机器人手术在关节外科的应用进展

张乾 何云利 贺强 张杭 冯哲 王弢 孙庆良 何森 天津市北辰医院骨关节科 （天津 300400）

内容提要： 随着人工智能的发展，手术机器人在21世纪得到飞速发展，其个体化、精细化、微创化的特点，很快在关节外科得到广泛应用。在现代关节外科手术中，关节外科医师可以通过手术机器人制定详细的手术计划及方案，并通过机器人精密的操作来完成手术。文章结合关节外科机器人在髋膝关节置换术及单髁置换手术中的应用，对机器人手术在关节外科的应用进展作一综述。

机器人手术是人工智能与传统手术相结合的手术方式，将传统的医学信息储存到计算机内，由计算机进行分析、建模制定相应的手术方案，由术者操纵机器人完成手术操作，不仅安全，而且尽可能地接近于人体生理解剖。关节外科医生将机器人手术运用在关节外科领域已有二十多年，其手术规划、设计及规范操作均有了飞速的发展，手术例数和经验也逐年增加，本文就机器人手术在关节外科的应用进行综述。

1.机器人手术发展史

机器人应用在临床外科领域有近30多年的历史，最开始是应用在神经外科，在1985年由Kwoh等[1]使用机械臂进行颅脑活检，这是机器人第一次在手术中的应用。此后更多的厂家开始研制手术机器人并应用到不同的学科中，包括普外科、神经外科、泌尿外科、骨科等学科。

ROBODOC机器人系统于1992年在美国面世，主要用于规划手术路线、确定位置，这被认为是最早的骨科手术机器人系统。德国Ortomaquet公司于1997年研制的CASPAR（Computer Assisted Surgical Planning and Robotics）系统，可用于髋、膝关节置换手术，其操作原理与ROBODOC系统基本一致。2001年，Acrobot系统开始应用于全膝关节置换和单髁置换手术，它由伦敦帝国学院研发成功，这是一个重要的转折点。此后随着手术量及研究的深入，各类配备更精准的机械臂、截骨工具和放置假体的关节外科机器人逐批问世。达芬奇系统是美国第一个正式获批的机器人辅助手术系统，自2000年8月获批成功后，完成了150多万例手术，大大地推进了手术机器人在各个学科的发展[2]。

Stryker公司的MAKO机器人是目前应用最广的手术机器人，可用于单髁、全膝及全髋关节置换术，它是最新一代关节外科机器人的代表。它通过术前CT三维扫描获取术区信息，通过建模设计手术计划并进行手术模拟，最终由术者操纵机器人进行手术，在术中参考个体化可以实时校正，在保护系统下减少失误及过度操作，因此手术误差可以降到最低，从而大大提高其安全性和准确性。

近年来，机器人手术在关节外科手术中得到广泛应用，尤其是髋关节置换、全膝关节置换与单髁置换手术，当然也包括关节骨折的手术。机器人手术能更精准地进行截骨、放置假体、改善下肢力线，最大程度地保留骨组织并减少软组织损伤，术后影像学改善明显，患者术后满意度及关节功能恢复更好。当然，并不是所有的医院都能开展机器人手术，且机器人手术学习周期较长，另外患者的花费也相应增加，因此对于机器人手术也存在一些争议。我国机器人在关节外科的应用主要用于髋膝关节置换和单髁置换，仍处于积累经验的阶段。

2.机器人手术在关节外科的应用

2.1 全髋关节置换术

全髋关节置换术的难点在于假体位置的安放，要保证假体的初始稳定性，并避免术后假体的脱位。因此，术中髋臼位置、股骨柄的前倾角度就显得尤其重要。多数病例发生脱位、早期假体松动的原因都与假体没有得到准确的安放及周围软组织的过度损伤、松解有关。在常规手术中，髋臼由术者进行锉磨，很容易产生偏心误差，使髋关节旋转中心发生改变，术后容易引起组织与假体的撞击，术后容易导致脱位、无菌性松动等并发症。机器人手术通过精准的术前规划，在术中由机械臂按照设计的角度、准确的三维空间位置进行锉磨，并准确地放置关节假体，将人为误差降低到最低，使假体得到最紧密的骨皮质贴附，并最大程度地保留骨量。

结合机器人手术术后的影像学表现，机器人手术在髋臼位置、股骨偏心距、下肢长度差异等方面均优于人工手术，说明机器人手术可以明显提高手术精确度，对于假体周围软组织重建的研究发现，机器人手术与人工手术均无法达到完整恢复髋关节周围生理解剖结构的效果，但基于机器人手术更高的精确度，所以在重建结构上较人工手术更有优势。在将髋臼杯放入Lewinnek和Callanan安全区方面，机器人辅助手术比人工手术更为精确，并且证实在降低脱位率方面有明显优势[3]。

在术后恢复方面，机器人手术患者的UCLA、mHHS评分较传统人工手术患者的更高，这提示机器人手术能使术后患者的功能得到更好的恢复，当然仍需进行长期的随访研究。

2.2 全膝关节置换术

全膝关节置换术手术的难点在于重建正确的下肢力线，要求术中进行精确的截骨，正确放置假体并做到良好的软组织平衡，尤其是能否精确地截骨与软组织的平衡一直以来都作为衡量一名膝关节外科医师手术技术是否成熟的标准。在手术中截骨不精确、软组织不平衡、力线不正及假体选择不当均会导致术后疼痛、无菌性松动、假体下沉、功能不良等结果，从而影响人工关节使用寿命。在NAVIO系统完成的尸体试验中，能保证股骨、胫骨力线平均偏移＜1°，截骨厚度相对术前规划误差仅为1mm。在全膝关节置换术术后影像参数方面，机器人手术在力线和假体位置明显优于人工手术，且各种参数误差＞1°的发生率更低。

Batailler等[4]完成的综述中，通过26项相关研究基于MAKO机器人，发现与传统术式相比，机器人辅助全膝关节置换术较人工全膝关节置换术可以显著降低疼痛、缩短住院时间、改善术后功能，具有很大的优势。机器人辅助手术在提高手术精度方面较人工手术更有优势，现有的研究结果已经足够可以说明这一点[5]；但中远期临床结果的研究仍存在一定的争议，与机器种类、设计缺陷、样本数量、标准不统一等有关，且由于机器人手术应用时间短，有待更多更长远的深入研究。

2.3 膝关节单髁置换术

膝关节单髁置换术手术适应证较全膝关节置换更严格一些，主要用于治疗膝关节单间室骨关节炎，相较于全膝关节置换术，单髁置换手术创伤小、失血少、恢复快，能最大程度地保留骨量，不损害交叉韧带，保留本体感觉，术后功能好，患者的满意度更高。传统的人工单髁置换技术，难点在于关节假体的位置是否良好、软组织平衡是否精准，受术者水平等因素较多，假体的远期生存率要低于全膝关节置换，翻修比例相对较高。随着机器人手术范围扩大，加上在关节外科的发展应用，机器人辅助人工膝关节单髁置换术应运而生，且占比逐年增加。目前，机器人辅助单髁置换在美国占到单髁置换总量的15%～20%，伴随机器人技术的发展进步，这一比例会越来越大。

精准的假体位置和良好的软组织平衡，是单髁手术成功的重要条件。机器人可以在术前进行精准的规划，在术中精准的操作，可以让假体与骨面的覆盖度达到最大，并且对软组织的影响降到最低，另外，韧带张力、关节运动轨迹也都是在手术计划之内，术中可根据实际情况进行调节，从而使膝关节在屈伸过程中得到一个比较接近正常的间隙平衡。机器人手术在处理患者韧带不平衡时，相较于术前最多可减少0.53mm，几乎不影响韧带的紧张程度，更有利于康复功能锻炼，充分说明在软组织平衡方面，机器人手术较传统单髁手术更有优势。

Gilmour等[6]通过大样本随机对照研究，发现术前35例活动量大的患者进行机器人辅助膝关节单髁置换术后，术后2年的KSS、牛津膝关节评分有较大提高。因此，机器人手术可以帮助活动需求大的患者得到更好的收益。由于单髁置换手术适应证相对严格，且单髁置换学习曲线相对较长，机器人应用于单髁置换较全膝置换也较少一些，因此，对于机器人辅助单髁置换术，仍需要大样本长期的临床研究。

3.机器人手术的优点与缺点

近年来，手术机器人发展迅速，关节外科进入机器人时代。机器人手术相较于传统手术，其优点在于其可以根据不同的个体在术前制定详细的术前规划并在术中实时进行导航，精准是其最大的优点。它的精准由几个方面进行保证：①详细的术前规划，通过术前CT及三维重建进行数据采集，将数据输入机器人系统后，根据个体差异进行精准的术前规划，包扎良好的下肢力线、假体位置、截骨厚度及软组织平衡等[7]。②术中精准的操作，人为总有误差，尤其在术中进行操作时，机器可避免或降低此类误差。通过术前规划及术中导航，可以精确定位机械臂与术区的相对位置，这个位置在三维空间也是固定的，因此截骨、磨挫、安置假体都是高度精确的。③机器的安全区保护，能通过术前规划，机械臂的操作空间是相对固定的，即安全区操作，避免了骨量的丢失及软组织的损伤。多数手术机器人为保证截骨的精准性和保护膝关节周围韧带、神经及血管，有自己的安全限制，当截骨量超过原定计划3mm或锯片尖端达到安全边界后，机械臂会自动停止，从而避免损害重要结构。

关节外科手术的目的就是使患者的关节功能恢复或接近于人体正常解剖结构，在机器人辅助下，通过术前精准的规划和分析，针对不同的患者个性化处理，使之更接近于个体正常的解剖结构，这是传统人工手术无法比拟的。机器人辅助手术在关节力线恢复、软组织的平衡、假体贴附等方面较传统手术优势明显。当然，截骨量小、软组织损伤小，尤其是韧带的原始张力得到保护，在术后短期恢复及患者满意度方面也具有非常大的优势。

当然，机器人手术也有缺点：①机器人手术设备比较昂贵，在国内也仅有极少数的大型医院有实力购买，且机器投入使用后需要专门的手术室、人员培训，并需定期维护，成本较高。②机器人手术需要术前规划，且多部位需要CT扫描及三维重建，使用机器人也需要支付相应的费用，使用过程中的一次性耗材，对患者来说，住院费用较传统手术明显增加，住院周期也相对延长。③机器人手术时间相对传统手术时间略长，相应的麻醉风险及费用也会增加。④目前多数厂家的机器人无法实现资源共享，不同的术前规划、操作规范及操作标准，导致机器设备使用相对单一，术后效果也无法进行统一评价。例如，部分厂家的机器人仅提供髋膝置换而不提供单髁置换，这对于科室及医院来说，一台昂贵的机器只提供一两种手术术式显然是投入产出不成比例的。⑤机器人手术也是需要学习曲线的，虽然机器人手术可以避免一些人为操作的失误，但是机器人手术器械相对传统手术器械更加复杂多样。另外，机器人毕竟属于机器人，存在很多不确定因素，如注册失败、建模失败等因素，有被迫改为手工手术的可能[8]。如果没有大量的人工关节置换经验，在操作机器人过程中也依然存在一定的风险。

4.机器人手术在关节外科的展望

近年来，机器人手术在关节置换领域迅猛发展，尤其近年来国内多家关节中心都引进了机器人设备，表明关节外科医生对于机器人手术是非常关注的。虽然目前在我国使用机器人费用成本较传统手术略高，但是相较于传统手术其手术精准、创伤小、术后患者疼痛小、恢复快、满意度高的优点也逐渐被关节外科医生和患者所接受。当然，机器人技术也在不断发展的，在其保障精准性的前提下，继续扩大机器人相应的手术适应证以及开放不同的术式。目前，机器人技术在创伤骨科、脊柱外科均有广泛应用，相信今后会进一步扩大范围。例如应用在运动医学领域，可以帮助术者更精准地定位交叉韧带的位置，从而重建损伤的交叉韧带。相信在不久的将来，通过关节外科医生的努力和机器人人工智能技术的发展，使人工智能与临床达到精准化、个性化的统一，终究会有理想的关节外科机器人并在关节外科得到更广泛的应用和发展[9]。