手術機器人在創傷骨科的應用進展

涂志朋,金翔赟,曹昕琪,董宇啟,黃平,肖偉元*

(1.上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院護理部,上海 200127;2.上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院創傷骨科,上海 200127)

21世紀以來,隨著科學技術的發展和手術機器人使用成本的降低,以達芬奇為代表的手術機器人已被廣泛應用于普外科、胸外科、泌尿外科、婦產科等外科手術中,其穩定性好、準確性高等特點也獲得了越來越多外科醫生的認可[1]。與腔鏡手術機器人不同,骨科手術機器人以輔助定位為主,旨在降低手術創傷、增加手術精確性,其目前已在關節置換、椎弓根螺釘置入以及骨折內固定等手術中投入應用。創傷骨科手術變化大、骨折類型多樣,因此手術機器人的應用相對較少,本文就骨科手術機器人及其在創傷骨科中的研究和應用進行綜述。

1 骨科機器人概述

骨科機器人主要由負責手術控制的主機、負責導航的跟蹤系統、負責執行操作的機械臂以及其他一些輔助套件構成。手術時主機根據術前或術中獲得的圖像資料,在導航系統的定位輔助下指導機械臂完成相應操作[2]。

機器人主機的控制系統相當于機器人的大腦,是整個機器人系統的核心,圖像處理、手術規劃、機械臂控制都由其負責。這些模塊主要依靠各個機器人公司研發的算法軟件,確保系統準確、穩定的運行,觸覺反饋、深度學習等最新技術的應用使其功能不斷完善[3-4]。同時與手術醫生的交互性也是軟件設計的重要目標之一[5],更好的交互性意味著更短的學習曲線。

導航系統同樣是骨科機器人的核心技術,相當于機器人的眼睛。該系統把圖像資料與患者的實際體位及機械臂的實時位置統一在一個坐標系下,通過對機械臂的位置進行實時采集和顯示,手術醫生可以觀察機械臂與病變部位的相對位置關系,從而在機器人輔助下進行精確的操作。其中基于CT的導航最早出現,需要術前采集手術部位的CT影像,與患者術中的解剖標志進行匹配,但由于CT數據來源于術前,會導致術前圖像與術中實時圖像之間的配準產生一定誤差[6]。隨著移動式C型臂的出現,2D、3D透視導航成為主流,其可以術中實時采集圖像與手術對象進行匹配。無圖像導航則無需依賴術前或者術中透視圖像,通過末端定位裝置(如取點器)確定解剖標記點,直接對其進行術中數字化顯示,并且可以與傳統的2D、3D、CT導航混合使用[7]。近年來也出現了基于深度相機的無參考系導航以及基于機器視覺連續追蹤的計算機導航系統[8],在進一步提高導航精確度的同時,降低了術中透視輻射。除此之外,電磁導航及超聲導航雖然具有無輻射的優勢,但兩者受環境影響較大,尚未得到廣泛應用[9-10]。

骨科手術機器人系統根據外科醫生對機器人的控制程度不同可以分為被動型、主動型和半主動型[11]。被動型機器人通過外科醫生連續不斷的控制來實現操作,沒有反饋回路,如用于脊柱或創傷手術內固定定位的機器人;主動型機器人是在外科醫生的監督下通過術前制定的方案自主完成一些手術步驟,如用于膝髖關節置換的Robodoc、Caspar等,但由于其存在一定的安全隱患,目前已經逐漸被半主動型機器人替代;半主動型機器人是在外科醫生的約束下,完成預先制定的手術方案,其具有觸覺反饋回路,使機器人能夠實時地與外科醫生進行溝通,以增強安全性,如關節外科的Mako、脊柱外科的Mazor等[12]。

骨科手術機器人按手術類型分為脊柱外科、關節外科和創傷骨科手術機器人。脊柱外科機器人如Spine Assist、Mazor等主要負責輔助術中椎弓根螺釘的置入;關節外科機器人如Mako、Acrobot等則可以在膝髖關節置換中輔助手術醫生完成精準的截骨及假體的置入;而創傷骨科機器人的發展相對較慢,可以分為復位機器人和固定機器人。

2 復位機器人

骨折的手術治療主要分為復位和固定兩大步驟,良好的復位是骨折內固定的前提條件,也是創傷骨科手術最關鍵的一步。骨折復位機器人可以通過計算對骨折進行精確復位,避免骨折斷端間出現短縮、成角、旋轉等復位不良的情況,改善骨折的預后。由于骨折的部位和類型紛繁復雜,因此骨折復位機器人的研發難度較大,但目前也已取得了一定的進展。

復位機器人從結構上主要分為串聯復位機器人、并聯復位機器人及串并聯聯合復位機器人三大類。串聯復位機器人主要基于工業化機器人改造而來,由串聯連接的機械臂操控骨折斷端。2004年Füchtmeier等[13]在工業機器人Staubli RX 130的基礎上研發了骨折復位機器人RepoRobo,并應用該機器人對模型骨進行骨折復位。此后,Oszwald等[14]應用Staubli RX 90作為復位機器人在尸體上進行股骨干骨折的復位,并與人工復位的情況進行對比,結果發現機器人復位組在旋轉畸形和內外翻畸形方面均優于人工復位組,但機器人復位組的耗時明顯長于人工組。串聯復位機器人的主要優勢在于其活動度和靈活性,但同時其體積龐大,復位操作過程中容易和其他器械發生碰撞。此外,由于機械臂是串聯連接,因此其末端精確度和承載負荷相對較差。Kim等[15]提出將串聯復位機器人與持續牽引相結合,兩者通過電腦程序協同作用,可以提高復位的精確程度和便利性,但該研究目前仍處于理論階段。

并聯復位機器人的基礎是Stewart平臺,該平臺主要由6根并聯排列的可伸縮連接桿連接上下2個平面,通過調整連接桿的長度可以實現2個平面6個自由度的精確運動控制。唐佩福團隊[16-17]在Stewart平臺的基礎上加入了定位標記球結構,結合CT三維重建圖像以健側骨為參考進行復位,完成了牛離體股骨干骨折的復位實驗,結果顯示最終復位的軸向移位平均誤差為1.23 mm,側方移位平均誤差為1.04 mm,側方成角平均誤差為2.34 °,旋轉誤差為2.83 °,復位結果滿足臨床應用要求。并聯復位機器人具有精確度高、扭矩大、穩定性好等優點,但其應用需要綜合性結構設計和布局,研發難度較大。此外,并聯復位機器人的活動范圍具有局限性,對于移位較大的骨折,有時需要先人工進行適當的牽引,之后再應用機器人進行復位。

串并聯聯合機器人結合了串聯和并聯機器人各自的優勢,Dagnino等[18]將Stewart平臺連接在串聯機器人機械臂上,對豬股骨骨折進行復位,結果顯示該復位系統的平均移位誤差僅為0.09 mm,旋轉誤差僅為0.15 °。后續研究中,他們將該系統應用于股骨遠端骨折復位中,并成功對9具尸體股骨標本中的7具進行了復位[19],他們認為該系統可以應用于關節內骨折的復位。但目前長骨骨干骨折的復位機器人相關研究尚局限于體外模型骨或尸體骨,尚未投入臨床應用中。

在更為復雜的骨盆骨折復位方面,趙春鵬等研發了骨盆骨折機器人輔助復位系統[20],該系統通過置入髂骨翼、髂前上棘以及髖臼頂部的斯氏針把持骨折塊,根據健側影像由計算機計算出復位路徑并進行復位,并且可以在屏幕上實時呈現復位情況。在完成了對模型骨的復位驗證后,該復位系統被應用于臨床研究中,共納入22例不穩定骨盆骨折,術前規劃與最終復位結果差異為(3.41±1.83) mm,復位后殘留移位為(4.61±3.29) mm,復位優良率達到95.5%[21]。該研究首次將復位機器人應用于臨床病例中,并驗證其安全性和有效性,為骨折復位機器人的臨床應用奠定了基礎。

在實際臨床應用中,復位機器人如何應對骨骼周圍肌肉的牽拉以及不同部位骨骼把持力的不同,避免其對復位過程造成影響,仍需要進一步研究解決。此外,復位機器人需要與骨折斷端連接才能進行復位操作,現階段大部分連接方式需要在骨塊上產生額外的切口才能置入操作桿操縱骨塊復位,而牽引靴、氣囊等雖然無創,但把持力并不可靠,不利于復位機器人的操控。如何尋找一種創傷小且固定可靠的連接方式是復位機器人需要解決的另一個難點[7]。

3 固定機器人

固定機器人在創傷骨科中的應用主要利用其精確定位的特點,在術中為手術醫生確定內固定置入的方向。國外有關固定機器人在創傷骨科中的應用報道較少,僅一篇在尸體上輔助定位股骨髓內釘進針點的研究[22],而國內自2015年天璣骨科機器人投入臨床應用以來,其作為固定機器人已在創傷骨科的各類手術中投入使用[23]。天璣骨科手術機器人是基于術中實時三維圖像的通用型骨科機器人,它可以規劃手術器械的空間定位,通過機械臂的運動使手術器械置入相應的解剖部位,具有安全性、準確性、穩定性的特點。通過實時監測,它還可以自我修正路徑,保證規劃路徑與手術路徑一致,為術中內植物植入路徑提供定位輔助,其精確度可達毫米級(誤差<0.8 mm)[24]。

不穩定的骨盆骨折需要手術固定治療,傳統切開復位內固定手術存在創傷大、出血多等弊端,經皮微創治療可以在較小創傷的同時對骨盆環進行相對可靠的固定。但由于骨盆形態不規則且骨盆周圍有著豐富的神經血管走形,此類螺釘切出率較高,并可導致神經、血管損傷等嚴重并發癥[25],因此傳統的骨盆骨折微創術中往往需要大量透視以確保螺釘置入的準確性和安全性,同時十分依賴手術醫生的經驗。而骨科機器人精確定位的特點使其成為了骨盆骨折微創手術中的一把利器。Long等[26]應用天璣機器人輔助骨盆骨折骶髂螺釘的置入,并與傳統的徒手置釘進行比較,其中機器人輔助組置入66枚螺釘,傳統手術組置入43枚螺釘。結果顯示機器人輔助組在透視次數、手術時間、手術切口方面均優于傳統手術組,兩組在骨折愈合時間及功能評分方面差異無統計學意義。趙春鵬等[27]應用天璣機器人輔助治療31例髖臼骨折,共置入前柱螺釘24枚、后柱螺釘15枚、髖臼頂螺釘9枚,術后CT證實所有螺釘均位于安全通道內,無一例患者發生機器人手術相關并發癥,術后功能評分優良率為86.2%。以上研究表明,天璣骨科機器人應用于骨盆骨折微創手術中,可以減少透視次數、縮短手術時間、降低手術創傷,同時確保手術的安全性和準確性。

空心釘內固定是治療Garden Ⅰ、Ⅱ型股骨頸骨折的首選方法。徒手置釘時多次穿刺嘗試不僅會損傷局部骨質降低內固定的有效性,還可能傷及股骨頸周圍血供,增加股骨頭壞死的概率,而骨科機器人的使用則可以顯著降低這類風險。Al-Naseem等[28]查找了機器人輔助與徒手置釘治療股骨頸骨折的對比研究并進行了薈萃分析,最終共納入7項研究506例患者,所有研究均來自中國,并均使用天璣骨科機器人。結果表明機器人輔助組透視次數更少、術中穿刺次數更少、術中出血量更少,同時術后功能評分、螺釘準確性、骨折愈合率、并發癥發生率也均優于徒手置釘組。

此外,骨科機器人也被應用于輔助股骨轉子間骨折髓內釘主釘置釘[29]以及手舟骨骨折的螺釘內固定術[30]等,均取得了滿意的療效。綜上,骨科機器人在四肢骨折的內固定手術中,可以起到精準導航的作用,尤其是針對骶髂螺釘、股骨頸螺釘置釘等手術,可以有效減少術中透視次數,并提高螺釘置入的準確性。但是,考慮到骨科機器人昂貴的價格,骨科機器人在創傷骨科手術實際臨床應用中的成本效益仍有待進一步評估[31]。此外,現有的骨科機器人主要應用于無移位或有輕度移位骨折的微創治療,適應范圍較窄,且多以單中心、小樣本回顧性研究為主,尚需大樣本、多中心、隨機對照的高質量臨床研究進行更深入的評價[32]。

由于骨折的部位和形態各不相同,手術機器人在創傷骨科的發展相對較慢。在復位機器人方面,骨盆骨折機器人輔助復位系統已成功在臨床研究中得到驗證,但在長骨骨干機器人輔助復位的研究中,目前尚沒有可以投入臨床使用的機器人。在固定機器人方面,天璣機器人等已經逐步在骨折內固定手術中開展應用,其應用范圍也從最初的股骨頸骨折、骨盆骨折逐步推廣到四肢各類骨折中。相信隨著研究的深入和技術的發展,手術機器人將被更廣泛地應用于骨折的復位和固定中,為患者提供更精確、微創的治療。