骨盆髖臼骨折機(jī)器人輔助治療的研究進(jìn)展

宋愛華，張娟，林佳明，王鐵軍*

(1.吉林大學(xué)第一醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，吉林 長春 130021；2.三原縣人民醫(yī)院骨一科，陜西 咸陽 713800；3.吉林省腫瘤醫(yī)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(guān)節(jié)脫臼引起，通常由前部(恥骨聯(lián)合和恥骨支)和后部(髂骨翼、骶骨、骶髂關(guān)節(jié))的損傷組成[1]。手術(shù)治療骨盆髖臼骨折的目的是恢復(fù)骨盆髖臼解剖結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性。近年來，手術(shù)機(jī)器人逐漸應(yīng)用到骨盆髖臼骨折手術(shù)治療的過程中。手術(shù)機(jī)器人是目前工業(yè)技術(shù)水平在醫(yī)療器械上集中應(yīng)用的最成功的代表，是集多項現(xiàn)代高科技手段于一體的綜合體[2]，具有高精準(zhǔn)度、高穩(wěn)定性、自動化、智能化等特點(diǎn)。機(jī)器人輔助手術(shù)可明顯提高安全性以及準(zhǔn)確性，并且可以加快手術(shù)進(jìn)度，縮短手術(shù)時間，從而可以減少手術(shù)中的出血量，促進(jìn)快速康復(fù)，縮短患者的住院時間。然而機(jī)器人手術(shù)存在著明顯輻射量增加以及操作細(xì)節(jié)影響置釘準(zhǔn)確性的問題[3]。詳細(xì)研究進(jìn)展如下。

1 相關(guān)概念

1.1 骨科手術(shù)機(jī)器人 骨科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)包括外科手術(shù)計劃和控制軟件、主機(jī)、機(jī)械臂、光學(xué)跟蹤系統(tǒng)、外科手術(shù)工具套件和配件[4]。與傳統(tǒng)的外科手術(shù)相比，骨科手術(shù)機(jī)器人也是眼、腦、手協(xié)調(diào)的過程：(1)骨科手術(shù)機(jī)器人的眼睛是圖像采集和識別。帶有C型臂系統(tǒng)的錐束計算機(jī)斷層掃描(CT)可以替代CT建立三維成像系統(tǒng)[5]，在不暴露傷口的情況下為醫(yī)生提供更完整準(zhǔn)確的3D信息，從而更好地為高精度骨科手術(shù)服務(wù)。(2)骨科手術(shù)機(jī)器人的大腦是手術(shù)設(shè)計和注冊。機(jī)器人主機(jī)根據(jù)醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行手術(shù)設(shè)計，并分配機(jī)器人各部分以實現(xiàn)空間配準(zhǔn)，通過人機(jī)交互界面，醫(yī)生也可以根據(jù)情況在手術(shù)之前或期間進(jìn)行手術(shù)設(shè)計。(3)骨科手術(shù)機(jī)器人之手是工具跟蹤和導(dǎo)航。在獲得機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)參數(shù)之后，機(jī)器人可以將手術(shù)工具準(zhǔn)確地放置在手術(shù)部位上，此過程稱為機(jī)器人導(dǎo)航。在手術(shù)過程中，將機(jī)器人模塊化單元組合成一個平行框架，使其導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定的導(dǎo)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(yán)重的高能量暴力損傷，占全身骨折的3%，死亡率卻高達(dá)13.4%。近年來，隨著交通運(yùn)輸及建筑業(yè)的高速發(fā)展，骨盆骨折同時合并有髖臼骨折的發(fā)病率也在日趨增多[7]。將過去15年的數(shù)據(jù)與2005年發(fā)布的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jù)骨盆環(huán)穩(wěn)定性將骨盆骨折分為A、B、C三型，后來根據(jù)骨盆前環(huán)或后環(huán)損傷將此分型加以擴(kuò)展，形成了獨(dú)立的半骨盆分型[8]。對于手術(shù)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(chuàng)技術(shù)的發(fā)展和骨通道結(jié)構(gòu)概念的提出，經(jīng)皮螺釘內(nèi)固定治療骨盆髖臼骨折已在臨床實踐中得到應(yīng)用。

1.3 骨盆髖臼骨折機(jī)器人輔助治療 骨盆髖臼骨折機(jī)器人適用于機(jī)器人輔助經(jīng)皮螺釘固定骨盆和髖臼骨折，通過術(shù)前成像，術(shù)中實時跟蹤和機(jī)械臂輔助來執(zhí)行螺釘位置計劃，完成手術(shù)。與人工操作相比，機(jī)器人輔助治療骨盆和髖臼骨折具有明顯的優(yōu)勢，比如縮短手術(shù)時間，提高手術(shù)質(zhì)量，降低術(shù)后感染發(fā)生率等[10]。但機(jī)器人輔助的骨盆髖臼內(nèi)固定術(shù)僅適用于位移較小的骨盆髖臼損傷或閉合有限的切開復(fù)位術(shù)，例如前環(huán)受傷，包括坐骨支斷裂和恥骨聯(lián)合分離；后環(huán)受傷，包括骶骨骨折和骶髂關(guān)節(jié)脫位；髖臼骨折，包括髖臼前柱和后柱；髂骨骨折。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)器人應(yīng)用于骨科手術(shù)開始于1992年，截至2016年骨科機(jī)器人已完成骨科手術(shù)2萬余臺。當(dāng)前在骨科手術(shù)領(lǐng)域中使用的機(jī)器人系統(tǒng)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(shù)機(jī)器人發(fā)展較快，機(jī)器人類型更為全面，機(jī)器人系統(tǒng)主要包括Acrobot機(jī)器人系統(tǒng)、MAKOplasty機(jī)器人系統(tǒng)、Robodoc機(jī)器人系統(tǒng)、SpineAssist機(jī)器人系統(tǒng)等。其中，Robodoc(綜合外科手術(shù)系統(tǒng))于1992年推出，旨在通過減少技術(shù)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(shù)機(jī)器人相比，國內(nèi)骨科手術(shù)機(jī)器人研發(fā)尚處于起步階段。值得注意的是，北京積水潭醫(yī)院田偉教授等進(jìn)行了脊柱導(dǎo)航輔助機(jī)器人手術(shù)的相關(guān)研究，主要研究方向就是脊柱椎弓根螺釘置入的相關(guān)評估，由其研發(fā)的“天璣”(TiRobot)手術(shù)機(jī)器人已于2016年底獲得國家Ⅲ類醫(yī)療器械資格證。TiRobot是在中國自主開發(fā)的，是最新的先進(jìn)骨科機(jī)器人系統(tǒng)。該機(jī)器人系統(tǒng)采用模塊化、小型且通用的設(shè)計，在外科手術(shù)平臺技術(shù)上取得了突破[13]。

3 應(yīng) 用

王滿宜團(tuán)隊[14]使用天璣外科手術(shù)機(jī)器人對12例骨盆和髖臼微創(chuàng)內(nèi)固定手術(shù)患者進(jìn)行前瞻性病例對照研究。通過對比手術(shù)時間、術(shù)中透視時間、導(dǎo)針調(diào)整次數(shù)、螺釘置入位置優(yōu)良率和不良事件發(fā)生率進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)手術(shù)機(jī)器人組各項指標(biāo)均優(yōu)于對照組。劉巖團(tuán)隊[15]發(fā)現(xiàn)天璣骨科手術(shù)機(jī)器人治療老年骨盆和髖臼骨折時，術(shù)中透視次數(shù)、出血量、總鉆孔次數(shù)及并發(fā)癥發(fā)生率均顯著少于對照組。Liu等[13]利用TiRobot輔助治療不穩(wěn)定的骨盆環(huán)骨折，結(jié)果顯示TiRobot組的手術(shù)時間、熒光檢查的頻率、術(shù)中出血和總鉆孔次數(shù)均少于常規(guī)組。陳宏興團(tuán)隊[16]利用第三代骨科手術(shù)機(jī)器人TiRobot結(jié)合3D打印系統(tǒng)對12例骨盆不穩(wěn)定型骨折患者行機(jī)器人輔助治療，平均手術(shù)時間70 min，平均透視次數(shù)16次，手術(shù)切口平均2 cm，所有置入螺釘位置精準(zhǔn)滿意。傷口均一期愈合，未出現(xiàn)醫(yī)源性血管、神經(jīng)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(shù)機(jī)器人輔助經(jīng)髂骨螺釘治療盆腔后環(huán)骨折手術(shù)，與傳統(tǒng)方法對比，手術(shù)機(jī)器人組在透視頻率、透視時間、手術(shù)時間、切口長度、麻醉時間和失血量方面均優(yōu)于常規(guī)組。Wang等[18]將TiRobot用于SI螺釘固定，結(jié)果表明機(jī)器人輔助組在置釘優(yōu)良率、復(fù)位后透視時間、導(dǎo)絲插入時間、導(dǎo)線嘗試次數(shù)等都優(yōu)于常規(guī)組。Du等[19]利用中國生產(chǎn)的第三臺Ti機(jī)器人系統(tǒng)治療不穩(wěn)定的骨盆前后環(huán)骨折，手術(shù)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(jī)器人還用于其他骨科手術(shù)。于凌佳等[20]對1例患者進(jìn)行“天璣”骨科機(jī)器人輔助精準(zhǔn)椎弓根釘置入手術(shù)，術(shù)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(tǒng)輔助髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)。Leelasestaporn等[22]將MAKO系統(tǒng)用于膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)骨關(guān)節(jié)炎患者手術(shù)治療，顯著縮短了手術(shù)時間，減少了術(shù)中出血量。

4 優(yōu) 點(diǎn)

目前，切開復(fù)位內(nèi)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(diǎn)。以髂腹股溝入路為例，傳統(tǒng)的骨科技術(shù)存在手術(shù)時間長、出血量大、術(shù)后血栓發(fā)生率高、軟組織損傷大、腹外疝發(fā)生率高的缺點(diǎn)[24]。與之相比，骨科手術(shù)機(jī)器人完美地規(guī)避了以上問題，通過術(shù)前成像，術(shù)中實時跟蹤和機(jī)械臂輔助來執(zhí)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(zhǔn)確地插入方頭螺釘，還可以降低手術(shù)風(fēng)險和輻射暴露，提高了骨表面制備的準(zhǔn)確性和精確度，提供了更可靠和可再現(xiàn)的結(jié)果以及更高的空間準(zhǔn)確性?？傊瑱C(jī)器人輔助治療骨盆髖臼骨折具有創(chuàng)傷小、手術(shù)時間短、失血少、安全性高、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)，具有很大的臨床應(yīng)用價值[17]。

5 缺陷和問題

對于骨科手術(shù)機(jī)器人技術(shù)方面的缺陷和問題主要有：(1)機(jī)器人硬件問題，例如圖像收集不清晰、機(jī)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(shù)已達(dá)到較先進(jìn)的階段，但由于控制回路穩(wěn)定性等的實際挑戰(zhàn)，觸覺反饋仍未得到充分利用。遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)中缺少觸覺反饋，迫使外科醫(yī)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(shù)系統(tǒng)無法記錄的任何不準(zhǔn)確或不確定性的情況下，人與機(jī)器的意圖可能會出現(xiàn)差異[26]。(4)手術(shù)存在局限性，主要是由于神經(jīng)血管結(jié)構(gòu)和主要韌帶結(jié)構(gòu)。在手術(shù)中，軟組織對機(jī)器人提出了挑戰(zhàn)[27]，在機(jī)器人計劃的路徑中可能無法避免以上重要組織。(5)應(yīng)用范圍過于局限，大部分骨科機(jī)器人僅用于術(shù)中某一階段，并不能完成更多手術(shù)操作，并且難以實現(xiàn)跨部位、跨操作類型、跨流程的轉(zhuǎn)換。除此之外，還包括機(jī)型較大，占據(jù)較大空間以及使用成本過高等問題。

6 發(fā)展前景

骨科手術(shù)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)在于微創(chuàng)、安全、精確和可重復(fù)性高，不僅可以術(shù)前成像，而且可以準(zhǔn)確地插入方頭螺釘，并降低手術(shù)風(fēng)險和輻射暴露。但是，目前骨科手術(shù)機(jī)器人仍存在以上多點(diǎn)缺陷和問題。因此，未來骨科手術(shù)機(jī)器人治療骨盆髖臼骨折可以在以下幾個方面展開并進(jìn)一步發(fā)展。

6.1 機(jī)械制造 骨科手術(shù)機(jī)器人機(jī)型較大，且硬件軟件等設(shè)備尚處于研發(fā)的起步階段，均有很大的上升空間。減小機(jī)器人的機(jī)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(zhǔn)確性，降低手術(shù)風(fēng)險。

6.2 計算機(jī)算法 計算機(jī)算法貫穿于骨科手術(shù)機(jī)器人眼、腦、手協(xié)調(diào)的過程，在圖像采集和識別、手術(shù)設(shè)計和注冊以及工具跟蹤和導(dǎo)航中起到核心作用。雖然骨科手術(shù)機(jī)器人目前仍存在許多問題待解決，但隨著計算機(jī)算法的進(jìn)步，必將減少操作的誤差。計算機(jī)算法的更新有助于機(jī)器人工作流程的規(guī)范化及程式化，達(dá)到從中樞指令對機(jī)器人行為進(jìn)行約束和規(guī)范的目的，進(jìn)而促進(jìn)其推廣應(yīng)用[28]。

6.3 機(jī)器人導(dǎo)航 導(dǎo)航系統(tǒng)通過借助外部的空間坐標(biāo)跟蹤設(shè)備，將患者手術(shù)目標(biāo)區(qū)域與手術(shù)器械或機(jī)器人的空間坐標(biāo)進(jìn)行測量，以獲取兩者的相對位置關(guān)系，從而指導(dǎo)醫(yī)生進(jìn)行精確、快速、安全的定位和內(nèi)植物置入[29]。因此要加強(qiáng)導(dǎo)航設(shè)備的研發(fā)，更全面地進(jìn)行術(shù)前設(shè)計和術(shù)中定位，在手術(shù)的過程中，確保螺釘放置位置與計劃一致，實現(xiàn)精確化和標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)一步減少手術(shù)誤差，提高手術(shù)質(zhì)量。

6.4 操作訓(xùn)練體系 盡管機(jī)器人輔助手術(shù)被廣泛采用，機(jī)器人操作培訓(xùn)工具也已經(jīng)緩慢發(fā)展，但目前并沒有正式成立機(jī)器人操作訓(xùn)練體系。訓(xùn)練不足對于缺乏經(jīng)驗的外科醫(yī)生來說將增加手術(shù)的固有風(fēng)險[30]。

7 結(jié) 論

綜上所述，雖然骨科手術(shù)機(jī)器人的研發(fā)處于起步階段，但卻向著安全、精確的方向發(fā)展，在相對較短的時間內(nèi)，在外科手術(shù)的使用中就取得了巨大的進(jìn)步，實現(xiàn)了對患者和外科醫(yī)生的醫(yī)療改善，實現(xiàn)了人工智能全面化和標(biāo)準(zhǔn)化。我們應(yīng)該推動并致力于輔助機(jī)器人的研發(fā)，完善機(jī)器人輔助治療骨盆髖臼骨折的技術(shù)，達(dá)到行業(yè)規(guī)范和臨床標(biāo)準(zhǔn)。