骨盆髋臼骨折机器人辅助治疗的研究进展

宋爱华，张娟，林佳明，王铁军*

(1.吉林大学第一医院创伤骨科，吉林 长春 130021；2.三原县人民医院骨一科，陕西 咸阳 713800；3.吉林省肿瘤医院门急诊科，吉林 长春 130012)

骨盆髋臼骨折是一种常见的骨折，主要由暴力或髋关节脱臼引起，通常由前部(耻骨联合和耻骨支)和后部(髂骨翼、骶骨、骶髂关节)的损伤组成[1]。手术治疗骨盆髋臼骨折的目的是恢复骨盆髋臼解剖结构的完整性和稳定性。近年来，手术机器人逐渐应用到骨盆髋臼骨折手术治疗的过程中。手术机器人是目前工业技术水平在医疗器械上集中应用的最成功的代表，是集多项现代高科技手段于一体的综合体[2]，具有高精准度、高稳定性、自动化、智能化等特点。机器人辅助手术可明显提高安全性以及准确性，并且可以加快手术进度，缩短手术时间，从而可以减少手术中的出血量，促进快速康复，缩短患者的住院时间。然而机器人手术存在着明显辐射量增加以及操作细节影响置钉准确性的问题[3]。详细研究进展如下。

1 相关概念

1.1 骨科手术机器人 骨科手术机器人系统包括外科手术计划和控制软件、主机、机械臂、光学跟踪系统、外科手术工具套件和配件[4]。与传统的外科手术相比，骨科手术机器人也是眼、脑、手协调的过程：(1)骨科手术机器人的眼睛是图像采集和识别。带有C型臂系统的锥束计算机断层扫描(CT)可以替代CT建立三维成像系统[5]，在不暴露伤口的情况下为医生提供更完整准确的3D信息，从而更好地为高精度骨科手术服务。(2)骨科手术机器人的大脑是手术设计和注册。机器人主机根据医学图像数据进行手术设计，并分配机器人各部分以实现空间配准，通过人机交互界面，医生也可以根据情况在手术之前或期间进行手术设计。(3)骨科手术机器人之手是工具跟踪和导航。在获得机器人的运动学参数之后，机器人可以将手术工具准确地放置在手术部位上，此过程称为机器人导航。在手术过程中，将机器人模块化单元组合成一个平行框架，使其导航系统能够提供稳定的导航平台[6]。

1.2 骨盆髋臼骨折 骨盆骨折合并髋臼骨折是一种严重的高能量暴力损伤，占全身骨折的3%，死亡率却高达13.4%。近年来，随着交通运输及建筑业的高速发展，骨盆骨折同时合并有髋臼骨折的发病率也在日趋增多[7]。将过去15年的数据与2005年发布的数据进行比较，骨盆髋臼骨折患者平均年龄从38.6岁上升至45.2岁。对于分型，目前临床上最常用的是1992年提出的Tile分型，Tile分型根据骨盆环稳定性将骨盆骨折分为A、B、C三型，后来根据骨盆前环或后环损伤将此分型加以扩展，形成了独立的半骨盆分型[8]。对于手术方法，有髂腹股沟入路、改良Stoppa入路、腹直肌旁入路等多种途径[9]，近年来，随着微创技术的发展和骨通道结构概念的提出，经皮螺钉内固定治疗骨盆髋臼骨折已在临床实践中得到应用。

1.3 骨盆髋臼骨折机器人辅助治疗 骨盆髋臼骨折机器人适用于机器人辅助经皮螺钉固定骨盆和髋臼骨折，通过术前成像，术中实时跟踪和机械臂辅助来执行螺钉位置计划，完成手术。与人工操作相比，机器人辅助治疗骨盆和髋臼骨折具有明显的优势，比如缩短手术时间，提高手术质量，降低术后感染发生率等[10]。但机器人辅助的骨盆髋臼内固定术仅适用于位移较小的骨盆髋臼损伤或闭合有限的切开复位术，例如前环受伤，包括坐骨支断裂和耻骨联合分离；后环受伤，包括骶骨骨折和骶髂关节脱位；髋臼骨折，包括髋臼前柱和后柱；髂骨骨折。

2 发展现状

机器人应用于骨科手术开始于1992年，截至2016年骨科机器人已完成骨科手术2万余台。当前在骨科手术领域中使用的机器人系统主要有三种类型，即半主动型、主动型和被动型[11]。国外骨科手术机器人发展较快，机器人类型更为全面，机器人系统主要包括Acrobot机器人系统、MAKOplasty机器人系统、Robodoc机器人系统、SpineAssist机器人系统等。其中，Robodoc(综合外科手术系统)于1992年推出，旨在通过减少技术错误来改善非骨水泥固定型THA的治疗效果[12]。与国外骨科手术机器人相比，国内骨科手术机器人研发尚处于起步阶段。值得注意的是，北京积水潭医院田伟教授等进行了脊柱导航辅助机器人手术的相关研究，主要研究方向就是脊柱椎弓根螺钉置入的相关评估，由其研发的“天玑”(TiRobot)手术机器人已于2016年底获得国家Ⅲ类医疗器械资格证。TiRobot是在中国自主开发的，是最新的先进骨科机器人系统。该机器人系统采用模块化、小型且通用的设计，在外科手术平台技术上取得了突破[13]。

3 应 用

王满宜团队[14]使用天玑外科手术机器人对12例骨盆和髋臼微创内固定手术患者进行前瞻性病例对照研究。通过对比手术时间、术中透视时间、导针调整次数、螺钉置入位置优良率和不良事件发生率进行统计分析，发现手术机器人组各项指标均优于对照组。刘岩团队[15]发现天玑骨科手术机器人治疗老年骨盆和髋臼骨折时，术中透视次数、出血量、总钻孔次数及并发症发生率均显著少于对照组。Liu等[13]利用TiRobot辅助治疗不稳定的骨盆环骨折，结果显示TiRobot组的手术时间、荧光检查的频率、术中出血和总钻孔次数均少于常规组。陈宏兴团队[16]利用第三代骨科手术机器人TiRobot结合3D打印系统对12例骨盆不稳定型骨折患者行机器人辅助治疗，平均手术时间70 min，平均透视次数16次，手术切口平均2 cm，所有置入螺钉位置精准满意。伤口均一期愈合，未出现医源性血管、神经及脏器损伤，无骨折延迟愈合或畸形愈合。Long等[17]利用TiRobot手术机器人辅助经髂骨螺钉治疗盆腔后环骨折手术，与传统方法对比，手术机器人组在透视频率、透视时间、手术时间、切口长度、麻醉时间和失血量方面均优于常规组。Wang等[18]将TiRobot用于SI螺钉固定，结果表明机器人辅助组在置钉优良率、复位后透视时间、导丝插入时间、导线尝试次数等都优于常规组。Du等[19]利用中国生产的第三台Ti机器人系统治疗不稳定的骨盆前后环骨折，手术时间为90～160 min，平均(112.9±16.8)min，出血为80～150 mL，平均(105.9±20.6) mL。此外，骨科机器人还用于其他骨科手术。于凌佳等[20]对1例患者进行“天玑”骨科机器人辅助精准椎弓根钉置入手术，术后X线检查及CT提示：椎弓根螺钉置入位置满意。Bargar等[21]通过Robodoc系统辅助髋关节置换手术。Leelasestaporn等[22]将MAKO系统用于膝关节内侧骨关节炎患者手术治疗，显著缩短了手术时间，减少了术中出血量。

4 优 点

目前，切开复位内固定治疗移位的骨盆、髋臼骨折被临床广泛接受[23]，但是具有很多缺点。以髂腹股沟入路为例，传统的骨科技术存在手术时间长、出血量大、术后血栓发生率高、软组织损伤大、腹外疝发生率高的缺点[24]。与之相比，骨科手术机器人完美地规避了以上问题，通过术前成像，术中实时跟踪和机械臂辅助来执行螺钉位置计划，以确保螺钉放置位置与计划一致，这样不仅可以准确地插入方头螺钉，还可以降低手术风险和辐射暴露，提高了骨表面制备的准确性和精确度，提供了更可靠和可再现的结果以及更高的空间准确性。总之，机器人辅助治疗骨盆髋臼骨折具有创伤小、手术时间短、失血少、安全性高、准确性高的特点，具有很大的临床应用价值[17]。

5 缺陷和问题

对于骨科手术机器人技术方面的缺陷和问题主要有：(1)机器人硬件问题，例如图像收集不清晰、机械臂无法移动到计划的位置、示踪剂无法有效固定等。(2)虽然视觉显示技术已达到较先进的阶段，但由于控制回路稳定性等的实际挑战，触觉反馈仍未得到充分利用。远程操作系统中缺少触觉反馈，迫使外科医生仅依靠视觉提示来估计操作用力大小[25]。(3)由于传感器手段有限，在技术系统无法记录的任何不准确或不确定性的情况下，人与机器的意图可能会出现差异[26]。(4)手术存在局限性，主要是由于神经血管结构和主要韧带结构。在手术中，软组织对机器人提出了挑战[27]，在机器人计划的路径中可能无法避免以上重要组织。(5)应用范围过于局限，大部分骨科机器人仅用于术中某一阶段，并不能完成更多手术操作，并且难以实现跨部位、跨操作类型、跨流程的转换。除此之外，还包括机型较大，占据较大空间以及使用成本过高等问题。

6 发展前景

骨科手术机器人的优点在于微创、安全、精确和可重复性高，不仅可以术前成像，而且可以准确地插入方头螺钉，并降低手术风险和辐射暴露。但是，目前骨科手术机器人仍存在以上多点缺陷和问题。因此，未来骨科手术机器人治疗骨盆髋臼骨折可以在以下几个方面展开并进一步发展。

6.1 机械制造 骨科手术机器人机型较大，且硬件软件等设备尚处于研发的起步阶段，均有很大的上升空间。减小机器人的机型可以减少空间占位面积，有效提高其灵活性，升级硬件软件可以减少操作的相对误差，提高准确性，降低手术风险。

6.2 计算机算法 计算机算法贯穿于骨科手术机器人眼、脑、手协调的过程，在图像采集和识别、手术设计和注册以及工具跟踪和导航中起到核心作用。虽然骨科手术机器人目前仍存在许多问题待解决，但随着计算机算法的进步，必将减少操作的误差。计算机算法的更新有助于机器人工作流程的规范化及程式化，达到从中枢指令对机器人行为进行约束和规范的目的，进而促进其推广应用[28]。

6.3 机器人导航 导航系统通过借助外部的空间坐标跟踪设备，将患者手术目标区域与手术器械或机器人的空间坐标进行测量，以获取两者的相对位置关系，从而指导医生进行精确、快速、安全的定位和内植物置入[29]。因此要加强导航设备的研发，更全面地进行术前设计和术中定位，在手术的过程中，确保螺钉放置位置与计划一致，实现精确化和标准化，进一步减少手术误差，提高手术质量。

6.4 操作训练体系 尽管机器人辅助手术被广泛采用，机器人操作培训工具也已经缓慢发展，但目前并没有正式成立机器人操作训练体系。训练不足对于缺乏经验的外科医生来说将增加手术的固有风险[30]。

7 结 论

综上所述，虽然骨科手术机器人的研发处于起步阶段，但却向着安全、精确的方向发展，在相对较短的时间内，在外科手术的使用中就取得了巨大的进步，实现了对患者和外科医生的医疗改善，实现了人工智能全面化和标准化。我们应该推动并致力于辅助机器人的研发，完善机器人辅助治疗骨盆髋臼骨折的技术，达到行业规范和临床标准。