机器人系统在膝关节置换中的应用

孙长鲛; 杨凯; 李慧敏; 蔡谞

doi:10.3760/cma.j.issn.0376-2491.2018.21.022

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中华医学杂志

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机器人系统在膝关节置换中的应用

作者及单位信息

出版日期： 2018 -06 -05 ·

DOI： 10.3760/cma.j.issn.0376-2491.2018.21.022

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摘要

美国每年因治疗终末期退行性关节炎需进行约4.5万例单髁关节置换(UKA)和60万例全膝关节置换术(TKA) ^{[

1
]}。目前，尽管膝关节置换在植入物设计、手术工具和术后康复方面取得很大进展，但仍有约20%的患者疗效不甚满意 ^{[

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]}。假体位置和软组织平衡对于TKA的成功至关重要。对线偏离可能导致很多问题，如偏心负荷、不稳定性、髌股关节问题、磨损和假体无菌松动等 ^{[

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]}。在TKA手术期间，切割误差类型在冠状面中达4个，矢状面高达11个 ^{[

5
]}。在这种情况下，术前准确计划如何恢复膝关节的力线，按照计划进行手术操作对于改善患者功能，延长假体寿命和减少疼痛显得格外重要。因此，TKA最近的发展重点是改进外科技术，以精准确定机械轴，正确放置截骨导板，并进行截骨。目前开发的几种计算机辅助手术系统，目标就是对这些因素进行更精准和可靠的控制，从而改善临床结果。在机器人系统出现之前，计算机辅助手术系统主要有手术导航系统和患者个性化手术器械及假体。虽然使用导航会使机械轴异常的发生减少，但实际截骨仍要依赖手动工具，而这可能影响截骨的准确性 ^{[

6
]}。荟萃分析未能显示使用计算机导航的临床结果具有明显预期优势 ^{[

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8
]}。因此，与计算机导航类似，各种制造商、术者和工程师开发的TKA术中机器人辅助技术，旨在控制手术变量并提高手术步骤的精度，可能会使患者恢复的更快、更好。

引用本文

孙长鲛,杨凯,李慧敏,等. 机器人系统在膝关节置换中的应用[J]. 中华医学杂志,2018,98(21)：1726-1728.

DOI:10.3760/cma.j.issn.0376-2491.2018.21.022

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美国每年因治疗终末期退行性关节炎需进行约4.5万例单髁关节置换(UKA)和60万例全膝关节置换术(TKA) ^{[
1
]}。目前，尽管膝关节置换在植入物设计、手术工具和术后康复方面取得很大进展，但仍有约20%的患者疗效不甚满意 ^{[
2
]}。假体位置和软组织平衡对于TKA的成功至关重要。对线偏离可能导致很多问题，如偏心负荷、不稳定性、髌股关节问题、磨损和假体无菌松动等 ^{[
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4
]}。在TKA手术期间，切割误差类型在冠状面中达4个，矢状面高达11个 ^{[
5
]}。在这种情况下，术前准确计划如何恢复膝关节的力线，按照计划进行手术操作对于改善患者功能，延长假体寿命和减少疼痛显得格外重要。因此，TKA最近的发展重点是改进外科技术，以精准确定机械轴，正确放置截骨导板，并进行截骨。目前开发的几种计算机辅助手术系统，目标就是对这些因素进行更精准和可靠的控制，从而改善临床结果。在机器人系统出现之前，计算机辅助手术系统主要有手术导航系统和患者个性化手术器械及假体。虽然使用导航会使机械轴异常的发生减少，但实际截骨仍要依赖手动工具，而这可能影响截骨的准确性 ^{[
6
]}。荟萃分析未能显示使用计算机导航的临床结果具有明显预期优势 ^{[
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8
]}。因此，与计算机导航类似，各种制造商、术者和工程师开发的TKA术中机器人辅助技术，旨在控制手术变量并提高手术步骤的精度，可能会使患者恢复的更快、更好。

一、机器人辅助系统的分类

机器人辅助系统可以分为三大类：被动系统、半自动或全自动机器人系统 ^{[
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]}。被动系统要求在医生的连续及直接控制下进行一部分手术操作。在整个手术过程中向医生提供详细信息，例如截骨的准确性，医生使用的仍是常规工具，医生可选择推翻机器人系统的建议 ^{[
10
]}。半自动机器人系统是一种触觉反馈系统，由外科医生控制，负责磨锉和截骨，但系统会通过限制空间切割深度来限制截骨量 ^{[
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]}，其包括RIO、Acrobot和RGA系统。全自动机器人系统则无需医生的直接介入，机器人手臂可自行切割骨骼，其包括ROBODOC和CASPAR系统。

二、机器人辅助TKA的步骤

经典的机器人辅助TKA的基本步骤包括：肢体CT扫描、术前计划和虚拟植入、实际手术植入。术前3D CT扫描数据被输入到机器人工作站，通过软件进行术前计划。首先通过CT扫描图像识别解剖标志以确定机械和解剖轴，随后软件确定冠状位、矢状位和旋转对线。然后使用各种尺寸的假体在屏幕上进行虚拟植入。根据软件的图形和数字反馈选择合适的假体尺寸。在手术过程中，在对股骨和胫骨的骨骼标记进行登记和参考之后，将术前模型与膝关节的原始解剖进行结合。机器人系统可根据术前规划和来自医生的触觉反馈(基于触觉反馈的系统系统)准确地进行实时3D截骨。虽然大多数系统根据解剖计划在术前就确立假体位置，但是一些系统允许在术中对计划进行微小变动。

三、机器人辅助TKA的发展

1995年，Masri等 ^{[
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]}报道了一种准机器人设备，可在术中将膝关节屈曲并维持到一定角度，最大限度地减少了对助手的依赖，降低了手术成本，该技术获得欧盟批准后得到了广泛使用 ^{[
13
]}。随后机器人系统技术飞速发展但由于步骤复杂等因素仍未被广泛接受 ^{[
14
]}。20世纪90年代，机器人系统需要在扫描之前插入基准标记，即在成像领域中放置针或螺钉。该方法使用复杂，成本巨大，操作时间长，外科医生无法直接参与，个别报道会出现术中骨折，这导致其使用减少并使几个较早出现的机器人系统退出市场 ^{[
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18
]}。然而，近年来随着更新的触觉手术机器人系统的发展，机器人技术在TKA术中的应用再次受到关注。

四、机器人TKA在美国的应用

在美国，有3个机器人系统被FDA批准用于膝关节置换术。它们是Stryker公司的Mako触觉引导机器人、Smith&Nephew公司的Navio Precision Free-Hand Sculptor(PFS)系统、Omnilife Science公司的OmniBotic机器人系统。Mako触觉引导机器人于2005年推出，是一种半主动的触觉机器人系统，已被用于超过五万多个UKA手术。在美国，有近300个Mako机器人系统正在使用，在UKA手术中占有20%的市场份额。在手术过程中，机器人手臂处于术者直接控制之下，医生可在术中虚拟地调整假体位置和力线并活动膝关节，同时系统可提供力线，假体位置和软组织平衡的信息，例如，膝关节在屈曲活动时是否过紧或过松等。该系统有磨钻用于切除骨面，医生将磨锉移动到事先设计好的区域，并在屏幕上接收直接反馈。如果磨锉移出该区域，则操作自动停止防止过度切割。PFS系统已被用于超过1 500例UKA手术，在美国有超过50台PFS系统机器人。该系统是一个无图像的半主动机器人系统，具有与Mako系统相同的特点 ^{[
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]}。OmniBotic机器人系统已被用于超过7 300例TKA手术。该系统具有自动化的切割引导技术。外科医生在计算机系统上设计一个虚拟计划，之后，机器人系统在所有5个股骨截骨平面放置截骨导板(即远端、前斜、前部、后斜和后方)，然后外科医生进行截骨 ^{[
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]}。

五、机器人系统在欧洲的应用

在欧洲，常用于TKA手术的有3个机器人系统。它们是URS Ortho公司的Caspar系统、Curexo Technology公司主动Robodoc手术系统和Acrobot公司的Acrobot手术系统。Caspar系统是一种主动机器人系统，该系统需要术前进行CT扫描，随后在屏幕上进行虚拟植入操作。外科医生术前进行虚拟植入操作时可获取有关下肢力线、间隙平衡和假体位置的信息，在手术计划之后由机器人进行手术操作。将反射标记固定到下肢，并通过红外摄像机系统监视所有机器人运动，该相机系统可检测到任何异常运动，并停止异常动作 ^{[
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]}。主动Robodoc手术系统设计用于TKA和全髋关节置换术(THA)。初步研究报道该系统用于THA手术并发症的发生率较高，因此该系统更多用于TKA手术。Acrobot手术系统主要开发用于TKA和UKA手术，该系统是一种基于影像的半主动式机器人系统 ^{[
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]}。

除了这些较大的机器人，人们还开发了微型骨架机器人，如迷你骨骼连接机器人系统(MBARS)，这是一种为髌股关节置换手术而开发的活动系统 ^{[
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]}。Praxiteles系统是一种用于TKA的微型骨架机器人的被动系统。HyBAR系统是一种骨骼链接机器人组成的主动系统，是通过移动关节为微创关节置换术提供结构刚性的机器人 ^{[
24
]}。然而，目前关于这些微型骨架机器人技术的报道尚少。

六、机器人辅助UKA与传统UKA比较

Lonner等 ^{[
25
]}比较了使用Mako系统的机器人辅助UKA手术与常规UKA手术之间的胫骨假体位置情况。他们发现，与机器人辅助UKA相比，常规UKA在胫骨后倾，胫骨假体冠状面位置和内翻/外翻位置方面的异常值更大。Cobb等 ^{[
22
]}进行了一项随机临床试验，对比机器人辅助Acrobot系统UKA与传统UKA在力学精度上的差异。他们发现，在机器人辅助手术中，所有患者的力学轴位于中立位2°以内，而传统的UKA组仅为40%。他们还对功能改善进行了评估，发现术后6周和3个月时，随着精度的提高，功能也得到改善。MacCallum等 ^{[
26
]}在一项前瞻性临床研究中比较了177例常规UKA和87例使用Mako系统的机器人辅助UKA，评估其胫骨平台假体位置。他们发现，与传统的UKA相比，机械人辅助技术在冠状和矢状面更精确，尤其是冠状方面这一优势更明显。但也有一些文献无法证明机器人系统UKA优于常规UKA。Hansen等 ^{[
27
]}发现标准和机器人辅助技术之间仅有些许临床或放射学差异，他们发现在冠状面胫骨假体对线(1.6°比1.1°， P＝0.18)、胫骨假体后倾角度(84°比82°， P＝0.4)、关节线改变(1.7°比2.6°， P＝0.9)方面两者无显著差异。此外，机器人辅助和常规UKA组在术后2周时运动范围也无显著差异(95°比101°屈曲， P＝0.39)。

七、机器人辅助TKA与传统TKA比较

Park和Lee ^{[
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]}比较了机器人与常规TKA的结果，在平均随访4年时间里，作者证实2组在冠状面股骨假体角度(97.7°比95.6°， P<0.01)、矢状面股骨假体角度(0.2°比4.2°， P<0.01)、矢状面胫骨假体角度(85.5°比89.7°， P<0.01)存在显著性差异。然而，作者发现2组在膝关节评分(91.6比90.9)、胫骨股骨角度(6°比5.3°)和冠状面胫骨假体角度(88.8°比88.6°)上无显着差异。Siebert等 ^{[
29
]}在70例TKA也发现，机器人组与传统TKA组术后胫骨、股骨假体力线与术前计划的差异上仅有很小差异(0.8比2.6， P<0.01)，同时在6个月的最终随访检查中，作者发现两组在膝关节评分和运动范围上无显著差异。这些结果表明虽然机器人辅助TKA在影像学对线上有所改善，但尚不能表明这些差异对术后结果有影响。

需要注意的是假体精准植入的潜在益处可能会因为目前测量技术的敏感性较低而受到影响。此外TKA术后的功能结果评分系统，通常在疼痛和功能的最高点和最低点之间仅有几个水平等级。因此完全功能良好的个人和另一个具有大约90%功能的个人将被统计在同一组中，这也可以解释为什么患者与外科医生在对满意度的理解上存在差异。

八、机器人辅助关节置换技术的局限性

机器人系统在临床使用中也有一定局限性。其最大缺点是手术时间和成本的增加。这些机器人系统的成本是巨大的，包括手术时间延长带来的相关成本、安装和启动成本、软件持续校准等 ^{[
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]}。机器人系统本身可能也会造成一些并发症。Chun等 ^{[
31
]}检查了可能导致ROBODOC关节置换术中止的潜在原因。在100例连续进行的ROBODOC辅助关节置换中，有22例因多种原因终止，这些原因包括注册失败、机器人工作站问题和髌腱的潜在损伤等。红外跟踪器相关的瞄准线问题、计算机导航、骨骼标记注册等问题也不同程度地存在于当前机器人系统中。

尽管目前机器人辅助TKA的临床结果与传统TKA相似，但若有更敏感的结果测量方法，例如新的膝关节评分系统或步态分析系统可能会证明机器人系统的优势。大多数半自动机器人辅助UKA的研究表明其可减少影像学上的对线异常并在短期随访中改善早期功能结果，而机器人辅助TKA的放射学临床研究数量有限。与常规工具相比，假体位置影像学的这些改进是否能够带来更好的功能结果，更好的患者满意率以及更长的假体存活率还需要进一步讨论。我们还需要有更多高级别的前瞻性多中心随机试验来评估该技术潜在的益处。此外，我们还需要进一步的成本效益分析来权衡采用新技术的成本负担和其潜在的临床益处，来评估其改善的临床结果是否值得花费额外的成本。机器人技术在过去几年中经历了大量的发展，并可能会使未来的手术出现革命化改变，不排除机器人辅助技术可能会成为TKA的标准。

摘要
一、机器人辅助系统的分类
二、机器人辅助TKA的步骤
三、机器人辅助TKA的发展
四、机器人TKA在美国的应用
五、机器人系统在欧洲的应用
六、机器人辅助UKA与传统UKA比较
七、机器人辅助TKA与传统TKA比较
八、机器人辅助关节置换技术的局限性
参考文献

参考文献

[1]

Swank ML , Alkire M , Conditt M ,et al. Technology and cost-effectiveness in knee arthroplasty: computer navigation and robotics[J]. Am J Orthop (Belle Mead NJ), 2009,38(2Suppl):32-36.