機(jī)器人輔助膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)對(duì)坐起動(dòng)作的生物力學(xué)影響

趙磊 劉思佳 周文瑞

摘 要 機(jī)器人輔助膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)作為一項(xiàng)新興技術(shù)，具有快速、安全和可重復(fù)性好等特點(diǎn)，能夠顯著提高手術(shù)的精準(zhǔn)度和準(zhǔn)確性，降低術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率。本文針對(duì)機(jī)器人輔助膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)對(duì)坐起時(shí)膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的影響進(jìn)行綜述，旨在為臨床手術(shù)提供更加科學(xué)和規(guī)范的參考和指導(dǎo)，為機(jī)器人輔助膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)在臨床上應(yīng)用提供更為可靠的技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞 機(jī)器人輔助手術(shù)；坐起動(dòng)作；生物力學(xué)；膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)

中圖分類號(hào) R687.4 R318.01 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-7721（2023）06-0597-05

Biomechanical effects of robot-assisted unicompartmental knee arthroplasty on sitting-up movement

ZHAO Lei1， LIU Sijia1， ZHOU Wenrui2

（1. 2nd Department of Orthopedics Trauma， Tongliao City Hospital， Tongliao 028000， China; 2.Department of Respiratory and Critical Care Medicine， the First Peoples Hospital of Horqin District of Tongliao City， Tongliao 028000， China）

Abstract Being an emerging technology， robot-assisted unicompartmental knee arthroplasty （UKA） is fast， safe and reproducible， which could significantly improve the accuracy and precision of surgery， and reduce the incidence of postoperative complications. The biomechanical effects of robot-assisted UKA on sitting-up movement were reviewed in this paper， aiming to provide more scientific and standardized references， as well as more reliable technical support for clinical application of robot-assisted UKA.

Key words Robot-assisted surgery; Sitting-up movement; Biomechanics; Unicompartmental knee arthroplasty

收稿日期：2023-05-26 錄用日期：2023-07-25

Received Date： 2023-05-26 Accepted Date： 2023-07-25

通訊作者：趙磊，Email：jianjialibing19774@163.com

Corresponding Author： ZHAO Lei， Email： jianjialibing19774@163.com

引用格式：趙磊，劉思佳，周文瑞.機(jī)器人輔助膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)對(duì)坐起動(dòng)作的生物力學(xué)影響[J]. 機(jī)器人外科學(xué)雜志（中英文），2023，4（6）：597-601.

Citation： ZHAO L， LIU S J， ZHOU W R. Biomechanical effects of robot-assisted unicompartmental knee arthroplasty on sitting-up movement[J]. Chinese Journal of Robotic Surgery， 2023， 4（6）： 597-601.

膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)（Unicompartmental Knee Arthroplasty，UKA）作為單個(gè)髁面嚴(yán)重磨損或劈裂的有效外科治療方法，已廣泛應(yīng)用于臨床。隨著機(jī)器人手術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，機(jī)器人輔助膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)（Robot-assisted Unicompartmental Knee Arthroplasty，RUKA）逐漸成為一種安全、精準(zhǔn)且效果顯著的手術(shù)方式。目前已有研究表明，機(jī)器人輔助膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)相比于傳統(tǒng)手術(shù)具有更精準(zhǔn)的植入位置和更好的肢體平衡性。坐起作為生活中非常常見的動(dòng)作，對(duì)于術(shù)后患者來說具有重要的生理意義，直接影響患者的運(yùn)動(dòng)功能和生活自理能力。

1 膝關(guān)節(jié)疾病現(xiàn)狀

1.1 膝關(guān)節(jié)疾病的流行情況

膝關(guān)節(jié)疾病是指影響人類膝關(guān)節(jié)健康的一類疾病，包括骨關(guān)節(jié)炎、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、滑膜炎等。隨著人們年齡增長(zhǎng)、生活方式改變以及運(yùn)動(dòng)量減少，膝關(guān)節(jié)疾病越來越常見。據(jù)最新統(tǒng)計(jì)，膝關(guān)節(jié)疾病在全球范圍內(nèi)非常普遍，幾乎每個(gè)國(guó)家和地區(qū)都有很高的患病率，其中發(fā)達(dá)國(guó)家的膝關(guān)節(jié)疾病患病率相對(duì)較高。中國(guó)也不例外，我國(guó)膝關(guān)節(jié)疾病患者數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了數(shù)千萬[1]。值得注意的是，膝關(guān)節(jié)疾病目前呈現(xiàn)低齡化趨勢(shì)[1-2]，越來越多的年輕人也開始出現(xiàn)這類疾病的相關(guān)癥狀。此外，女性比男性更容易患上膝關(guān)節(jié)疾病，可能與女性的骨骼結(jié)構(gòu)和生理特點(diǎn)有關(guān)。

1.2 傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)疾病治療方法的不足

傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)疾病治療方法包括保守治療、藥物治療、手術(shù)治療等。這些方法雖然可以對(duì)膝關(guān)節(jié)疾病達(dá)到一定程度的緩解或治愈，但仍存在許多不足之處。保守治療往往只是暫時(shí)緩解或減輕了疼痛，無法實(shí)現(xiàn)真正意義上的治愈。由于藥物治療的藥物種類繁多，且使用效果和治療時(shí)間不確定，長(zhǎng)期使用可能對(duì)患者身心帶來負(fù)擔(dān)。手術(shù)治療需要醫(yī)生具備高超的手術(shù)技術(shù)，患者則需支付昂貴的醫(yī)療設(shè)備費(fèi)用，還面臨手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)高、術(shù)后恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)等問題，給患者帶來較大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[3]。另外，傳統(tǒng)治療方法通常沒有考慮到患者的個(gè)性化差異，無法為患者提供個(gè)性化的治療方案。通過近年來的探索和發(fā)展，一些新型治療方式已經(jīng)出現(xiàn)，如干細(xì)胞治療、注射療法、微創(chuàng)手術(shù)等，這些治療方法具有相對(duì)較小的副作用和更好的治療效果，同時(shí)也更能滿足患者需求。此外，大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用使得醫(yī)生可以為患者制定個(gè)性化的治療方案，從而提高治療效果，更好地服務(wù)患者。

1.3 機(jī)器人輔助膝關(guān)節(jié)治療的背景和意義

機(jī)器人輔助手術(shù)是一種新興的膝關(guān)節(jié)疾病治療方式，將機(jī)器人手術(shù)技術(shù)與傳統(tǒng)物理治療相結(jié)合，可以對(duì)膝關(guān)節(jié)疾病進(jìn)行更為精準(zhǔn)和高效的治療?，F(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)和工程技術(shù)的迅速發(fā)展，使得機(jī)器人手術(shù)技術(shù)不斷得到應(yīng)用和提高。隨著老齡化社會(huì)的到來，膝關(guān)節(jié)疾病已成為高發(fā)病種之一，傳統(tǒng)治療方法難以滿足患者需求，因此機(jī)器人輔助膝關(guān)節(jié)治療應(yīng)運(yùn)而生。使用機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)對(duì)膝關(guān)節(jié)疾病進(jìn)行治療有很重要的醫(yī)學(xué)突破和意義[4]。一項(xiàng)研究納入150例患者進(jìn)行觀察，結(jié)果顯示機(jī)器人輔助手術(shù)組的手術(shù)失誤率明顯降低，證明了機(jī)器人輔助全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)較傳統(tǒng)手術(shù)擁有更高的精確度。

2 RUKA操作流程

隨著現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人輔助手術(shù)已經(jīng)成為一種最新的、具有廣泛應(yīng)用前景的手術(shù)方法。近年來，RUKA成為股骨與脛骨接頭一側(cè)受損的高位膝骨一側(cè)實(shí)施單髁置換的主要外科手段，該術(shù)式適用于患有局限性關(guān)節(jié)炎或關(guān)節(jié)損傷，并且只有一個(gè)髁面受到明顯損傷的中老年患者。它可以通過利用新興機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)精準(zhǔn)、安全、高效的手術(shù)操作。RUKA的基本原理是通過先進(jìn)的機(jī)器人手術(shù)技術(shù)，配合高度精確的計(jì)算、定位及操作，完成對(duì)膝關(guān)節(jié)中受損一側(cè)髁部的完整置換。手術(shù)過程包括手術(shù)前期計(jì)劃、機(jī)器人引導(dǎo)下開刀、髁部切割、假體安置以及術(shù)后康復(fù)等。

2.1 術(shù)前計(jì)劃

RUKA手術(shù)前期會(huì)進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)劃和準(zhǔn)備。醫(yī)生可以通過三維重建技術(shù)獲取患者膝關(guān)節(jié)的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，包括骨骼結(jié)構(gòu)、軟組織情況等，然后結(jié)合患者的具體癥狀及身體特征，制定最合適的手術(shù)方案。具體來說，三維重建技術(shù)可以提供患者單側(cè)髁部置換的具體位置、大小以及植入的假體型號(hào)等相關(guān)信息[5]，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度計(jì)算和分析，醫(yī)生能夠更加容易的制定出最優(yōu)化的手術(shù)方案。在此基礎(chǔ)上，醫(yī)生還會(huì)根據(jù)手術(shù)要求和患者需求，制定出具有針對(duì)性和可操作性的手術(shù)方案。通過這樣一系列的計(jì)劃和準(zhǔn)備，RUKA可以實(shí)現(xiàn)更加精確和安全的手術(shù)操作。這有助于提高手術(shù)結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也能提升患者的手術(shù)體驗(yàn)和術(shù)后康復(fù)效果。

2.2 機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)引導(dǎo)下開刀

RUKA需要在機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的引導(dǎo)下進(jìn)行。機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)使得醫(yī)生的操作更加科學(xué)、準(zhǔn)確、規(guī)范，從而避免因人為因素而引發(fā)的錯(cuò)誤。在整個(gè)手術(shù)過程中，醫(yī)生只需按照機(jī)器人系統(tǒng)中設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)會(huì)提供實(shí)時(shí)的導(dǎo)航和引導(dǎo)，幫助醫(yī)生確保手術(shù)的精準(zhǔn)性和安全性。操作人員可以利用先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)手術(shù)操作過程的自動(dòng)化掌控，從而確保膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)的成功進(jìn)行。通過機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的輔助，醫(yī)生可以獲得更高的手術(shù)精度和可重復(fù)性，同時(shí)縮短手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中創(chuàng)傷。機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)可以通過實(shí)時(shí)圖像處理和跟蹤，提供精準(zhǔn)的導(dǎo)航和定位功能，幫助醫(yī)生在手術(shù)中進(jìn)行準(zhǔn)確的骨骼重建和假體定位，這有助于提高手術(shù)結(jié)果的預(yù)測(cè)性和持久性，減少手術(shù)并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。RUKA通過引導(dǎo)和輔助醫(yī)生的操作，實(shí)現(xiàn)了手術(shù)過程的科學(xué)化、精準(zhǔn)化、規(guī)范化，進(jìn)一步提升膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)的質(zhì)量和安全水平，為患者帶來更好的術(shù)后效果和生活質(zhì)量。

2.3 髁部切割

RUKA中使用針或齒鋸等工具進(jìn)行髁部切除的操作由機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)完成。相比傳統(tǒng)的手術(shù)方式，機(jī)器人輔助手術(shù)可以大大縮短手術(shù)時(shí)間，降低手術(shù)的難度。通過機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的精確導(dǎo)航和引導(dǎo)，針或齒鋸等工具可以在機(jī)器人的協(xié)助下更加精細(xì)地進(jìn)行髁部切除。機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)圖像處理和跟蹤功能，可以確保工具的位置和角度準(zhǔn)確無誤，有助于減少手術(shù)過程中的誤差和風(fēng)險(xiǎn)。使用機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行髁部切除還可以減少術(shù)中對(duì)周圍組織的損傷，降低血管、神經(jīng)等重要結(jié)構(gòu)受損的風(fēng)險(xiǎn)[6]。精確的切割可以最大限度地保留健康的組織，減少后續(xù)治療的難度和風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 假體安置

RUKA中，把大小恰當(dāng)?shù)募袤w安裝到準(zhǔn)確位置是非常關(guān)鍵的步驟。在手術(shù)過程中，機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)通過先進(jìn)的圖像處理和導(dǎo)航技術(shù)對(duì)患者的骨骼結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的三維重建和分析，醫(yī)生可以根據(jù)患者的具體情況選擇大小和形狀適當(dāng)?shù)募袤w安裝到骨質(zhì)袋中。在機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)引導(dǎo)下可以精確控制手術(shù)工具的位置、角度和深度，確保假體與周圍結(jié)構(gòu)緊密貼合，實(shí)現(xiàn)有效且穩(wěn)定的安裝，避免假體的損壞或松動(dòng)，提高了手術(shù)的成功率和持久性。與傳統(tǒng)手術(shù)相比，機(jī)器人輔助手術(shù)在技術(shù)精度和穩(wěn)定性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。精準(zhǔn)的假體安裝可以提供更好的術(shù)后功能和持久性，降低假體松動(dòng)或脫位的風(fēng)險(xiǎn)，從而對(duì)患者的治療效果和術(shù)后生活質(zhì)量產(chǎn)生積極影響。因此，RUKA通過精確引導(dǎo)和穩(wěn)定操作，將大小恰當(dāng)?shù)募袤w安裝到骨質(zhì)袋中，并確保其有效和穩(wěn)定適配，使得手術(shù)的成功率更高，同時(shí)也滿足了患者對(duì)手術(shù)的期望。

2.5 術(shù)后康復(fù)

術(shù)后康復(fù)訓(xùn)練旨在恢復(fù)患者的關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍、力量和穩(wěn)定性，包括早期的主動(dòng)和被動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、肌力鍛煉、平衡訓(xùn)練等?？祻?fù)師會(huì)根據(jù)患者情況，制定個(gè)體化的康復(fù)計(jì)劃，并逐步增加訓(xùn)練強(qiáng)度和難度，以提高患者的運(yùn)動(dòng)功能水平。物理治療可以通過各種手段促進(jìn)傷口愈合，減輕疼痛和腫脹等術(shù)后不適，促進(jìn)局部血液循環(huán)，加快康復(fù)進(jìn)程。常見的物理治療方法包括熱療、冷敷、電療、超聲波等。根據(jù)患者術(shù)后的疼痛、炎癥情況，醫(yī)生可以給予鎮(zhèn)痛劑、非甾體抗炎藥等相應(yīng)藥物進(jìn)行治療，以控制疼痛、減輕炎癥反應(yīng)。術(shù)后恢復(fù)治療和康復(fù)訓(xùn)練是RUKA的重要組成部分，通過制定個(gè)性化的物理治療、藥物治療和康復(fù)訓(xùn)練等術(shù)后治療方案，可以幫助患者消除手術(shù)的不良反應(yīng)，促進(jìn)患者功能恢復(fù)[7]?；颊咭残枰e極配合醫(yī)生和康復(fù)師的指導(dǎo)，進(jìn)行有效的康復(fù)訓(xùn)練和治療，以確保手術(shù)效果。

3 RUKA對(duì)坐起時(shí)膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的影響

3.1 坐起動(dòng)作過程及膝關(guān)節(jié)在其中的生物力學(xué)表現(xiàn)

坐起是人類日常生活中經(jīng)常進(jìn)行的動(dòng)作之一，它是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)作，涉及到多個(gè)肌肉群和關(guān)節(jié)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)。坐起動(dòng)作的一般過程如下。①體位：開始時(shí)人體處于仰臥位，腿部伸直，雙手伸向身體兩側(cè)。②屈曲：將膝關(guān)節(jié)屈曲，將腳尖移向臀部方向，同時(shí)將上半身前傾并且用力壓低胸腹部，這些動(dòng)作使得腰部、臀部和大腿等肌肉張力增加。此時(shí)，膝關(guān)節(jié)屈曲角度減小，產(chǎn)生了屈曲力矩，由于肌肉的收縮產(chǎn)生的反作用力使得關(guān)節(jié)維持在穩(wěn)定狀態(tài)[8]。③助推：在大腿肌肉的幫助下，部分身體向前沖出，產(chǎn)生向前的動(dòng)量，同時(shí)上半身也通過腰部準(zhǔn)備開始坐起。④伸長(zhǎng)：在保持上述動(dòng)量的情況下，上半身向上伸展，直到坐直，此時(shí)膝關(guān)節(jié)被進(jìn)一步屈曲，膝關(guān)節(jié)前翻，產(chǎn)生了更大的屈曲力矩。⑤保持：坐起后，將雙腳貼緊地面以維持平衡。

在坐起的過程中，膝關(guān)節(jié)是非常重要的關(guān)節(jié)之一，它主要承受沖擊和壓力。當(dāng)膝關(guān)節(jié)屈曲時(shí)，臀部和大腿肌群的收縮使得屈曲力矩增加并使關(guān)節(jié)受到一定壓力。同時(shí)，當(dāng)上半身開始向前沖出時(shí)，大腿肌肉繼續(xù)收縮使得坐起動(dòng)作更加順暢。在坐起完成后，膝關(guān)節(jié)會(huì)被進(jìn)一步屈曲，在減小關(guān)節(jié)壓力的同時(shí)也保證了身體的穩(wěn)定性。

3.2 RUKA對(duì)膝關(guān)節(jié)的影響

相比傳統(tǒng)的手術(shù)方式，RUKA可以更加準(zhǔn)確地定位和安裝假體，同時(shí)也可以通過生物力學(xué)模型幫助醫(yī)生制定更優(yōu)化的手術(shù)方案，對(duì)醫(yī)生實(shí)施手術(shù)和患者康復(fù)都有一定的積極影響。

在膝關(guān)節(jié)負(fù)荷分布方面，RUKA使用先進(jìn)的3D成像技術(shù)和運(yùn)動(dòng)分析算法，可以更加精確地測(cè)量出患者的骨骼結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)范圍，從而為手術(shù)提供可靠的數(shù)據(jù)指導(dǎo)?；谶@些數(shù)據(jù)，機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)可以利用生物力學(xué)模型來制定針對(duì)化的手術(shù)方案，使得假體更加精準(zhǔn)地適配患者的膝關(guān)節(jié)，達(dá)到更好的穩(wěn)定性，從而有助于均勻分布膝關(guān)節(jié)負(fù)荷，避免局部過度磨損和損傷[9-10]。

在術(shù)后運(yùn)動(dòng)范圍方面，RUKA的優(yōu)點(diǎn)之一就是能夠準(zhǔn)確地確定假體的位置和角度，從而使患者在術(shù)后盡快恢復(fù)正常運(yùn)動(dòng)范圍。機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)利用三維建模和運(yùn)動(dòng)分析技術(shù)，能夠更加精細(xì)地規(guī)劃手術(shù)方案，并在手術(shù)過程中實(shí)時(shí)調(diào)整假體位置和角度，從而最大程度地恢復(fù)患者的生理功能。值得一提的是，機(jī)器人輔助手術(shù)不僅能夠降低手術(shù)難度和操作風(fēng)險(xiǎn)，還能夠顯著縮短手術(shù)時(shí)間和患者的住院時(shí)間，從而大大提高手術(shù)效率和治療效果。

4 結(jié)語

RUKA作為一種先進(jìn)的手術(shù)技術(shù)，具有操作準(zhǔn)確性高、手術(shù)創(chuàng)傷小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)相關(guān)疾病的治療中。本文聚焦于該術(shù)式對(duì)坐起動(dòng)作時(shí)膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的影響進(jìn)行研究，隨著人們對(duì)手術(shù)效果、治療質(zhì)量和患者體驗(yàn)的重視，未來的研究應(yīng)更加注重定量化評(píng)估，在更大樣本、更廣范圍、更多方面開展深入探究，以期揭示RUKA對(duì)膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的影響，并協(xié)助醫(yī)療從業(yè)者為患者提供更為有利的治療方案。

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