骨盆复位机器人试验研究*

徐九峰韩巍王军强林鸿王彬彬冯云

（1.北京市延庆县医院骨科，北京102100；2.北京积水潭医院创伤骨科，北京100035；3.北京医疗机器人工程实验室，北京100192；4.北京航空航天大学生物与医学工程学院，北京100191；5.北京天智航医疗科技股份有限公司，北京100192）

骨盆复位机器人试验研究*

徐九峰1韩巍2**王军强2林鸿3王彬彬4冯云5

（1.北京市延庆县医院骨科，北京102100；2.北京积水潭医院创伤骨科，北京100035；3.北京医疗机器人工程实验室，北京100192；4.北京航空航天大学生物与医学工程学院，北京100191；5.北京天智航医疗科技股份有限公司，北京100192）

背景：大多数骨盆骨折伴有骨盆环移位，需要进行复位操作。手法复位存在复位次数多和复位不良的问题；手术导航系统指导医师进行骨折复位操作仅能为医师指示复位状态，而不能实现对复位的精细调整。

目的：应用骨盆复位机器人进行骨盆模型复位试验研究，对复位效果进行统计学分析和评估，为骨盆复位技术研究提供临床试验依据。

方法：由创伤骨科实习医师和创伤骨科主任医师各完成10次骨盆模型复位操作。试验过程中记录复位操作过程中的照相次数；复位完成后分别测量骶髂关节间隙、骶髂关节上下移位、骶髂关节前后移位、耻骨联合间隙、耻骨联合上下移位、耻骨联合前后移位。所得数据均采用独立样本t检验进行分析，P＜0.05为有统计学差异。

结果：两组的复位效果均达到骨盆骨折理想复位的要求，且两组间的复位效果数据和照相次数均无统计学差异（P＜0.05）。

结论：本研究的模型骨试验实现了耻骨联合分离合并骶髂关节脱位的准确复位，初步验证了骨盆复位机器人的精度和可用性。骨盆复位机器人辅助手术具有对操作者的手术经验要求少，X线暴露时间短的特点。

骨盆；机器人；治疗；计算机辅助

Background:ound:Most pelvic fractures associatew ith pelvic ring displacementwhich needsmanualmanipulation.Manualmanipulationmay take several tries and the reductionmay be unsatisfactory.Computerassisted navigation can guide surgeon's manipulation,however,itonly indicates reduction statusand cannotachieve fineadjustment.

Objective:tive:To develop pelvic reduction onmodel bones by using reduction robot,and to evaluate statistically the results of the reduction in order to provide experimental supports for clinic.

Methods:hods:Experiments in this study were conducted by an intern or a chief physician on trauma surgery.Each doctor completed pelvic reduction ofmodelbone for 10 times.The frequency of X-ray fluoroscopy during the experimentwas recorded.The sacroiliac joint gap,inferior and superior disp lacement of the sacroiliac joint,anterior and posterior displacementof the sacroiliac joint,pubic symphysis gap,inferior and superior displacement of the pubic symphysis,anterior and posterior displacementof the pubic symphysisweremeasured after reduction.The bilateral t testwas implemented to all the parameters.When Pvaluewere less than 0.05,the testwas considered to have statisticalsignificance.

Results:ults:Satisfactory reduction was achieved in all the experimentsand there were no significant differences in the frequency of X-ray fluoroscopy or reduction parametersbetween two operators.

Conclusions:ions:Experimentsdeveloped on themodelbone in thisstudy achieve thegoal to complete accurate reduction on pubic symphysis separation w ith sacroiliac joint dislocation.The accuracy and usability of the reduction robot are prelim inarily validated.The operation requires less surgical experiences.Furthermore,intraoperative X-ray radiation and operation timeare significantly reduced.

骨盆骨折是一种严重损伤，多由高能外伤所导 致，占全身骨折的1%～3%，因其多伴有合并症和多发

伤，致残率高达50%～60%，致死率可达13%以上[1-3]。大多数骨盆骨折伴有骨盆环移位，治疗时需要进行复位操作。临床上多采用手法复位法对骨盆进行复位，要求复位时持续用力但又不能用力过猛，以防止造成新的骨折[4,5]，同时医师要多次进行透视检查以了解复位情况直至达到令人满意的复位效果[6]。该方法对医师的依赖程度很高，且对传统的X线片和X线透视的依赖程度很高[7,8]，致使医师和患者的放射线暴露时间较长。此外，该方法需要医师徒手操作且复位过程中依靠目测进行定位[9]，但人类生理结构的限制导致该方法存在稳定性欠缺和精确定位困难等不足，故为得到满意的复位效果需要进行反复的尝试与调整。综上，复位次数多和复位不良是该方法不容忽视的问题。据文献显示，骨盆骨折几乎都涉及骨盆环，畸形愈合发生率为5%[10-12]。复位不良将为患者带来双下肢不等长、疼痛等问题，有时需要进行二次手术来矫正。

目前，临床上多采用手术导航系统指导医师进行骨折复位操作[13]，其可实现术前手术入路的模拟、术中环境下相关手术设备、器械及患者等被跟踪目标相对位置和姿态的实时监测等[14,15]。但整体而言，手术导航系统仅能为医师指示复位状态，不能实现对复位的精细调整且不能辅助医师进行复位操作并抵抗肌肉牵拉力维持复位。

骨折复位操作需要同时满足复位精度高、射线辐射量少和操作时间短等要求[9,16,17]。基于以上需求，本研究在进行骨盆骨折复位时选择主从式六自由度并联骨折复位手术机器人系统，拟通过骨折模型试验验证该系统能否得到满意的复位效果，为骨盆复位提供一个有效的方法。

1 材料与方法

1.1 试验材料

使用骨盆模型骨作为试验对象进行重复操作。骨折模拟骶髂关节脱位和耻骨联合分离，将骨盆模型左右髂骨分别用2根直径5mm固定针与复位机器人左右支架固定，骨盆模型骶髂关节未分离侧固定在平台上（图1）。将照相机连接到显示器上，以模拟术中的X线透视设备，分别从入口位和出口位对手术部位成像。术者手持的操作杆与机器人之间通过微处理器、一个按钮控制器和接口模块相连接（图2）。机器人本体的性能指标是：操作范围50mm，定位精度1.0mm，复位操作力490 N。

图1 复位机器人安装方式

1.2 试验操作

术者背对骨盆模型，助手根据术者要求对骨盆模型进行照相，术者通过显示器观察骨盆模型的形态并控制操纵杆将复位动作信号传至机器人，以控制骨折复位（图2）。

1.3 试验分组

试验由两位术者完成，分别为创伤骨科实习医师（A组）和创伤骨科主任医师（B组）。实习医师具有参观和协助手术的经历，主任医师有六年手术操作的经历，两位术者同时接受1天的培训和练习。每组试验分别由两个术者各完成10次骨盆模型复位操作。

1.4 数据测定

复位操作过程中记录照相次数。复位完成后分别测量骨盆模型的以下数据：骶髂关节间隙（L1）、骶髂关节上下移位（L2）、骶髂关节前后移位（L3）、耻骨联合间隙（L4）、耻骨联合上下移位（L5）、耻骨联合前后移位（L6）。

图2 骨盆模型复位操作

1

1.5 统计学处理

采用SPSS 22.0软件进行统计学分析，所测得数据均采用均数±标准差表示，两组间比较采用独立样本t检验，P＜0.05为有统计学差异。

2 结果

骨盆复位达到以下标准可认为复位满意：骶髂关节上下移位（L2）和前后移位（L3）均≤5mm，耻骨联合上下移位（L5）≤5mm，耻骨联合前后移位（L6）≤10mm[18]。对两组数据进行统计分析的结果如表1所示。复位后骶髂关节的前后和上下移位，耻骨联合的上下和前后移位等指标均达到了理想复位要求。统计检验表明，两组间的复位效果参数L1～L6和照相次数的均值均无明显差异（表1）。

3 讨论

骨盆环的高能量损伤可导致各种类型的骨折损伤移位。耻骨联合或耻骨支损伤可致前环不稳，而骶髂关节、关节囊及韧带的损伤可致后环不稳。由于骨盆是环形结构，单纯固定后环时，骨盆结构呈几何可变体系，受力时不能维持原有结构和形态，因而稳定性差；同时固定前后环时，骨盆形成了闭合环形结构，呈几何不变体系，抗变形维持原来结构的能力明显增强。耻骨联合分离合并骶髂关节脱位或骶骨骨折时，通常在髂嵴或髂前上棘和髂前下棘之间置入固定针，术者借助固定针反复通过提拉、内旋、外旋等动作来闭合耻骨联合，并使骶髂关节或骶骨尽可能实现解剖复位，由于骨盆自身复杂的多维度结构，术者需要凭借经验反复调整复位角度直至满意，这一过程会大幅增加手术时间，很难实现精确的解剖复位，且术者需接受大量X射线。国外有学者基于骨盆CT三维重建模型，对骨盆复位的位移和扭矩进行分析，但并未对临床起到实际的指导作用。鉴于机器人自身的高精度、稳定的刚性结构以及多自由度运动的优势，本研究采用简捷的六自由度并联结构作为主手，用映射的方法控制复位并联机器人从手，对骨盆骨折模型进行复位试验，效果较好。

表1 两组试验数据及统计分析结果（x x±s s）

本研究实现了耻骨联合分离合并骶髂关节脱位的准确复位，初步验证了六自由度并联机构的精度和可用性，但仍存在诸多不足之处：①模型较为简单，无法模拟对抗肌肉等软组织牵拉力量的真实手术情况，关于骨盆复位中所需的操作力和扭矩等数据未进行采集，尚需进一步的试验验证；②模型骨与真实骨在生物力学上仍有差异，可能影响复位效果；③由于并联机构操作范围是50mm，有时出现超出操作范围无法继续沿该方向运动的情况，需要术者重新改变复位路径，增加操作次数，但同时也避免了过度操作，从而增加了系统的安全性。

本研究的创新和特点体现在：①率先使用了六自由度并联机器人进行骨盆骨折复位，能更好地满足复位操作要求；②与导航下机器人辅助骨折复位方法相比，该方法完全依赖术者的目测，故复位精度不如导航软件计算得那么精确，但基本满足临床上骨盆骨折复位标准（骨盆骨折的复位以功能恢复为首要目标，而形态恢复相对次要，当形态恢复涉及耗时复杂的操作时，显然简洁的功能恢复更具有实用性），而且不需要安装导航设备以及术前在软件上对骨折远近端进行分割、规划等复杂耗时的操作；③手术经验很少的实习医师与主任医师所达到的复位效果相当，说明本系统对操作者的手术经验要求少；④本系统主从端的连接方式允许术者远离手术区域，可以减少医师的X射线暴露。

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Pelvic reduction robot:an experimental study*

XU Jiufeng1,HANWei2**,WANG Junqiang2,LIN Hong3,WANG Binbin4,FENG Yun5
(1.Departmentof Orthopedics,Beijing Yanqing County Hospital,Beijing 102100;2.Departmentof Orthopedicsand Traumatology, Jishuitan Hospital,Beijing 100035;3.M edical Robot Engineering Laboratory,Beijing 100192;4.Schoolof Biological Science and MedicalEngineering,Beihang University,Beijing100191;5.TinaviMedicalTechnologiesCompany Lim ited,Beijing100192,China)

ords:Pelvic;Robotics;Therapy;Computer-Assisted

2095-9958（2015）06-0 242-04

10.3969/j.issn.2095-9958.2015.03-011

北京积水潭医院FRCS基金资助；北京市科技计划课题支持（Z131100006413027）

**通信作者：韩巍，E-mail:hanweijst@hotmail.com