蔡顯義 丁秋月 劉先哲 楊述華

近年來，計算機導航技術在骨科領域取得了重大進展，尤其在關節(jié)外科方面，人工關節(jié)置換在計算機導航手術的幫助下，可以嚴格把握假體位置的準確性，使其精確匹配，從而延長人工關節(jié)的使用壽命、更好地提高關節(jié)功能[1]。自 2003 年，法國研究人員 Jenny 等[2]首次報道將計算機導航系統(tǒng)應用于膝關節(jié)單髁置換 ( unicompartmental knee arthroplasty，UKA ) 以來，不斷有學者進行相關臨床研究報道?，F就計算機導航系統(tǒng)在 UKA 術中的研究進展綜述如下。

一、膝關節(jié)導航系統(tǒng)的歷史

導航技術的起源可追溯到 20 世紀初，神經外科醫(yī)生Clarke 首先應用一種體外瞄準系統(tǒng)，以一張解剖圖為參照對顱內的病灶進行定位。雖然不能進行高度精準的定位，但卻包含了現代導航系統(tǒng)的基本特征－坐標系和虛擬圖像。其后，隨著這一技術的不斷成熟，以解剖為基礎的注冊、術中光學傳感以及輔助定位技術的應用，使其在骨外科領域的應用成為可能[1]。

計算機導航系統(tǒng)在骨外科領域的應用是從脊柱外科開始的，1992 年 Lavallée 等[3]首次完成了椎弓根螺釘導航系統(tǒng)的實驗室開發(fā)和應用。而膝關節(jié)手術導航系統(tǒng)的研究最先在法國展開，1993 年 Saragaglia[4]小組率先進行無需影像資料的膝關節(jié)手術導航系統(tǒng)的研發(fā)，并于 1997年首次在臨床應用于人工膝關節(jié)置換手術。自 1998 年開始，計算機導航下進行的人工全膝關節(jié)置換術被歐美廣泛使用，2001 年 Orthpilot 膝關節(jié)導航系統(tǒng)獲得美國 FDA 認證[5]。2003 年法國研究人員 Jenny 等首次報道了將計算機導航系統(tǒng)應用于 UKA，他們發(fā)現與傳統(tǒng)手術相比，計算機導航能明顯提高假體放置的精確性[2]。2007 年，我國學者喻忠等[6]在國內首次報道了計算機導航下 UKA，他們認為計算機導航系統(tǒng)的應用解決了微創(chuàng)小切口膝關節(jié)單髁置換術 ( minimai incision sugery unicondyiar knee arthropiasty，MIS-UKA ) 操作中視野的局限，同時可以實時、動態(tài)地觀察下肢力線變化、膝關節(jié)假體旋轉對位和軟組織韌帶平衡情況，并提供幾何學和形態(tài)學資料，對膝關節(jié)進行生物力學和解剖學的重建，提高了假體放置的精確性，使骨質和假體之間有了最大的貼合度，具有重要的臨床價值。

二、計算機導航系統(tǒng)的組成及分類

計算機導航系統(tǒng)構成主要有以下 4 部分：( 1 ) 導航手術工具：可發(fā)射或反射光信號的手術器械；( 2 ) 手術工具示蹤器：用于接收光電信號，從而監(jiān)測及追蹤手術器械的位置；( 3 ) 導航系統(tǒng)顯示屏：術中實時反映手術器械的位置；( 4 ) 工作站：將虛擬坐標系與實際坐標系通過計算匹配[7]。

計算機導航系統(tǒng)的分類方式多種多樣。按導航工具與手術環(huán)境交互方式的不同可分為：主動式、被動式和半主動式導航系統(tǒng)。主動式由術者術前設計手術計劃，術中由機器人自動地完成手術操作，不需要手術醫(yī)生的人工干預。被動式是指系統(tǒng)為術者提供手術工具與解剖結構之間的空間位置的可視性信息，協(xié)助術者準確完成手術操作[8]。半主動式是指術者可控制機械臂的活動范圍，而術者也只能在機器人控制的安全范圍內進行操作，從而確保手術的安全性。按用于對手術器械進行空間定位的信號傳導介質不同可分為：光學定位 ( 紅外線 )、磁定位、聲學定位 ( 超聲波 )、機械定位 ( 機械手 )[7]。根據導航系統(tǒng)影像數據的獲得形式，計算機輔助導航系統(tǒng)又可以分為：基于計算機斷層掃描 ( CT ) 和 MRI 的導航系統(tǒng)、基于熒光透視影像的導航系統(tǒng)、基于解剖學標志的非影像學導航系統(tǒng)[9]。非影像導航系統(tǒng)的優(yōu)勢是可以讓外科醫(yī)生和患者完全避免射線的損害，而其缺點是主要依靠外科醫(yī)生對解剖標志的精準定位，因而取決于外科醫(yī)生的經驗和能力。

三、計算機導航系統(tǒng) ( 被動式導航 ) 在 UKA 中的應用( 表1 )

UKA 術主要用于治療膝關節(jié)單間室骨關節(jié)炎，與全膝關節(jié)置換相比，其擁有小切口、軟組織損傷小、失血少等優(yōu)點[10-11]。假體放置的精確性是影響單髁置換術療效和假體使用壽命的一個重要因素，然而傳統(tǒng)的單髁關節(jié)置換主要依賴機械對線系統(tǒng)完成截骨、假體放置和肢體力線控制，其精確性在很大程度上依賴于術者的經驗，有文獻報道這種傳統(tǒng)單髁置換假體植入的不準確率高達 30%[12-14]。近年來，大量文獻報道利用導航系統(tǒng)可降低手工操作帶來的肢體力線和假體位置誤差，減少因假體位置不良導致的失敗。

1. 前瞻性研究：Cossey 等[15]對 30 例原發(fā)性單間室膝關節(jié)骨關節(jié)炎患者 ( 15 例傳統(tǒng) UKA，15 例導航 UKA ) 進行前瞻性研究，通過測量術后站立位雙下肢全長 X 線片和非負重位 CT 發(fā)現，與傳統(tǒng) UKA 手術相比，計算機導航下 UKA 手術具有更加精確和重復性高的下肢力線修復。Lim 等[16]對 51 例單間室骨關節(jié)炎患者 ( 21 例傳統(tǒng) UKA，30 例導航 UKA ) 進行前瞻性隨機對照研究發(fā)現，計算機導航系統(tǒng)下進行 UKA 手術并不能明顯提高下肢力線的修正率，且術中導航系統(tǒng)測量的數據與術后的影像學數據之間的關聯性較差。Saragaglia 等[17]對 33 例 ( 31 例內側間室骨關節(jié)炎，2 例骨缺血性壞死 ) 進行了 UKA 手術，手術過程中僅采用計算機導航系統(tǒng)行單純脛骨平臺截骨，結果顯示術后患者膝關節(jié)內翻畸形得到明顯糾正，下肢力線恢復。

2. 回顧性研究：Konyves 等[18]回顧性分析了 30 例進行初次 UKA 的患者 ( 15 例傳統(tǒng) UKA、15 例導航 UKA )，分別進行了平均 8.9 年和 6.9 年的隨訪，采用牛津膝關節(jié)評分 ( OKS ) 評估臨床療效，并通過站立位雙下肢全長 X線片及非負重條件下的 CT 檢測分析下肢力線的恢復，結果顯示兩組在臨床療效和影像學測量結果上的差異均無統(tǒng)計學意義。Manzotti 等[19]對 62 例 ( 31 例傳統(tǒng) UKA，31 例導航 UKA ) 患者進行回顧性研究，最低隨訪 6 個月，結果顯示在 KSS、功能評分以及 WOMAC 上，兩組沒有明顯差異，但在脛骨的冠狀面和矢狀面對線上，導航 UKA 假體植入較傳統(tǒng) UKA 更精確，且下肢力線恢復更好。

3. Meta 分析：Weber 等[20]分析 10 個研究的 258 例導航 UKA 和 295 例的傳統(tǒng) UKA 病例，發(fā)現計算機導航能明顯提高假體位置的精確度，盡管更精確的假體位置是否能帶來更好的臨床效果或假體生存率目前仍不清楚，但筆者仍然推薦采用計算機導航進行 UKA 手術。

四、計算機導航系統(tǒng) ( 被動式導航 ) 在微創(chuàng)膝關節(jié)單髁置換中的應用

隨著微創(chuàng)理念在臨床不斷推廣，近年來微創(chuàng) UKA 已成為關節(jié)外科發(fā)展的新技術，但由于手術視野縮小、暴露不充分等原因導致解剖標志定位困難、假體植入精度減低，因而真正意義上的微創(chuàng) UKA 并未得到廣泛應用。目前大部分研究認為計算機導航技術可以進行精確的術前規(guī)劃，術中準確植入假體，提高假體植入的準確度，下肢力線的恢復更可靠，進而延長人工關節(jié)的使用壽命、提供更好的關節(jié)功能[21]。

1. 前瞻性研究：Perlick 等[22]的一項 20 例前瞻性臨床研究發(fā)現，采用 Ci 非影像計算機導航系統(tǒng)進行 UKA，95% 的患者術后下肢力線得到恢復，明顯高于傳統(tǒng)手術方式的 70%，且假體安放的位置精確性更好。Jenny 等[23]對 60 例開放導航 UKA 和 60 例微創(chuàng)導航 UKA 進行前瞻性研究發(fā)現，微創(chuàng)導航 UKA 并沒有降低假體位置的精確性，且并發(fā)癥的發(fā)生與開放導航 UKA 類似，由于研究規(guī)模較小、隨訪時間短，該結論需要得到進一步證實。Rosenberger 等[24]對 40 例原發(fā)性單間室膝關節(jié)骨關節(jié)炎患者 ( 20 例傳統(tǒng)微創(chuàng) UKA，20 例導航微創(chuàng) UKA ) 進行短期的前瞻性隊列研究，結果顯示計算機導航系統(tǒng)能明顯提高截骨的精確度，并降低 UKA 手術中假體位置異常的概率。Seon 等[25]對 64 例進行微創(chuàng) UKA 手術 ( 33 例傳統(tǒng)微創(chuàng) UKA，31 例導航微創(chuàng) UKA )，術后最少隨訪 2 年，結果顯示導航組 UKA 術后下肢力線恢復更好，發(fā)生假體位置異常的概率更低，上述兩種方式下的 UKA 手術均能明顯改善患者的 HSS 和 WOMAC 評分，但導航 UKA 和傳統(tǒng) UKA 患者術后 HSS 評分和 WOMAC 評分之間的差異無統(tǒng)計學意義 ( HSS 評分P＝0.071，WOMAC 評分P＝0.096 )。Ma 等[26]對 98 例 ( 45 例傳統(tǒng)微創(chuàng) UKA，53 例導航微創(chuàng) UKA ) 進行前瞻性研究，術后至少隨訪 1 年，影像學結果顯示導航微創(chuàng) UKA 能明顯提高脛骨側假體的冠狀面對線精度和股骨側假體的矢狀面對線精度，但并不能提高假體對線角的精確度。Weber 等[27]對 40 例 ( 20 例傳統(tǒng)微創(chuàng)UKA，20 例導航微創(chuàng) UKA ) 的一項前瞻性研究發(fā)現，與傳統(tǒng)微創(chuàng) UKA 相比，計算機導航系統(tǒng)并不能提高假體位置的準確度，且兩者術后 16 個月的 KSS 評分沒有明顯區(qū)別，因此他們認為，計算機導航技術可能對實施 UKA 手術較少的外科醫(yī)生開展微創(chuàng)入路 UKA 手術有所幫助。近來，Song等[28]對 68 例 ( 34 例傳統(tǒng)微創(chuàng) UKA，34 例導航微創(chuàng) UKA )進行前瞻性研究，平均隨訪 9 年，臨床評估主要參考膝關節(jié)活動度 ( ROM )、HSS 評分及 WOMAC 評分，影像學主要用來評估下肢力線，結果顯示計算機導航下患者術后假體的冠狀面對線更好，假體位置錯位率更低，臨床評分更高，然而兩者 10 年假體生存率結果類似。

表1 傳統(tǒng)手術與導航輔助下 UKA 的相關研究Tab.1 Studies of knee joint replacement under traditional surgery and navigation-assisted surgery

2. 回顧性研究：Jenny 等[29]一項多中心臨床試驗 ( 87 例傳統(tǒng)微創(chuàng) UKA，49 例導航微創(chuàng) UKA ) 結果顯示，計算機導航系統(tǒng)能顯著提高假體位置的精確性。2008 年，另一項 574 例 UKA 患者的回顧性研究進一步證實了上述結果[30]。Jung 等[31]對 42 例 ( 25 例傳統(tǒng)微創(chuàng) UKA，17 例導航微創(chuàng) UKA ) 進行回顧性分析，結果顯示導航組假體的位置更精確，且主要是提高假體的矢狀面對線精度，因而他們認為計算機導航 UKA 不僅沒有增加并發(fā)癥的發(fā)生，而且同時能夠顯著提高假體放置的精確性。

五、機器人輔助系統(tǒng) ( 半主動式導航 ) 在 UKA 中的應用 ( 表2 )

隨著醫(yī)學影像技術、虛擬現實技術及機器人技術的不斷發(fā)展，機器人輔助膝關節(jié)置換手術系統(tǒng)應運而生。機器人在輔助外科手術操作靈活性、穩(wěn)定性及精確性方面顯示出了明顯優(yōu)勢[34]。骨科手術中常用機器人系統(tǒng)有 Robodoc機器人系統(tǒng)、MAKOplasty 機器人系統(tǒng)、Acrobot 機器人系統(tǒng)、SpineAssist 機器人系統(tǒng)等，而 MAKOplasty 機器人系統(tǒng)是現階段進行 UKA 時主要使用的機器人系統(tǒng)[35]。2016 年9 月上海市第六人民醫(yī)院在國內率先采用 MAKOplasty 機器人系統(tǒng)成功開展了機器人輔助 UKA[36]。

1. 前瞻性研究：Cobb 等[37]一項 27 例 ( 14 例傳統(tǒng)UKA，13 例 Acrobot 機器人 UKA ) UKA 的前瞻性隨機對照臨床研究結果顯示，Acrobot 機器人系統(tǒng)能顯著提高假體位置的精確度，盡管機器人輔助 UKA 手術時間更長一些，但術后的功能評分結果顯示臨床效果并沒有受到影響，與傳統(tǒng) UKA 手術相比，機器人輔助 UKA 更能準確地按術前計劃實施手術。Pearle 等[38]對 10 例運用 MAKO機器人系統(tǒng)進行 UKA 手術，術前患者膝關節(jié)內翻畸形范圍為 0.3°～9.8°，術后均在 1.6° 之內，說明下肢力線較術前明顯恢復。Lonner 等[39]報告 58 例 ( 27 例傳統(tǒng) UKA，31 例機器人 UKA ) 前瞻性研究結果顯示，與傳統(tǒng) UKA 相比，TGSTM 機器人系統(tǒng) UKA 能顯著提高假體位置的精確度，而且變異性更小。Pearle 等[40]對 1007 例 ( 1135 膝 )進行一項多中心前瞻性臨床研究，隨訪到 797 例 ( 909膝 )，平均隨訪 2.5 年，假體生存率為 98.8%，患者對膝關節(jié)功能的滿意率為 92%，這些研究結果提示機器人輔助UKA 的短期隨訪具有很高的假體生存率和患者滿意率。而近來 MacCallum 等[41]另一項 264 例 ( 177 例傳統(tǒng) UKA，87 例機器人輔助 UKA ) 的前瞻性對照研究結果顯示，盡管機器人輔助系統(tǒng)能顯著提高假體的冠狀面對線精度，但沒有明顯提高假體在安全區(qū)的比例。

表2 傳統(tǒng)手術與機器人輔助下 UKA 的相關研究Tab.2 Studies of knee joint replacement under traditional surgery and robot-assisted surgery

Citak 等[42]對 6 例尸體進行研究，左膝采用傳統(tǒng) UKA手術方法，右膝采用 MAKO 機器人系統(tǒng)進行手術，結果顯示機器人輔助手術的脛骨及股骨假體誤差明顯小于傳統(tǒng)手術方法。Lonner 等[43]采用一種非影像手持機器人輔助系統(tǒng)對 25 例尸體標本進行 UKA 試驗，測量結果顯示術后股骨假體角度平均誤差為 1.04°～1.88°，脛骨假體角度平均誤差為 1.48°～1.98°，均＜2° 的標準，而股骨假體平移平均誤差為 0.72～1.29 mm，脛骨假體平移平均誤差為0.79～1.27 mm，均＜1.3 mm 的標準，這提示機器人輔助系統(tǒng)能精確地按照術前計劃放置假體。

2. 回顧性研究：Dunbar 等[44]對 19 例 ( 20 膝 ) 采用MAKO 機器人系統(tǒng)進行 UKA 手術，術后影像學測量結果顯示，股骨假體及脛骨假體的位置與術前計劃的誤差均在 1.6 mm、3.0° 以內，這些結果提示機器人手術的精確度很高，按術前計劃執(zhí)行手術很可靠。Mofidi 等[45]回顧性分析了 206 例采用 MAKOplasty 機器人系統(tǒng)進行 UKA 手術的患者，結果顯示機器人系統(tǒng)能明顯提高假體位置的精確度，未達標準的骨水泥技術可能會導致假體位置的誤差。Hansen 等[46]對 62 例 UKA 手術患者 ( 32 例傳統(tǒng) UKA，30 例 RIO 機器人 UKA ) 進行回顧性分析，術后最少隨訪2 年，結果顯示兩者在臨床效果和影像學結果上均無明顯差異，且機器人輔助 UKA 的手術時間比傳統(tǒng) UKA 平均長20 min。

六、總結及展望

近年來，計算機導航系統(tǒng)在骨科領域取得了突飛猛進的應用和發(fā)展，其已經應用到了創(chuàng)傷、關節(jié)、脊柱等方面的手術，與傳統(tǒng)手術相比，計算機導航下手術具有更高的精度及安全性。筆者通過對文獻的回顧，發(fā)現計算機導航及機器人輔助 UKA 能明顯提高假體放置的精度，改善下肢力線，近期臨床效果可靠，但長期效果還須在臨床上進一步觀察。

計算機輔助關節(jié)置換也存在較多問題。系統(tǒng)故障是較常見的問題，也是導致導航失敗的最主要因素，在以后的研究中需進一步關注。同時，目前各種導航系統(tǒng)與不同品牌的假體和器械的兼容性差，嚴重限制了導航設備的應用，發(fā)展適合各類假體的通用導航系統(tǒng)是將來發(fā)展的方向。此外，導航技術標準和臨床應用規(guī)范還有待確立，對于導航手術的適應證、標準的手術過程、什么情況下選擇導航技術仍需研究。最后，高昂的使用費用、定期軟件更新、硬件維護和較高的技術要求，使得該技術目前一般只適用于手術量較大的骨關節(jié)中心，但隨著技術的完善和推廣，計算機導航系統(tǒng)會逐漸普及，價格也會相應降低[47]。

總之，計算機及機器人輔助 UKA 有助于提高手術精度，與微創(chuàng)技術結合是今后的發(fā)展方向，其近期效果較可靠，遠期效果有待于進一步觀察。隨著計算機和電腦圖像處理系統(tǒng)的發(fā)展，計算機導航及機器人輔助手術會不斷完善，其必將促使骨科治療技術的發(fā)展呈現革命性的飛躍。

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