机器人辅助技术在全髋关节置换术中的应用进展

王晓洋,叶楠,张志峰,黄健*

(1.内蒙古医科大学,内蒙古 呼和浩特 010059;2.内蒙古医科大学第二附属医院关节外科,内蒙古 呼和浩特 010090)

全髋关节置换术(total hip arthroplasty,THA)是目前治疗终末期髋关节疾病最普遍、最有效的治疗方式,但传统THA常因不可避免的人工因素而使置入假体位置偏离预期,造成假体翻修率的增加及患者满意度低等问题,同时也带来了巨大的社会经济负担。如何提高THA治疗晚期髋关节疾病的临床疗效、提高患者生活质量是关节外科医生关注的重点问题。

机器人辅助全髋关节置换术(robot-assisted total hip arthroplasty,RTHA)是一种通过整合多学科技术行术前规划,并在术中通过机械臂来辅助术者完成髋关节假体的置入,从而重建髋关节正常功能的一种手术方式。经过几十年的发展,传统THA在基础解剖、手术技术等方面都取得了巨大进展,但传统手术技术的精度不能够有效解决术后相关并发症的问题。从首个机器人的问世到现今的各型机器人,都有一个共同的特点即“高精准度”,这为解决术后相关并发症的问题提供了新视野。近5年与机器人辅助关节置换的相关研究更是呈现出直线增长的趋势,美国在该领域活跃的研究文献和机器人公司数量最多,其次是中国[1]。本文通过简述机器人辅助技术的发展背景,并就关节机器人的技术原理和手术治疗效果作一综述。

1 关节机器人的发展背景

外科手术中的技术辅助工具和引导器械的发展可以追溯到1906年,Clarke和Horsley将立体定向装置首次用于神经外科[2]。随着新理念、新技术的迅猛发展,世界上诞生了第一台应用在关节外科的机器人:Robodoc机器人,并于1992年首次应用在THA中。最初应用Robodoc机器人出现了较为严重的术后并发症,故受到集体诉讼后被Curexo技术公司收购,目前基于Robodoc机器人的下一代系统已经诞生:T Solution One,全球应用此机器人行THA已超过了17 000例[3]。1997年德国Ortomaquet公司同样研发了一种自动型的机器人:Caspar机器人,但Mazoochian等[4]研究发现,应用Caspar系统置入假体精度差异较大、外展肌功能明显更差,Trendelenburg’s征的发生率也更高,治疗效果也不尽人意。

正是因为缺乏互动性、稳定性等种种问题以及伴随着计算机技术、人工智能的发展,促进了半自动型机器人的诞生。Acrobot机器人的出现解决了Robodoc机器人与Caspar机器人存在的相关潜在问题,其使用非侵入性解剖匹配方法将其映射到患者的解剖结构上,随后在数字导航的引导、触觉交互下进行手术操作,为后继半自动机器人的发展提供了参考。2006年,美国史赛克公司研发了半自动型Mako机器人,成为了目前应用最为广泛的关节机器人。如今,半自动型关节机器人成为研发热点,包括Rosa机器人、Velys机器人、“鸿鹄”机器人及Cori机器人等。

2 关节机器人的分类

在机器人技术的世界里,基本分为三种不同的类型:自动型、半自动型和被动型。目前关节机器人数量众多,其主要代表类型见表1。被动型机器人因主要应用于基本外科,故不进行阐述。半自动型机器人凭借独有的“人机交互”,解决了上一代自动型机器人的部分缺陷;近年来,随着算法的升级以及通过和虚拟技术相结合,术者能够有效地避免不必要错误,充分利用机器人的准确销铣和精确的导航来完成手术。近些年各种数字技术蓬勃发展,机器人正成为辅助关节置换手术的可靠工具[5],使用机器人行关节置换逐渐成为主流趋势。

表1 机器人类型表

3 关节机器人的技术原理

机器人由控制系统、视觉系统、机械臂三部分组成,控制系统来调整手术方案,视觉系统负责实时数据传送并显示操作方案,机械臂负责执行操作并提供反馈。手术方案的制定可以通过术前成像和术中成像两种方式进行;术前成像的机器人需对患肢进行CT扫描/放射学片,并进行3D建模,通过分析患者解剖结构而构建假体置入位置计划;术中成像的机器人则需术中通过特定的器械采集解剖位点进而生成3D模型指导置入假体。工作流程由术前解剖规划、机械臂注册和截骨、导航定位监测3个步骤协配来辅助完成手术。

图1 机器人工作流程

3.1 自动型机器人 以Robodoc机器人(integrated surgical systems,USA)为例,自动型机器人术前通过CT图像进行3D建模后,将预定方案输入“Orthodoc”工作站,便可进行解剖位点的匹配、激活,随后配有高速销铣装置的五轴全自动机械臂便会执行植入方案[6];值得注意的是:医生不参与此过程,故手术一旦开始,除非输入紧急停止指令,否则不可中途中断。

3.2 半自动型机器人 以Mako机器人(Styker,USA)为例,半自动型机器人通过术前患肢CT数据建模并规划置入方案,术者可在术前基于该3D模板调整髋臼杯的尺寸和空间位置,一般设定髋臼杯的前倾角和外展角分别为20 °和40 °,在完成机械臂和解剖标志注册后,术者便可依靠实时视觉、音频、触觉反馈进行销铣、切割、置入等操作。如超出预定方案的边界值,机械臂就会自动停止工作,这是其对手术的保护机制,术者也可在术中根据骨质情况对假体位置的预期方案进行调整。关于3D建模也诞生了新的方式:基于2D双下肢全长X线片形成3D模型图像或基于术中解剖结构采集并即时建模,允许术者在实际手术之前进行虚拟手术,以及获取有关软组织和骨骼解剖学的实时数据,这是其最智能化的体现。

4 传统THA和机器人辅助THA

传统THA通过术前拍摄影像片并结合查体制定手术方案,术中通过解剖标志及器械模具引导进行截骨和假体定位,最终股骨颈截骨线的选择、假体植入位置、骨切除量及软组织平衡取决于术者主观的评估,难以最佳恢复患肢的下肢生物力线与假体配套组件的优良契合,因为即使经验丰富的外科医生在术中对臼杯和柄位置的估计也不可靠[7]。

无论何种类型机器人辅助系统,目的均为提高患者对手术效果的满意度,创造一个稳定、无痛、持久的关节。THA虽总体取得了成功,但置入假体的不稳定仍然是一个昂贵和困难的问题,这会对患者生活质量产生负面影响。机器人辅助技术在THA中的应用,为减少术后相关并发症率提供了新方式。

4.1 髋臼骨保留量 在保持假体稳定性的前提下,进行股骨颈截骨及磨锉髋臼时保留足够的骨量,对降低THA术后翻修率是一项有利的因素[3]。Suarez-Ahedo等[8]的研究表明:常规组臼杯大小-原有股骨头大小的平均值(6.05 mm)明显高于机器人组(5.12 mm),差异有统计学意义(P=0.015),这间接的提示了使用机械臂辅助销铣会使髋臼骨丢失量更少,从而可以选择更小的髋臼臼杯,对于年轻患者是受益的。Raj等[9]通过一种假设算法估算了术中髋臼骨的切除量,认为在手术个性化的前提下,选择较小的臼杯会得到更多的骨储备。原因为:机器人辅助技术的数据可视化和保护机制和机械臂进行单次、精准磨锉髋臼,对于骨储备量的保留有潜在的益处,这与Suarez-Ahedo等的研究结果是相符的。

4.2 髋臼杯位置 理论上髋臼杯的精确置入具有降低术后并发症风险、提升假体远期生存率等优势,充当着至关重要的角色。Lewinnek安全区[10](外展角度30 °～50 °,前倾角度5 °～25 °)被应用以来,2011年Callanan等[11]又根据实验数据将其调整为外展角度30 °～45 °,前倾角度5 °～25 °,现被广泛认可并确定为THA成功的关键参数。一系列研究发现通过机器人的引导,髋臼杯的置入精确度得到了质的优化[12]。孔祥鹏等[13]通过分析连续100例机器人辅助THA的术后臼杯位置,发现机器人组(92%)臼杯位置位于Lewinnek安全区的概率明显较常规组(82%)高;臼杯位于定义的安全区内会降低脱位率、磨损率,对远期生存率存在益处,这是目前外科医生所基本认同的观点。柴伟等[14]的一项高脱位髋的研究发现,常规组和机器人组的臼杯外展角度差异不大,但常规组置入的髋臼杯前倾角度(29.5±8.1) °,明显大于机器人组(18.0±4.6) °,差异有统计学意义(P<0.001);这初步说明了,即使是骨质复杂、Ⅳ型先天性髋关节发育不良的病变髋关节,机器人辅助技术也能够按照预期准确地置入臼杯。

4.3 双下肢长度差(leg length discrepancy,LLD) THA术后LLD是引起患者不满意度增加最为常见的原因,术后双下肢长度差异过大虽在一定程度上可通过骨盆代偿调节,但患者仍可能是跛行步态,并且存在衬垫磨损加快的可能性,这对于假体生存率是不利的。李俊成等[15]的研究发现,机器人组的LLD值(2.8±2.2) mm较常规组(7.9±5.3) mm更加集中于<5 mm区间。尽管有研究认为,机器人组和常规组之间的LLD值未发现显著差异,仍需要更大样本量的高质量研究证实[16]。但一项纳入20篇文献4 140例患者的meta分析表明,两组之间臼杯的放置角度虽无显著差异,但改善了股骨干的对线,获得了精确的LLD值[17]。Guo等[18]近期一项研究也表明,相较于传统THA,机器人辅助THA的LLD值(3.22±2.17) mm相较于传统THA(6.95±3.02) mm确实获得了差异更小的LLD值,差异有统计学意义(P<0.001),更小的LLD值对于改善跛行、减少磨损甚至是合并腰椎疾病的患者均存在益处。

4.4 股骨偏移量(femoral offset,FO) 股骨偏移量是指股骨头旋转中心到股骨干长轴的垂直距离,其作为髋关节的外展肌力臂,维持着人体重力和外展肌群张力之间的平衡,FO的变化对于肌力、运动功能及稳定性、聚乙烯衬垫的磨损、假体寿命及步态均有着一定程度的影响,是髋关节力学重建的重要一环。早些年的一项研究[19]发现,机器人辅助THA术后100%的LLD值和91.8%的偏心距改变在10 mm以内;Foissey等[20]在最近也发现了相似的结果,尽管两组臼杯中间化位移平均超出3 mm,但机器人组在水平和垂直平面上的旋转中心的异常值仅占10%,而常规组达到了28%,两者差异有统计学意义(P=0.03)。机器人辅助THA帮助患髋获得了更好的固有旋转中心,更好地保留联合偏移量[21],对髋关节生物力学重建和术后关节功能的恢复具有积极影响。

4.5 手术时间及学习曲线 学习曲线为外科医生在获得经验或新技能方面取得进展的速度。操作者初期应用机器人辅助技术进行髋关节置换术难免会增加手术时间,但手术时间很快便出现下降拐点并稳定下来。1998年的一项多中心实验研究发现,应用Robodoc机器人辅助THA手术时间从第1个病例的240 min迅速下降到之后的90 min,平均比常规人工操作增加30 min(主要消耗在骨准备与机器注册)[6]。在半自动机器人中,臼杯置入占总手术时间5%～7%,髋臼注册时间约占10%[13]。应用机器人辅助THA髋臼杯定位的学习曲线为12～35例[22-23],目前未发现有研究对机器人辅助THA学习曲线的系统分析,但一项研究对于机器人辅助TKA的学习曲线分析后得出结论:至少行50次例手术后手术时间得到了改善,在151～200例之间达到稳定手术时间[24]。一定数量的学习例数不可避免,伴随着手术例数的增加,手术时间会呈现相应的下降趋势,但这并不会影响置入假体的精准性。机器人系统智能化的算法使手术流程更加简化、手术更安全,一定程度上缩短了低年资的医生学习手术的年限。

5 小结与展望

机器人辅助技术在关节置换领域发展势头迅猛,无论国外还是国内,都显示了医生和患者对此技术的关注度显著上升[25]。作为一项逐渐兴起的新技术,无论何种类型的机器人系统,都是基于患肢的解剖结构来制定手术方案;一些研究表明,机器人辅助THA在软组织的平衡及关节力线的恢复方面已较传统THA初步凸显出优势,同时置入假体位置精度、稳定性也得到了提升[26]。假体位置准确度的提升是否带来了更好的功能结果,仍是争议之点。有研究表明[27]使用机器人行THA,术后Harris髋关节评分和西安大略和麦克马斯特大学(the Western Ontario and McMaster Universities,WOMAC)骨关节炎指数差异无统计学意义;Clement等[28]发现了机器人组的术后一般健康状况或满意度差异无统计学意义,但术后髋关节特异性功能结果更大、关节遗忘评分更高;之后的一些研究也表明,使用机器人辅助技术行THA,中、短期术后随访能获得较高的患者满意度[29-30]。这提示接受机器人辅助技术进行THA可能获得更好的关节功能恢复。

虽然使用机器人费用成本较昂贵,但是术后患者疼痛小、类镇痛消耗少、物理治疗需求少、功能恢复快及住院时间短[31-32]。住院时间及医疗用品消耗的减少就意味着此处的费用会抵消掉一部分机器人辅助技术所带来的额外影像学检查、一次性耗材及人工费用等。笔者认为,此项技术在国内尚未广泛应用,如若应用机器人辅助技术进行关节置换的数量增加到一定比例后,可能会呈现出费用下降的拐点。

机器人是多学科技术整合下的产物,其本身需要多元化发展,受当前科学技术发展程度的限制,一些存在的不足仍需要优化:(1)机器人构成模块占用空间较大,对无菌原则构成一定威胁;(2)侵入性切口隐性增加了感染的风险。术中(以Mako机器人为例)使用探针进行髋臼注册时可因患肢骨质复杂或术者经验不足而出现注册假象(探针需真切刺于骨面,但由于未真实穿透骨皮质或刺于软骨面造成数据偏差),最终致假体置入位置偏离预期;(3)注册过程繁琐,导致部分患者难以耐受手术时长和机器产生的噪声,会对医生造成听力损伤以及额外辐射暴露[33];(4)各机器人系统需搭配特殊型号假体使用,存在一定的局限性;(5)对于复杂病例仍需要转为人工手术操作;(6)在术前、术中规划时缺乏髋关节-骨盆-脊柱的动态显示,这关系到置入假体的稳定性。随着近几年来机器人辅助技术系统不断的优化,其可以逐渐应用在具有高挑战性的融合髋关节置换及髋关节发育不良(developmental dysplasia of the hip,DDH)病例中[34-35]。当机器人辅助系统成为关节外科医生的感官延伸工具后,不仅要做到置入物个性化,同时在AI大趋势下,发展兼备简易、便携、精准算法的操作装置是必要的。

综上所述,使用机器人辅助技术能够显著提升假体放置的精度,在术后相关并发症发生率的统计数据上较传统THA也有一定程度的下降。机器人辅助技术虽尚处于发展阶段,在安全性、可行性等方面仍需去优化,但一些小样本、单中心临床研究的结果提示了机器人辅助技术能够为外科医生提供一个强大而可靠的工具来解决隐蔽的操作以保证最佳临床结果,关于术后功能方面的优势仍需要进一步高质量的大样本、多中心临床研究来证实。另外,机器人辅助技术昂贵的费用也会随着其在未来的广泛应用进而出现下降的拐点,届时会提供更多充足的临床证据来支持其应用价值。机器人辅助关节置换已初步展现出了技术优势,虽不能说完美,但未来一定会更好;同时,要通过设计更加智能的算法及更加简易、安全、精准的操作进而实现“人机一体”,进行更进一步的探索。