机器人手术在关节外科中的应用进展

苏日力格，刘 旭，徐 哲，宋 亚，冯 卫

（吉林大学白求恩第一医院，吉林长春130000）

机器人手术在关节外科中的应用进展

苏日力格，刘 旭，徐 哲，宋 亚，冯 卫

（吉林大学白求恩第一医院，吉林长春130000）

0 引言

机器人手术（robotic surgery）是一种通过整合医学成像、计算机及机器人等技术，在术前制定合理手术方案，术中使用机器人来完成复杂手术操作的一种手术方式．它要求在保证手术安全性的前提下，得到更好的解剖定位，提高手术精度．随着下肢力线、软组织平衡及假体位置等手术因素对髋、膝关节置换中重要性的发现，关节外科医生开始追求更高的操作标准，而经过20余年发展的机器人手术凭借其高精度规划和程序自动化运动能力正适应了这项要求，近年的手术例数及相关研究数量明显增加．本文将就机器人手术的操作原理及在人工关节置换手术中的应用现状进行综述．

1 机器人手术的操作原理

机器人手术主要由机器人手术系统、上位机控制系统和视觉反馈系统三部分组成．视觉系统通过摄像头将图像信息实时呈递给上位机控制系统进行处理，机器人手术系统根据处理后的信息进行切割操作［1］．一次完整的机器人手术一般由手术计划和手术操作两部分完成．在进行手术计划时，根据是否需要影像学结果支持可将手术机器人分为影像依赖和独立成像两类［2］．影像依赖的系统需要患者在术前进行CT、MRI等影像检查，然后根据影像结果建立3D模型，在术前模拟截骨、假体摆放、畸形矫正等以指导整个手术计划．独立成像系统在术中由手术机器人通过识别人工植入的解剖标记位点来进行实时成像．手术操作一般由机器人和医生随着手术计划进行操作，并根据术中具体情况调整手术方案，最终完成手术．Picard等［3］通过总结常见手术机器人的手术操作，按其使用方法分为主动型、半主动型和被动型3类．主动型指手术机器人按术前计划自主完成截骨、扩髓等手术操作，术者不参与其中，以美国ISS（Integrated Surgical Systems）公司的 ROBODOC系统为代表．半主动型指医生在机器所约束的范围内进行手术操作，通过视、听、触觉等反馈来防止术者过度操作，是目前关节外科所采用机器人的主流形式，以Stryker公司的MAKO系统应用最广泛．被动型则是手术机器人提供定位、导向、导航等操作，医生在其辅助下完成手术，机器人本身不进行手术操作，如Praxim Medivision公司的Praxiteles系统等．机器人手术的核心是在不同历史进程、操作理念及技术支持下的操作系统，大体上可以按是否与导航技术相结合将其分为第一代与第二代机器人手术系统．

2 机器人手术在关节外科中应用的发展历史

美国ISS公司于1991年共同研发的早期ROBODOC系统是最初应用于关节外科手术的半主动型手术机器人，其术前需要在体内植入钛针，通过CT扫描建立模型，术中医生手动导引搜索钛针位置，从而获得术前、术中股骨的匹配．该系统于1992年成功应用于1例64岁男性患者，成为世界首例机器人辅助下关节外科手术．虽然1994年欧盟证实了该系统在德国应用的安全性［4］，但术后并发症发生率依然较高．直到经过改良的ROBODOC系统变为主动型手术机器人，不再依赖植入物与CT定位，使用机器人代替人工操作，才使术后并发症明显减少，同时手术精确度也得到了明显提高．目前，ROBODOC系统完成的关节置换手术在世界范围内已经超过28 000例，手术适应症也从最初的非骨水泥型全髋关节置换扩展到全膝关节置换、全髋关节翻修手术．

1997年德国Ortomaquet公司研制的可用于髋、膝关节置换的 CASPAR（computer assisted surgical planning and robotics）系统，其操作原理与ROBODOC系统基本一致．Sierbel等［5］报道，在全膝关节置换术中使用CASPAR系统可以提高胫股对线．Wu等［6］研究发现与人工全髋关节置换术相比，CASPAR系统提高了假体33%的骨皮质贴附程度．但之后的研究暴露出了该系统的术后并发症发生率较高［7］，由于潜在的风险远高于预期收益，该系统之后不再应用于临床．

伦敦帝国学院于2001年开发的用于全膝关节置换和单髁置换手术的Acrobot系统是手术机器人历史上的重要转折点．它通过CT完成术前计划，不再需要额外的术前标志物植入操作，术者在预设的安全范围内进行操作，通过触觉反馈来提示术者．这种安全有效的操作方法为后续手术机器人系统提供了重要参考．

以早期ROBODOC系统为代表的第一代手术机器人，由于技术支持不足、操作繁琐、术后并发症发生率过高等原因不得不进行技术更新或退出历史舞台．新一代手术机器人如MAKO、iBlock、Navio PFS系统，通过与导航技术结合，在最新计算机技术的支持下，其安全性和精确性得到了很大提升，正被快速地推广应用．

Stryker公司的MAKO系统是目前应用范围最广的半主动型手术机器人，可用于单髁、全膝及全髋关节置换术．它通过术前CT扫描设计手术计划，术中依据个体化模型实时校正，在触觉反馈系统下防止过度操作［8］，其安全性和准确性得到了大量相关研究的支持．

OMNI公司的iBlock系统是主要用于全膝关节置换手术的独立成像系统，术者根据术中实时成像进行截骨操作．一项对100例使用该系统进行手术的回顾性研究显示，98例患者的截骨角度较最佳位置在3°范围以内，这说明了该系统在手术精度上的优越性［9］．但由于该系统缺乏完善的反馈系统，需使用特定类型的假体，术后评估手段不足等原因，使其进一步应用受到限制．

Smith＆Nephew公司的Navio PFS系统是主要用于单髁关节置换手术的半主动型系统，其手术计划不依赖术前CT扫描，术中借助红外摄像头导航手术操作．研究［10］表明应用该系统安置的假体位置良好，旋转及力线误差均很低．但其应用范围有限，对于其临床效果、术后并发症等方面的研究尚缺乏．

虽然新一代手术机器人在关节外科手术中的优势正逐渐被认可，但其真正实践的时间还不足10年，还有许多问题亟待解决．

3 机器人手术在关节外科的应用现状

3．1 全膝关节置换术 全膝关节置换术（total knee arthroplasty，TKA）要求术中精确的截骨操作、合适的假体选择与良好的软组织平衡，并重建下肢力线，以保证术后良好的假体稳定性及功能恢复．一项meta分析［11］指出，截骨、假体选择及软组织平衡等手术因素控制不当会导致如无菌性松动、聚乙烯磨损、假体下沉、术后疼痛等不良结果的产生，并使假体远期寿命减少．Liow等［12］的研究显示，与传统人工关节置换相比，机器人辅助关节置换者的下肢力线位置与关节对位水平更佳，与Kim等［13］的研究结果相符，同时Liow等研究对两者术后6个月随访时的功能恢复情况、KSS评分等的评估发现没有明显差异．但Liow等［14］通过进一步随访发现机器人手术者的在术后2年的功能恢复更佳．在软组织平衡方面，Song等［15］发现机器人手术者的屈伸间隙能够控制在2 mm范围内，表现更佳．现有的研究结果虽然在机器人手术能够提高手术精度上得到了相似的结论，但因设计缺陷、样本数量、标准不统一等原因，其在临床效果上的结论尚存在争议，而且由于机器人手术的发展时间尚短，有待更多的临床研究及远期随访进一步验证．

3．2 膝关节单髁置换术 与全膝关节置换术相比，膝关节单髁置换术（unicompartmental knee arthroplasty，UKA）的手术因素与术后功能恢复、并发症等的联系更为紧密，机器人手术高精度的优势使其在该术式上得到迅速推广．Dunbar等［16］应用MAKO系统完成的20例手术显示其假体位安放后在各方向上无明显旋转偏移，位置良好，患者术后功能恢复良好．Lonner等［17］和 Smith 等［18］分别独立地采用 Navio PFS 系统完成的手术也得出了同样的结论．Citak等［19］则通过尸体解剖研究证实了机器人辅助手术者的假体位置摆放的精确性，这与Lonner等［20］通过临床观察31名使用MAKO系统的患者所得结果相同．在与传统人工手术的比较中，Cobb等［21］使用 Acrobot系统的实验显示，机器人辅助手术者的下肢力线对位情况更佳．MacCallum等［22］发现机器人辅助手术在冠状面和胫骨平台上的假体位置更优．在软组织平衡方面，Plate等［23］使用 MAKO系统的52例手术与术前相比，膝关节内侧间室骨关节炎患者的内外侧韧带不平衡，术后可最多减少0．53 mm，有利于恢复韧带紧张程度及康复功能锻炼．Coon等［24］则报道了第一个关于机器人辅助单髁置换术的短期随访，跟踪了854例患者，生存率为98．9%，满意度为92%，高于传统人工手术的数据，但由于随访时间不足2年，进一步的可靠结论尚需时日．单髁置换的研究因手术基数大使其研究相对丰富，除了对手术精度的深入研究，大样本的长期随访也在进行中，这显示了人们对机器人手术在该领域应用的认可与期望．

3．3 全髋关节置换术 全髋关节置换术（total hip arthroplasty，THA）要求假体的早期稳定性，并要警惕术后脱位的发生，这些需通过假体的良好安置及尽可能重建周围软组织来实现．手术机器人在THA中的作用在于准确摆放假体并得到紧密的骨皮质帖附．EL等［25］比较了髋臼摆放位置、下肢长度差异、偏心距等方面与传统人工全髋关节置换的差异，发现机器人辅助全髋关节置换术可以明显提高精确度．同时，lllgen等［26］也通过与传统人工手术比较发现机器人辅助手术可以提高71%的精确度，并明显减少2年内术后脱位率．Lim等［27］也报道了机器人辅助手术与传统人工手术相比有着更高的手术精确度，但术后1年随访结果显示，两者在功能恢复方面无差异．而另外一项单中心回顾性研究［28］在对患者进行平均2年的远期随访时却发现，机器人辅助手术者比传统人工手术者的UCLA及mHHS评分更高，这提示患者选择机器人辅助全髋关节置换术可能使功能得到更好恢复，有待进一步研究证实．Tsai等［29］在对假体周围软组织重建的研究显示不论人工还是机器人辅助均无法完整恢复髋关节的生物结构，但机器人辅助的更高精确度提示了在重建生物解剖上的潜在优势．出于对学习过程中可能存在的并发症过高的担忧，Kamra等［30］通过对髋臼侧假体位置的测量，比较了医生学习计算机导航手术、机器人手术时和传统人工全髋关节置换手术的不同，发现学习计算机导航手术的医生在能够精确安置假体前有明显的学习曲线存在，学习机器人手术者的手术效果在学习期间就可以得到明显提高．总之，机器人辅助手术在全髋关节置换术中应用的效果确切，相关远期研究值得期待．

4 结论与展望

随着手术机器人技术的发展，手术时间长、学习曲线久及术后并发症发生率高的问题得到了一定程度的缓解．尽管机器人手术在精度上的表现正得到广泛认可，但仍有很多学者对其操作灵活性欠佳、维护费用过高等存有顾虑［30－32］，还有人对机器人辅助手术的术前影像检查给患者所带来的额外费用及潜在的放射性风险产生疑虑［33］．在高等级循证医学证据尚缺乏的情况下，由于各研究所采用的系统不同、评价标准不一、手术流程差异等原因，导致研究结论之间存在不一致的情况．而新一代机器人手术因应用时间尚短，还有待进一步研究的论证．

就手术机器人自身的发展而言，受当前人工智能、机械工业、导航系统等技术条件的制约，使半主动型的机器人成为主流，但仍应对其他两型保持关注．从机器人手术的应用现状看，它在提高手术精度并减少人为误差的基础上，得到了满意的术后效果，患者表现出了更倾向选择该手术的意愿［35－36］．同时，精确的假体位置摆放及合适的软组织平衡代表着更好的远期假体寿命［37－38］．随着3D 打印、计算机导航等新技术的出现，与其相结合的机器人手术正朝着低成本、易操作、个体化等方面多元发展．未来假体个体化设计工艺的发展及相应高难度的手术操作要求［36］，也将更有利于机器人手术的推广应用．

综上，可以看到目前手术机器人的整体效果满意，值得推广．但是机器人手术尚处于发展阶段，仍存在安全性、可行性、伦理等方面的问题，有待进一步的研究进行讨论．这不仅需要更多设计完善的远期研究支持，还有待机器人手术自身的进步，使理论与实践互相推动，以继续保持其优势和完善不足．机器人手术的未来在于保持其精准性的前提下，继续扩大手术适应症以完成关节翻修手术等复杂操作，并完善其通用性、个体化、便利化等方面的操作体验，以减少学习曲线、缩短手术时间、提高性价比与临床效果，提高患者与医生的满意度，促进其应用与发展．

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Research progresson theapplication of robotic surgery in joint surgery

SU Ri-Li-Ge， LIU Xu， XU Zhe， SONG Ya， FENG Wei
Bethune First Hospital of Jilin University， Changchun 130000，China

Robotic surgery has been applied in joint surgery for more than 20 years，and the detailed surgical plan and the standardized operation of robot can ensure the accurate placement of prothesis in arthroplasty，which can improve the accuracy of operation， and get a good clinical effect．But in the early attempts，robotic surgery has not been widely used because of its long operation time，high postoperative complications and high cost and low performance．In recent years， a new generation of surgical robot combined with navigation technology has overcome the problems in different degrees．Robotic surgery began to be noticed again with the increase of the operating requirements and in-depth understanding of the surgical precision from surgeons．The surgery cases are increasing， along with the rise of related research．The review will summarize the operation principle and development history of robotic surgery，discuss the current application status of robotic surgery in joint surgery，and the existing advantages and disadvantages so as to predict the future development trend of robotic surgery．

robotic surgery； total knee arthroplasty； unicompartmental knee arthroplasty；total hip arthroplasty

机器人手术在关节外科中的应用历史已有20多年，它通过详细的手术计划及规范化的机器人操作来保证关节置换手术中假体的精确摆放，以提高手术精度，并得到良好的临床效果．但在早期尝试中，机器人手术因手术时间较长、术后并发症高、性价比不高等原因未能得到广泛应用．近年来，与导航技术结合的新一代手术机器人在不同程度上克服了以往存在的问题．随着关节外科医生对手术操作理解的深入及手术精度要求的提高使机器人手术再次受到关注，其手术应用例数正逐渐增加，相关研究随之兴起．在此背景下，本研究将简述机器人手术操作原理及其发展历史，总结目前关节外科中机器人手术的应用现状，并对其现存优势与不足作出讨论，以预测未来机器人手术的发展趋势．

机器人手术；全膝关节置换术；膝关节单髁置换术；全髋关节置换术

R45

A

2095-6894（2017）12-77-04

2017－07－13；接受日期：2017－07－25

吉林省卫生计生委项目（2015Z031）；吉林省科技厅项目（20160101131JC）

苏日力格．硕士．研究方向：关节外科．E-mail：suissaint＠ gmail．com

冯 卫．博士，副教授．研究方向：人工关节置换和四肢骨肿瘤的手术治疗． E-mail：doctorfengwei＠ 126．com