機器人輔助技術在全髖關節置換術中的應用進展

王曉洋,葉楠,張志峰,黃健*

(1.內蒙古醫科大學,內蒙古 呼和浩特 010059;2.內蒙古醫科大學第二附屬醫院關節外科,內蒙古 呼和浩特 010090)

全髖關節置換術(total hip arthroplasty,THA)是目前治療終末期髖關節疾病最普遍、最有效的治療方式,但傳統THA常因不可避免的人工因素而使置入假體位置偏離預期,造成假體翻修率的增加及患者滿意度低等問題,同時也帶來了巨大的社會經濟負擔。如何提高THA治療晚期髖關節疾病的臨床療效、提高患者生活質量是關節外科醫生關注的重點問題。

機器人輔助全髖關節置換術(robot-assisted total hip arthroplasty,RTHA)是一種通過整合多學科技術行術前規劃,并在術中通過機械臂來輔助術者完成髖關節假體的置入,從而重建髖關節正常功能的一種手術方式。經過幾十年的發展,傳統THA在基礎解剖、手術技術等方面都取得了巨大進展,但傳統手術技術的精度不能夠有效解決術后相關并發癥的問題。從首個機器人的問世到現今的各型機器人,都有一個共同的特點即“高精準度”,這為解決術后相關并發癥的問題提供了新視野。近5年與機器人輔助關節置換的相關研究更是呈現出直線增長的趨勢,美國在該領域活躍的研究文獻和機器人公司數量最多,其次是中國[1]。本文通過簡述機器人輔助技術的發展背景,并就關節機器人的技術原理和手術治療效果作一綜述。

1 關節機器人的發展背景

外科手術中的技術輔助工具和引導器械的發展可以追溯到1906年,Clarke和Horsley將立體定向裝置首次用于神經外科[2]。隨著新理念、新技術的迅猛發展,世界上誕生了第一臺應用在關節外科的機器人:Robodoc機器人,并于1992年首次應用在THA中。最初應用Robodoc機器人出現了較為嚴重的術后并發癥,故受到集體訴訟后被Curexo技術公司收購,目前基于Robodoc機器人的下一代系統已經誕生:T Solution One,全球應用此機器人行THA已超過了17 000例[3]。1997年德國Ortomaquet公司同樣研發了一種自動型的機器人:Caspar機器人,但Mazoochian等[4]研究發現,應用Caspar系統置入假體精度差異較大、外展肌功能明顯更差,Trendelenburg’s征的發生率也更高,治療效果也不盡人意。

正是因為缺乏互動性、穩定性等種種問題以及伴隨著計算機技術、人工智能的發展,促進了半自動型機器人的誕生。Acrobot機器人的出現解決了Robodoc機器人與Caspar機器人存在的相關潛在問題,其使用非侵入性解剖匹配方法將其映射到患者的解剖結構上,隨后在數字導航的引導、觸覺交互下進行手術操作,為后繼半自動機器人的發展提供了參考。2006年,美國史賽克公司研發了半自動型Mako機器人,成為了目前應用最為廣泛的關節機器人。如今,半自動型關節機器人成為研發熱點,包括Rosa機器人、Velys機器人、“鴻鵠”機器人及Cori機器人等。

2 關節機器人的分類

在機器人技術的世界里,基本分為三種不同的類型:自動型、半自動型和被動型。目前關節機器人數量眾多,其主要代表類型見表1。被動型機器人因主要應用于基本外科,故不進行闡述。半自動型機器人憑借獨有的“人機交互”,解決了上一代自動型機器人的部分缺陷;近年來,隨著算法的升級以及通過和虛擬技術相結合,術者能夠有效地避免不必要錯誤,充分利用機器人的準確銷銑和精確的導航來完成手術。近些年各種數字技術蓬勃發展,機器人正成為輔助關節置換手術的可靠工具[5],使用機器人行關節置換逐漸成為主流趨勢。

表1 機器人類型表

3 關節機器人的技術原理

機器人由控制系統、視覺系統、機械臂三部分組成,控制系統來調整手術方案,視覺系統負責實時數據傳送并顯示操作方案,機械臂負責執行操作并提供反饋。手術方案的制定可以通過術前成像和術中成像兩種方式進行;術前成像的機器人需對患肢進行CT掃描/放射學片,并進行3D建模,通過分析患者解剖結構而構建假體置入位置計劃;術中成像的機器人則需術中通過特定的器械采集解剖位點進而生成3D模型指導置入假體。工作流程由術前解剖規劃、機械臂注冊和截骨、導航定位監測3個步驟協配來輔助完成手術。

圖1 機器人工作流程

3.1 自動型機器人 以Robodoc機器人(integrated surgical systems,USA)為例,自動型機器人術前通過CT圖像進行3D建模后,將預定方案輸入“Orthodoc”工作站,便可進行解剖位點的匹配、激活,隨后配有高速銷銑裝置的五軸全自動機械臂便會執行植入方案[6];值得注意的是:醫生不參與此過程,故手術一旦開始,除非輸入緊急停止指令,否則不可中途中斷。

3.2 半自動型機器人 以Mako機器人(Styker,USA)為例,半自動型機器人通過術前患肢CT數據建模并規劃置入方案,術者可在術前基于該3D模板調整髖臼杯的尺寸和空間位置,一般設定髖臼杯的前傾角和外展角分別為20 °和40 °,在完成機械臂和解剖標志注冊后,術者便可依靠實時視覺、音頻、觸覺反饋進行銷銑、切割、置入等操作。如超出預定方案的邊界值,機械臂就會自動停止工作,這是其對手術的保護機制,術者也可在術中根據骨質情況對假體位置的預期方案進行調整。關于3D建模也誕生了新的方式:基于2D雙下肢全長X線片形成3D模型圖像或基于術中解剖結構采集并即時建模,允許術者在實際手術之前進行虛擬手術,以及獲取有關軟組織和骨骼解剖學的實時數據,這是其最智能化的體現。

4 傳統THA和機器人輔助THA

傳統THA通過術前拍攝影像片并結合查體制定手術方案,術中通過解剖標志及器械模具引導進行截骨和假體定位,最終股骨頸截骨線的選擇、假體植入位置、骨切除量及軟組織平衡取決于術者主觀的評估,難以最佳恢復患肢的下肢生物力線與假體配套組件的優良契合,因為即使經驗豐富的外科醫生在術中對臼杯和柄位置的估計也不可靠[7]。

無論何種類型機器人輔助系統,目的均為提高患者對手術效果的滿意度,創造一個穩定、無痛、持久的關節。THA雖總體取得了成功,但置入假體的不穩定仍然是一個昂貴和困難的問題,這會對患者生活質量產生負面影響。機器人輔助技術在THA中的應用,為減少術后相關并發癥率提供了新方式。

4.1 髖臼骨保留量 在保持假體穩定性的前提下,進行股骨頸截骨及磨銼髖臼時保留足夠的骨量,對降低THA術后翻修率是一項有利的因素[3]。Suarez-Ahedo等[8]的研究表明:常規組臼杯大小-原有股骨頭大小的平均值(6.05 mm)明顯高于機器人組(5.12 mm),差異有統計學意義(P=0.015),這間接的提示了使用機械臂輔助銷銑會使髖臼骨丟失量更少,從而可以選擇更小的髖臼臼杯,對于年輕患者是受益的。Raj等[9]通過一種假設算法估算了術中髖臼骨的切除量,認為在手術個性化的前提下,選擇較小的臼杯會得到更多的骨儲備。原因為:機器人輔助技術的數據可視化和保護機制和機械臂進行單次、精準磨銼髖臼,對于骨儲備量的保留有潛在的益處,這與Suarez-Ahedo等的研究結果是相符的。

4.2 髖臼杯位置 理論上髖臼杯的精確置入具有降低術后并發癥風險、提升假體遠期生存率等優勢,充當著至關重要的角色。Lewinnek安全區[10](外展角度30 °～50 °,前傾角度5 °～25 °)被應用以來,2011年Callanan等[11]又根據實驗數據將其調整為外展角度30 °～45 °,前傾角度5 °～25 °,現被廣泛認可并確定為THA成功的關鍵參數。一系列研究發現通過機器人的引導,髖臼杯的置入精確度得到了質的優化[12]。孔祥鵬等[13]通過分析連續100例機器人輔助THA的術后臼杯位置,發現機器人組(92%)臼杯位置位于Lewinnek安全區的概率明顯較常規組(82%)高;臼杯位于定義的安全區內會降低脫位率、磨損率,對遠期生存率存在益處,這是目前外科醫生所基本認同的觀點。柴偉等[14]的一項高脫位髖的研究發現,常規組和機器人組的臼杯外展角度差異不大,但常規組置入的髖臼杯前傾角度(29.5±8.1) °,明顯大于機器人組(18.0±4.6) °,差異有統計學意義(P<0.001);這初步說明了,即使是骨質復雜、Ⅳ型先天性髖關節發育不良的病變髖關節,機器人輔助技術也能夠按照預期準確地置入臼杯。

4.3 雙下肢長度差(leg length discrepancy,LLD) THA術后LLD是引起患者不滿意度增加最為常見的原因,術后雙下肢長度差異過大雖在一定程度上可通過骨盆代償調節,但患者仍可能是跛行步態,并且存在襯墊磨損加快的可能性,這對于假體生存率是不利的。李俊成等[15]的研究發現,機器人組的LLD值(2.8±2.2) mm較常規組(7.9±5.3) mm更加集中于<5 mm區間。盡管有研究認為,機器人組和常規組之間的LLD值未發現顯著差異,仍需要更大樣本量的高質量研究證實[16]。但一項納入20篇文獻4 140例患者的meta分析表明,兩組之間臼杯的放置角度雖無顯著差異,但改善了股骨干的對線,獲得了精確的LLD值[17]。Guo等[18]近期一項研究也表明,相較于傳統THA,機器人輔助THA的LLD值(3.22±2.17) mm相較于傳統THA(6.95±3.02) mm確實獲得了差異更小的LLD值,差異有統計學意義(P<0.001),更小的LLD值對于改善跛行、減少磨損甚至是合并腰椎疾病的患者均存在益處。

4.4 股骨偏移量(femoral offset,FO) 股骨偏移量是指股骨頭旋轉中心到股骨干長軸的垂直距離,其作為髖關節的外展肌力臂,維持著人體重力和外展肌群張力之間的平衡,FO的變化對于肌力、運動功能及穩定性、聚乙烯襯墊的磨損、假體壽命及步態均有著一定程度的影響,是髖關節力學重建的重要一環。早些年的一項研究[19]發現,機器人輔助THA術后100%的LLD值和91.8%的偏心距改變在10 mm以內;Foissey等[20]在最近也發現了相似的結果,盡管兩組臼杯中間化位移平均超出3 mm,但機器人組在水平和垂直平面上的旋轉中心的異常值僅占10%,而常規組達到了28%,兩者差異有統計學意義(P=0.03)。機器人輔助THA幫助患髖獲得了更好的固有旋轉中心,更好地保留聯合偏移量[21],對髖關節生物力學重建和術后關節功能的恢復具有積極影響。

4.5 手術時間及學習曲線 學習曲線為外科醫生在獲得經驗或新技能方面取得進展的速度。操作者初期應用機器人輔助技術進行髖關節置換術難免會增加手術時間,但手術時間很快便出現下降拐點并穩定下來。1998年的一項多中心實驗研究發現,應用Robodoc機器人輔助THA手術時間從第1個病例的240 min迅速下降到之后的90 min,平均比常規人工操作增加30 min(主要消耗在骨準備與機器注冊)[6]。在半自動機器人中,臼杯置入占總手術時間5%～7%,髖臼注冊時間約占10%[13]。應用機器人輔助THA髖臼杯定位的學習曲線為12～35例[22-23],目前未發現有研究對機器人輔助THA學習曲線的系統分析,但一項研究對于機器人輔助TKA的學習曲線分析后得出結論:至少行50次例手術后手術時間得到了改善,在151～200例之間達到穩定手術時間[24]。一定數量的學習例數不可避免,伴隨著手術例數的增加,手術時間會呈現相應的下降趨勢,但這并不會影響置入假體的精準性。機器人系統智能化的算法使手術流程更加簡化、手術更安全,一定程度上縮短了低年資的醫生學習手術的年限。

5 小結與展望

機器人輔助技術在關節置換領域發展勢頭迅猛,無論國外還是國內,都顯示了醫生和患者對此技術的關注度顯著上升[25]。作為一項逐漸興起的新技術,無論何種類型的機器人系統,都是基于患肢的解剖結構來制定手術方案;一些研究表明,機器人輔助THA在軟組織的平衡及關節力線的恢復方面已較傳統THA初步凸顯出優勢,同時置入假體位置精度、穩定性也得到了提升[26]。假體位置準確度的提升是否帶來了更好的功能結果,仍是爭議之點。有研究表明[27]使用機器人行THA,術后Harris髖關節評分和西安大略和麥克馬斯特大學(the Western Ontario and McMaster Universities,WOMAC)骨關節炎指數差異無統計學意義;Clement等[28]發現了機器人組的術后一般健康狀況或滿意度差異無統計學意義,但術后髖關節特異性功能結果更大、關節遺忘評分更高;之后的一些研究也表明,使用機器人輔助技術行THA,中、短期術后隨訪能獲得較高的患者滿意度[29-30]。這提示接受機器人輔助技術進行THA可能獲得更好的關節功能恢復。

雖然使用機器人費用成本較昂貴,但是術后患者疼痛小、類鎮痛消耗少、物理治療需求少、功能恢復快及住院時間短[31-32]。住院時間及醫療用品消耗的減少就意味著此處的費用會抵消掉一部分機器人輔助技術所帶來的額外影像學檢查、一次性耗材及人工費用等。筆者認為,此項技術在國內尚未廣泛應用,如若應用機器人輔助技術進行關節置換的數量增加到一定比例后,可能會呈現出費用下降的拐點。

機器人是多學科技術整合下的產物,其本身需要多元化發展,受當前科學技術發展程度的限制,一些存在的不足仍需要優化:(1)機器人構成模塊占用空間較大,對無菌原則構成一定威脅;(2)侵入性切口隱性增加了感染的風險。術中(以Mako機器人為例)使用探針進行髖臼注冊時可因患肢骨質復雜或術者經驗不足而出現注冊假象(探針需真切刺于骨面,但由于未真實穿透骨皮質或刺于軟骨面造成數據偏差),最終致假體置入位置偏離預期;(3)注冊過程繁瑣,導致部分患者難以耐受手術時長和機器產生的噪聲,會對醫生造成聽力損傷以及額外輻射暴露[33];(4)各機器人系統需搭配特殊型號假體使用,存在一定的局限性;(5)對于復雜病例仍需要轉為人工手術操作;(6)在術前、術中規劃時缺乏髖關節-骨盆-脊柱的動態顯示,這關系到置入假體的穩定性。隨著近幾年來機器人輔助技術系統不斷的優化,其可以逐漸應用在具有高挑戰性的融合髖關節置換及髖關節發育不良(developmental dysplasia of the hip,DDH)病例中[34-35]。當機器人輔助系統成為關節外科醫生的感官延伸工具后,不僅要做到置入物個性化,同時在AI大趨勢下,發展兼備簡易、便攜、精準算法的操作裝置是必要的。

綜上所述,使用機器人輔助技術能夠顯著提升假體放置的精度,在術后相關并發癥發生率的統計數據上較傳統THA也有一定程度的下降。機器人輔助技術雖尚處于發展階段,在安全性、可行性等方面仍需去優化,但一些小樣本、單中心臨床研究的結果提示了機器人輔助技術能夠為外科醫生提供一個強大而可靠的工具來解決隱蔽的操作以保證最佳臨床結果,關于術后功能方面的優勢仍需要進一步高質量的大樣本、多中心臨床研究來證實。另外,機器人輔助技術昂貴的費用也會隨著其在未來的廣泛應用進而出現下降的拐點,屆時會提供更多充足的臨床證據來支持其應用價值。機器人輔助關節置換已初步展現出了技術優勢,雖不能說完美,但未來一定會更好;同時,要通過設計更加智能的算法及更加簡易、安全、精準的操作進而實現“人機一體”,進行更進一步的探索。