蘇日力格，劉 旭，徐 哲，宋 亞，馮 衛(wèi)

（吉林大學白求恩第一醫(yī)院，吉林長春130000）

機器人手術在關節(jié)外科中的應用進展

蘇日力格，劉 旭，徐 哲，宋 亞，馮 衛(wèi)

（吉林大學白求恩第一醫(yī)院，吉林長春130000）

0 引言

機器人手術（robotic surgery）是一種通過整合醫(yī)學成像、計算機及機器人等技術，在術前制定合理手術方案，術中使用機器人來完成復雜手術操作的一種手術方式．它要求在保證手術安全性的前提下，得到更好的解剖定位，提高手術精度．隨著下肢力線、軟組織平衡及假體位置等手術因素對髖、膝關節(jié)置換中重要性的發(fā)現(xiàn)，關節(jié)外科醫(yī)生開始追求更高的操作標準，而經(jīng)過20余年發(fā)展的機器人手術憑借其高精度規(guī)劃和程序自動化運動能力正適應了這項要求，近年的手術例數(shù)及相關研究數(shù)量明顯增加．本文將就機器人手術的操作原理及在人工關節(jié)置換手術中的應用現(xiàn)狀進行綜述．

1 機器人手術的操作原理

機器人手術主要由機器人手術系統(tǒng)、上位機控制系統(tǒng)和視覺反饋系統(tǒng)三部分組成．視覺系統(tǒng)通過攝像頭將圖像信息實時呈遞給上位機控制系統(tǒng)進行處理，機器人手術系統(tǒng)根據(jù)處理后的信息進行切割操作［1］．一次完整的機器人手術一般由手術計劃和手術操作兩部分完成．在進行手術計劃時，根據(jù)是否需要影像學結果支持可將手術機器人分為影像依賴和獨立成像兩類［2］．影像依賴的系統(tǒng)需要患者在術前進行CT、MRI等影像檢查，然后根據(jù)影像結果建立3D模型，在術前模擬截骨、假體擺放、畸形矯正等以指導整個手術計劃．獨立成像系統(tǒng)在術中由手術機器人通過識別人工植入的解剖標記位點來進行實時成像．手術操作一般由機器人和醫(yī)生隨著手術計劃進行操作，并根據(jù)術中具體情況調(diào)整手術方案，最終完成手術．Picard等［3］通過總結常見手術機器人的手術操作，按其使用方法分為主動型、半主動型和被動型3類．主動型指手術機器人按術前計劃自主完成截骨、擴髓等手術操作，術者不參與其中，以美國ISS（Integrated Surgical Systems）公司的 ROBODOC系統(tǒng)為代表．半主動型指醫(yī)生在機器所約束的范圍內(nèi)進行手術操作，通過視、聽、觸覺等反饋來防止術者過度操作，是目前關節(jié)外科所采用機器人的主流形式，以Stryker公司的MAKO系統(tǒng)應用最廣泛．被動型則是手術機器人提供定位、導向、導航等操作，醫(yī)生在其輔助下完成手術，機器人本身不進行手術操作，如Praxim Medivision公司的Praxiteles系統(tǒng)等．機器人手術的核心是在不同歷史進程、操作理念及技術支持下的操作系統(tǒng)，大體上可以按是否與導航技術相結合將其分為第一代與第二代機器人手術系統(tǒng)．

2 機器人手術在關節(jié)外科中應用的發(fā)展歷史

美國ISS公司于1991年共同研發(fā)的早期ROBODOC系統(tǒng)是最初應用于關節(jié)外科手術的半主動型手術機器人，其術前需要在體內(nèi)植入鈦針，通過CT掃描建立模型，術中醫(yī)生手動導引搜索鈦針位置，從而獲得術前、術中股骨的匹配．該系統(tǒng)于1992年成功應用于1例64歲男性患者，成為世界首例機器人輔助下關節(jié)外科手術．雖然1994年歐盟證實了該系統(tǒng)在德國應用的安全性［4］，但術后并發(fā)癥發(fā)生率依然較高．直到經(jīng)過改良的ROBODOC系統(tǒng)變?yōu)橹鲃有褪中g機器人，不再依賴植入物與CT定位，使用機器人代替人工操作，才使術后并發(fā)癥明顯減少，同時手術精確度也得到了明顯提高．目前，ROBODOC系統(tǒng)完成的關節(jié)置換手術在世界范圍內(nèi)已經(jīng)超過28 000例，手術適應癥也從最初的非骨水泥型全髖關節(jié)置換擴展到全膝關節(jié)置換、全髖關節(jié)翻修手術．

1997年德國Ortomaquet公司研制的可用于髖、膝關節(jié)置換的 CASPAR（computer assisted surgical planning and robotics）系統(tǒng)，其操作原理與ROBODOC系統(tǒng)基本一致．Sierbel等［5］報道，在全膝關節(jié)置換術中使用CASPAR系統(tǒng)可以提高脛股對線．Wu等［6］研究發(fā)現(xiàn)與人工全髖關節(jié)置換術相比，CASPAR系統(tǒng)提高了假體33%的骨皮質(zhì)貼附程度．但之后的研究暴露出了該系統(tǒng)的術后并發(fā)癥發(fā)生率較高［7］，由于潛在的風險遠高于預期收益，該系統(tǒng)之后不再應用于臨床．

倫敦帝國學院于2001年開發(fā)的用于全膝關節(jié)置換和單髁置換手術的Acrobot系統(tǒng)是手術機器人歷史上的重要轉折點．它通過CT完成術前計劃，不再需要額外的術前標志物植入操作，術者在預設的安全范圍內(nèi)進行操作，通過觸覺反饋來提示術者．這種安全有效的操作方法為后續(xù)手術機器人系統(tǒng)提供了重要參考．

以早期ROBODOC系統(tǒng)為代表的第一代手術機器人，由于技術支持不足、操作繁瑣、術后并發(fā)癥發(fā)生率過高等原因不得不進行技術更新或退出歷史舞臺．新一代手術機器人如MAKO、iBlock、Navio PFS系統(tǒng)，通過與導航技術結合，在最新計算機技術的支持下，其安全性和精確性得到了很大提升，正被快速地推廣應用．

Stryker公司的MAKO系統(tǒng)是目前應用范圍最廣的半主動型手術機器人，可用于單髁、全膝及全髖關節(jié)置換術．它通過術前CT掃描設計手術計劃，術中依據(jù)個體化模型實時校正，在觸覺反饋系統(tǒng)下防止過度操作［8］，其安全性和準確性得到了大量相關研究的支持．

OMNI公司的iBlock系統(tǒng)是主要用于全膝關節(jié)置換手術的獨立成像系統(tǒng)，術者根據(jù)術中實時成像進行截骨操作．一項對100例使用該系統(tǒng)進行手術的回顧性研究顯示，98例患者的截骨角度較最佳位置在3°范圍以內(nèi)，這說明了該系統(tǒng)在手術精度上的優(yōu)越性［9］．但由于該系統(tǒng)缺乏完善的反饋系統(tǒng)，需使用特定類型的假體，術后評估手段不足等原因，使其進一步應用受到限制．

Smith＆Nephew公司的Navio PFS系統(tǒng)是主要用于單髁關節(jié)置換手術的半主動型系統(tǒng)，其手術計劃不依賴術前CT掃描，術中借助紅外攝像頭導航手術操作．研究［10］表明應用該系統(tǒng)安置的假體位置良好，旋轉及力線誤差均很低．但其應用范圍有限，對于其臨床效果、術后并發(fā)癥等方面的研究尚缺乏．

雖然新一代手術機器人在關節(jié)外科手術中的優(yōu)勢正逐漸被認可，但其真正實踐的時間還不足10年，還有許多問題亟待解決．

3 機器人手術在關節(jié)外科的應用現(xiàn)狀

3．1 全膝關節(jié)置換術 全膝關節(jié)置換術（total knee arthroplasty，TKA）要求術中精確的截骨操作、合適的假體選擇與良好的軟組織平衡，并重建下肢力線，以保證術后良好的假體穩(wěn)定性及功能恢復．一項meta分析［11］指出，截骨、假體選擇及軟組織平衡等手術因素控制不當會導致如無菌性松動、聚乙烯磨損、假體下沉、術后疼痛等不良結果的產(chǎn)生，并使假體遠期壽命減少．Liow等［12］的研究顯示，與傳統(tǒng)人工關節(jié)置換相比，機器人輔助關節(jié)置換者的下肢力線位置與關節(jié)對位水平更佳，與Kim等［13］的研究結果相符，同時Liow等研究對兩者術后6個月隨訪時的功能恢復情況、KSS評分等的評估發(fā)現(xiàn)沒有明顯差異．但Liow等［14］通過進一步隨訪發(fā)現(xiàn)機器人手術者的在術后2年的功能恢復更佳．在軟組織平衡方面，Song等［15］發(fā)現(xiàn)機器人手術者的屈伸間隙能夠控制在2 mm范圍內(nèi)，表現(xiàn)更佳．現(xiàn)有的研究結果雖然在機器人手術能夠提高手術精度上得到了相似的結論，但因設計缺陷、樣本數(shù)量、標準不統(tǒng)一等原因，其在臨床效果上的結論尚存在爭議，而且由于機器人手術的發(fā)展時間尚短，有待更多的臨床研究及遠期隨訪進一步驗證．

3．2 膝關節(jié)單髁置換術 與全膝關節(jié)置換術相比，膝關節(jié)單髁置換術（unicompartmental knee arthroplasty，UKA）的手術因素與術后功能恢復、并發(fā)癥等的聯(lián)系更為緊密，機器人手術高精度的優(yōu)勢使其在該術式上得到迅速推廣．Dunbar等［16］應用MAKO系統(tǒng)完成的20例手術顯示其假體位安放后在各方向上無明顯旋轉偏移，位置良好，患者術后功能恢復良好．Lonner等［17］和 Smith 等［18］分別獨立地采用 Navio PFS 系統(tǒng)完成的手術也得出了同樣的結論．Citak等［19］則通過尸體解剖研究證實了機器人輔助手術者的假體位置擺放的精確性，這與Lonner等［20］通過臨床觀察31名使用MAKO系統(tǒng)的患者所得結果相同．在與傳統(tǒng)人工手術的比較中，Cobb等［21］使用 Acrobot系統(tǒng)的實驗顯示，機器人輔助手術者的下肢力線對位情況更佳．MacCallum等［22］發(fā)現(xiàn)機器人輔助手術在冠狀面和脛骨平臺上的假體位置更優(yōu)．在軟組織平衡方面，Plate等［23］使用 MAKO系統(tǒng)的52例手術與術前相比，膝關節(jié)內(nèi)側間室骨關節(jié)炎患者的內(nèi)外側韌帶不平衡，術后可最多減少0．53 mm，有利于恢復韌帶緊張程度及康復功能鍛煉．Coon等［24］則報道了第一個關于機器人輔助單髁置換術的短期隨訪，跟蹤了854例患者，生存率為98．9%，滿意度為92%，高于傳統(tǒng)人工手術的數(shù)據(jù)，但由于隨訪時間不足2年，進一步的可靠結論尚需時日．單髁置換的研究因手術基數(shù)大使其研究相對豐富，除了對手術精度的深入研究，大樣本的長期隨訪也在進行中，這顯示了人們對機器人手術在該領域應用的認可與期望．

3．3 全髖關節(jié)置換術 全髖關節(jié)置換術（total hip arthroplasty，THA）要求假體的早期穩(wěn)定性，并要警惕術后脫位的發(fā)生，這些需通過假體的良好安置及盡可能重建周圍軟組織來實現(xiàn)．手術機器人在THA中的作用在于準確擺放假體并得到緊密的骨皮質(zhì)帖附．EL等［25］比較了髖臼擺放位置、下肢長度差異、偏心距等方面與傳統(tǒng)人工全髖關節(jié)置換的差異，發(fā)現(xiàn)機器人輔助全髖關節(jié)置換術可以明顯提高精確度．同時，lllgen等［26］也通過與傳統(tǒng)人工手術比較發(fā)現(xiàn)機器人輔助手術可以提高71%的精確度，并明顯減少2年內(nèi)術后脫位率．Lim等［27］也報道了機器人輔助手術與傳統(tǒng)人工手術相比有著更高的手術精確度，但術后1年隨訪結果顯示，兩者在功能恢復方面無差異．而另外一項單中心回顧性研究［28］在對患者進行平均2年的遠期隨訪時卻發(fā)現(xiàn)，機器人輔助手術者比傳統(tǒng)人工手術者的UCLA及mHHS評分更高，這提示患者選擇機器人輔助全髖關節(jié)置換術可能使功能得到更好恢復，有待進一步研究證實．Tsai等［29］在對假體周圍軟組織重建的研究顯示不論人工還是機器人輔助均無法完整恢復髖關節(jié)的生物結構，但機器人輔助的更高精確度提示了在重建生物解剖上的潛在優(yōu)勢．出于對學習過程中可能存在的并發(fā)癥過高的擔憂，Kamra等［30］通過對髖臼側假體位置的測量，比較了醫(yī)生學習計算機導航手術、機器人手術時和傳統(tǒng)人工全髖關節(jié)置換手術的不同，發(fā)現(xiàn)學習計算機導航手術的醫(yī)生在能夠精確安置假體前有明顯的學習曲線存在，學習機器人手術者的手術效果在學習期間就可以得到明顯提高．總之，機器人輔助手術在全髖關節(jié)置換術中應用的效果確切，相關遠期研究值得期待．

4 結論與展望

隨著手術機器人技術的發(fā)展，手術時間長、學習曲線久及術后并發(fā)癥發(fā)生率高的問題得到了一定程度的緩解．盡管機器人手術在精度上的表現(xiàn)正得到廣泛認可，但仍有很多學者對其操作靈活性欠佳、維護費用過高等存有顧慮［30－32］，還有人對機器人輔助手術的術前影像檢查給患者所帶來的額外費用及潛在的放射性風險產(chǎn)生疑慮［33］．在高等級循證醫(yī)學證據(jù)尚缺乏的情況下，由于各研究所采用的系統(tǒng)不同、評價標準不一、手術流程差異等原因，導致研究結論之間存在不一致的情況．而新一代機器人手術因應用時間尚短，還有待進一步研究的論證．

就手術機器人自身的發(fā)展而言，受當前人工智能、機械工業(yè)、導航系統(tǒng)等技術條件的制約，使半主動型的機器人成為主流，但仍應對其他兩型保持關注．從機器人手術的應用現(xiàn)狀看，它在提高手術精度并減少人為誤差的基礎上，得到了滿意的術后效果，患者表現(xiàn)出了更傾向選擇該手術的意愿［35－36］．同時，精確的假體位置擺放及合適的軟組織平衡代表著更好的遠期假體壽命［37－38］．隨著3D 打印、計算機導航等新技術的出現(xiàn)，與其相結合的機器人手術正朝著低成本、易操作、個體化等方面多元發(fā)展．未來假體個體化設計工藝的發(fā)展及相應高難度的手術操作要求［36］，也將更有利于機器人手術的推廣應用．

綜上，可以看到目前手術機器人的整體效果滿意，值得推廣．但是機器人手術尚處于發(fā)展階段，仍存在安全性、可行性、倫理等方面的問題，有待進一步的研究進行討論．這不僅需要更多設計完善的遠期研究支持，還有待機器人手術自身的進步，使理論與實踐互相推動，以繼續(xù)保持其優(yōu)勢和完善不足．機器人手術的未來在于保持其精準性的前提下，繼續(xù)擴大手術適應癥以完成關節(jié)翻修手術等復雜操作，并完善其通用性、個體化、便利化等方面的操作體驗，以減少學習曲線、縮短手術時間、提高性價比與臨床效果，提高患者與醫(yī)生的滿意度，促進其應用與發(fā)展．

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Research progresson theapplication of robotic surgery in joint surgery

SU Ri-Li-Ge， LIU Xu， XU Zhe， SONG Ya， FENG Wei
Bethune First Hospital of Jilin University， Changchun 130000，China

Robotic surgery has been applied in joint surgery for more than 20 years，and the detailed surgical plan and the standardized operation of robot can ensure the accurate placement of prothesis in arthroplasty，which can improve the accuracy of operation， and get a good clinical effect．But in the early attempts，robotic surgery has not been widely used because of its long operation time，high postoperative complications and high cost and low performance．In recent years， a new generation of surgical robot combined with navigation technology has overcome the problems in different degrees．Robotic surgery began to be noticed again with the increase of the operating requirements and in-depth understanding of the surgical precision from surgeons．The surgery cases are increasing， along with the rise of related research．The review will summarize the operation principle and development history of robotic surgery，discuss the current application status of robotic surgery in joint surgery，and the existing advantages and disadvantages so as to predict the future development trend of robotic surgery．

robotic surgery； total knee arthroplasty； unicompartmental knee arthroplasty；total hip arthroplasty

機器人手術在關節(jié)外科中的應用歷史已有20多年，它通過詳細的手術計劃及規(guī)范化的機器人操作來保證關節(jié)置換手術中假體的精確擺放，以提高手術精度，并得到良好的臨床效果．但在早期嘗試中，機器人手術因手術時間較長、術后并發(fā)癥高、性價比不高等原因未能得到廣泛應用．近年來，與導航技術結合的新一代手術機器人在不同程度上克服了以往存在的問題．隨著關節(jié)外科醫(yī)生對手術操作理解的深入及手術精度要求的提高使機器人手術再次受到關注，其手術應用例數(shù)正逐漸增加，相關研究隨之興起．在此背景下，本研究將簡述機器人手術操作原理及其發(fā)展歷史，總結目前關節(jié)外科中機器人手術的應用現(xiàn)狀，并對其現(xiàn)存優(yōu)勢與不足作出討論，以預測未來機器人手術的發(fā)展趨勢．

機器人手術；全膝關節(jié)置換術；膝關節(jié)單髁置換術；全髖關節(jié)置換術

R45

A

2095-6894（2017）12-77-04

2017－07－13；接受日期：2017－07－25

吉林省衛(wèi)生計生委項目（2015Z031）；吉林省科技廳項目（20160101131JC）

蘇日力格．碩士．研究方向：關節(jié)外科．E-mail：suissaint＠ gmail．com

馮 衛(wèi)．博士，副教授．研究方向：人工關節(jié)置換和四肢骨腫瘤的手術治療． E-mail：doctorfengwei＠ 126．com