机器人技术在全髋关节置换术中的应用与展望

丁浩 王光达 焦德林 马圣楠 陈赓 刘巍 李新鹏

1滨州医学院第二临床医学院，烟台 264003；2烟台毓璜顶医院关节外科，烟台 264000；3青岛大学医学部，青岛 266073；4滨州医学院康复医学院，烟台 264000

人工髋关节置换手术是目前治疗髋关节疾病的有效手段，在手术过程中，人工髋关节假体安放的精确度对整体手术疗效及患者手术满意度起到了至关重要的作用。因此，如何实现人工髋关节假体的准确安放是关节外科医生开展髋关节置换手术的核心问题。

全髋关节置换术（total hip arthroplasty，THA）

THA就是用人造材料替换已经功能丧失的处于疾病终末期的髋关节，以重建和恢复髋关节的正常功能的手术。自20世纪60年代问世以来，THA已经彻底改变了髋关节疼痛的治疗模式［1］。虽然第一个THA是由Wiles在1938年就开创的，但直到1960年在John Charnley爵士引入“低摩擦关节置换术”后才彻底改变了关节炎治疗的模式，它才获得了极大的普及。自从第一代使用丙烯酸水泥固定和高密度聚乙烯作为轴承材料的关节成形术出现以来，该领域的逐步发展让医学界将THA称之为“世纪手术”［2］。实现准确的植入物定位和恢复自然髋关节生物力学是THA的重要技术目标［3］。这包括重建旋转中心和偏移、杯和轴的正确定位（各倾斜角度）以及腿长的均衡［4］。目前存在多种髋关节手术方法，最常用的方法包括直接前路、直接侧路和后路。髋关节脱位、外展肌功能不全、骨折和神经损伤是THA的并发症［5］。作为最成功的骨科手术之一，THA术后10年的假体植入物存活率超过95%，患者满意度高达93%。有研究称预计到2030年美国每年进行的THA手术量将增加到572 000次［6］。中国THA的手术量每年也在不断增加，手术患者规模数量甚至超过美国。

THA手术机器人

1、简介

如今，THA最大的短板是人为因素，其中包括人为失误。在存在多样化解剖学形态的患者环境下，想尝试在每位患者身上植入完美定位的组件，这似乎只能通过机器人的创新来实现［7］。机器人在20世纪90年代中期开始进入骨科领域，表现出卓越的临床实用性能，可提高手术精度、降低手术伤害、减轻医生劳动强度等［8］。骨科机器人辅助手术最初是在关节成形术领域引入的，目的是改善植入物对齐精确度、寿命和功能结果［9］。THA期间精确的生物力学重建对于植入物的长期生存至关重要。机器人技术旨在最大限度地减少潜在的人为错误并改善植入物的对齐和配合，并解决现代非骨水泥THA的持续问题［10］。机器人辅助THA在矫形外科医生中越来越受欢迎。使用机器人辅助需要先进的术前成像来识别股骨和髋臼解剖结构，以及每位患者的其他独特标志。机械臂为外科医生提供“主动”帮助。最近的研究表明，与传统THA相比，机器人辅助THA为髋臼和股骨植入物放置提供了更高的准确性［11］。这种技术通常使用术前CT扫描来构建每位患者的解剖结构，并为外科医生提供机会来规划和执行髋臼植入物的最佳尺寸和定位，以实现所需的旋转中心、倾斜度、前倾角、股骨偏移和腿长矫正，同时保持髋关节稳定性［3］。目前，有充分的证据表明，在髋关节和膝关节置换手术（TKA）中，与手动放置相比，机器人辅助手术有助于提高植入物定位的准确性［12］。因此，机器人辅助THA有望成为今后THA的主要手术方式。

2、人工髋关节置换手术机器人优缺点

2.1、优点越来越多的证据表明，机器人辅助技术确实成功地提高了THA植入物放置的准确性和精确度。通过确保正确的植入，机器人辅助THA能够减少髋关节的不稳定性和撞击，延长植入物的耐用性并最大限度地减少术后并发症。机器人辅助THA的另一项关键优势便是能保证或改善双下肢长度的相等。保存骨量也是THA中的一个重要考虑因素。随着翻修髋关节置换术发生率的上升，在保持稳定性的同时尽可能多地保留股骨和髋臼骨量是非常必要的。机器人铣削技术能改善植入物的贴合度并降低了骨折的风险［13］。计算机辅助THA技术可以在短时间内在虚拟环境模拟和计算数百个可能的植入位置，这一过程远远超出了纯粹的人类评估［14］。同时，它也被认为是一种教育工具［15］。机器人或导航系统的使用可以为受训人员提供有用的学习工具，以了解他们自己在评估植入物位置方面的不足之处，从而提高他们的能力［16］。因为机器人辅助THA能够改善预后，缩短患者住院时间，可与当前加速康复外科的理念相融合。加速康复理念是采用循证医学证据的围术期处理的一系列优化措施，包括优化术后镇痛、早期离床活动及促进功能恢复［17］。结合全髋关节置换术成为门诊手术的潜力，能够很好的让患者达到快速康复。

2.2、缺点机器人辅助手术有额外的相关成本，包括硬件购买、手术时间和影像引导系统的放射学相关费用。鉴于迄今为止缺乏明显的临床益处，成本效益一直是阻碍其广泛普及应用的障碍［12］。由于开发机器人手术系统需要大量的投资，用于THA的机器人辅助系统也有高昂的前期成本。因此，机器人辅助THA可能会给医疗保健系统带来沉重的经济负担。它也存在直接涉及机械臂系统的技术并发症。比如，异位骨化率高的问题［13］。手术时间长会增加假体关节感染的风险；术前高级成像的要求会给患者带来了额外的辐射暴露风险［18］。多种髋关节解剖形态可能会给机器人评估带来困难。例如，在发育不良的髋关节中，机器人无法确定合适的自体股骨旋转中心，这限制了该技术的使用。此外，畸形的髋关节也会对机器人的使用造成限制，因为该技术无法检测出准确的髋关节形态，最后，机器人技术无法解读患者的脊柱-盆腔矢状面平衡，直接影响髋臼杯的最佳定位［15］。手术过程中，与传统手术相比，消毒铺单的方法会有所变化，伴随着机械臂等机械电子设备的介入，对无菌技术的要求也提出了不小的挑战。最后，需要考虑的一个关键短板还在于，每家公司的机器人系统都需要相应的工程师定期维护，如果出现设备故障，能否及时快速检修，不耽误手术过程和时间就成了使用机器人系统辅助THA不可逃避的一个话题。

3、THA手术机器人分类

3.1、基于机器人提供的自主程度分类机器人的类型在髋关节手术领域，可分为被动型、主动型或半主动型［7］。其中，后两者最为常用。使用被动机器人系统，外科医生需要在整个手术过程中保持对机器人的控制，达芬奇机器人就是这样一个例子，尽管它的使用仅限于上肢骨科手术，髋关节置换手术中此类机器人较为少见。早期用于THA的机器人系统基于主动技术，机器人在术者监督下自主操作，无需实时控制。机器人使用术前CT进行编程，一旦在术中获得足够的手术暴露，就可以为组件植入进行骨准备。如果需要，外科医生可以使用即时关闭开关［19］。主动型机器人在THA期间可以自主执行计划的骨切除和植入位置［20］。在THA中使用的第一个主动型机器人系统是RoboDoc，无需外科医生在整个手术过程中持续控制的机器人辅助。已经开发了不同的作用机制，特别是对于膝和髋部手术，通过直接切割骨头到最终计划的切割或间接规划地标来调整切割夹具的放置或夹持［15］。THINK Surgical公司下一代主动型机器人系统TSolution One已获的FDA批准［21］。

近年来，半主动型机器人系统变得越来越流行。这些系统要求外科医生通过触觉反馈机制引导机器人手臂进行骨骼准备，以确保与预先确定的手术计划的偏差最小。此外，这些系统能够提供有关股骨准备的实时信息，以便在术中进行校正［19］。半主动机器人系统可提供听觉或触觉反馈以将外科医生限制在预先计划的术区范围，同时仍然允许外科医生保持对执行程序的控制［18］。Mako机械臂交互矫形系统是用于执行机器人THA的半主动机器人系统的一个例子。髋臼扩髓局限于具有立体定向边界的触觉隧道，机械臂具有触觉、听觉和视觉反馈，这有助于外科医生控制髋臼扩髓的力和方向，以高水平的准确性执行术前计划。股骨截骨位置和角度也可以在股骨切除和假体准备之前标记，并在确定植入物的选择和定位之前检查骨覆盖、植入位置、偏移量和腿长的实时变化［20］。半主动型手术机器人系统因其良好的性能和与医师的配合度，已成为目前此类手术机器人主流的发展类型。

3.2、基于机器人系统的开放程度封闭式系统限制了髋关节植入物的选择，而开放式系统则让外科医生自行决定植入物的选择。此外，封闭系统可能会因为受到进一步的合同影响，不仅限于一个植入物制造商，而且还仅限于特定制造商的某些特定类型的植入物，因为它们经常需要在设备公司和医院或医院系统之间进行谈判。相反，开放系统缺少限制性。开放系统虽然允许更大的植入物灵活性，但精度较低［18］。为了执行机器人辅助手术，外科医生可能不习惯使用不同的植入物，或者可能更喜欢一种植入物的设计原理，而不是他们医院机器人系统上可用的植入物设计原理［22］。因此，在选择系统之前，关节外科医生应仔细斟酌每个系统的优点和短板。

4、目前的THA机器人

目前的机器人髋关节手术系统包括ROBODOC、CASPAR、ACROBOT和Rio MAKO机器人。只有ROBODOC和Rio MAKO机器人仍在广泛的临床应用中［7］。

4.1、ROBODOC第一个机器人辅助THA系统ROBODOC于1992年推出［23］。ROBODOC也是第一个无需外科医生直接指导即可进行外科手术的主动型机器人。1994至1995年在美国使用并获得FDA批准，并于1994年在德国用于临床实践，目标是改进髋臼杯尺寸的选择及其植入的准确性，以及优化股骨腔准备，以便限制假体周围骨折的风险并确保更好的假体对齐。ROBODOC包括一个术前计划计算机工作站ORTHODOC，配备一个包含5个机械自由轴的机械臂，并配备一个高速铣削装置［15］。自出现以来，它在THA中已用于超过17 000次手术。2004年，其控股公司Integrated Surgical Systems在与该系统相关的手术并发症的患者集体诉讼中出现财务危机后破产，被Curexo Technology公司收购［19］。

4.2、CASPAR CASPAR是一种主动型机器人系统，它利用与ROBODOC类似的术前CT规划来切割股骨近端并引导植入物插入。值得注意的是，该系统有几个普遍存在的问题：植入精度的可变性和术后疗效较差。这也突出了早期机器人系统的弊端［19］。该系统目前由于其不佳的效果和较高的并发症发生率而被中止［15］。目前已不再使用，因其背后的公司Universal Robotic Systems Ortho也已经倒闭了［19］。

4.3、ACROBOT ACROBOT的 开发旨 在解 决 与ROBODOC和CASPAR相关的问题［24］。与上述系统一样，术前基于CT的软件用于制定手术计划。然后使用非侵入性解剖配准方法将其映射到患者的解剖结构，随后由外科医生引导机械臂在触觉反馈下进行骨切除。该系统优势在于它可以达到与原生解剖位置相同水平的准确度。该系统被出售给Stanmore Implants Worldwide，而该技术也被Mako作为2013年保密专利侵权和解协议的一部分购买了［19］。

4.4、MAKO MAKO机器人手臂辅助装置于2010年首次用于THA，随后于2015年获得美国食品和药物管理局的批准［25］。Mako是一种半主动机器人系统，已在20 000多个THA中使用。与早期系统类似，术前CT成像用于生成原生髋关节的3D模型。与早期系统相比，机械臂不是完全自动化的，而是基于触觉反馈，因此外科医生保留部分控制［19］。目前实际用于THA的机器人辅助系统使用最多的是MAKO THA系统［15］。

4.5、TSolution One TSolution One是一种主动型机器人系统，采用了为ROBODOC开发的技术。除了主动股骨端准备外，该系统还提供引导式髋臼铰孔和机械臂辅助杯植入。该系统虽已获得FDA批准，但由于缺乏可用研究，该系统的有效性尚未确定［21］。

4.6、国内THA手术机器人国产骨科手术机器人的起步较晚，市场份额占有率较低，尤其对于THA手术机器人来讲，国产品牌在产品数量，类型和功能上还有较大的发展空间。目前，国内首款THA手术机器人Arthrobot Hip也才刚刚上市。但我们相信，在国内巨大的市场吸引下，国产品牌的发展势头会愈发迅猛。

5、THA手术机器人的手术效果分析

Remily EA等［26］的一项研究对2010年至2018年接受THA的714 859名患者进行了回顾性分析，得出结论，与传统方法相比，机器人手术的住院时间和成本略有下降；手术并发症的差异并不大。表明机器人THA手术是一种具有成本效益前景的手术。Hsieh CM等［27］的一项研究中对机器人辅助THA的股骨前倾、股骨偏移和垂直偏移的误差进行了分析，最终证明：使用主动机器人会降低不良临床结果的发生率。Chai W等［28］对22例接受机器人辅助THA的患者和23例接受手动THA的患者的手术疗效进行了研究对比，最终得出结论与传统人工THA相比，机器人辅助THA在提高髋臼目标区定位频率、减少辐射剂量、节约手术时间方面具有显著优势。Emara AK等［29］的一项研究表明与传统手术相比，计算机辅助THA，尤其是机器人辅助THA可通过降低早期脱位率和其他住院指标来提供良好的价值。预计到2025年1/4的THA和到2030年2/3的THA将使用机器人辅助THA技术。Hepinstall M等［30］对99名接受机器人辅助THA的患者进行了至少2.0年的随访，在2.0～5.7年的随访中，术后HHS评分结果平均增加了33分，而且手术部位并发症很少见。因机器人辅助THA相关的长期随访研究数据有限，目前较为普及的主流系统MAKO机器人系统，其长期功能结果仍然不明确。仍需要进一步的研究来确定其长期手术疗效和并发症发生率。

总结与展望

机器人系统在THA中的应用在促进手术精细化、精准化、智能化和微创化方面有其巨大的潜力，在为医疗实践带来极大便利的同时，也为手术技术的发展开辟了新的方向。虽然其自身的缺陷是存在的，但其自身的优势也是显著的，机器人辅助THA的出现，实现了更精准的手术操作，降低了术后并发症发生率和再手术率，缩短了患者住院时间及提高了患者预后，从长期的成本效益看，是有可能降低患者实际支付成本的。机器人系统昂贵的购置成本也会随着患者需求的增加和技术的普及，在规模化发展带来的规模回报的刺激下，出现不断下降的趋势。在手术技术发展的同时，手术场地的集成化和简约化发展也是一个重要的发展方向，机器人系统占用面积问题也会随着今后更加集约化、智能化的手术室建设迎刃而解。此外，机器人系统对于THA的真实疗效情况，我们还需要进一步的进行大样本、随机的、多中心的相关长期随访研究，以期能从更多数据中量化机器人辅助THA的长期结果和不良风险。随着科学技术的发展，智能化、数字化和精准化将会成为关节骨科发展的趋势。对于目前存在的机器人系统，因其产品特点不同，很难做到从封闭系统完全向开放系统的转变，因此很难实现各个优秀产品的优势互补，也很难通过统一的手术方式和数据得到规范的大样本结局内容，从而进行更精准的疗效研究分析。手术机器人系统功能单一，很难实现兼容也是丞待解决的问题，脊柱手术、TKA与THA之间无法通过同一机器人系统平台实现多角色功能转换，从而很难实现成本控制，场地占用率及时间利用率上的巨大革新。因此，对于未来THA手术机器人的发展，必定会在更加开放、智能及兼容的方向上不断前进。

作者贡献声明丁浩：酝酿和论文结构设计，文献资料收集，文章撰写；王光达：文章内容审阅及支持性贡献；焦德林：文献资料收集及支持性贡献；马圣楠：文献资料收集；陈赓：文献资料收集及支持性贡献；刘巍：文献资料收集；李新鹏：文献资料收集。