǔn)確性和有效性[5-6]。另外，還可以通過“C”型導(dǎo)向器等工具進行定位，但也都取決于醫(yī)生的主觀判斷，誤差較透視下定位更大。

隨著影像數(shù)據(jù)處理、電腦終端及骨科智能機器人等高科技技術(shù)的發(fā)展，基于機器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)的骨科手術(shù)逐漸成為目前的研究熱點。處于臨床前沿的多適應(yīng)證骨科機器人能夠顯著提高傳統(tǒng)手術(shù)的操作精度，降低操作誤差，提高手術(shù)治療的臨床效果，并降低透視輻射危害，從而徹底實現(xiàn)骨科手術(shù)精準(zhǔn)治療的理念[7]。我國擁有的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的“天璣”骨科手術(shù)機器人(TiRobot)是目前為止國際首臺通用性骨科導(dǎo)航機器人，并獲得國家食品藥品監(jiān)督管理總局(China Food and Drug Administration，CFDA)認(rèn)證，可應(yīng)用于準(zhǔn)確定位肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心軸。應(yīng)用TiRobot骨科手術(shù)機器人及三維導(dǎo)航技術(shù)進行肘關(guān)節(jié)外固定設(shè)備旋轉(zhuǎn)中心軸的定位，在真正意義上做到了精準(zhǔn)醫(yī)療。以下具體闡述三維導(dǎo)航及TiRobot骨科手術(shù)機器人輔助下精準(zhǔn)定位肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心軸的操作技術(shù)要點，以指導(dǎo)臨床應(yīng)用。

一、TiRobot骨科手術(shù)機器人概述

1.構(gòu)成：TiRobot骨科手術(shù)機器人系統(tǒng)由主機、機械臂、手術(shù)計劃與控制軟件、光學(xué)跟蹤系統(tǒng)、主控臺車及導(dǎo)航定位工具包組成(圖1)。

圖1 TiRobot骨科手術(shù)機器人系統(tǒng)

2.工作原理：(1)收集和處理圖像信息——“眼”。通過將特殊定位標(biāo)記置于操作范圍內(nèi)進行顯影，便于更高效地識別影像資料并進行空間定位。機器人操作系統(tǒng)可以通過算法識別，高效精準(zhǔn)地完成定位操作，為配準(zhǔn)提供支持。如同人眼視力對精密手術(shù)的影響一樣，圖像質(zhì)量對于機器人配準(zhǔn)的準(zhǔn)確度至關(guān)重要。因此，在二維圖像的獲取上，高精度低畸變的數(shù)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(shù)機器人。術(shù)中二維“C”型臂和三維CT是骨科手術(shù)最常用的判斷方法，可以收集所需的二維或三維影像資料，便于骨科手術(shù)機器人進行術(shù)前規(guī)劃，從而更精準(zhǔn)、微創(chuàng)地指導(dǎo)及完成骨科手術(shù)治療。肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心軸是一個三維空間結(jié)構(gòu)，使用二維“C”型臂進行圖像采集和規(guī)劃，無法做到精準(zhǔn)判斷，且仍然對肘關(guān)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)正側(cè)位的要求非常高，無法體現(xiàn)手術(shù)機器人的優(yōu)勢。而術(shù)中通過三維CT獲取的三維影像數(shù)據(jù)，能夠更加全面及精確地獲得術(shù)中信息，可以精準(zhǔn)地找到所需肱骨小頭和滑車的圓心，以兩者的連線作為旋轉(zhuǎn)中心軸規(guī)劃。(2)手術(shù)規(guī)劃與配準(zhǔn)——“腦”。手術(shù)規(guī)劃的優(yōu)劣是決定骨科機器人性能的重要評估指標(biāo)。獲得精確圖像后，通過終端傳輸至機器人主機，術(shù)者可通過圖像資料進行詳細(xì)的手術(shù)規(guī)劃，隨后通過機器人實現(xiàn)空間精準(zhǔn)操作。采用人機交互界面，術(shù)者可根據(jù)具體病情的需要進行術(shù)中的手術(shù)規(guī)劃。依據(jù)獲取的不同影像資料，手術(shù)規(guī)劃模式分為二維和三維兩種。通常來說，基于定位機器人進行通道螺釘規(guī)劃是前者，需在多層面影像信息中設(shè)計螺釘?shù)钠鹬裹c。一般關(guān)節(jié)相關(guān)手術(shù)規(guī)劃多采用三維定位導(dǎo)航，從而實現(xiàn)內(nèi)植物與關(guān)節(jié)面和骨面較好的匹配。骨科手術(shù)機器人的配準(zhǔn)算法也十分重要，實質(zhì)是將術(shù)者根據(jù)影像數(shù)據(jù)所規(guī)劃的操作方案全面地實施在空間中。機器人配準(zhǔn)方法與所使用的影像獲取及數(shù)據(jù)形式密切相關(guān)。創(chuàng)傷骨科最常用的配準(zhǔn)方法是基于X線圖像的“C”型臂標(biāo)定法。原理是通過標(biāo)定的特殊位置或結(jié)構(gòu)，計算“C”型臂發(fā)射源、標(biāo)記點、螺釘規(guī)劃位置的相對空間關(guān)系轉(zhuǎn)化為機器人能夠采集并處理的運動學(xué)參數(shù)，指導(dǎo)其運轉(zhuǎn)。而對于通過術(shù)中三維CT獲取的資料，通常需要在三維條件下配準(zhǔn)，以收集相關(guān)參數(shù)及指標(biāo)。目前，較先進的技術(shù)是聯(lián)合X線與術(shù)前CT，實現(xiàn)二維或三維配準(zhǔn)，在獲取三維數(shù)據(jù)的同時，極大地降低了術(shù)中透視時間。但該技術(shù)仍需更多試驗驗證，難以立刻進行臨床應(yīng)用及拓展。(3)追蹤與導(dǎo)航——“手”。獲得機器人參數(shù)指標(biāo)后，機器人將定位導(dǎo)針或鉆頭準(zhǔn)確定位在規(guī)劃位置。從理論來說，機器人通過自身空間定位功能，能夠獨自進行導(dǎo)航。但絕對定位精度是現(xiàn)階段機器人難以突破的技術(shù)難關(guān)，通常不能充分滿足臨床手術(shù)需求，因此需要采用額外部件補償其操作精度。在實際操作中，通常采用光學(xué)捕捉系統(tǒng)，通過進行實時光學(xué)追蹤實現(xiàn)精度補償，能夠?qū)⒍ㄎ徽`差從1～2 mm減小至1 mm以內(nèi)。移位補償、呼吸補償?shù)纫彩侵匾木妊a償功能。但是，補償系統(tǒng)需機器人在位置上具有合理的布局，以減少不必要的遮擋，提高跟蹤的成功率。目前采用的三維導(dǎo)航技術(shù)的精度為0.2～0.8 mm。為確保手術(shù)操作及術(shù)者和患者的安全，骨科手術(shù)機器人在導(dǎo)航過程中設(shè)置有最高權(quán)限的機械式緊急制動開關(guān)，因此機器人在任何危險情況下都能夠通過此功能立即停止操作，規(guī)避不必要的傷害。另外，出于安全考慮，骨科手術(shù)機器人尤其是定位機器人僅作為輔助手術(shù)的設(shè)備，為醫(yī)生提供操作通道及手術(shù)規(guī)劃，無自主手術(shù)動作。

二、適應(yīng)證和禁忌證

1.適應(yīng)證：適用于由于肘關(guān)節(jié)復(fù)雜骨折脫位、肘關(guān)節(jié)不穩(wěn)定、恐怖三聯(lián)征、肘關(guān)節(jié)松解術(shù)和肘關(guān)節(jié)間隔成形術(shù)等原因需使用鉸鏈?zhǔn)酵夤潭艿幕颊撸饕m用于肘關(guān)節(jié)不穩(wěn)定、關(guān)節(jié)間隙狹窄、間隔物置入和側(cè)副韌帶損傷患者。

2.禁忌證：(1)硬件或者患者自身原因?qū)е掠跋袂逦炔?，無法安全規(guī)劃；(2)因內(nèi)固定物遮擋路徑無法置入定位針；(3)機器人規(guī)劃的路徑有無法避開的重要組織，如血管、神經(jīng)等；(4)機械臂無法移動到規(guī)劃部位，如術(shù)中需要多名醫(yī)生協(xié)同完成復(fù)位，對示蹤器造成遮擋，或因患者體位、手術(shù)床阻礙機械臂運轉(zhuǎn)等情況；(5)示蹤器無法有效固定，如患有骨質(zhì)嚴(yán)重疏松，或受呼吸幅度影響等；(6)肩關(guān)節(jié)外展內(nèi)旋嚴(yán)重受限，無法進行術(shù)中三維CT圖像采集；(7)通過規(guī)劃，導(dǎo)針與骨面成角過小，無法完成入點的固定，產(chǎn)生無法避免的誤差。

三、操作規(guī)范與流程

1.準(zhǔn)備工作：常規(guī)消毒鋪巾?；颊呷⊙雠P位，患肢置于特制的手術(shù)臺側(cè)方托板上，可處于任意體位(圖2)，以護皮膜進行固定。

2.機器人準(zhǔn)備：擺放機器人各部件及透視“C”型臂至適當(dāng)位置，確保機械臂工作空間可達(dá)到手術(shù)區(qū)域。光學(xué)跟蹤相機置于對側(cè)，移動式“C”型臂置于手術(shù)臺側(cè)方。

3.圖像采集和配準(zhǔn)：首先根據(jù)經(jīng)驗于患側(cè)上肢外側(cè)、三角肌止點處置入第1枚外固定架針，盡可能平行旋轉(zhuǎn)中心軸，在外固定架針上安裝示蹤器，同時組裝機器人示蹤器與無菌保護套并固定，建立機械臂術(shù)中工作無菌環(huán)境。應(yīng)用“C”型臂獲取含有機器人定位標(biāo)記點的術(shù)中透視影像(圖2)。對患側(cè)肘關(guān)節(jié)進行掃描，獲取三維圖像，并將其傳輸至主控工作站軟件進行配準(zhǔn)計算(圖3)。(1)肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸定位中的圖像采集要求：平面透視圖像盡可能相互垂直，正側(cè)位均能包含所需的標(biāo)記點，利于計算機構(gòu)建三維空間關(guān)系，此時才能開始進行三維圖像掃描。(2)三維掃描圖像獲?。汗跔钗?、水平位、矢狀位。(3)三維掃描圖像識別要點：矢狀位肱骨小頭和滑車均呈圓形。

4.手術(shù)路徑規(guī)劃：根據(jù)術(shù)中采集的冠狀位、水平位、矢狀位的三維圖像上的典型標(biāo)識點和骨性標(biāo)志結(jié)構(gòu)，在主控系統(tǒng)規(guī)劃軟件上調(diào)整并最終確定肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心軸以及螺釘置入路徑。手術(shù)設(shè)計理念需考慮手術(shù)安全性及旋轉(zhuǎn)中心軸的準(zhǔn)確性。冠狀位需確定旋轉(zhuǎn)中心軸的高度，水平位需明確旋轉(zhuǎn)中心軸是否居于前后方正中，矢狀位需驗證規(guī)劃旋轉(zhuǎn)中心軸是否位于肱骨小頭和滑車中心，綜合上述確定肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心軸位置(圖4)。

圖2 體位及圖像采集

圖3 三維掃描圖像及操作界面

圖4 手術(shù)路徑規(guī)劃

5.機械臂運行：通過規(guī)劃軟件的機械臂姿態(tài)模擬模塊模擬機械臂的運行姿態(tài)，確認(rèn)機械臂位置適合后續(xù)操作后，由主控系統(tǒng)的控制軟件控制和監(jiān)督機械臂沿規(guī)劃路徑運動至目標(biāo)位置。在機械臂末端安裝導(dǎo)向套筒。導(dǎo)向套筒擺放原則：(1)導(dǎo)向套筒始終在清潔區(qū)域運動，預(yù)留足夠的運行空間；(2)為術(shù)者植入導(dǎo)針預(yù)留操作空間；(3)保證定位套筒與患者視蹤器可以實時被光學(xué)跟蹤器追蹤到，便于實時監(jiān)測精度。

6.旋轉(zhuǎn)中心軸定位導(dǎo)針置入：在入釘點做一2 mm的小切口，鈍性分離皮下組織，將套筒尖端抵至入釘點骨皮質(zhì)。特制的套筒可避免間斷接觸骨面時產(chǎn)生滑動。在規(guī)劃軟件上確認(rèn)入釘點和虛擬探針方向是否符合規(guī)劃路徑，如軟件顯示其與規(guī)劃路徑偏差較大可以對路徑進行微調(diào)，確保預(yù)植入路徑與規(guī)劃路徑相符。路徑確認(rèn)精準(zhǔn)后，通過套筒向骨性通道內(nèi)鉆入導(dǎo)針，在鉆入過程中須始終監(jiān)測精度，誤差過大時及時調(diào)整。

7.再次驗證路徑精度：通過術(shù)中三維CT掃描再次驗證導(dǎo)針位置精準(zhǔn)度。若多次手術(shù)二次驗證發(fā)現(xiàn)誤差很小，也可省略這一步驟，或通過正側(cè)位透視來驗證。利用已確定的肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心軸，置入肱骨側(cè)及尺骨側(cè)外固定架所需螺釘，連接外固定裝置并確認(rèn)無誤后撤出旋轉(zhuǎn)軸定位導(dǎo)針，沖洗切口并縫合。

四、注意事項

1.對術(shù)者及助手的要求：(1)熟知傳統(tǒng)肘關(guān)節(jié)軸心定位的方法，在任何問題出現(xiàn)時可以不依賴于機器人輔助，獨立完成手術(shù)；(2)熟練掌握肘關(guān)節(jié)軸心定位操作技術(shù)，能夠科學(xué)合理地完成手術(shù)規(guī)劃；(3)熟悉機器人工作流程及原則，可以準(zhǔn)確完成信息獲??；(4)術(shù)中關(guān)注示蹤器位置，盡量降低外部干擾及誤差；(5)置入導(dǎo)向器和導(dǎo)針的同時，在減少局部創(chuàng)傷的前提下，盡量避免軟組織牽拉張力的影響。

2.避免出現(xiàn)圖像漂移：螺釘?shù)臏?zhǔn)確植入依賴于影像信息與手術(shù)操作部位的空間位置的一致性。手術(shù)時牽拉可能引起操作空間出現(xiàn)位置改變，示蹤器與操作位置間出現(xiàn)相對移動、示蹤器與紅外線光學(xué)跟蹤器傳輸路徑干擾等因素均可造成圖像與手術(shù)部位不符，稱為圖像漂移。術(shù)者需能夠準(zhǔn)確判斷圖像是否發(fā)生漂移并進行正確判讀，如出現(xiàn)較嚴(yán)重的圖像漂移需重新獲取信息。

3.手術(shù)路徑復(fù)核：(1)術(shù)者應(yīng)密切觀察及監(jiān)督系統(tǒng)的運行情況，若出現(xiàn)非操作指令下的自主操作或軟硬件系統(tǒng)崩潰等情況，需立刻采取緊急制動，暫停手術(shù)操作，并將所有與患者接觸的部件移除；(2)軸心定位導(dǎo)針植入完成后應(yīng)當(dāng)進行再次術(shù)中三維CT掃描，以驗證導(dǎo)針是否位于肱骨小頭和滑車的中心，確認(rèn)無誤后再植入肱骨和尺骨側(cè)外固定架針，連接外架后，檢查肘關(guān)節(jié)活動度無受限，才能結(jié)束手術(shù)。

4.手術(shù)間要求：(1)手術(shù)室面積應(yīng)在30 m2以上，具有良好的接地系統(tǒng)和供電條件；(2)配套操作臺需符合對體位和數(shù)字信息獲取的要求。

5.設(shè)備維護：(1)遵照指導(dǎo)手冊規(guī)范使用設(shè)備，嚴(yán)禁未經(jīng)培訓(xùn)人員使用；(2)系統(tǒng)內(nèi)部含有精密儀器，運輸及貯藏過程應(yīng)嚴(yán)格按照使用說明書的要求進行；(3)嚴(yán)格遵守指導(dǎo)說明的要求進行設(shè)備養(yǎng)護及系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化；(4)防止供電電源電壓過高或過低，定期檢查接地情況，確保使用安全；(5)如需熏蒸消毒手術(shù)間時，需將設(shè)備推出以保護電路板及元器件；(6)注意防塵，定期維護；(7)較長時間放置或不使用時應(yīng)通電除濕防潮，至少每周應(yīng)通電1次，每次2～3 h，避免受潮損壞。