手术机器人在创伤骨科的应用进展

涂志朋,金翔赟,曹昕琪,董宇启,黄平,肖伟元*

(1.上海交通大学医学院附属仁济医院护理部,上海 200127;2.上海交通大学医学院附属仁济医院创伤骨科,上海 200127)

21世纪以来,随着科学技术的发展和手术机器人使用成本的降低,以达芬奇为代表的手术机器人已被广泛应用于普外科、胸外科、泌尿外科、妇产科等外科手术中,其稳定性好、准确性高等特点也获得了越来越多外科医生的认可[1]。与腔镜手术机器人不同,骨科手术机器人以辅助定位为主,旨在降低手术创伤、增加手术精确性,其目前已在关节置换、椎弓根螺钉置入以及骨折内固定等手术中投入应用。创伤骨科手术变化大、骨折类型多样,因此手术机器人的应用相对较少,本文就骨科手术机器人及其在创伤骨科中的研究和应用进行综述。

1 骨科机器人概述

骨科机器人主要由负责手术控制的主机、负责导航的跟踪系统、负责执行操作的机械臂以及其他一些辅助套件构成。手术时主机根据术前或术中获得的图像资料,在导航系统的定位辅助下指导机械臂完成相应操作[2]。

机器人主机的控制系统相当于机器人的大脑,是整个机器人系统的核心,图像处理、手术规划、机械臂控制都由其负责。这些模块主要依靠各个机器人公司研发的算法软件,确保系统准确、稳定的运行,触觉反馈、深度学习等最新技术的应用使其功能不断完善[3-4]。同时与手术医生的交互性也是软件设计的重要目标之一[5],更好的交互性意味着更短的学习曲线。

导航系统同样是骨科机器人的核心技术,相当于机器人的眼睛。该系统把图像资料与患者的实际体位及机械臂的实时位置统一在一个坐标系下,通过对机械臂的位置进行实时采集和显示,手术医生可以观察机械臂与病变部位的相对位置关系,从而在机器人辅助下进行精确的操作。其中基于CT的导航最早出现,需要术前采集手术部位的CT影像,与患者术中的解剖标志进行匹配,但由于CT数据来源于术前,会导致术前图像与术中实时图像之间的配准产生一定误差[6]。随着移动式C型臂的出现,2D、3D透视导航成为主流,其可以术中实时采集图像与手术对象进行匹配。无图像导航则无需依赖术前或者术中透视图像,通过末端定位装置(如取点器)确定解剖标记点,直接对其进行术中数字化显示,并且可以与传统的2D、3D、CT导航混合使用[7]。近年来也出现了基于深度相机的无参考系导航以及基于机器视觉连续追踪的计算机导航系统[8],在进一步提高导航精确度的同时,降低了术中透视辐射。除此之外,电磁导航及超声导航虽然具有无辐射的优势,但两者受环境影响较大,尚未得到广泛应用[9-10]。

骨科手术机器人系统根据外科医生对机器人的控制程度不同可以分为被动型、主动型和半主动型[11]。被动型机器人通过外科医生连续不断的控制来实现操作,没有反馈回路,如用于脊柱或创伤手术内固定定位的机器人;主动型机器人是在外科医生的监督下通过术前制定的方案自主完成一些手术步骤,如用于膝髋关节置换的Robodoc、Caspar等,但由于其存在一定的安全隐患,目前已经逐渐被半主动型机器人替代;半主动型机器人是在外科医生的约束下,完成预先制定的手术方案,其具有触觉反馈回路,使机器人能够实时地与外科医生进行沟通,以增强安全性,如关节外科的Mako、脊柱外科的Mazor等[12]。

骨科手术机器人按手术类型分为脊柱外科、关节外科和创伤骨科手术机器人。脊柱外科机器人如Spine Assist、Mazor等主要负责辅助术中椎弓根螺钉的置入;关节外科机器人如Mako、Acrobot等则可以在膝髋关节置换中辅助手术医生完成精准的截骨及假体的置入;而创伤骨科机器人的发展相对较慢,可以分为复位机器人和固定机器人。

2 复位机器人

骨折的手术治疗主要分为复位和固定两大步骤,良好的复位是骨折内固定的前提条件,也是创伤骨科手术最关键的一步。骨折复位机器人可以通过计算对骨折进行精确复位,避免骨折断端间出现短缩、成角、旋转等复位不良的情况,改善骨折的预后。由于骨折的部位和类型纷繁复杂,因此骨折复位机器人的研发难度较大,但目前也已取得了一定的进展。

复位机器人从结构上主要分为串联复位机器人、并联复位机器人及串并联联合复位机器人三大类。串联复位机器人主要基于工业化机器人改造而来,由串联连接的机械臂操控骨折断端。2004年Füchtmeier等[13]在工业机器人Staubli RX 130的基础上研发了骨折复位机器人RepoRobo,并应用该机器人对模型骨进行骨折复位。此后,Oszwald等[14]应用Staubli RX 90作为复位机器人在尸体上进行股骨干骨折的复位,并与人工复位的情况进行对比,结果发现机器人复位组在旋转畸形和内外翻畸形方面均优于人工复位组,但机器人复位组的耗时明显长于人工组。串联复位机器人的主要优势在于其活动度和灵活性,但同时其体积庞大,复位操作过程中容易和其他器械发生碰撞。此外,由于机械臂是串联连接,因此其末端精确度和承载负荷相对较差。Kim等[15]提出将串联复位机器人与持续牵引相结合,两者通过电脑程序协同作用,可以提高复位的精确程度和便利性,但该研究目前仍处于理论阶段。

并联复位机器人的基础是Stewart平台,该平台主要由6根并联排列的可伸缩连接杆连接上下2个平面,通过调整连接杆的长度可以实现2个平面6个自由度的精确运动控制。唐佩福团队[16-17]在Stewart平台的基础上加入了定位标记球结构,结合CT三维重建图像以健侧骨为参考进行复位,完成了牛离体股骨干骨折的复位实验,结果显示最终复位的轴向移位平均误差为1.23 mm,侧方移位平均误差为1.04 mm,侧方成角平均误差为2.34 °,旋转误差为2.83 °,复位结果满足临床应用要求。并联复位机器人具有精确度高、扭矩大、稳定性好等优点,但其应用需要综合性结构设计和布局,研发难度较大。此外,并联复位机器人的活动范围具有局限性,对于移位较大的骨折,有时需要先人工进行适当的牵引,之后再应用机器人进行复位。

串并联联合机器人结合了串联和并联机器人各自的优势,Dagnino等[18]将Stewart平台连接在串联机器人机械臂上,对猪股骨骨折进行复位,结果显示该复位系统的平均移位误差仅为0.09 mm,旋转误差仅为0.15 °。后续研究中,他们将该系统应用于股骨远端骨折复位中,并成功对9具尸体股骨标本中的7具进行了复位[19],他们认为该系统可以应用于关节内骨折的复位。但目前长骨骨干骨折的复位机器人相关研究尚局限于体外模型骨或尸体骨,尚未投入临床应用中。

在更为复杂的骨盆骨折复位方面,赵春鹏等研发了骨盆骨折机器人辅助复位系统[20],该系统通过置入髂骨翼、髂前上棘以及髋臼顶部的斯氏针把持骨折块,根据健侧影像由计算机计算出复位路径并进行复位,并且可以在屏幕上实时呈现复位情况。在完成了对模型骨的复位验证后,该复位系统被应用于临床研究中,共纳入22例不稳定骨盆骨折,术前规划与最终复位结果差异为(3.41±1.83) mm,复位后残留移位为(4.61±3.29) mm,复位优良率达到95.5%[21]。该研究首次将复位机器人应用于临床病例中,并验证其安全性和有效性,为骨折复位机器人的临床应用奠定了基础。

在实际临床应用中,复位机器人如何应对骨骼周围肌肉的牵拉以及不同部位骨骼把持力的不同,避免其对复位过程造成影响,仍需要进一步研究解决。此外,复位机器人需要与骨折断端连接才能进行复位操作,现阶段大部分连接方式需要在骨块上产生额外的切口才能置入操作杆操纵骨块复位,而牵引靴、气囊等虽然无创,但把持力并不可靠,不利于复位机器人的操控。如何寻找一种创伤小且固定可靠的连接方式是复位机器人需要解决的另一个难点[7]。

3 固定机器人

固定机器人在创伤骨科中的应用主要利用其精确定位的特点,在术中为手术医生确定内固定置入的方向。国外有关固定机器人在创伤骨科中的应用报道较少,仅一篇在尸体上辅助定位股骨髓内钉进针点的研究[22],而国内自2015年天玑骨科机器人投入临床应用以来,其作为固定机器人已在创伤骨科的各类手术中投入使用[23]。天玑骨科手术机器人是基于术中实时三维图像的通用型骨科机器人,它可以规划手术器械的空间定位,通过机械臂的运动使手术器械置入相应的解剖部位,具有安全性、准确性、稳定性的特点。通过实时监测,它还可以自我修正路径,保证规划路径与手术路径一致,为术中内植物植入路径提供定位辅助,其精确度可达毫米级(误差<0.8 mm)[24]。

不稳定的骨盆骨折需要手术固定治疗,传统切开复位内固定手术存在创伤大、出血多等弊端,经皮微创治疗可以在较小创伤的同时对骨盆环进行相对可靠的固定。但由于骨盆形态不规则且骨盆周围有着丰富的神经血管走形,此类螺钉切出率较高,并可导致神经、血管损伤等严重并发症[25],因此传统的骨盆骨折微创术中往往需要大量透视以确保螺钉置入的准确性和安全性,同时十分依赖手术医生的经验。而骨科机器人精确定位的特点使其成为了骨盆骨折微创手术中的一把利器。Long等[26]应用天玑机器人辅助骨盆骨折骶髂螺钉的置入,并与传统的徒手置钉进行比较,其中机器人辅助组置入66枚螺钉,传统手术组置入43枚螺钉。结果显示机器人辅助组在透视次数、手术时间、手术切口方面均优于传统手术组,两组在骨折愈合时间及功能评分方面差异无统计学意义。赵春鹏等[27]应用天玑机器人辅助治疗31例髋臼骨折,共置入前柱螺钉24枚、后柱螺钉15枚、髋臼顶螺钉9枚,术后CT证实所有螺钉均位于安全通道内,无一例患者发生机器人手术相关并发症,术后功能评分优良率为86.2%。以上研究表明,天玑骨科机器人应用于骨盆骨折微创手术中,可以减少透视次数、缩短手术时间、降低手术创伤,同时确保手术的安全性和准确性。

空心钉内固定是治疗Garden Ⅰ、Ⅱ型股骨颈骨折的首选方法。徒手置钉时多次穿刺尝试不仅会损伤局部骨质降低内固定的有效性,还可能伤及股骨颈周围血供,增加股骨头坏死的概率,而骨科机器人的使用则可以显著降低这类风险。Al-Naseem等[28]查找了机器人辅助与徒手置钉治疗股骨颈骨折的对比研究并进行了荟萃分析,最终共纳入7项研究506例患者,所有研究均来自中国,并均使用天玑骨科机器人。结果表明机器人辅助组透视次数更少、术中穿刺次数更少、术中出血量更少,同时术后功能评分、螺钉准确性、骨折愈合率、并发症发生率也均优于徒手置钉组。

此外,骨科机器人也被应用于辅助股骨转子间骨折髓内钉主钉置钉[29]以及手舟骨骨折的螺钉内固定术[30]等,均取得了满意的疗效。综上,骨科机器人在四肢骨折的内固定手术中,可以起到精准导航的作用,尤其是针对骶髂螺钉、股骨颈螺钉置钉等手术,可以有效减少术中透视次数,并提高螺钉置入的准确性。但是,考虑到骨科机器人昂贵的价格,骨科机器人在创伤骨科手术实际临床应用中的成本效益仍有待进一步评估[31]。此外,现有的骨科机器人主要应用于无移位或有轻度移位骨折的微创治疗,适应范围较窄,且多以单中心、小样本回顾性研究为主,尚需大样本、多中心、随机对照的高质量临床研究进行更深入的评价[32]。

由于骨折的部位和形态各不相同,手术机器人在创伤骨科的发展相对较慢。在复位机器人方面,骨盆骨折机器人辅助复位系统已成功在临床研究中得到验证,但在长骨骨干机器人辅助复位的研究中,目前尚没有可以投入临床使用的机器人。在固定机器人方面,天玑机器人等已经逐步在骨折内固定手术中开展应用,其应用范围也从最初的股骨颈骨折、骨盆骨折逐步推广到四肢各类骨折中。相信随着研究的深入和技术的发展,手术机器人将被更广泛地应用于骨折的复位和固定中,为患者提供更精确、微创的治疗。