手術(shù)機(jī)器人在創(chuàng)傷骨科的應(yīng)用進(jìn)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(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院護(hù)理部,上海 200127;2.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院創(chuàng)傷骨科,上海 200127)

21世紀(jì)以來,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和手術(shù)機(jī)器人使用成本的降低,以達(dá)芬奇為代表的手術(shù)機(jī)器人已被廣泛應(yīng)用于普外科、胸外科、泌尿外科、婦產(chǎn)科等外科手術(shù)中,其穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)也獲得了越來越多外科醫(yī)生的認(rèn)可[1]。與腔鏡手術(shù)機(jī)器人不同,骨科手術(shù)機(jī)器人以輔助定位為主,旨在降低手術(shù)創(chuàng)傷、增加手術(shù)精確性,其目前已在關(guān)節(jié)置換、椎弓根螺釘置入以及骨折內(nèi)固定等手術(shù)中投入應(yīng)用。創(chuàng)傷骨科手術(shù)變化大、骨折類型多樣,因此手術(shù)機(jī)器人的應(yīng)用相對較少,本文就骨科手術(shù)機(jī)器人及其在創(chuàng)傷骨科中的研究和應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 骨科機(jī)器人概述

骨科機(jī)器人主要由負(fù)責(zé)手術(shù)控制的主機(jī)、負(fù)責(zé)導(dǎo)航的跟蹤系統(tǒng)、負(fù)責(zé)執(zhí)行操作的機(jī)械臂以及其他一些輔助套件構(gòu)成。手術(shù)時主機(jī)根據(jù)術(shù)前或術(shù)中獲得的圖像資料,在導(dǎo)航系統(tǒng)的定位輔助下指導(dǎo)機(jī)械臂完成相應(yīng)操作[2]。

機(jī)器人主機(jī)的控制系統(tǒng)相當(dāng)于機(jī)器人的大腦,是整個機(jī)器人系統(tǒng)的核心,圖像處理、手術(shù)規(guī)劃、機(jī)械臂控制都由其負(fù)責(zé)。這些模塊主要依靠各個機(jī)器人公司研發(fā)的算法軟件,確保系統(tǒng)準(zhǔn)確、穩(wěn)定的運(yùn)行,觸覺反饋、深度學(xué)習(xí)等最新技術(shù)的應(yīng)用使其功能不斷完善[3-4]。同時與手術(shù)醫(yī)生的交互性也是軟件設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)之一[5],更好的交互性意味著更短的學(xué)習(xí)曲線。

導(dǎo)航系統(tǒng)同樣是骨科機(jī)器人的核心技術(shù),相當(dāng)于機(jī)器人的眼睛。該系統(tǒng)把圖像資料與患者的實(shí)際體位及機(jī)械臂的實(shí)時位置統(tǒng)一在一個坐標(biāo)系下,通過對機(jī)械臂的位置進(jìn)行實(shí)時采集和顯示,手術(shù)醫(yī)生可以觀察機(jī)械臂與病變部位的相對位置關(guān)系,從而在機(jī)器人輔助下進(jìn)行精確的操作。其中基于CT的導(dǎo)航最早出現(xiàn),需要術(shù)前采集手術(shù)部位的CT影像,與患者術(shù)中的解剖標(biāo)志進(jìn)行匹配,但由于CT數(shù)據(jù)來源于術(shù)前,會導(dǎo)致術(shù)前圖像與術(shù)中實(shí)時圖像之間的配準(zhǔn)產(chǎn)生一定誤差[6]。隨著移動式C型臂的出現(xiàn),2D、3D透視導(dǎo)航成為主流,其可以術(shù)中實(shí)時采集圖像與手術(shù)對象進(jìn)行匹配。無圖像導(dǎo)航則無需依賴術(shù)前或者術(shù)中透視圖像,通過末端定位裝置(如取點(diǎn)器)確定解剖標(biāo)記點(diǎn),直接對其進(jìn)行術(shù)中數(shù)字化顯示,并且可以與傳統(tǒng)的2D、3D、CT導(dǎo)航混合使用[7]。近年來也出現(xiàn)了基于深度相機(jī)的無參考系導(dǎo)航以及基于機(jī)器視覺連續(xù)追蹤的計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)[8],在進(jìn)一步提高導(dǎo)航精確度的同時,降低了術(shù)中透視輻射。除此之外,電磁導(dǎo)航及超聲導(dǎo)航雖然具有無輻射的優(yōu)勢,但兩者受環(huán)境影響較大,尚未得到廣泛應(yīng)用[9-10]。

骨科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)根據(jù)外科醫(yī)生對機(jī)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(jī)器人通過外科醫(yī)生連續(xù)不斷的控制來實(shí)現(xiàn)操作,沒有反饋回路,如用于脊柱或創(chuàng)傷手術(shù)內(nèi)固定定位的機(jī)器人;主動型機(jī)器人是在外科醫(yī)生的監(jiān)督下通過術(shù)前制定的方案自主完成一些手術(shù)步驟,如用于膝髖關(guān)節(jié)置換的Robodoc、Caspar等,但由于其存在一定的安全隱患,目前已經(jīng)逐漸被半主動型機(jī)器人替代;半主動型機(jī)器人是在外科醫(yī)生的約束下,完成預(yù)先制定的手術(shù)方案,其具有觸覺反饋回路,使機(jī)器人能夠?qū)崟r地與外科醫(yī)生進(jìn)行溝通,以增強(qiáng)安全性,如關(guān)節(jié)外科的Mako、脊柱外科的Mazor等[12]。

骨科手術(shù)機(jī)器人按手術(shù)類型分為脊柱外科、關(guān)節(jié)外科和創(chuàng)傷骨科手術(shù)機(jī)器人。脊柱外科機(jī)器人如Spine Assist、Mazor等主要負(fù)責(zé)輔助術(shù)中椎弓根螺釘?shù)闹萌?關(guān)節(jié)外科機(jī)器人如Mako、Acrobot等則可以在膝髖關(guān)節(jié)置換中輔助手術(shù)醫(yī)生完成精準(zhǔn)的截骨及假體的置入;而創(chuàng)傷骨科機(jī)器人的發(fā)展相對較慢,可以分為復(fù)位機(jī)器人和固定機(jī)器人。

2 復(fù)位機(jī)器人

骨折的手術(shù)治療主要分為復(fù)位和固定兩大步驟,良好的復(fù)位是骨折內(nèi)固定的前提條件,也是創(chuàng)傷骨科手術(shù)最關(guān)鍵的一步。骨折復(fù)位機(jī)器人可以通過計(jì)算對骨折進(jìn)行精確復(fù)位,避免骨折斷端間出現(xiàn)短縮、成角、旋轉(zhuǎn)等復(fù)位不良的情況,改善骨折的預(yù)后。由于骨折的部位和類型紛繁復(fù)雜,因此骨折復(fù)位機(jī)器人的研發(fā)難度較大,但目前也已取得了一定的進(jìn)展。

復(fù)位機(jī)器人從結(jié)構(gòu)上主要分為串聯(lián)復(fù)位機(jī)器人、并聯(lián)復(fù)位機(jī)器人及串并聯(lián)聯(lián)合復(fù)位機(jī)器人三大類。串聯(lián)復(fù)位機(jī)器人主要基于工業(yè)化機(jī)器人改造而來,由串聯(lián)連接的機(jī)械臂操控骨折斷端。2004年Füchtmeier等[13]在工業(yè)機(jī)器人Staubli RX 130的基礎(chǔ)上研發(fā)了骨折復(fù)位機(jī)器人RepoRobo,并應(yīng)用該機(jī)器人對模型骨進(jìn)行骨折復(fù)位。此后,Oszwald等[14]應(yīng)用Staubli RX 90作為復(fù)位機(jī)器人在尸體上進(jìn)行股骨干骨折的復(fù)位,并與人工復(fù)位的情況進(jìn)行對比,結(jié)果發(fā)現(xiàn)機(jī)器人復(fù)位組在旋轉(zhuǎn)畸形和內(nèi)外翻畸形方面均優(yōu)于人工復(fù)位組,但機(jī)器人復(fù)位組的耗時明顯長于人工組。串聯(lián)復(fù)位機(jī)器人的主要優(yōu)勢在于其活動度和靈活性,但同時其體積龐大,復(fù)位操作過程中容易和其他器械發(fā)生碰撞。此外,由于機(jī)械臂是串聯(lián)連接,因此其末端精確度和承載負(fù)荷相對較差。Kim等[15]提出將串聯(lián)復(fù)位機(jī)器人與持續(xù)牽引相結(jié)合,兩者通過電腦程序協(xié)同作用,可以提高復(fù)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(lián)復(fù)位機(jī)器人的基礎(chǔ)是Stewart平臺,該平臺主要由6根并聯(lián)排列的可伸縮連接桿連接上下2個平面,通過調(diào)整連接桿的長度可以實(shí)現(xiàn)2個平面6個自由度的精確運(yùn)動控制。唐佩福團(tuán)隊(duì)[16-17]在Stewart平臺的基礎(chǔ)上加入了定位標(biāo)記球結(jié)構(gòu),結(jié)合CT三維重建圖像以健側(cè)骨為參考進(jìn)行復(fù)位,完成了牛離體股骨干骨折的復(fù)位實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示最終復(fù)位的軸向移位平均誤差為1.23 mm,側(cè)方移位平均誤差為1.04 mm,側(cè)方成角平均誤差為2.34 °,旋轉(zhuǎn)誤差為2.83 °,復(fù)位結(jié)果滿足臨床應(yīng)用要求。并聯(lián)復(fù)位機(jī)器人具有精確度高、扭矩大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),但其應(yīng)用需要綜合性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局,研發(fā)難度較大。此外,并聯(lián)復(fù)位機(jī)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(jìn)行適當(dāng)?shù)臓恳?之后再應(yīng)用機(jī)器人進(jìn)行復(fù)位。

串并聯(lián)聯(lián)合機(jī)器人結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)機(jī)器人各自的優(yōu)勢,Dagnino等[18]將Stewart平臺連接在串聯(lián)機(jī)器人機(jī)械臂上,對豬股骨骨折進(jìn)行復(fù)位,結(jié)果顯示該復(fù)位系統(tǒng)的平均移位誤差僅為0.09 mm,旋轉(zhuǎn)誤差僅為0.15 °。后續(xù)研究中,他們將該系統(tǒng)應(yīng)用于股骨遠(yuǎn)端骨折復(fù)位中,并成功對9具尸體股骨標(biāo)本中的7具進(jìn)行了復(fù)位[19],他們認(rèn)為該系統(tǒng)可以應(yīng)用于關(guān)節(jié)內(nèi)骨折的復(fù)位。但目前長骨骨干骨折的復(fù)位機(jī)器人相關(guān)研究尚局限于體外模型骨或尸體骨,尚未投入臨床應(yīng)用中。

在更為復(fù)雜的骨盆骨折復(fù)位方面,趙春鵬等研發(fā)了骨盆骨折機(jī)器人輔助復(fù)位系統(tǒng)[20],該系統(tǒng)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(jù)健側(cè)影像由計(jì)算機(jī)計(jì)算出復(fù)位路徑并進(jìn)行復(fù)位,并且可以在屏幕上實(shí)時呈現(xiàn)復(fù)位情況。在完成了對模型骨的復(fù)位驗(yàn)證后,該復(fù)位系統(tǒng)被應(yīng)用于臨床研究中,共納入22例不穩(wěn)定骨盆骨折,術(shù)前規(guī)劃與最終復(fù)位結(jié)果差異為(3.41±1.83) mm,復(fù)位后殘留移位為(4.61±3.29) mm,復(fù)位優(yōu)良率達(dá)到95.5%[21]。該研究首次將復(fù)位機(jī)器人應(yīng)用于臨床病例中,并驗(yàn)證其安全性和有效性,為骨折復(fù)位機(jī)器人的臨床應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

在實(shí)際臨床應(yīng)用中,復(fù)位機(jī)器人如何應(yīng)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(fù)位過程造成影響,仍需要進(jìn)一步研究解決。此外,復(fù)位機(jī)器人需要與骨折斷端連接才能進(jìn)行復(fù)位操作,現(xiàn)階段大部分連接方式需要在骨塊上產(chǎn)生額外的切口才能置入操作桿操縱骨塊復(fù)位,而牽引靴、氣囊等雖然無創(chuàng),但把持力并不可靠,不利于復(fù)位機(jī)器人的操控。如何尋找一種創(chuàng)傷小且固定可靠的連接方式是復(fù)位機(jī)器人需要解決的另一個難點(diǎn)[7]。

3 固定機(jī)器人

固定機(jī)器人在創(chuàng)傷骨科中的應(yīng)用主要利用其精確定位的特點(diǎn),在術(shù)中為手術(shù)醫(yī)生確定內(nèi)固定置入的方向。國外有關(guān)固定機(jī)器人在創(chuàng)傷骨科中的應(yīng)用報道較少,僅一篇在尸體上輔助定位股骨髓內(nèi)釘進(jìn)針點(diǎn)的研究[22],而國內(nèi)自2015年天璣骨科機(jī)器人投入臨床應(yīng)用以來,其作為固定機(jī)器人已在創(chuàng)傷骨科的各類手術(shù)中投入使用[23]。天璣骨科手術(shù)機(jī)器人是基于術(shù)中實(shí)時三維圖像的通用型骨科機(jī)器人,它可以規(guī)劃手術(shù)器械的空間定位,通過機(jī)械臂的運(yùn)動使手術(shù)器械置入相應(yīng)的解剖部位,具有安全性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性的特點(diǎn)。通過實(shí)時監(jiān)測,它還可以自我修正路徑,保證規(guī)劃路徑與手術(shù)路徑一致,為術(shù)中內(nèi)植物植入路徑提供定位輔助,其精確度可達(dá)毫米級(誤差<0.8 mm)[24]。

不穩(wěn)定的骨盆骨折需要手術(shù)固定治療,傳統(tǒng)切開復(fù)位內(nèi)固定手術(shù)存在創(chuàng)傷大、出血多等弊端,經(jīng)皮微創(chuàng)治療可以在較小創(chuàng)傷的同時對骨盆環(huán)進(jìn)行相對可靠的固定。但由于骨盆形態(tài)不規(guī)則且骨盆周圍有著豐富的神經(jīng)血管走形,此類螺釘切出率較高,并可導(dǎo)致神經(jīng)、血管損傷等嚴(yán)重并發(fā)癥[25],因此傳統(tǒng)的骨盆骨折微創(chuàng)術(shù)中往往需要大量透視以確保螺釘置入的準(zhǔn)確性和安全性,同時十分依賴手術(shù)醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)。而骨科機(jī)器人精確定位的特點(diǎn)使其成為了骨盆骨折微創(chuàng)手術(shù)中的一把利器。Long等[26]應(yīng)用天璣機(jī)器人輔助骨盆骨折骶髂螺釘?shù)闹萌?并與傳統(tǒng)的徒手置釘進(jìn)行比較,其中機(jī)器人輔助組置入66枚螺釘,傳統(tǒng)手術(shù)組置入43枚螺釘。結(jié)果顯示機(jī)器人輔助組在透視次數(shù)、手術(shù)時間、手術(shù)切口方面均優(yōu)于傳統(tǒng)手術(shù)組,兩組在骨折愈合時間及功能評分方面差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。趙春鵬等[27]應(yīng)用天璣機(jī)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(shù)后CT證實(shí)所有螺釘均位于安全通道內(nèi),無一例患者發(fā)生機(jī)器人手術(shù)相關(guān)并發(fā)癥,術(shù)后功能評分優(yōu)良率為86.2%。以上研究表明,天璣骨科機(jī)器人應(yīng)用于骨盆骨折微創(chuàng)手術(shù)中,可以減少透視次數(shù)、縮短手術(shù)時間、降低手術(shù)創(chuàng)傷,同時確保手術(shù)的安全性和準(zhǔn)確性。

空心釘內(nèi)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(zhì)降低內(nèi)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(jī)器人的使用則可以顯著降低這類風(fēng)險。Al-Naseem等[28]查找了機(jī)器人輔助與徒手置釘治療股骨頸骨折的對比研究并進(jìn)行了薈萃分析,最終共納入7項(xiàng)研究506例患者,所有研究均來自中國,并均使用天璣骨科機(jī)器人。結(jié)果表明機(jī)器人輔助組透視次數(shù)更少、術(shù)中穿刺次數(shù)更少、術(shù)中出血量更少,同時術(shù)后功能評分、螺釘準(zhǔn)確性、骨折愈合率、并發(fā)癥發(fā)生率也均優(yōu)于徒手置釘組。

此外,骨科機(jī)器人也被應(yīng)用于輔助股骨轉(zhuǎn)子間骨折髓內(nèi)釘主釘置釘[29]以及手舟骨骨折的螺釘內(nèi)固定術(shù)[30]等,均取得了滿意的療效。綜上,骨科機(jī)器人在四肢骨折的內(nèi)固定手術(shù)中,可以起到精準(zhǔn)導(dǎo)航的作用,尤其是針對骶髂螺釘、股骨頸螺釘置釘?shù)仁中g(shù),可以有效減少術(shù)中透視次數(shù),并提高螺釘置入的準(zhǔn)確性。但是,考慮到骨科機(jī)器人昂貴的價格,骨科機(jī)器人在創(chuàng)傷骨科手術(shù)實(shí)際臨床應(yīng)用中的成本效益仍有待進(jìn)一步評估[31]。此外,現(xiàn)有的骨科機(jī)器人主要應(yīng)用于無移位或有輕度移位骨折的微創(chuàng)治療,適應(yīng)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(jī)對照的高質(zhì)量臨床研究進(jìn)行更深入的評價[32]。

由于骨折的部位和形態(tài)各不相同,手術(shù)機(jī)器人在創(chuàng)傷骨科的發(fā)展相對較慢。在復(fù)位機(jī)器人方面,骨盆骨折機(jī)器人輔助復(fù)位系統(tǒng)已成功在臨床研究中得到驗(yàn)證,但在長骨骨干機(jī)器人輔助復(fù)位的研究中,目前尚沒有可以投入臨床使用的機(jī)器人。在固定機(jī)器人方面,天璣機(jī)器人等已經(jīng)逐步在骨折內(nèi)固定手術(shù)中開展應(yīng)用,其應(yīng)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(shù)的發(fā)展,手術(shù)機(jī)器人將被更廣泛地應(yīng)用于骨折的復(fù)位和固定中,為患者提供更精確、微創(chuàng)的治療。