骨科手術機器人在全髖關節置換中的應用

王章宇，黃偉，廖軍義，程強，陳誠，徐偉，陳虹，李雨鍵

（重慶醫科大學附屬第一醫院 骨科，重慶 400016）

0 引言

全髖關節置換術（THA）是治療髖關節終末期疾病的一種有效手段，被認為是現代醫學史上最成功的手術之一[1]。然而，全髖關節置換術的失敗仍然是一個亟待解決的問題，脫位和機械松動是導致翻修手術的最常見的并發癥，而導致翻修的最常見原因是不穩/脫位（22.5%），無菌性松動（19.7%），感染（14.8%），假體位置放置不佳與髖關節脫位、松動、髖臼骨溶解、假體磨損加速、雙下肢不等長有關，所以因假體位置不佳導致的翻修可占40%以。機器人技術的應用或許是解決這些問題的手段，機器人輔助髖關節置換術的一個目的是減少由于人為錯誤導致的假體錯位，使假體位置更精準，從而使下肢力線完全恢復，減少撞擊，改善患者的預后[2]。

1 機器人輔助技術類型

機器人系統分為被動型、主動型和半主動型，其中，后兩種是最常用的。被動型機器人系統如達芬奇機器人在術中受到外科醫生的直接控制，早期機器人輔助全髖關節置換主要使用主動型機器人系統，機器人根據預先導入的CT數據，可以在沒有外科醫生的情況下進行自主操作，如有需要，外科醫生可以使用緊急開關關閉機器人系統。近年來，半主動機器人系統逐漸成為主流。半主動型需要外科醫生的參與，它有觸覺反饋系統，通過提供觸覺反饋實現與外科醫生實時溝通，便于術前計劃在術中的實施。一般來說，主動型機器人適用于股骨側假體的安置，而半主動型適用于髖臼側假體的安置[3]。回顧了既往文獻，我們發現了4個主要的機器人手術系統：RoboDoc（Curexo Technology Corporation，美國）、Caspar（Universal Robotic Systems Ortho，德國）、ACROBOT（The Acrobot Co. Ltd，英國）和Mako機器人（Stryker Corporation，美國）。現只有RoboDoc和Mako機器人在臨床上廣泛使用。

RoboDoc 20世紀80年代，在William Bargar和Howard Paul的共同合作下，第一個用于骨科手術的機器人系統（RoboDoc）誕生了。自1994以來，該系統已在全球做了超過17，000多臺THA11，它可以協助外科醫生對股骨側進行術前規劃。在手術前，RoboDoc需要病人身上的“標記點”來繪制解剖坐標，這些坐標會被發送到計算機然后再把坐標信息反饋到機械臂上[4]。最初，這些“標記點”是在CT掃描前在局麻下打入股骨大轉子和股骨髁內的鈦螺釘，該操作有發生骨折，膝關節痛，神經損傷以及螺釘斷裂等風險。因為這些問題，隨后RoboDoc引入表面標記技術，盡管術中進行骨骼表面標記會花費額外的時間，但該技術安全有效的。雙下肢長度差異（LLD）與患者的預后密切相關，是患者滿意度的重要指標。Caspar是一種主動型機器人系統，它與RoboDoc類似，需提前導入CT數據，并作術前計劃。有研究者指出該系統有幾個普遍存在的問題，比如：手術時間長、失血量較多且術后功能較差，現在這個機器人系統已經不再使用[5]。

ACROBOT是為了解決與RoboDoc和CASPAR存在的問題而被開發出來的。該系統同樣需要預先導入患者的CT數據，在術中，該系統用表面標記的方式識別患者的解剖結構，機械臂在外科醫生的操作下，通過觸覺反饋模式引導外科醫生進行手術。之后其部分技術被Stryker收購。

Mako是半主動型機器人，與之前的機器人系統一樣，該系統同樣需要預先導入患者的CT數據，生成術前髖關節3D模型并進行術前計劃，外科醫生可以對術前計劃進行調整以確保正確的假體位置及下肢力線的恢復。Mako與之前的機器人系統不同，它的機械臂并不是完全自動化的，外科醫生基于其觸覺反饋的系統而保留了部分控制權[6]。在手術中，外科醫生需對股骨及髖臼進行注冊。外科醫生需要使用探針在股骨近端找到32個預設點來完成股骨注冊，注冊完成后，Mako可以引導外科醫生在術前規劃的基礎上進行股骨頸截骨。髖臼注冊同樣需要用探針識別32個預設點，在進行髖臼磨挫時，如果外科醫師在術前計劃以外的區域進行操作，那么機械臂可以通過觸覺反饋系統作出主動約束，計算器屏幕可以實時顯示髖臼杯的前傾角和外展角。

2 機器人操作系統

開放式系統：RoboDoc和CASPAR都是開放式系統，這意味著它們可以兼容不同公司的假體，這使得外科醫生可以根據患者的解剖結構來選擇合適的假體。雖然開放式系統可以使用不同的假體但正是因為如此很難去根據不同的假體進行精細的術前設計。

封閉式系統：Mako是封閉式系統，它只能使用史賽克公司的假體。因此，如果外科醫生想要使用此技術，那么他們就不得不放棄他們平時熟悉的假體而只能使用該公司假體。雖然這樣做可以使該系統在術前計劃中實現精細化調整，但是當出現患者的解剖結構與假體不匹配時，那就只能采取傳統術式[7]。

3 學習曲線

學習曲線的定義是外科醫生學習新技能的進步速度，通常以實現穩定結果所需的病例數量來表示。假體的機器人輔助全髖關節置換的學習曲線可以用多種臨床結果來表示，包括手術時間、假體的位置以及術中并發癥。早期研究的相反發現可能是由于實驗方案設計及樣本量的不同。最近對Mako的研究結果示達到穩定的手術時間需要12～35例，然而，就假體的位置擺放而言，大量證據顯示并沒有學習曲線[8]。

4 討論

早期主動型機器人主要用于股骨側手術，從理論上講對于非骨水泥型股骨柄可以達到更好的適配性和更低的醫源性骨折發生率。然而，更好的適配性并不意味著更好的臨床結果，也不等同于脫位率和其他并發癥的減少，而且，主動型機器人對于許多臨床案例來說并不使用[9]。新的半主動型機器人（如Mako機器人）在允許外科醫生操作的同時能保持準確的髖臼磨挫、髖臼杯放置，在術中能更精準的計算雙下肢長度差異，偏心距以及聯合前傾角。因此，半主動型機器人與主動型機器人相比在假體位置準確度上更優。

在某些對比主動型機器人與傳統手術方式的臨床試驗中，主動型機器人發生并發癥的幾率更高，這體現了使用主動型機器人存在可能掩蓋其本身優點的風險[10]。然而，半主動型機器人Mako與傳統手術相比，手術并發癥發生率相差無幾，失血量及脫位率較主動型機器人低。以前的主動型機器人之所以脫位率較半主動型機器人高，可能是因為它在髖臼側的手術方式與傳統手術方式相同。

盡管在髖關節置換中使用機器人技術是一項巨大的進步，但與傳統手術方式相比，它并沒有被證明能顯著提高臨床功能及患者滿意度，這有可能是因為后者的手術效果已經足夠理想。封閉式機器人系統（如Mako機器人）有一個潛在的問題，那就是它僅兼容一款假體。這就導致了想要使用該技術的外科醫生不得不選擇該假體。然而，有一種觀點認為，因為假體多樣性的減少可能會抵消部分機器人技術的前期成本，因此可能導致總的手術費用減少。

5 結論

機器人輔助全髖關節置換與傳統全髖關節置換相比，并發癥發生率更低、假體位置更好，但是短期及長期臨床效果仍不明確。當然，這是基于目前有限的臨床數據所得出的結果，并且這些大多是主動型機器人的臨床結果。半主動型機器人Mako可以使髖關節假體位置更加精準的位于“安全區”內，更好得恢復髖關節偏心距以及旋轉中心，但還需要進一步的研究來證明這些進步能否明顯減少并發癥的發生并改善遠期功能。總而言之，骨科機器人是推動骨科手術發展的智能化裝備。骨科機器人能夠從視覺、觸覺和聽覺上為醫生決策和操作提供充分的支持，使手術創傷更小、效果更好、患者滿意度更高，是骨科未來發展的趨勢。