機(jī)器人手術(shù)在關(guān)節(jié)外科的應(yīng)用進(jìn)展

張乾 何云利 賀強(qiáng) 張杭 馮哲 王弢 孫慶良 何森 天津市北辰醫(yī)院骨關(guān)節(jié)科 （天津 300400）

內(nèi)容提要： 隨著人工智能的發(fā)展，手術(shù)機(jī)器人在21世紀(jì)得到飛速發(fā)展，其個(gè)體化、精細(xì)化、微創(chuàng)化的特點(diǎn)，很快在關(guān)節(jié)外科得到廣泛應(yīng)用。在現(xiàn)代關(guān)節(jié)外科手術(shù)中，關(guān)節(jié)外科醫(yī)師可以通過(guò)手術(shù)機(jī)器人制定詳細(xì)的手術(shù)計(jì)劃及方案，并通過(guò)機(jī)器人精密的操作來(lái)完成手術(shù)。文章結(jié)合關(guān)節(jié)外科機(jī)器人在髖膝關(guān)節(jié)置換術(shù)及單髁置換手術(shù)中的應(yīng)用，對(duì)機(jī)器人手術(shù)在關(guān)節(jié)外科的應(yīng)用進(jìn)展作一綜述。

機(jī)器人手術(shù)是人工智能與傳統(tǒng)手術(shù)相結(jié)合的手術(shù)方式，將傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)信息儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)內(nèi)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、建模制定相應(yīng)的手術(shù)方案，由術(shù)者操縱機(jī)器人完成手術(shù)操作，不僅安全，而且盡可能地接近于人體生理解剖。關(guān)節(jié)外科醫(yī)生將機(jī)器人手術(shù)運(yùn)用在關(guān)節(jié)外科領(lǐng)域已有二十多年，其手術(shù)規(guī)劃、設(shè)計(jì)及規(guī)范操作均有了飛速的發(fā)展，手術(shù)例數(shù)和經(jīng)驗(yàn)也逐年增加，本文就機(jī)器人手術(shù)在關(guān)節(jié)外科的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1.機(jī)器人手術(shù)發(fā)展史

機(jī)器人應(yīng)用在臨床外科領(lǐng)域有近30多年的歷史，最開(kāi)始是應(yīng)用在神經(jīng)外科，在1985年由Kwoh等[1]使用機(jī)械臂進(jìn)行顱腦活檢，這是機(jī)器人第一次在手術(shù)中的應(yīng)用。此后更多的廠家開(kāi)始研制手術(shù)機(jī)器人并應(yīng)用到不同的學(xué)科中，包括普外科、神經(jīng)外科、泌尿外科、骨科等學(xué)科。

ROBODOC機(jī)器人系統(tǒng)于1992年在美國(guó)面世，主要用于規(guī)劃手術(shù)路線、確定位置，這被認(rèn)為是最早的骨科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。德國(guó)Ortomaquet公司于1997年研制的CASPAR（Computer Assisted Surgical Planning and Robotics）系統(tǒng)，可用于髖、膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)，其操作原理與ROBODOC系統(tǒng)基本一致。2001年，Acrobot系統(tǒng)開(kāi)始應(yīng)用于全膝關(guān)節(jié)置換和單髁置換手術(shù)，它由倫敦帝國(guó)學(xué)院研發(fā)成功，這是一個(gè)重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。此后隨著手術(shù)量及研究的深入，各類配備更精準(zhǔn)的機(jī)械臂、截骨工具和放置假體的關(guān)節(jié)外科機(jī)器人逐批問(wèn)世。達(dá)芬奇系統(tǒng)是美國(guó)第一個(gè)正式獲批的機(jī)器人輔助手術(shù)系統(tǒng)，自2000年8月獲批成功后，完成了150多萬(wàn)例手術(shù)，大大地推進(jìn)了手術(shù)機(jī)器人在各個(gè)學(xué)科的發(fā)展[2]。

Stryker公司的MAKO機(jī)器人是目前應(yīng)用最廣的手術(shù)機(jī)器人，可用于單髁、全膝及全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，它是最新一代關(guān)節(jié)外科機(jī)器人的代表。它通過(guò)術(shù)前CT三維掃描獲取術(shù)區(qū)信息，通過(guò)建模設(shè)計(jì)手術(shù)計(jì)劃并進(jìn)行手術(shù)模擬，最終由術(shù)者操縱機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)，在術(shù)中參考個(gè)體化可以實(shí)時(shí)校正，在保護(hù)系統(tǒng)下減少失誤及過(guò)度操作，因此手術(shù)誤差可以降到最低，從而大大提高其安全性和準(zhǔn)確性。

近年來(lái)，機(jī)器人手術(shù)在關(guān)節(jié)外科手術(shù)中得到廣泛應(yīng)用，尤其是髖關(guān)節(jié)置換、全膝關(guān)節(jié)置換與單髁置換手術(shù)，當(dāng)然也包括關(guān)節(jié)骨折的手術(shù)。機(jī)器人手術(shù)能更精準(zhǔn)地進(jìn)行截骨、放置假體、改善下肢力線，最大程度地保留骨組織并減少軟組織損傷，術(shù)后影像學(xué)改善明顯，患者術(shù)后滿意度及關(guān)節(jié)功能恢復(fù)更好。當(dāng)然，并不是所有的醫(yī)院都能開(kāi)展機(jī)器人手術(shù)，且機(jī)器人手術(shù)學(xué)習(xí)周期較長(zhǎng)，另外患者的花費(fèi)也相應(yīng)增加，因此對(duì)于機(jī)器人手術(shù)也存在一些爭(zhēng)議。我國(guó)機(jī)器人在關(guān)節(jié)外科的應(yīng)用主要用于髖膝關(guān)節(jié)置換和單髁置換，仍處于積累經(jīng)驗(yàn)的階段。

2.機(jī)器人手術(shù)在關(guān)節(jié)外科的應(yīng)用

2.1 全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)

全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的難點(diǎn)在于假體位置的安放，要保證假體的初始穩(wěn)定性，并避免術(shù)后假體的脫位。因此，術(shù)中髖臼位置、股骨柄的前傾角度就顯得尤其重要。多數(shù)病例發(fā)生脫位、早期假體松動(dòng)的原因都與假體沒(méi)有得到準(zhǔn)確的安放及周圍軟組織的過(guò)度損傷、松解有關(guān)。在常規(guī)手術(shù)中，髖臼由術(shù)者進(jìn)行銼磨，很容易產(chǎn)生偏心誤差，使髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心發(fā)生改變，術(shù)后容易引起組織與假體的撞擊，術(shù)后容易導(dǎo)致脫位、無(wú)菌性松動(dòng)等并發(fā)癥。機(jī)器人手術(shù)通過(guò)精準(zhǔn)的術(shù)前規(guī)劃，在術(shù)中由機(jī)械臂按照設(shè)計(jì)的角度、準(zhǔn)確的三維空間位置進(jìn)行銼磨，并準(zhǔn)確地放置關(guān)節(jié)假體，將人為誤差降低到最低，使假體得到最緊密的骨皮質(zhì)貼附，并最大程度地保留骨量。

結(jié)合機(jī)器人手術(shù)術(shù)后的影像學(xué)表現(xiàn)，機(jī)器人手術(shù)在髖臼位置、股骨偏心距、下肢長(zhǎng)度差異等方面均優(yōu)于人工手術(shù)，說(shuō)明機(jī)器人手術(shù)可以明顯提高手術(shù)精確度，對(duì)于假體周圍軟組織重建的研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人手術(shù)與人工手術(shù)均無(wú)法達(dá)到完整恢復(fù)髖關(guān)節(jié)周圍生理解剖結(jié)構(gòu)的效果，但基于機(jī)器人手術(shù)更高的精確度，所以在重建結(jié)構(gòu)上較人工手術(shù)更有優(yōu)勢(shì)。在將髖臼杯放入Lewinnek和Callanan安全區(qū)方面，機(jī)器人輔助手術(shù)比人工手術(shù)更為精確，并且證實(shí)在降低脫位率方面有明顯優(yōu)勢(shì)[3]。

在術(shù)后恢復(fù)方面，機(jī)器人手術(shù)患者的UCLA、mHHS評(píng)分較傳統(tǒng)人工手術(shù)患者的更高，這提示機(jī)器人手術(shù)能使術(shù)后患者的功能得到更好的恢復(fù)，當(dāng)然仍需進(jìn)行長(zhǎng)期的隨訪研究。

2.2 全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)

全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)手術(shù)的難點(diǎn)在于重建正確的下肢力線，要求術(shù)中進(jìn)行精確的截骨，正確放置假體并做到良好的軟組織平衡，尤其是能否精確地截骨與軟組織的平衡一直以來(lái)都作為衡量一名膝關(guān)節(jié)外科醫(yī)師手術(shù)技術(shù)是否成熟的標(biāo)準(zhǔn)。在手術(shù)中截骨不精確、軟組織不平衡、力線不正及假體選擇不當(dāng)均會(huì)導(dǎo)致術(shù)后疼痛、無(wú)菌性松動(dòng)、假體下沉、功能不良等結(jié)果，從而影響人工關(guān)節(jié)使用壽命。在NAVIO系統(tǒng)完成的尸體試驗(yàn)中，能保證股骨、脛骨力線平均偏移＜1°，截骨厚度相對(duì)術(shù)前規(guī)劃誤差僅為1mm。在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)術(shù)后影像參數(shù)方面，機(jī)器人手術(shù)在力線和假體位置明顯優(yōu)于人工手術(shù)，且各種參數(shù)誤差＞1°的發(fā)生率更低。

Batailler等[4]完成的綜述中，通過(guò)26項(xiàng)相關(guān)研究基于MAKO機(jī)器人，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)術(shù)式相比，機(jī)器人輔助全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)較人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)可以顯著降低疼痛、縮短住院時(shí)間、改善術(shù)后功能，具有很大的優(yōu)勢(shì)。機(jī)器人輔助手術(shù)在提高手術(shù)精度方面較人工手術(shù)更有優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)有的研究結(jié)果已經(jīng)足夠可以說(shuō)明這一點(diǎn)[5]；但中遠(yuǎn)期臨床結(jié)果的研究仍存在一定的爭(zhēng)議，與機(jī)器種類、設(shè)計(jì)缺陷、樣本數(shù)量、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等有關(guān)，且由于機(jī)器人手術(shù)應(yīng)用時(shí)間短，有待更多更長(zhǎng)遠(yuǎn)的深入研究。

2.3 膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)

膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)手術(shù)適應(yīng)證較全膝關(guān)節(jié)置換更嚴(yán)格一些，主要用于治療膝關(guān)節(jié)單間室骨關(guān)節(jié)炎，相較于全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)，單髁置換手術(shù)創(chuàng)傷小、失血少、恢復(fù)快，能最大程度地保留骨量，不損害交叉韌帶，保留本體感覺(jué)，術(shù)后功能好，患者的滿意度更高。傳統(tǒng)的人工單髁置換技術(shù)，難點(diǎn)在于關(guān)節(jié)假體的位置是否良好、軟組織平衡是否精準(zhǔn)，受術(shù)者水平等因素較多，假體的遠(yuǎn)期生存率要低于全膝關(guān)節(jié)置換，翻修比例相對(duì)較高。隨著機(jī)器人手術(shù)范圍擴(kuò)大，加上在關(guān)節(jié)外科的發(fā)展應(yīng)用，機(jī)器人輔助人工膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，且占比逐年增加。目前，機(jī)器人輔助單髁置換在美國(guó)占到單髁置換總量的15%～20%，伴隨機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，這一比例會(huì)越來(lái)越大。

精準(zhǔn)的假體位置和良好的軟組織平衡，是單髁手術(shù)成功的重要條件。機(jī)器人可以在術(shù)前進(jìn)行精準(zhǔn)的規(guī)劃，在術(shù)中精準(zhǔn)的操作，可以讓假體與骨面的覆蓋度達(dá)到最大，并且對(duì)軟組織的影響降到最低，另外，韌帶張力、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡也都是在手術(shù)計(jì)劃之內(nèi)，術(shù)中可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使膝關(guān)節(jié)在屈伸過(guò)程中得到一個(gè)比較接近正常的間隙平衡。機(jī)器人手術(shù)在處理患者韌帶不平衡時(shí)，相較于術(shù)前最多可減少0.53mm，幾乎不影響韌帶的緊張程度，更有利于康復(fù)功能鍛煉，充分說(shuō)明在軟組織平衡方面，機(jī)器人手術(shù)較傳統(tǒng)單髁手術(shù)更有優(yōu)勢(shì)。

Gilmour等[6]通過(guò)大樣本隨機(jī)對(duì)照研究，發(fā)現(xiàn)術(shù)前35例活動(dòng)量大的患者進(jìn)行機(jī)器人輔助膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)后，術(shù)后2年的KSS、牛津膝關(guān)節(jié)評(píng)分有較大提高。因此，機(jī)器人手術(shù)可以幫助活動(dòng)需求大的患者得到更好的收益。由于單髁置換手術(shù)適應(yīng)證相對(duì)嚴(yán)格，且單髁置換學(xué)習(xí)曲線相對(duì)較長(zhǎng)，機(jī)器人應(yīng)用于單髁置換較全膝置換也較少一些，因此，對(duì)于機(jī)器人輔助單髁置換術(shù)，仍需要大樣本長(zhǎng)期的臨床研究。

3.機(jī)器人手術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

近年來(lái)，手術(shù)機(jī)器人發(fā)展迅速，關(guān)節(jié)外科進(jìn)入機(jī)器人時(shí)代。機(jī)器人手術(shù)相較于傳統(tǒng)手術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于其可以根據(jù)不同的個(gè)體在術(shù)前制定詳細(xì)的術(shù)前規(guī)劃并在術(shù)中實(shí)時(shí)進(jìn)行導(dǎo)航，精準(zhǔn)是其最大的優(yōu)點(diǎn)。它的精準(zhǔn)由幾個(gè)方面進(jìn)行保證：①詳細(xì)的術(shù)前規(guī)劃，通過(guò)術(shù)前CT及三維重建進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)輸入機(jī)器人系統(tǒng)后，根據(jù)個(gè)體差異進(jìn)行精準(zhǔn)的術(shù)前規(guī)劃，包扎良好的下肢力線、假體位置、截骨厚度及軟組織平衡等[7]。②術(shù)中精準(zhǔn)的操作，人為總有誤差，尤其在術(shù)中進(jìn)行操作時(shí)，機(jī)器可避免或降低此類誤差。通過(guò)術(shù)前規(guī)劃及術(shù)中導(dǎo)航，可以精確定位機(jī)械臂與術(shù)區(qū)的相對(duì)位置，這個(gè)位置在三維空間也是固定的，因此截骨、磨挫、安置假體都是高度精確的。③機(jī)器的安全區(qū)保護(hù)，能通過(guò)術(shù)前規(guī)劃，機(jī)械臂的操作空間是相對(duì)固定的，即安全區(qū)操作，避免了骨量的丟失及軟組織的損傷。多數(shù)手術(shù)機(jī)器人為保證截骨的精準(zhǔn)性和保護(hù)膝關(guān)節(jié)周圍韌帶、神經(jīng)及血管，有自己的安全限制，當(dāng)截骨量超過(guò)原定計(jì)劃3mm或鋸片尖端達(dá)到安全邊界后，機(jī)械臂會(huì)自動(dòng)停止，從而避免損害重要結(jié)構(gòu)。

關(guān)節(jié)外科手術(shù)的目的就是使患者的關(guān)節(jié)功能恢復(fù)或接近于人體正常解剖結(jié)構(gòu)，在機(jī)器人輔助下，通過(guò)術(shù)前精準(zhǔn)的規(guī)劃和分析，針對(duì)不同的患者個(gè)性化處理，使之更接近于個(gè)體正常的解剖結(jié)構(gòu)，這是傳統(tǒng)人工手術(shù)無(wú)法比擬的。機(jī)器人輔助手術(shù)在關(guān)節(jié)力線恢復(fù)、軟組織的平衡、假體貼附等方面較傳統(tǒng)手術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。當(dāng)然，截骨量小、軟組織損傷小，尤其是韌帶的原始張力得到保護(hù)，在術(shù)后短期恢復(fù)及患者滿意度方面也具有非常大的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)然，機(jī)器人手術(shù)也有缺點(diǎn)：①機(jī)器人手術(shù)設(shè)備比較昂貴，在國(guó)內(nèi)也僅有極少數(shù)的大型醫(yī)院有實(shí)力購(gòu)買，且機(jī)器投入使用后需要專門的手術(shù)室、人員培訓(xùn)，并需定期維護(hù)，成本較高。②機(jī)器人手術(shù)需要術(shù)前規(guī)劃，且多部位需要CT掃描及三維重建，使用機(jī)器人也需要支付相應(yīng)的費(fèi)用，使用過(guò)程中的一次性耗材，對(duì)患者來(lái)說(shuō)，住院費(fèi)用較傳統(tǒng)手術(shù)明顯增加，住院周期也相對(duì)延長(zhǎng)。③機(jī)器人手術(shù)時(shí)間相對(duì)傳統(tǒng)手術(shù)時(shí)間略長(zhǎng)，相應(yīng)的麻醉風(fēng)險(xiǎn)及費(fèi)用也會(huì)增加。④目前多數(shù)廠家的機(jī)器人無(wú)法實(shí)現(xiàn)資源共享，不同的術(shù)前規(guī)劃、操作規(guī)范及操作標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致機(jī)器設(shè)備使用相對(duì)單一，術(shù)后效果也無(wú)法進(jìn)行統(tǒng)一評(píng)價(jià)。例如，部分廠家的機(jī)器人僅提供髖膝置換而不提供單髁置換，這對(duì)于科室及醫(yī)院來(lái)說(shuō)，一臺(tái)昂貴的機(jī)器只提供一兩種手術(shù)術(shù)式顯然是投入產(chǎn)出不成比例的。⑤機(jī)器人手術(shù)也是需要學(xué)習(xí)曲線的，雖然機(jī)器人手術(shù)可以避免一些人為操作的失誤，但是機(jī)器人手術(shù)器械相對(duì)傳統(tǒng)手術(shù)器械更加復(fù)雜多樣。另外，機(jī)器人畢竟屬于機(jī)器人，存在很多不確定因素，如注冊(cè)失敗、建模失敗等因素，有被迫改為手工手術(shù)的可能[8]。如果沒(méi)有大量的人工關(guān)節(jié)置換經(jīng)驗(yàn)，在操作機(jī)器人過(guò)程中也依然存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

4.機(jī)器人手術(shù)在關(guān)節(jié)外科的展望

近年來(lái)，機(jī)器人手術(shù)在關(guān)節(jié)置換領(lǐng)域迅猛發(fā)展，尤其近年來(lái)國(guó)內(nèi)多家關(guān)節(jié)中心都引進(jìn)了機(jī)器人設(shè)備，表明關(guān)節(jié)外科醫(yī)生對(duì)于機(jī)器人手術(shù)是非常關(guān)注的。雖然目前在我國(guó)使用機(jī)器人費(fèi)用成本較傳統(tǒng)手術(shù)略高，但是相較于傳統(tǒng)手術(shù)其手術(shù)精準(zhǔn)、創(chuàng)傷小、術(shù)后患者疼痛小、恢復(fù)快、滿意度高的優(yōu)點(diǎn)也逐漸被關(guān)節(jié)外科醫(yī)生和患者所接受。當(dāng)然，機(jī)器人技術(shù)也在不斷發(fā)展的，在其保障精準(zhǔn)性的前提下，繼續(xù)擴(kuò)大機(jī)器人相應(yīng)的手術(shù)適應(yīng)證以及開(kāi)放不同的術(shù)式。目前，機(jī)器人技術(shù)在創(chuàng)傷骨科、脊柱外科均有廣泛應(yīng)用，相信今后會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大范圍。例如應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可以幫助術(shù)者更精準(zhǔn)地定位交叉韌帶的位置，從而重建損傷的交叉韌帶。相信在不久的將來(lái)，通過(guò)關(guān)節(jié)外科醫(yī)生的努力和機(jī)器人人工智能技術(shù)的發(fā)展，使人工智能與臨床達(dá)到精準(zhǔn)化、個(gè)性化的統(tǒng)一，終究會(huì)有理想的關(guān)節(jié)外科機(jī)器人并在關(guān)節(jié)外科得到更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展[9]。