三维导航机器人进行肘关节旋转中心轴定位的操作技术要点

查晔军 蒋协远 花克涵

肘关节对于上肢的功能至关重要，具有良好的肘关节功能才能充分发挥手的功能，完成日常生活和工作所需的动作。然而，在临床中经常发现肘关节复杂骨折脱位的病例在术中或术后出现不稳定及脱位，或因制动时间过长导致关节僵硬。应用铰链式外固定架可允许患者进行早期活动，尽可能恢复肘关节功能。对于关节面严重粉碎、关节间隔成形以及关节间隙狭窄的僵硬患者，通过外固定架做一定的撑开有助于术后的恢复。对于陈旧损伤或关节松解患者，应用外固定架可帮助避免出现术后不稳定，并允许患者术后进行早期功能锻炼。

肘关节外固定架在保持稳定的同时应尽可能不影响肘关节屈伸旋转活动。肘关节旋转中心轴在肱尺和肱桡关节屈伸活动过程中并非恒定不变[1-2]，在冠状面及水平面上的角度变化范围相对较小，因此临床中常以肱骨小头和滑车的共同圆心作为平均旋转轴，近似肘关节实际旋转中心轴[3]。随着手术技术的进步和器械的革新与改进，铰链式外固定架在肘关节手术的临床应用中变得愈发重要[4]。对于肘关节不稳定和复杂性肘关节骨折脱位病例应用铰链式外固定架可预防术后不稳定。对于接受肘关节间隔式成形术和肘关节松解术的病例应用铰链式外固定架可进行关节间隙撑开，防止术后不稳定，保护修复的韧带等长愈合。而应用铰链式外固定设备最关键的步骤是精确定位肘关节旋转中心轴的位置。

在临床实际操作中，通常在“C”型臂X线机透视下定位旋转中心轴。在标准肘关节侧位X线片上使肱骨小头、小头-滑车间沟及肱骨滑车的投影成为同心圆，即“三圆同心”。打入的定位导针需调整为一个点，与同心圆的圆心完全重合，因此手术操作相对困难。手术操作精度在很大程度上取决于医生的手术技巧、熟练度以及主观判断。在置针时通常需要多次尝试、反复透视并及时调整定位针的位置及方向，因此即使对于经验丰富的医生也存在一定难度。患者及医生所承受的辐射量也较大，加之有时因患者合并肩关节外展和内旋活动受限导致术中无法摆出标准肘关节侧位，或因解剖结构先天或后天畸形等因素的影响，难以准确置入肘关节旋转中心轴。这在很大程度上影响了铰链式外固定设备的准确性和有效性[5-6]。另外，还可以通过“C”型导向器等工具进行定位，但也都取决于医生的主观判断，误差较透视下定位更大。

随着影像数据处理、电脑终端及骨科智能机器人等高科技技术的发展，基于机器人导航定位系统的骨科手术逐渐成为目前的研究热点。处于临床前沿的多适应证骨科机器人能够显著提高传统手术的操作精度，降低操作误差，提高手术治疗的临床效果，并降低透视辐射危害，从而彻底实现骨科手术精准治疗的理念[7]。我国拥有的具有完全自主知识产权的“天玑”骨科手术机器人(TiRobot)是目前为止国际首台通用性骨科导航机器人，并获得国家食品药品监督管理总局(China Food and Drug Administration，CFDA)认证，可应用于准确定位肘关节旋转中心轴。应用TiRobot骨科手术机器人及三维导航技术进行肘关节外固定设备旋转中心轴的定位，在真正意义上做到了精准医疗。以下具体阐述三维导航及TiRobot骨科手术机器人辅助下精准定位肘关节旋转中心轴的操作技术要点，以指导临床应用。

一、TiRobot骨科手术机器人概述

1.构成：TiRobot骨科手术机器人系统由主机、机械臂、手术计划与控制软件、光学跟踪系统、主控台车及导航定位工具包组成(图1)。

图1 TiRobot骨科手术机器人系统

2.工作原理：(1)收集和处理图像信息——“眼”。通过将特殊定位标记置于操作范围内进行显影，便于更高效地识别影像资料并进行空间定位。机器人操作系统可以通过算法识别，高效精准地完成定位操作，为配准提供支持。如同人眼视力对精密手术的影响一样，图像质量对于机器人配准的准确度至关重要。因此，在二维图像的获取上，高精度低畸变的数字平板“C”型臂X线机较影像增强式“C”型臂X线机更适合骨科手术机器人。术中二维“C”型臂和三维CT是骨科手术最常用的判断方法，可以收集所需的二维或三维影像资料，便于骨科手术机器人进行术前规划，从而更精准、微创地指导及完成骨科手术治疗。肘关节旋转中心轴是一个三维空间结构，使用二维“C”型臂进行图像采集和规划，无法做到精准判断，且仍然对肘关节标准正侧位的要求非常高，无法体现手术机器人的优势。而术中通过三维CT获取的三维影像数据，能够更加全面及精确地获得术中信息，可以精准地找到所需肱骨小头和滑车的圆心，以两者的连线作为旋转中心轴规划。(2)手术规划与配准——“脑”。手术规划的优劣是决定骨科机器人性能的重要评估指标。获得精确图像后，通过终端传输至机器人主机，术者可通过图像资料进行详细的手术规划，随后通过机器人实现空间精准操作。采用人机交互界面，术者可根据具体病情的需要进行术中的手术规划。依据获取的不同影像资料，手术规划模式分为二维和三维两种。通常来说，基于定位机器人进行通道螺钉规划是前者，需在多层面影像信息中设计螺钉的起止点。一般关节相关手术规划多采用三维定位导航，从而实现内植物与关节面和骨面较好的匹配。骨科手术机器人的配准算法也十分重要，实质是将术者根据影像数据所规划的操作方案全面地实施在空间中。机器人配准方法与所使用的影像获取及数据形式密切相关。创伤骨科最常用的配准方法是基于X线图像的“C”型臂标定法。原理是通过标定的特殊位置或结构，计算“C”型臂发射源、标记点、螺钉规划位置的相对空间关系转化为机器人能够采集并处理的运动学参数，指导其运转。而对于通过术中三维CT获取的资料，通常需要在三维条件下配准，以收集相关参数及指标。目前，较先进的技术是联合X线与术前CT，实现二维或三维配准，在获取三维数据的同时，极大地降低了术中透视时间。但该技术仍需更多试验验证，难以立刻进行临床应用及拓展。(3)追踪与导航——“手”。获得机器人参数指标后，机器人将定位导针或钻头准确定位在规划位置。从理论来说，机器人通过自身空间定位功能，能够独自进行导航。但绝对定位精度是现阶段机器人难以突破的技术难关，通常不能充分满足临床手术需求，因此需要采用额外部件补偿其操作精度。在实际操作中，通常采用光学捕捉系统，通过进行实时光学追踪实现精度补偿，能够将定位误差从1～2 mm减小至1 mm以内。移位补偿、呼吸补偿等也是重要的精度补偿功能。但是，补偿系统需机器人在位置上具有合理的布局，以减少不必要的遮挡，提高跟踪的成功率。目前采用的三维导航技术的精度为0.2～0.8 mm。为确保手术操作及术者和患者的安全，骨科手术机器人在导航过程中设置有最高权限的机械式紧急制动开关，因此机器人在任何危险情况下都能够通过此功能立即停止操作，规避不必要的伤害。另外，出于安全考虑，骨科手术机器人尤其是定位机器人仅作为辅助手术的设备，为医生提供操作通道及手术规划，无自主手术动作。

二、适应证和禁忌证

1.适应证：适用于由于肘关节复杂骨折脱位、肘关节不稳定、恐怖三联征、肘关节松解术和肘关节间隔成形术等原因需使用铰链式外固定架的患者，主要适用于肘关节不稳定、关节间隙狭窄、间隔物置入和侧副韧带损伤患者。

2.禁忌证：(1)硬件或者患者自身原因导致影像清晰度差，无法安全规划；(2)因内固定物遮挡路径无法置入定位针；(3)机器人规划的路径有无法避开的重要组织，如血管、神经等；(4)机械臂无法移动到规划部位，如术中需要多名医生协同完成复位，对示踪器造成遮挡，或因患者体位、手术床阻碍机械臂运转等情况；(5)示踪器无法有效固定，如患有骨质严重疏松，或受呼吸幅度影响等；(6)肩关节外展内旋严重受限，无法进行术中三维CT图像采集；(7)通过规划，导针与骨面成角过小，无法完成入点的固定，产生无法避免的误差。

三、操作规范与流程

1.准备工作：常规消毒铺巾。患者取仰卧位，患肢置于特制的手术台侧方托板上，可处于任意体位(图2)，以护皮膜进行固定。

2.机器人准备：摆放机器人各部件及透视“C”型臂至适当位置，确保机械臂工作空间可达到手术区域。光学跟踪相机置于对侧，移动式“C”型臂置于手术台侧方。

3.图像采集和配准：首先根据经验于患侧上肢外侧、三角肌止点处置入第1枚外固定架针，尽可能平行旋转中心轴，在外固定架针上安装示踪器，同时组装机器人示踪器与无菌保护套并固定，建立机械臂术中工作无菌环境。应用“C”型臂获取含有机器人定位标记点的术中透视影像(图2)。对患侧肘关节进行扫描，获取三维图像，并将其传输至主控工作站软件进行配准计算(图3)。(1)肘关节旋转轴定位中的图像采集要求：平面透视图像尽可能相互垂直，正侧位均能包含所需的标记点，利于计算机构建三维空间关系，此时才能开始进行三维图像扫描。(2)三维扫描图像获取：冠状位、水平位、矢状位。(3)三维扫描图像识别要点：矢状位肱骨小头和滑车均呈圆形。

4.手术路径规划：根据术中采集的冠状位、水平位、矢状位的三维图像上的典型标识点和骨性标志结构，在主控系统规划软件上调整并最终确定肘关节旋转中心轴以及螺钉置入路径。手术设计理念需考虑手术安全性及旋转中心轴的准确性。冠状位需确定旋转中心轴的高度，水平位需明确旋转中心轴是否居于前后方正中，矢状位需验证规划旋转中心轴是否位于肱骨小头和滑车中心，综合上述确定肘关节旋转中心轴位置(图4)。

图2 体位及图像采集

图3 三维扫描图像及操作界面

图4 手术路径规划

5.机械臂运行：通过规划软件的机械臂姿态模拟模块模拟机械臂的运行姿态，确认机械臂位置适合后续操作后，由主控系统的控制软件控制和监督机械臂沿规划路径运动至目标位置。在机械臂末端安装导向套筒。导向套筒摆放原则：(1)导向套筒始终在清洁区域运动，预留足够的运行空间；(2)为术者植入导针预留操作空间；(3)保证定位套筒与患者视踪器可以实时被光学跟踪器追踪到，便于实时监测精度。

6.旋转中心轴定位导针置入：在入钉点做一2 mm的小切口，钝性分离皮下组织，将套筒尖端抵至入钉点骨皮质。特制的套筒可避免间断接触骨面时产生滑动。在规划软件上确认入钉点和虚拟探针方向是否符合规划路径，如软件显示其与规划路径偏差较大可以对路径进行微调，确保预植入路径与规划路径相符。路径确认精准后，通过套筒向骨性通道内钻入导针，在钻入过程中须始终监测精度，误差过大时及时调整。

7.再次验证路径精度：通过术中三维CT扫描再次验证导针位置精准度。若多次手术二次验证发现误差很小，也可省略这一步骤，或通过正侧位透视来验证。利用已确定的肘关节旋转中心轴，置入肱骨侧及尺骨侧外固定架所需螺钉，连接外固定装置并确认无误后撤出旋转轴定位导针，冲洗切口并缝合。

四、注意事项

1.对术者及助手的要求：(1)熟知传统肘关节轴心定位的方法，在任何问题出现时可以不依赖于机器人辅助，独立完成手术；(2)熟练掌握肘关节轴心定位操作技术，能够科学合理地完成手术规划；(3)熟悉机器人工作流程及原则，可以准确完成信息获取；(4)术中关注示踪器位置，尽量降低外部干扰及误差；(5)置入导向器和导针的同时，在减少局部创伤的前提下，尽量避免软组织牵拉张力的影响。

2.避免出现图像漂移：螺钉的准确植入依赖于影像信息与手术操作部位的空间位置的一致性。手术时牵拉可能引起操作空间出现位置改变，示踪器与操作位置间出现相对移动、示踪器与红外线光学跟踪器传输路径干扰等因素均可造成图像与手术部位不符，称为图像漂移。术者需能够准确判断图像是否发生漂移并进行正确判读，如出现较严重的图像漂移需重新获取信息。

3.手术路径复核：(1)术者应密切观察及监督系统的运行情况，若出现非操作指令下的自主操作或软硬件系统崩溃等情况，需立刻采取紧急制动，暂停手术操作，并将所有与患者接触的部件移除；(2)轴心定位导针植入完成后应当进行再次术中三维CT扫描，以验证导针是否位于肱骨小头和滑车的中心，确认无误后再植入肱骨和尺骨侧外固定架针，连接外架后，检查肘关节活动度无受限，才能结束手术。

4.手术间要求：(1)手术室面积应在30 m2以上，具有良好的接地系统和供电条件；(2)配套操作台需符合对体位和数字信息获取的要求。

5.设备维护：(1)遵照指导手册规范使用设备，严禁未经培训人员使用；(2)系统内部含有精密仪器，运输及贮藏过程应严格按照使用说明书的要求进行；(3)严格遵守指导说明的要求进行设备养护及系统标准化；(4)防止供电电源电压过高或过低，定期检查接地情况，确保使用安全；(5)如需熏蒸消毒手术间时，需将设备推出以保护电路板及元器件；(6)注意防尘，定期维护；(7)较长时间放置或不使用时应通电除湿防潮，至少每周应通电1次，每次2～3 h，避免受潮损坏。