機器人手術在關節外科的應用進展

張乾 何云利 賀強 張杭 馮哲 王弢 孫慶良 何森 天津市北辰醫院骨關節科 （天津 300400）

內容提要： 隨著人工智能的發展，手術機器人在21世紀得到飛速發展，其個體化、精細化、微創化的特點，很快在關節外科得到廣泛應用。在現代關節外科手術中，關節外科醫師可以通過手術機器人制定詳細的手術計劃及方案，并通過機器人精密的操作來完成手術。文章結合關節外科機器人在髖膝關節置換術及單髁置換手術中的應用，對機器人手術在關節外科的應用進展作一綜述。

機器人手術是人工智能與傳統手術相結合的手術方式，將傳統的醫學信息儲存到計算機內，由計算機進行分析、建模制定相應的手術方案，由術者操縱機器人完成手術操作，不僅安全，而且盡可能地接近于人體生理解剖。關節外科醫生將機器人手術運用在關節外科領域已有二十多年，其手術規劃、設計及規范操作均有了飛速的發展，手術例數和經驗也逐年增加，本文就機器人手術在關節外科的應用進行綜述。

1.機器人手術發展史

機器人應用在臨床外科領域有近30多年的歷史，最開始是應用在神經外科，在1985年由Kwoh等[1]使用機械臂進行顱腦活檢，這是機器人第一次在手術中的應用。此后更多的廠家開始研制手術機器人并應用到不同的學科中，包括普外科、神經外科、泌尿外科、骨科等學科。

ROBODOC機器人系統于1992年在美國面世，主要用于規劃手術路線、確定位置，這被認為是最早的骨科手術機器人系統。德國Ortomaquet公司于1997年研制的CASPAR（Computer Assisted Surgical Planning and Robotics）系統，可用于髖、膝關節置換手術，其操作原理與ROBODOC系統基本一致。2001年，Acrobot系統開始應用于全膝關節置換和單髁置換手術，它由倫敦帝國學院研發成功，這是一個重要的轉折點。此后隨著手術量及研究的深入，各類配備更精準的機械臂、截骨工具和放置假體的關節外科機器人逐批問世。達芬奇系統是美國第一個正式獲批的機器人輔助手術系統，自2000年8月獲批成功后，完成了150多萬例手術，大大地推進了手術機器人在各個學科的發展[2]。

Stryker公司的MAKO機器人是目前應用最廣的手術機器人，可用于單髁、全膝及全髖關節置換術，它是最新一代關節外科機器人的代表。它通過術前CT三維掃描獲取術區信息，通過建模設計手術計劃并進行手術模擬，最終由術者操縱機器人進行手術，在術中參考個體化可以實時校正，在保護系統下減少失誤及過度操作，因此手術誤差可以降到最低，從而大大提高其安全性和準確性。

近年來，機器人手術在關節外科手術中得到廣泛應用，尤其是髖關節置換、全膝關節置換與單髁置換手術，當然也包括關節骨折的手術。機器人手術能更精準地進行截骨、放置假體、改善下肢力線，最大程度地保留骨組織并減少軟組織損傷，術后影像學改善明顯，患者術后滿意度及關節功能恢復更好。當然，并不是所有的醫院都能開展機器人手術，且機器人手術學習周期較長，另外患者的花費也相應增加，因此對于機器人手術也存在一些爭議。我國機器人在關節外科的應用主要用于髖膝關節置換和單髁置換，仍處于積累經驗的階段。

2.機器人手術在關節外科的應用

2.1 全髖關節置換術

全髖關節置換術的難點在于假體位置的安放，要保證假體的初始穩定性，并避免術后假體的脫位。因此，術中髖臼位置、股骨柄的前傾角度就顯得尤其重要。多數病例發生脫位、早期假體松動的原因都與假體沒有得到準確的安放及周圍軟組織的過度損傷、松解有關。在常規手術中，髖臼由術者進行銼磨，很容易產生偏心誤差，使髖關節旋轉中心發生改變，術后容易引起組織與假體的撞擊，術后容易導致脫位、無菌性松動等并發癥。機器人手術通過精準的術前規劃，在術中由機械臂按照設計的角度、準確的三維空間位置進行銼磨，并準確地放置關節假體，將人為誤差降低到最低，使假體得到最緊密的骨皮質貼附，并最大程度地保留骨量。

結合機器人手術術后的影像學表現，機器人手術在髖臼位置、股骨偏心距、下肢長度差異等方面均優于人工手術，說明機器人手術可以明顯提高手術精確度，對于假體周圍軟組織重建的研究發現，機器人手術與人工手術均無法達到完整恢復髖關節周圍生理解剖結構的效果，但基于機器人手術更高的精確度，所以在重建結構上較人工手術更有優勢。在將髖臼杯放入Lewinnek和Callanan安全區方面，機器人輔助手術比人工手術更為精確，并且證實在降低脫位率方面有明顯優勢[3]。

在術后恢復方面，機器人手術患者的UCLA、mHHS評分較傳統人工手術患者的更高，這提示機器人手術能使術后患者的功能得到更好的恢復，當然仍需進行長期的隨訪研究。

2.2 全膝關節置換術

全膝關節置換術手術的難點在于重建正確的下肢力線，要求術中進行精確的截骨，正確放置假體并做到良好的軟組織平衡，尤其是能否精確地截骨與軟組織的平衡一直以來都作為衡量一名膝關節外科醫師手術技術是否成熟的標準。在手術中截骨不精確、軟組織不平衡、力線不正及假體選擇不當均會導致術后疼痛、無菌性松動、假體下沉、功能不良等結果，從而影響人工關節使用壽命。在NAVIO系統完成的尸體試驗中，能保證股骨、脛骨力線平均偏移＜1°，截骨厚度相對術前規劃誤差僅為1mm。在全膝關節置換術術后影像參數方面，機器人手術在力線和假體位置明顯優于人工手術，且各種參數誤差＞1°的發生率更低。

Batailler等[4]完成的綜述中，通過26項相關研究基于MAKO機器人，發現與傳統術式相比，機器人輔助全膝關節置換術較人工全膝關節置換術可以顯著降低疼痛、縮短住院時間、改善術后功能，具有很大的優勢。機器人輔助手術在提高手術精度方面較人工手術更有優勢，現有的研究結果已經足夠可以說明這一點[5]；但中遠期臨床結果的研究仍存在一定的爭議，與機器種類、設計缺陷、樣本數量、標準不統一等有關，且由于機器人手術應用時間短，有待更多更長遠的深入研究。

2.3 膝關節單髁置換術

膝關節單髁置換術手術適應證較全膝關節置換更嚴格一些，主要用于治療膝關節單間室骨關節炎，相較于全膝關節置換術，單髁置換手術創傷小、失血少、恢復快，能最大程度地保留骨量，不損害交叉韌帶，保留本體感覺，術后功能好，患者的滿意度更高。傳統的人工單髁置換技術，難點在于關節假體的位置是否良好、軟組織平衡是否精準，受術者水平等因素較多，假體的遠期生存率要低于全膝關節置換，翻修比例相對較高。隨著機器人手術范圍擴大，加上在關節外科的發展應用，機器人輔助人工膝關節單髁置換術應運而生，且占比逐年增加。目前，機器人輔助單髁置換在美國占到單髁置換總量的15%～20%，伴隨機器人技術的發展進步，這一比例會越來越大。

精準的假體位置和良好的軟組織平衡，是單髁手術成功的重要條件。機器人可以在術前進行精準的規劃，在術中精準的操作，可以讓假體與骨面的覆蓋度達到最大，并且對軟組織的影響降到最低，另外，韌帶張力、關節運動軌跡也都是在手術計劃之內，術中可根據實際情況進行調節，從而使膝關節在屈伸過程中得到一個比較接近正常的間隙平衡。機器人手術在處理患者韌帶不平衡時，相較于術前最多可減少0.53mm，幾乎不影響韌帶的緊張程度，更有利于康復功能鍛煉，充分說明在軟組織平衡方面，機器人手術較傳統單髁手術更有優勢。

Gilmour等[6]通過大樣本隨機對照研究，發現術前35例活動量大的患者進行機器人輔助膝關節單髁置換術后，術后2年的KSS、牛津膝關節評分有較大提高。因此，機器人手術可以幫助活動需求大的患者得到更好的收益。由于單髁置換手術適應證相對嚴格，且單髁置換學習曲線相對較長，機器人應用于單髁置換較全膝置換也較少一些，因此，對于機器人輔助單髁置換術，仍需要大樣本長期的臨床研究。

3.機器人手術的優點與缺點

近年來，手術機器人發展迅速，關節外科進入機器人時代。機器人手術相較于傳統手術，其優點在于其可以根據不同的個體在術前制定詳細的術前規劃并在術中實時進行導航，精準是其最大的優點。它的精準由幾個方面進行保證：①詳細的術前規劃，通過術前CT及三維重建進行數據采集，將數據輸入機器人系統后，根據個體差異進行精準的術前規劃，包扎良好的下肢力線、假體位置、截骨厚度及軟組織平衡等[7]。②術中精準的操作，人為總有誤差，尤其在術中進行操作時，機器可避免或降低此類誤差。通過術前規劃及術中導航，可以精確定位機械臂與術區的相對位置，這個位置在三維空間也是固定的，因此截骨、磨挫、安置假體都是高度精確的。③機器的安全區保護，能通過術前規劃，機械臂的操作空間是相對固定的，即安全區操作，避免了骨量的丟失及軟組織的損傷。多數手術機器人為保證截骨的精準性和保護膝關節周圍韌帶、神經及血管，有自己的安全限制，當截骨量超過原定計劃3mm或鋸片尖端達到安全邊界后，機械臂會自動停止，從而避免損害重要結構。

關節外科手術的目的就是使患者的關節功能恢復或接近于人體正常解剖結構，在機器人輔助下，通過術前精準的規劃和分析，針對不同的患者個性化處理，使之更接近于個體正常的解剖結構，這是傳統人工手術無法比擬的。機器人輔助手術在關節力線恢復、軟組織的平衡、假體貼附等方面較傳統手術優勢明顯。當然，截骨量小、軟組織損傷小，尤其是韌帶的原始張力得到保護，在術后短期恢復及患者滿意度方面也具有非常大的優勢。

當然，機器人手術也有缺點：①機器人手術設備比較昂貴，在國內也僅有極少數的大型醫院有實力購買，且機器投入使用后需要專門的手術室、人員培訓，并需定期維護，成本較高。②機器人手術需要術前規劃，且多部位需要CT掃描及三維重建，使用機器人也需要支付相應的費用，使用過程中的一次性耗材，對患者來說，住院費用較傳統手術明顯增加，住院周期也相對延長。③機器人手術時間相對傳統手術時間略長，相應的麻醉風險及費用也會增加。④目前多數廠家的機器人無法實現資源共享，不同的術前規劃、操作規范及操作標準，導致機器設備使用相對單一，術后效果也無法進行統一評價。例如，部分廠家的機器人僅提供髖膝置換而不提供單髁置換，這對于科室及醫院來說，一臺昂貴的機器只提供一兩種手術術式顯然是投入產出不成比例的。⑤機器人手術也是需要學習曲線的，雖然機器人手術可以避免一些人為操作的失誤，但是機器人手術器械相對傳統手術器械更加復雜多樣。另外，機器人畢竟屬于機器人，存在很多不確定因素，如注冊失敗、建模失敗等因素，有被迫改為手工手術的可能[8]。如果沒有大量的人工關節置換經驗，在操作機器人過程中也依然存在一定的風險。

4.機器人手術在關節外科的展望

近年來，機器人手術在關節置換領域迅猛發展，尤其近年來國內多家關節中心都引進了機器人設備，表明關節外科醫生對于機器人手術是非常關注的。雖然目前在我國使用機器人費用成本較傳統手術略高，但是相較于傳統手術其手術精準、創傷小、術后患者疼痛小、恢復快、滿意度高的優點也逐漸被關節外科醫生和患者所接受。當然，機器人技術也在不斷發展的，在其保障精準性的前提下，繼續擴大機器人相應的手術適應證以及開放不同的術式。目前，機器人技術在創傷骨科、脊柱外科均有廣泛應用，相信今后會進一步擴大范圍。例如應用在運動醫學領域，可以幫助術者更精準地定位交叉韌帶的位置，從而重建損傷的交叉韌帶。相信在不久的將來，通過關節外科醫生的努力和機器人人工智能技術的發展，使人工智能與臨床達到精準化、個性化的統一，終究會有理想的關節外科機器人并在關節外科得到更廣泛的應用和發展[9]。