骨科手术机器人临床应用综述

张 成，李 超，韩向东，高武长

（淄博市第七人民医院足踝外科，山东淄博 255000）

0 引言

随着机器人产业的快速发展，机器人辅助手术治疗已逐步在临床应用，为实现临床疾病微创、精准、个性化治疗提供了一个新的研究方向。临床上使用的第一个外科机器人是PUMA200，由美国宾夕法尼亚州匹兹堡西屋电气公司制造[1]。骨科手术机器人是机器人临床应用领域的一个分支，起源于20 世纪90 年代初[2]。1991 年全球第一个骨科机器人RoboDoc 诞生，并于同年7 月份完成临床试验[3]。1992 年美国ISS 公司研发、生产的ROBODOC 骨科手术机器人最早应用于关节置换手术[4]。2017 年，我国自主研发设计的“天玑”骨科手术机器人成功完成了世界首例骨科手术机器人导航的胸腰段骨折手术、寰枢椎经关节突内固定手术，其是一款通用骨科导航机器人[4]。

骨科手术机器人是一种集医学、机械设计制造、电子信息工程及生物力学等多学科、多领域为一体的新型医疗器械，主要包括机械系统、影像系统、计算机系统3 个部分[5]。其临床应用仍处于起步阶段，目前尚未得到普及，术后临床疗效还有待长期随访进一步观察。本文主要对骨科手术机器人在骨折复位、关节置换、骨盆髋臼骨折、股骨颈骨折以及脊柱椎弓根螺钉置入中的应用情况进行综述。

1 骨科手术机器人在骨折复位中的应用

骨折复位的原则是对骨折块进行重新定位和排列，以尽可能实现解剖复位，使机体恢复术前功能活动。受限于C 臂的视野，传统骨折复位的术后疗效主要取决于外科医生的技术和经验。而不恰当的复位会导致骨折畸形愈合和骨不连等并发症的发生。骨折复位导航系统的出现解决了上述问题，利用该系统可以实现更加精准的骨折复位，解剖关系及力线恢复更好，可减少常规复位手术骨折部位畸形愈合等相关并发症的发生[6]。

徐九峰等[7]报道分别由创伤骨科实习医师和创伤骨科主任医师采用主从式六自由度并联骨折复位手术机器人系统对骨盆骨折模型进行了10 次复位操作，全部达到了理想复位的要求，初步证实了骨折复位手术机器人系统对骨盆骨折复位的精度及可用性。韩巍等[8]研究中对8 例股骨干骨折模型进行了机器人辅助复位，采用C 臂透视二维图像进行复位轨迹规划，证实机器人复位精度能够满足临床要求，可有效维持复位状态。Dagnino 等[9]指出基于新的导航系统可以对下肢关节内骨折进行模拟复位，并且通过模拟复位手术机器人能够实现精准复位，实验结果证实骨折复位精度为1 mm 和1.5°，可以满足股骨远端骨折复位的临床要求。Wang 等[10]研究中利用并联机器人PMR 对8 个人工股骨干骨折模型和一个尸体模型进行了骨折复位操作（具体操作情况如图1 所示），经过调整后轴向偏差为（0.63±0.19）mm，横向平移偏差为（0.75±0.26）mm。

图1 并联机器人PMR 对股骨干骨折进行复位操作[10]

骨折复位手术机器人辅助骨折复位是一种可行、准确的复位方法，操作更加微创，可以减少术者人工牵拉复位体力的消耗，能最大限度地减少患者和医务人员的X 射线辐射。但目前骨科手术机器人在骨折复位中的临床应用仍处于摸索、探讨、试验阶段，发展相对缓慢，距离临床广泛推广使用仍有一定的差距，现有临床报道较少，尤其是对于复杂粉碎性骨折的复位处理比较棘手，需要进一步研究。患者的安全性和机器人的性能是制约骨折复位机器人发展的重要指标[11]。未来骨折复位机器人可向多模态示踪导航系统、控制单元与执行单元分开等方向发展改进[12]。

2 骨科手术机器人在关节置换中的应用

关节置换是治疗严重关节炎的常用方法，假体对位、对线不良可能导致术后疗效不佳。关节置换假体松动的常见原因为轴向偏差和假体位置放置不当。为提高治疗的精准性，骨科手术机器人被用来协助外科医生进行术前规划设计和术中操作。目前，机器人辅助全髋关节置换术在欧洲已得到广泛应用[13]。在关节置换截骨过程中，与人工截骨相比，机器人辅助截骨术的效果更好。

崔可赜等[14]回顾性分析了采用MAKO 机器人辅助下通过后外侧入路进行人工髋关节置换的26 例患者资料，手术平均时间为（87.0±16.1）min，显性出血平均为（336±246）mL，置换后 3 个月髋关节 Harris评分为（92.1±4.7）分，其中MAKO 机器人辅助全髋关节置换过程如图2 所示。孙长鲛等[15]指出半主动机器人会改善髋臼假体的定位，降低下肢不等长的发生率，能够更好地恢复髋关节旋转中心。侯毅等[16]研究中使用主动机器人系统对5 例股骨头坏死患者成功实施全髋关节置换术，术后复查X 射线片示假体位置良好、双下肢等长，随访期间无并发症发生。Siebert等[17]研究中对70 例特发性膝关节炎患者使用骨科手术机器人辅助技术成功实施全膝关节置换术，没有观察到与使用机器人系统有关的重大不良事件发生。Martelli 等[18]指出使用机器人辅助全膝关节置换术可以将假体放置的精度提高2.5 mm 和2°，减少了手术时间和手术失误。王俏杰等[19]报道在机器人辅助下对20 例患者进行膝关节单髁置换术，末次随访时，患侧膝关节的美国膝关节协会评分临床评分由术前的（57±13）分提高至（90±6）分，功能评分由术前的（48±18）分提高至（79±12）分。骨科手术机器人应用于关节置换术中效果显著，大大提高了假体放置精度，可以获得更优的假体重建结果。

图2 MAKO 机器人手臂辅助全髋关节置换[14]

3 骨科手术机器人在骨盆髋臼骨折中的应用

骨盆髋臼骨折是一种常见的骨折，占全身骨折的3%，多由高能损伤引起，具有较高死亡率和致残率[20]。髋臼骨折手术治疗的目的是恢复骨盆环和髋臼解剖结构的对称性和稳定性。常用的手术治疗方式为切开复位内固定，但切开手术存在创伤大、出血多、感染风险高等问题。随着微创技术的发展，经皮拉力螺钉技术在骨盆和髋臼骨折的临床治疗中得到了应用，并被证明是安全有效的，临床治疗效果显著。传统透视下螺钉置入术容易造成螺钉错位，甚至微小的角度变化都可能导致螺钉穿出和神经血管损伤。机器人辅助骨盆髋臼骨折手术可以通过术前成像、术中实时跟踪、机械手臂辅助等方式确保螺钉放置位置与术前规划一致[20]。

刘华水等[21]报道中利用第三代骨科手术机器人TiRobot 系统对16 例不稳定骨盆骨折患者行机器人辅助经皮空心螺钉内固定骨盆前、后环手术（机器人辅助路径规划情况如图3 所示），无一枚螺钉穿出骨皮质，未出现医源性血管、神经及脏器损伤。龙涛等[22]研究中在机器人辅助下对11 例骨盆后环骨折或骶髂分离患者进行了经皮骶髂关节螺钉的固定，共置入骶髂关节螺钉15 枚，末次随访时采用Majeed 骨盆骨折量化评估系统进行功能评价，结果优8 例、良3 例。洪石等[23]研究中对15 例新鲜闭合性骨盆与髋臼骨折患者在骨科机器人辅助下行各通道经皮螺钉内固定术，术后CT 验证无螺钉切出骨皮质，螺钉位置优良率为100%。刘华水等[24]分析了临床上骨科手术机器人辅助微创治疗骨盆环损伤患者108 例，机器人辅助共置入螺钉344 枚，其中326 枚一次置钉成功且位置满意。Liu 等[25]研究中指出对24 例不稳定前后骨盆环损伤患者采用骨科手术机器人TiRobot 系统辅助经皮空心螺钉固定（TiRobot 组），并与21 例接受传统手术治疗的患者（常规组）进行了对比，TiRobot 组手术时间、透视频率、术中出血量、钻孔总次数明显低于常规组（P<0.05）。Du 等[26]报道采用国产第三代Ti 机器人系统治疗17 例不稳定前后骨盆环骨折患者，末次随访Majeed 评分85～98 分，优17例。综上所述，机器人辅助手术为骨盆环损伤的微创治疗提供了一种新的方法，降低了骨盆髋臼骨折经皮螺钉置入的操作难度，一次性螺钉置入成功率高，临床效果满意。

图3 机器人辅助下经皮空心螺钉固定骶髂关节[21]

4 骨科手术机器人在股骨颈骨折中的应用

股骨颈骨折是骨科最常见的骨折之一，约占骨折总数的3.6%，多见于老年骨质疏松症患者，多为低能量损伤[27]。治疗股骨颈骨折有多种手术方法，其中经皮空心螺钉内固定治疗股骨颈骨折具有创伤小、出血少、固定牢固等特点，受到骨科医生的青睐。然而传统的徒手螺钉置入受诸多因素的限制，螺钉错位率很高，直接导致其生物力学稳定性降低，甚至会出现血管损伤导致股骨头缺血性坏死。此外，过度钻孔会损伤松质骨，影响螺钉的把持力，从而降低内固定的稳定性，增大失败的风险。骨科手术机器人辅助股骨颈骨折可以实现术前螺钉置入轨迹的规划，提供更为微创和精准的手术治疗。

刘奎民等[28]回顾性分析了使用“天玑”骨科手术机器人定位空心钉内固定治疗120 例股骨颈骨折患者和传统手术的120 例股骨颈骨折患者的资料，指出运用“天玑”骨科手术机器人治疗股骨颈骨折具有手术时间、术后住院时间及总住院时间短，住院总费用、药物治疗费用低，直接疾病经济负担轻等优势。雷春湘等[29]收集21 例行机器人定位下空心钉内固定术的股骨颈骨折患者资料，证实机器人辅助下定位准确，术中出血量更少，值得临床推荐。Song 等[30]报道中指出使用双平面机器人辅助股骨颈骨折内固定手术治疗过程中，螺钉置入三维轨迹重建的入点、出点和角度误差分别为（1.23±0.39）mm、（1.49±0.49）mm和（0.33±0.23）°。Wu 等[27]以骨科手术机器人TiRobot 系统为例，阐述了机器人辅助经皮空心螺钉内固定治疗股骨颈骨折的技术要点，具体术前设计与术中实际操作对比情况如图4 所示。综上所述，机器人辅助经皮空心螺钉内固定治疗股骨颈骨折可以大大降低X 射线辐射剂量和内固定失败的风险。

图4 机器人辅助经皮空心螺钉内固定治疗股骨颈骨折具体术前设计与术中实际操作对比[27]

5 骨科手术机器人在脊柱椎弓根螺钉置入中的应用

椎弓根螺钉固定术是脊柱外科常用的内固定技术，也是一种可以对脊柱侧凸畸形进行三维矫正的强有力技术。尽管很少发生，但椎弓根螺钉错位可导致灾难性的神经损伤。为了解决由于螺钉位置错误而引起的潜在的神经血管并发症，出现了多种新方法来提高椎弓根螺钉置入的准确性，骨科手术机器人也是其中之一。机器人辅助椎弓根螺钉置入术是一种较新的技术，准确率为92.8%～97.9%[31]，可以提高椎弓根螺钉置入的准确性和安全性。

丛琳等[32]报道了机器人辅助皮下经肌间置钉技术微创治疗青少年特发性脊柱侧凸畸形病例，完全实现了精准微创矫正侧凸畸形的目的。杨睿等[33]报道胸腰椎椎弓根螺钉内固定的88 例患者中有45 例为机器人辅助置钉，43 例为传统徒手置钉，机器人辅助置钉的效果优于传统徒手置钉，2 组在置钉准确性和术中接受的放射剂量方面差异均有统计学意义（P＜0.05）（术中大体操作情况如图5 所示）。翟功伟等[34]研究中将31 例脊柱侧凸患者随机分为脊柱机器人辅助后路椎弓根螺钉内固定矫形组和传统后路椎弓根螺钉内固定矫形组，结果显示前者置钉准确率（95.3%）高于后者（85.1%）（P＜0.05），术后并发症发生率（18.8%）与后者（13.3%）比较差异无统计学意义（P＞0.05）。Shaw 等[31]研究中采用机器人辅助后路脊柱融合椎弓根螺钉固定术治疗了49 例青少年特发性脊柱侧凸患者，共置入椎弓根螺钉844 枚，总体置钉准确率为97%。Macke 等[35]报道中采用机器人辅助椎弓根螺钉置入治疗了50 例儿童青少年特发性脊柱侧凸患者，机器人辅助螺钉置入的错位率低于传统（非机器人辅助）手术。综上所述，机器人辅助椎弓根螺钉置入术是一种安全、有效的治疗方法，降低了因椎弓根螺钉置入不当而导致的相关神经血管损伤并发症的发生。

图5 术中机器人置钉操作[33]

6 结语

从最初的CT 导航、2D 透视导航、3D 透视导航到无图像导航、电磁导航以及超声导航，骨科手术机器人不断发展完善，实现了术前仿真规划、术中实时监控、术后追踪观察等全程可控性操作[36]。骨科手术机器人通过细致的术前规划设计能够取得良好的术后治疗疗效。因此骨科手术机器人临床应用具有许多优势，如操作微创，对患者机体损伤小，能够实现快速康复，缩短住院时间；由于良好的术前规划设计，术中定位准确，可以大大缩短手术时间，减少术中透视次数，降低X 射线辐射量；在较短时间内精准高效完成手术，可以降低感染、神经血管损伤等相关并发症的发生率；智能化操作可以使许多高难度手术操作简单化，能够减少术中操作者的体力消耗；可以开展临床远程手术，实现遥控操作等，有利于解决医疗人员分布不均衡的问题。当然也存在一定的不足，比如骨科手术机器人价格昂贵，手术成本相对较高；体积较大，占用手术室大量空间，会影响术中操作；安装不稳定，影响术中精准定位；操作灵活度不够，略显笨重等。未来骨科手术机器人发展应与人工智能技术、混合现实技术以及纳米技术等相结合。人工智能技术能够模仿医生思维，通过大数据分析，使骨科手术机器人临床操作精准度更高。混合现实技术可将患者虚拟数字模型与患者病变部位完全重叠在一起，转化为高维度“透视”手术区域，进一步提高骨科手术机器人的准确性和安全性[5]。纳米技术的应用可以生产出微型骨科手术机器人，手术实施不再受空间、地点影响，能够解决骨科机器人安装不稳定的情况，有利于提高治疗疗效。相信随着骨科手术机器人的不断发展，其在不断适应骨科手术需求的同时临床应用也会越来越广泛。