機器人技術在全髖關節置換術中的應用與展望

丁浩 王光達 焦德林 馬圣楠 陳賡 劉巍 李新鵬

1濱州醫學院第二臨床醫學院，煙臺 264003；2煙臺毓璜頂醫院關節外科，煙臺 264000；3青島大學醫學部，青島 266073；4濱州醫學院康復醫學院，煙臺 264000

人工髖關節置換手術是目前治療髖關節疾病的有效手段，在手術過程中，人工髖關節假體安放的精確度對整體手術療效及患者手術滿意度起到了至關重要的作用。因此，如何實現人工髖關節假體的準確安放是關節外科醫生開展髖關節置換手術的核心問題。

全髖關節置換術（total hip arthroplasty，THA）

THA就是用人造材料替換已經功能喪失的處于疾病終末期的髖關節，以重建和恢復髖關節的正常功能的手術。自20世紀60年代問世以來，THA已經徹底改變了髖關節疼痛的治療模式［1］。雖然第一個THA是由Wiles在1938年就開創的，但直到1960年在John Charnley爵士引入“低摩擦關節置換術”后才徹底改變了關節炎治療的模式，它才獲得了極大的普及。自從第一代使用丙烯酸水泥固定和高密度聚乙烯作為軸承材料的關節成形術出現以來，該領域的逐步發展讓醫學界將THA稱之為“世紀手術”［2］。實現準確的植入物定位和恢復自然髖關節生物力學是THA的重要技術目標［3］。這包括重建旋轉中心和偏移、杯和軸的正確定位（各傾斜角度）以及腿長的均衡［4］。目前存在多種髖關節手術方法，最常用的方法包括直接前路、直接側路和后路。髖關節脫位、外展肌功能不全、骨折和神經損傷是THA的并發癥［5］。作為最成功的骨科手術之一，THA術后10年的假體植入物存活率超過95%，患者滿意度高達93%。有研究稱預計到2030年美國每年進行的THA手術量將增加到572 000次［6］。中國THA的手術量每年也在不斷增加，手術患者規模數量甚至超過美國。

THA手術機器人

1、簡介

如今，THA最大的短板是人為因素，其中包括人為失誤。在存在多樣化解剖學形態的患者環境下，想嘗試在每位患者身上植入完美定位的組件，這似乎只能通過機器人的創新來實現［7］。機器人在20世紀90年代中期開始進入骨科領域，表現出卓越的臨床實用性能，可提高手術精度、降低手術傷害、減輕醫生勞動強度等［8］。骨科機器人輔助手術最初是在關節成形術領域引入的，目的是改善植入物對齊精確度、壽命和功能結果［9］。THA期間精確的生物力學重建對于植入物的長期生存至關重要。機器人技術旨在最大限度地減少潛在的人為錯誤并改善植入物的對齊和配合，并解決現代非骨水泥THA的持續問題［10］。機器人輔助THA在矯形外科醫生中越來越受歡迎。使用機器人輔助需要先進的術前成像來識別股骨和髖臼解剖結構，以及每位患者的其他獨特標志。機械臂為外科醫生提供“主動”幫助。最近的研究表明，與傳統THA相比，機器人輔助THA為髖臼和股骨植入物放置提供了更高的準確性［11］。這種技術通常使用術前CT掃描來構建每位患者的解剖結構，并為外科醫生提供機會來規劃和執行髖臼植入物的最佳尺寸和定位，以實現所需的旋轉中心、傾斜度、前傾角、股骨偏移和腿長矯正，同時保持髖關節穩定性［3］。目前，有充分的證據表明，在髖關節和膝關節置換手術（TKA）中，與手動放置相比，機器人輔助手術有助于提高植入物定位的準確性［12］。因此，機器人輔助THA有望成為今后THA的主要手術方式。

2、人工髖關節置換手術機器人優缺點

2.1、優點越來越多的證據表明，機器人輔助技術確實成功地提高了THA植入物放置的準確性和精確度。通過確保正確的植入，機器人輔助THA能夠減少髖關節的不穩定性和撞擊，延長植入物的耐用性并最大限度地減少術后并發癥。機器人輔助THA的另一項關鍵優勢便是能保證或改善雙下肢長度的相等。保存骨量也是THA中的一個重要考慮因素。隨著翻修髖關節置換術發生率的上升，在保持穩定性的同時盡可能多地保留股骨和髖臼骨量是非常必要的。機器人銑削技術能改善植入物的貼合度并降低了骨折的風險［13］。計算機輔助THA技術可以在短時間內在虛擬環境模擬和計算數百個可能的植入位置，這一過程遠遠超出了純粹的人類評估［14］。同時，它也被認為是一種教育工具［15］。機器人或導航系統的使用可以為受訓人員提供有用的學習工具，以了解他們自己在評估植入物位置方面的不足之處，從而提高他們的能力［16］。因為機器人輔助THA能夠改善預后，縮短患者住院時間，可與當前加速康復外科的理念相融合。加速康復理念是采用循證醫學證據的圍術期處理的一系列優化措施，包括優化術后鎮痛、早期離床活動及促進功能恢復［17］。結合全髖關節置換術成為門診手術的潛力，能夠很好的讓患者達到快速康復。

2.2、缺點機器人輔助手術有額外的相關成本，包括硬件購買、手術時間和影像引導系統的放射學相關費用。鑒于迄今為止缺乏明顯的臨床益處，成本效益一直是阻礙其廣泛普及應用的障礙［12］。由于開發機器人手術系統需要大量的投資，用于THA的機器人輔助系統也有高昂的前期成本。因此，機器人輔助THA可能會給醫療保健系統帶來沉重的經濟負擔。它也存在直接涉及機械臂系統的技術并發癥。比如，異位骨化率高的問題［13］。手術時間長會增加假體關節感染的風險；術前高級成像的要求會給患者帶來了額外的輻射暴露風險［18］。多種髖關節解剖形態可能會給機器人評估帶來困難。例如，在發育不良的髖關節中，機器人無法確定合適的自體股骨旋轉中心，這限制了該技術的使用。此外，畸形的髖關節也會對機器人的使用造成限制，因為該技術無法檢測出準確的髖關節形態，最后，機器人技術無法解讀患者的脊柱-盆腔矢狀面平衡，直接影響髖臼杯的最佳定位［15］。手術過程中，與傳統手術相比，消毒鋪單的方法會有所變化，伴隨著機械臂等機械電子設備的介入，對無菌技術的要求也提出了不小的挑戰。最后，需要考慮的一個關鍵短板還在于，每家公司的機器人系統都需要相應的工程師定期維護，如果出現設備故障，能否及時快速檢修，不耽誤手術過程和時間就成了使用機器人系統輔助THA不可逃避的一個話題。

3、THA手術機器人分類

3.1、基于機器人提供的自主程度分類機器人的類型在髖關節手術領域，可分為被動型、主動型或半主動型［7］。其中，后兩者最為常用。使用被動機器人系統，外科醫生需要在整個手術過程中保持對機器人的控制，達芬奇機器人就是這樣一個例子，盡管它的使用僅限于上肢骨科手術，髖關節置換手術中此類機器人較為少見。早期用于THA的機器人系統基于主動技術，機器人在術者監督下自主操作，無需實時控制。機器人使用術前CT進行編程，一旦在術中獲得足夠的手術暴露，就可以為組件植入進行骨準備。如果需要，外科醫生可以使用即時關閉開關［19］。主動型機器人在THA期間可以自主執行計劃的骨切除和植入位置［20］。在THA中使用的第一個主動型機器人系統是RoboDoc，無需外科醫生在整個手術過程中持續控制的機器人輔助。已經開發了不同的作用機制，特別是對于膝和髖部手術，通過直接切割骨頭到最終計劃的切割或間接規劃地標來調整切割夾具的放置或夾持［15］。THINK Surgical公司下一代主動型機器人系統TSolution One已獲的FDA批準［21］。

近年來，半主動型機器人系統變得越來越流行。這些系統要求外科醫生通過觸覺反饋機制引導機器人手臂進行骨骼準備，以確保與預先確定的手術計劃的偏差最小。此外，這些系統能夠提供有關股骨準備的實時信息，以便在術中進行校正［19］。半主動機器人系統可提供聽覺或觸覺反饋以將外科醫生限制在預先計劃的術區范圍，同時仍然允許外科醫生保持對執行程序的控制［18］。Mako機械臂交互矯形系統是用于執行機器人THA的半主動機器人系統的一個例子。髖臼擴髓局限于具有立體定向邊界的觸覺隧道，機械臂具有觸覺、聽覺和視覺反饋，這有助于外科醫生控制髖臼擴髓的力和方向，以高水平的準確性執行術前計劃。股骨截骨位置和角度也可以在股骨切除和假體準備之前標記，并在確定植入物的選擇和定位之前檢查骨覆蓋、植入位置、偏移量和腿長的實時變化［20］。半主動型手術機器人系統因其良好的性能和與醫師的配合度，已成為目前此類手術機器人主流的發展類型。

3.2、基于機器人系統的開放程度封閉式系統限制了髖關節植入物的選擇，而開放式系統則讓外科醫生自行決定植入物的選擇。此外，封閉系統可能會因為受到進一步的合同影響，不僅限于一個植入物制造商，而且還僅限于特定制造商的某些特定類型的植入物，因為它們經常需要在設備公司和醫院或醫院系統之間進行談判。相反，開放系統缺少限制性。開放系統雖然允許更大的植入物靈活性，但精度較低［18］。為了執行機器人輔助手術，外科醫生可能不習慣使用不同的植入物，或者可能更喜歡一種植入物的設計原理，而不是他們醫院機器人系統上可用的植入物設計原理［22］。因此，在選擇系統之前，關節外科醫生應仔細斟酌每個系統的優點和短板。

4、目前的THA機器人

目前的機器人髖關節手術系統包括ROBODOC、CASPAR、ACROBOT和Rio MAKO機器人。只有ROBODOC和Rio MAKO機器人仍在廣泛的臨床應用中［7］。

4.1、ROBODOC第一個機器人輔助THA系統ROBODOC于1992年推出［23］。ROBODOC也是第一個無需外科醫生直接指導即可進行外科手術的主動型機器人。1994至1995年在美國使用并獲得FDA批準，并于1994年在德國用于臨床實踐，目標是改進髖臼杯尺寸的選擇及其植入的準確性，以及優化股骨腔準備，以便限制假體周圍骨折的風險并確保更好的假體對齊。ROBODOC包括一個術前計劃計算機工作站ORTHODOC，配備一個包含5個機械自由軸的機械臂，并配備一個高速銑削裝置［15］。自出現以來，它在THA中已用于超過17 000次手術。2004年，其控股公司Integrated Surgical Systems在與該系統相關的手術并發癥的患者集體訴訟中出現財務危機后破產，被Curexo Technology公司收購［19］。

4.2、CASPAR CASPAR是一種主動型機器人系統，它利用與ROBODOC類似的術前CT規劃來切割股骨近端并引導植入物插入。值得注意的是，該系統有幾個普遍存在的問題：植入精度的可變性和術后療效較差。這也突出了早期機器人系統的弊端［19］。該系統目前由于其不佳的效果和較高的并發癥發生率而被中止［15］。目前已不再使用，因其背后的公司Universal Robotic Systems Ortho也已經倒閉了［19］。

4.3、ACROBOT ACROBOT的 開發旨 在解 決 與ROBODOC和CASPAR相關的問題［24］。與上述系統一樣，術前基于CT的軟件用于制定手術計劃。然后使用非侵入性解剖配準方法將其映射到患者的解剖結構，隨后由外科醫生引導機械臂在觸覺反饋下進行骨切除。該系統優勢在于它可以達到與原生解剖位置相同水平的準確度。該系統被出售給Stanmore Implants Worldwide，而該技術也被Mako作為2013年保密專利侵權和解協議的一部分購買了［19］。

4.4、MAKO MAKO機器人手臂輔助裝置于2010年首次用于THA，隨后于2015年獲得美國食品和藥物管理局的批準［25］。Mako是一種半主動機器人系統，已在20 000多個THA中使用。與早期系統類似，術前CT成像用于生成原生髖關節的3D模型。與早期系統相比，機械臂不是完全自動化的，而是基于觸覺反饋，因此外科醫生保留部分控制［19］。目前實際用于THA的機器人輔助系統使用最多的是MAKO THA系統［15］。

4.5、TSolution One TSolution One是一種主動型機器人系統，采用了為ROBODOC開發的技術。除了主動股骨端準備外，該系統還提供引導式髖臼鉸孔和機械臂輔助杯植入。該系統雖已獲得FDA批準，但由于缺乏可用研究，該系統的有效性尚未確定［21］。

4.6、國內THA手術機器人國產骨科手術機器人的起步較晚，市場份額占有率較低，尤其對于THA手術機器人來講，國產品牌在產品數量，類型和功能上還有較大的發展空間。目前，國內首款THA手術機器人Arthrobot Hip也才剛剛上市。但我們相信，在國內巨大的市場吸引下，國產品牌的發展勢頭會愈發迅猛。

5、THA手術機器人的手術效果分析

Remily EA等［26］的一項研究對2010年至2018年接受THA的714 859名患者進行了回顧性分析，得出結論，與傳統方法相比，機器人手術的住院時間和成本略有下降；手術并發癥的差異并不大。表明機器人THA手術是一種具有成本效益前景的手術。Hsieh CM等［27］的一項研究中對機器人輔助THA的股骨前傾、股骨偏移和垂直偏移的誤差進行了分析，最終證明：使用主動機器人會降低不良臨床結果的發生率。Chai W等［28］對22例接受機器人輔助THA的患者和23例接受手動THA的患者的手術療效進行了研究對比，最終得出結論與傳統人工THA相比，機器人輔助THA在提高髖臼目標區定位頻率、減少輻射劑量、節約手術時間方面具有顯著優勢。Emara AK等［29］的一項研究表明與傳統手術相比，計算機輔助THA，尤其是機器人輔助THA可通過降低早期脫位率和其他住院指標來提供良好的價值。預計到2025年1/4的THA和到2030年2/3的THA將使用機器人輔助THA技術。Hepinstall M等［30］對99名接受機器人輔助THA的患者進行了至少2.0年的隨訪，在2.0～5.7年的隨訪中，術后HHS評分結果平均增加了33分，而且手術部位并發癥很少見。因機器人輔助THA相關的長期隨訪研究數據有限，目前較為普及的主流系統MAKO機器人系統，其長期功能結果仍然不明確。仍需要進一步的研究來確定其長期手術療效和并發癥發生率。

總結與展望

機器人系統在THA中的應用在促進手術精細化、精準化、智能化和微創化方面有其巨大的潛力，在為醫療實踐帶來極大便利的同時，也為手術技術的發展開辟了新的方向。雖然其自身的缺陷是存在的，但其自身的優勢也是顯著的，機器人輔助THA的出現，實現了更精準的手術操作，降低了術后并發癥發生率和再手術率，縮短了患者住院時間及提高了患者預后，從長期的成本效益看，是有可能降低患者實際支付成本的。機器人系統昂貴的購置成本也會隨著患者需求的增加和技術的普及，在規模化發展帶來的規模回報的刺激下，出現不斷下降的趨勢。在手術技術發展的同時，手術場地的集成化和簡約化發展也是一個重要的發展方向，機器人系統占用面積問題也會隨著今后更加集約化、智能化的手術室建設迎刃而解。此外，機器人系統對于THA的真實療效情況，我們還需要進一步的進行大樣本、隨機的、多中心的相關長期隨訪研究，以期能從更多數據中量化機器人輔助THA的長期結果和不良風險。隨著科學技術的發展，智能化、數字化和精準化將會成為關節骨科發展的趨勢。對于目前存在的機器人系統，因其產品特點不同，很難做到從封閉系統完全向開放系統的轉變，因此很難實現各個優秀產品的優勢互補，也很難通過統一的手術方式和數據得到規范的大樣本結局內容，從而進行更精準的療效研究分析。手術機器人系統功能單一，很難實現兼容也是丞待解決的問題，脊柱手術、TKA與THA之間無法通過同一機器人系統平臺實現多角色功能轉換，從而很難實現成本控制，場地占用率及時間利用率上的巨大革新。因此，對于未來THA手術機器人的發展，必定會在更加開放、智能及兼容的方向上不斷前進。

作者貢獻聲明丁浩：醞釀和論文結構設計，文獻資料收集，文章撰寫；王光達：文章內容審閱及支持性貢獻；焦德林：文獻資料收集及支持性貢獻；馬圣楠：文獻資料收集；陳賡：文獻資料收集及支持性貢獻；劉巍：文獻資料收集；李新鵬：文獻資料收集。