曾田勇

自貢市第四人民醫(yī)院 手術(shù)室，四川自貢 643000

骨科機(jī)器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)輔助股骨頸骨折空心螺釘內(nèi)固定術(shù)的應(yīng)用

曾田勇

自貢市第四人民醫(yī)院 手術(shù)室，四川自貢 643000

目的 探討骨科機(jī)器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)輔助股骨頸骨折空心螺釘內(nèi)固定術(shù)的應(yīng)用效果。方法 機(jī)器人主控系統(tǒng)首先建立股骨頸骨折經(jīng)皮空心釘內(nèi)固定的有限元模型，醫(yī)生在定位執(zhí)行系統(tǒng)的引導(dǎo)下完成手術(shù)操作。結(jié)果 23例手術(shù)均達(dá)到骨折解剖復(fù)位，直徑3mm的導(dǎo)針最大平行度偏差值＜1.2mm；C臂透視時(shí)間15.7s，平均照射次數(shù)23.1次。結(jié)論 機(jī)器人輔助創(chuàng)傷骨科手術(shù)定位精確、固定可靠、操作安全，同時(shí)極大地減少術(shù)中患者及醫(yī)護(hù)人員X線照射時(shí)間，有效地減小了輻射傷害。

骨科機(jī)器人；導(dǎo)航定位系統(tǒng)；股骨頸骨折；空心螺釘

股骨頸骨折是好發(fā)于老年人的下肢骨折，極易發(fā)生骨折不愈合及股骨頭壞死[1]；臨床上大多數(shù)病人通過牽引和閉合復(fù)位內(nèi)固定手術(shù)能夠達(dá)到骨性愈合。Schep等[2]研究發(fā)現(xiàn)術(shù)中固定螺釘?shù)木_位置和方向與骨折的穩(wěn)定性、是否發(fā)生再移位和骨折愈合等預(yù)后情況密切相關(guān)，然而由于人手操作的不穩(wěn)定性使得骨科醫(yī)生很難保證每一顆螺釘都處于最佳位置。機(jī)器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)由影像學(xué)、信息科學(xué)、機(jī)器人技術(shù)、遙控技術(shù)等高新技術(shù)組合而成，為股骨頸空心螺釘置入提供了良好的操作平臺(tái)，使手術(shù)更微創(chuàng)、精確、安全，患者痛苦小、恢復(fù)快，顯著提高創(chuàng)傷骨科治療效果，滿足了廣大患者及醫(yī)生對(duì)手術(shù)安全性和有效性的要求[3]。

1 材料與方法

1.1 一般資料

對(duì)我院收治的23例股骨頸骨折患者利用骨科機(jī)器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)輔助行空心螺釘內(nèi)固定術(shù)，其中男13例，女10例，平均年齡53.0歲。

1.2 骨科機(jī)器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)

骨科機(jī)器人是北京天智航醫(yī)療科技股份有限公司設(shè)計(jì)研發(fā)的，其輔助微創(chuàng)系統(tǒng)，由主控系統(tǒng)（控制臺(tái)）、定位執(zhí)行系統(tǒng)（機(jī)器人）、TC-6智能導(dǎo)航手術(shù)平臺(tái)及德國西門子C臂透視機(jī)4部分組成（圖1）。該系統(tǒng)采用穩(wěn)定可靠的分級(jí)控制方式，即機(jī)器人每一次任務(wù)的執(zhí)行都完全遵從“感知—規(guī)劃—執(zhí)行”的控制流程。其中“規(guī)劃”部分由主刀醫(yī)生在操作臺(tái)根據(jù)C臂透視的圖像控制完成；機(jī)器人接受醫(yī)生指令執(zhí)行空間定位功能，不具有任何的自主意識(shí)。這種控制方式配合手動(dòng)干預(yù)的控制策略保障系統(tǒng)具有充分的可靠性和安全性。

圖1 骨科機(jī)器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)

1.3 骨科機(jī)器人操作流程

骨科機(jī)器人的操作流程，見圖2。通過信號(hào)傳輸線將機(jī)器人導(dǎo)航的主控系統(tǒng)、定位系統(tǒng)和C臂透視機(jī)連接。接通電源，開啟定位系統(tǒng)。根據(jù)病人的手術(shù)部位，選擇左側(cè)或右側(cè)標(biāo)尺妥善安裝；要求標(biāo)尺接合緊密，不能有縫隙或松動(dòng)，且遠(yuǎn)端不能隨意晃動(dòng)?？刂贫ㄎ粓?zhí)行系統(tǒng)復(fù)位提示運(yùn)行到位后，點(diǎn)擊“開始校驗(yàn)”，當(dāng)定位裝置運(yùn)行至校驗(yàn)位置，安裝校驗(yàn)桿，檢查標(biāo)尺裝配是否正確，若有偏差需調(diào)整標(biāo)尺并重新安裝。進(jìn)行右側(cè)手術(shù)時(shí)，定位執(zhí)行系統(tǒng)擺放于患者右側(cè)，扶手端朝向患者腳部，標(biāo)尺朝向頭部，C臂機(jī)擺放在兩腿之間；橫臂運(yùn)動(dòng)方向應(yīng)與股骨干縱軸基本平行；調(diào)節(jié)定位執(zhí)行系統(tǒng)的高度，使標(biāo)尺側(cè)位的標(biāo)記點(diǎn)與股骨頸位于同一高度，標(biāo)尺正位標(biāo)記點(diǎn)位于股骨頸前方。左側(cè)手術(shù)同理。骨折復(fù)位后拍攝并采集正、側(cè)位透視圖像各一幅，存儲(chǔ)備用。要求正、側(cè)位股骨頭、股骨頸、股骨大小粗隆均清晰可見；股骨頸軸線盡可能保持水平；空間定位8個(gè)點(diǎn)均清晰易辨認(rèn)。正、側(cè)位固定復(fù)位牢固可靠，避免術(shù)中出現(xiàn)骨折錯(cuò)位；若由于各種原因?qū)е峦敢晥D像存在不同程度失真，需進(jìn)行校正。

圖2 骨科機(jī)器人操作流程

定位計(jì)算是軟件的核心功能，它直接影響空間定位的準(zhǔn)確性。正、側(cè)位圖像的標(biāo)記點(diǎn)均分為大、小坐標(biāo)系兩種，需要識(shí)別每個(gè)點(diǎn)的中心及序號(hào)。通過手工點(diǎn)取或軟件自動(dòng)識(shí)別的方法，提取圖像中的特征信息，如標(biāo)記點(diǎn)、股骨頸軸線和截面等位置信息，利用軟件計(jì)算股骨頸空心釘進(jìn)針點(diǎn)的空間位置。勾畫出股骨頭、股骨頸輪廓線，繪制截面線，設(shè)計(jì)輔助線，完成手術(shù)路徑規(guī)劃，虛擬仿真手術(shù)結(jié)果（圖3）。模擬顯示僅為空心釘置入效果參考，實(shí)際效果應(yīng)以透視圖像為準(zhǔn)；當(dāng)仿真結(jié)果與預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)有偏差時(shí)，可通過微調(diào)功能調(diào)整進(jìn)針路線，保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖3 采集圖像后處理過程

軟件通過串口發(fā)送指令，控制導(dǎo)航機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到規(guī)劃手術(shù)路徑位置。安裝導(dǎo)向套筒；按照套筒指示術(shù)區(qū)位置切開表皮，鈍性分離切口深處軟組織，在導(dǎo)向筒內(nèi)插入破筋膜導(dǎo)針直至骨面；然后打入導(dǎo)針，通過透視驗(yàn)證導(dǎo)針路徑，確認(rèn)后置入導(dǎo)針。退出導(dǎo)向套筒，控制定位執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)至其他導(dǎo)針位置，依照上述操作置入第2～3枚導(dǎo)針。

2 結(jié)果

23例手術(shù)患者術(shù)后拍片顯示均達(dá)到骨折解剖復(fù)位；直徑3mm的導(dǎo)針最大平行度偏差值＜1.2mm；C臂透視時(shí)間15.7s，平均照射次數(shù)23.1次。收集整理資料，計(jì)算每例患者任意兩枚導(dǎo)針在股骨頸入點(diǎn)和出點(diǎn)的距離，定位精度在0.8～1.2mm之間。

3 討論

股骨頸骨折復(fù)位內(nèi)固定技術(shù)要求嚴(yán)格，骨科醫(yī)生應(yīng)具備良好的三維解剖及放射學(xué)概念。同時(shí)，內(nèi)固定物置入位置要求準(zhǔn)確，入點(diǎn)的選定及最佳位置的置入是手術(shù)操作中的難點(diǎn)[4]。骨科機(jī)器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字化醫(yī)學(xué)影像的高速處理及控制能力，在骨外科手術(shù)的精確規(guī)劃模擬、目標(biāo)靶點(diǎn)準(zhǔn)確定位、手術(shù)微創(chuàng)化等新型診療方面具有廣闊的研究與應(yīng)用前景[5]，增加了外科醫(yī)生對(duì)復(fù)雜、危險(xiǎn)手術(shù)的信心，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，利于患者康復(fù)[6]。閉合復(fù)位內(nèi)固定手術(shù)中，有效的牽引和準(zhǔn)確的復(fù)位是手術(shù)成功的關(guān)鍵[7]。機(jī)器人主控系統(tǒng)通過參考術(shù)中手術(shù)部位的正、側(cè)位X光片，仿真手術(shù)路徑，設(shè)計(jì)植入物的位置、數(shù)目，螺釘?shù)拈L(zhǎng)度及角度來建立股骨頸骨折經(jīng)皮空心釘內(nèi)固定的有限元模型。手術(shù)醫(yī)生在定位執(zhí)行系統(tǒng)的引導(dǎo)下逐步完成操作，使手術(shù)更精確，固定更穩(wěn)固，操作更安全。傳統(tǒng)復(fù)位操作過程中，醫(yī)生需要不斷地進(jìn)行X線照射，以確保復(fù)位的正確性[8]，使患者及醫(yī)護(hù)人員長(zhǎng)時(shí)間暴露在射線下，對(duì)人體損害較大[9-11]（表1）。

表1 使用骨科機(jī)器人與傳統(tǒng)方式空心釘置入所需X線時(shí)間及C臂照射次數(shù)

4 結(jié)論

機(jī)器人輔助創(chuàng)傷骨科手術(shù)定位精確、固定可靠、操作安全，使得照射次數(shù)明顯減少，同時(shí)極大地減少術(shù)中患者及醫(yī)護(hù)人員X線照射時(shí)間，有效地減小了輻射傷害。

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Application of the Orthopedics Robot Navigation Positioning System in Assistance of Hollow Screw Internal Fixation for Femoral Neck Fractures

ZENG Tian-yong
Operation Room, Zigong No.4 People’s Hospital, Zigong Sichuan 643000, China

Objective To explore the effectiveness of application of the orthopedics robot navigation positioningsystem in assistance of hollowscrew internal fixation for femoral neck fractures.Methods Firstly, the main controlsystem of the robot would establish a FEA （Finite Element Analysis） model of percutaneous hollowscrew internal fixation for femoral neck fractures. Then, physicians could perform thesurgeries under the guidance of the positioning implementationsystem. Results Anatomical reduction of fractures was achieved in all the 23cases ofsurgeries. Thedeviation of the maximumdegree of parallelism was less than 1.2mm for the guide pin （diameter：3mm）. The C-arm fluoroscopy time was 15.7s；while, the average number of radiation times was 23.1. Conclusion The robot-assisted trauma orthopedicssurgery proven its advantages of accurate positioning, reliable fixation andsafe operation, which could greatly and effectively reduce the intra-operative X-ray exposure time and radiation harm for patients and medicalstaff.

orthopedics robots；navigation positioningsystems；femoral neck fractures；hollowscrews

TP242.6

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.08.036

1674-1633（2015）08-0111-03

2015-01-17

修回日期：2015-03-04

作者郵箱：zengty-1985@163.com