机器人系统在髋关节置换中的应用

孙长鲛; 杨凯; 李慧敏; 蔡谞

doi:10.3760/cma.j.issn.0376-2491.2018.37.022

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中华医学杂志

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机器人系统在髋关节置换中的应用

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出版日期： 2018 -10 -09 ·

DOI： 10.3760/cma.j.issn.0376-2491.2018.37.022

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摘要

非骨水泥全髋关节置换术(THA)已成为年轻活跃患者髋关节终末期疾病的最佳选择 ^{[

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]}。尽管非骨水泥THA获得了巨大成功，在假体设计，固定界面和摩擦界面上存在技术进步，但仍存在一些问题，如脱位、双下肢不等长、无菌性松动、术中骨折、近端股骨应力遮挡和持续性大腿疼痛、假体撞击等并发症 ^{[

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]}。精确的假体匹配和定位对于增强假体与骨的匹配性至关重要 ^{[

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]}。人工操作可能会引起术中股骨骨折，股骨柄尺寸选择过小，股骨假体前倾不佳，可造成假体匹配不良。因此，为了将THA术后20年的存活率提高到>95%，需要将髋关节重建中的精确度提升到最高。这就使计算机辅助骨科手术(CAOS)得到了发展。在髋关节置换术中引入机器人技术，目的是改善术前规划，优化植入物选择和尺寸，并增加假体定位的准确性。该系统以其高精确性和高稳定性的特点，在关节外科领域的应用越来越多。

引用本文

孙长鲛,杨凯,李慧敏,等. 机器人系统在髋关节置换中的应用[J]. 中华医学杂志,2018,98(37)：3042-3044.

DOI:10.3760/cma.j.issn.0376-2491.2018.37.022

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非骨水泥全髋关节置换术(THA)已成为年轻活跃患者髋关节终末期疾病的最佳选择 ^{[
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]}。尽管非骨水泥THA获得了巨大成功，在假体设计，固定界面和摩擦界面上存在技术进步，但仍存在一些问题，如脱位、双下肢不等长、无菌性松动、术中骨折、近端股骨应力遮挡和持续性大腿疼痛、假体撞击等并发症 ^{[
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]}。精确的假体匹配和定位对于增强假体与骨的匹配性至关重要 ^{[
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]}。人工操作可能会引起术中股骨骨折，股骨柄尺寸选择过小，股骨假体前倾不佳，可造成假体匹配不良。因此，为了将THA术后20年的存活率提高到>95%，需要将髋关节重建中的精确度提升到最高。这就使计算机辅助骨科手术(CAOS)得到了发展。在髋关节置换术中引入机器人技术，目的是改善术前规划，优化植入物选择和尺寸，并增加假体定位的准确性。该系统以其高精确性和高稳定性的特点，在关节外科领域的应用越来越多。

一、CAOS简介

CAOS是指以计算机技术为基础的在术前规划、术中操作及术后处理等一系列活动中使用到机器人或导航技术的手术过程。该技术主要由两大部分组成：导航系统和机器人系统。导航系统主要指的是一种可在计算机上显示并给出手术工具或植入物相对于病体位置信息的可视化系统。在手术开始之前，医生可通过手术导航系统进行相应的诊断和手术计划。机器人系统带有一台可与环境和传感器交互的机械化装置(通常是机械臂)，能根据机器人当前状态的数据，决定机器人的下一步动作，可克服手动控制手术工具定位带来的误差，目前已经开发出了三类机器人系统：被动系统、半主动机器人系统和主动式机器人系统 ^{[
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]}。被动系统是在外科医生的连续及直接控制下进行一部分外科手术操作，该系统监测手术的进展，并在整个手术过程中提供详细信息例如截骨或磨锉的准确性，术中仍然使用常规工具，并可根据医生判断推翻系统的建议 ^{[
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]}。半主动机器人系统以MAKO、Acrobot和RGA系统为代表。主动式机器人系统以ROBODOC、CASPAR和MBARS系统为代表。这两类系统都包含电脑辅助术前计划、机械臂截骨、导航定位监测3个模块，而其区别主要体现在半主动机器人系统是一种触觉反馈系统，由外科医生驱动，负责磨锉和截骨，同时这些系统又通过触觉或听觉反馈系统限制空间切割深度来限制截骨量 ^{[
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]}。主动式机器人系统不需要外科医生直接操纵器械，机器人会自主进行截骨操作，在操作过程中除了紧急停止外术者无法干预机器人操作。

二、机器人辅助THA的操作步骤

机器人辅助THA的主要步骤包括术前评估和手术操作两部分。进行手术评估时，根据是否需要术前影像学数据将机器人系统分为需要影像和无需成像两类。需要影像的机器人系统需要在术前进行MRI或CT等检查，根据影像结果建立3D模型，获得患者解剖结构的3D信息，具有提高精度的优点，将CT扫描数据导入到术前工作站进行虚拟规划和执行，在术前就模拟截骨、矫正畸形和安放假体等以指导整个手术计划，该方式主要在半主动机器人系统中应用 ^{[
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]}。独立成像系统则需要在术中由手术机器人通过识别人工植入的解剖标记位点来进行实时成像。

三、机器人辅助THA的假体准备

手术操作主要包括假体准备和假体植入。在主动机器人系统中，假体准备主要是指股骨髓腔的扩髓，对于髋臼部分，主动机器人系统几乎不进行处理。机器人可在外科医生监测下进行术前规划和一定范围内的股骨扩髓。主动机器人系统以ROBODOC为代表 ^{[
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]}，该系统旨在用于提高股骨假体安装尺寸和力线的准确性。半主动机器人系统主要用于提高髋臼部件的尺寸和安放精度，主要用于髋臼准备，半主动机器人以MAKO半主动机器人系统为代表。对于股骨，这些装置允许对股骨假体进行术前规划和术中评估股骨偏心距(offset)、下肢长度和前倾角。然而，机器人不进行股骨的铣削或扩髓。大多数半自动系统使用装备髋臼磨锉器械的触觉机器人手臂来进行髋臼准备。机器人手臂通过外科医生的不断触觉和视觉反馈来确保髋臼磨锉的安全性和准确性，同时机器人系统可避免机器人手臂在术前3D规划定义的路径边界之外进行磨锉。这就避免了髋臼锉离心或磨锉过深 ^{[
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]}。

四、机器人辅助THA的假体植入

臼杯和股骨柄假体的植入：在主动机器人系统中，股骨扩髓是在盐水冲洗下进行的，并以常规的方式将股骨柄植入股骨髓腔中。股骨颈截骨的水平由内侧皮质上的凹痕决定 ^{[
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]}。而对于半主动机器人系统，可通过一个触觉通道用机器臂放置最终的髋臼假体。在装入股骨柄后，安装合适的股骨头进行复位。计算机会根据术前的计划提供下肢长短和髋关节offset改变的视觉反馈，外科医生可调节颈长 ^{[
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]}。该系统可通过提供术中客观数值数据来恢复髋关节旋转中心，肢体长度差异，髋臼部位定位，股骨髓腔匹配，股骨和髋臼的offset来减少潜在的人为错误。

五、ROBODOC机器人系统在THA中的应用

CAOS在THA中首次临床应用的是一种称为ROBODOC的机器人系统，ROBODOC系统同时也是第一个主动机器人系统 ^{[
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]}。该系统可帮助骨科医生在术前选择最佳尺寸和类型的非骨水泥假体，使假体与股骨髓腔完美匹配，其可执行一些术前进行编程的手术。它由一个用于术前规划的计算机工作站(称为ORTHODOC)和ROBODOC手术辅助器组成，该手术辅助器具有一个五轴机器人手臂，一个高速磨削装置，通过力矩传感器连接到机器臂的末端。计算机工作站基于CT图像数据进行3D预处理设计，有助于外科医生通过比较不同股骨假体的匹配和压配来选择适用于每个患者股骨的最佳设计和尺寸，这些数据会被转移到ROBODOC手术辅助器，进行校准磨削器，将骨骼与ROBODOC牢固固定，注册股骨，随后用相应的磨锉器进行股骨髓腔扩髓。

目前已经发表了几项使用ROBODC机器人进行THA的临床研究。第一项研究是1994至1995年期间，美国食品和药物管理局(FDA)在美国进行的一项多中心随机对照研究，共136例髋关节置换术 ^{[
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]}。ROBODOC组和对照组之间在Harris髋关节评分或健康调查简表评分差异无统计学意义。然而，X光照片显示，ROBODOC组的股骨组件的匹配和位置明显更好。另外一项有显著性差异的是术中股骨骨折的发生率：ROBODOC组的发生率要更低一些。另一项研究由1994年起，共900例使用ROBODC机器人实施髋关节置换术(858例单侧髋关节置换术和42例双侧髋关节置换术，包括30例翻修病例)，无术中股骨骨折发生 ^{[
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]}。对于30例翻修手术，在术中取出骨水泥固定的股骨柄时，该系统的翻修软件可轻松移除特别大及深的骨水泥鞘。与人工操作相比，机器人移除骨水泥更安全更快 ^{[
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]}。磨削骨骼产生的热量会导致骨坏死是磨削装置的一个可能的缺点(即使在使用ROBODOC时进行了灌洗)，但无报道发热对临床效果有任何影响 ^{[
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]}。在一项对比ROBODOC机器人系统辅助后路THA和常规后路THA研究中，研究者发现与传统人工手术组相比，使用ROBODOC机器人系统在两年时具有更好的临床评分，影像学评估上股骨柄的对线更好 ^{[
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]}。

在一项经食管心电图研究中发现，股骨的机器人磨锉相对人工操作发生肺栓塞的比例更低 ^{[
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]}。双能量X线吸收测定法(DEXA)研究表明，机器人碾磨可有效促进股骨组件周围的近端力学传导并减少非骨水泥THA的骨丢失 ^{[
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]}。此外ROBODOC系统在下肢长度不等长上也具有更少的变异 ^{[
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]}。

关于ROBODOC机器人THA手术并发症也有一些报道。例如在切割期间由于骨骼移动导致操作终止而需要重新注册，股骨干劈裂需要钢丝环扎，髋臼磨锉时损伤髋臼缘，股骨扩髓时导致大转子损伤，注册失败等 ^{[
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]}。这些错误和并发症通常是发生在使用诸如ROBODOC的主动系统中，这说明目前的主动系统还不能被视为完全自主，机器人尚无能力独立作出决定来避免这些问题。外科医生在面对主动机器人系统所做的只是仔细观察工具的移动路径并感知铣削的声音，进行、暂停或中止由机器人执行的操作，医生需要了解机器人的工作站运行模式和适当的位置。因此，外科医生的培训相当重要，可减少学习曲线引起的负面影响。

六、MAKO系统在THA中的应用

为了增加外科医生的接受度，一些半主动/触觉系统被开发出来。RIO是一个半主动边界约束的机器人磨削系统，最近成功地用于实现精确的髋臼磨锉和臼杯安放 ^{[
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]}，诸多证据表明，MAKO系统可提高臼杯前倾和外展角度的准确性，降低臼杯安放在预定安全区之外的概率 ^{[
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]}。但需要注意的是臼杯前倾准确性的提高并不意味综合前倾角的准确性提高，因为必须要结合股骨前倾角来综合考虑。尽管外科医生接受半主动系统比主动系统更容易，但是目前半主动机器人系统在膝关节置换术中使用的较多，在THA中尚未广泛应用。文献中关于半主动系统的可行性、安全性和有效性的证据也仍然较少。

综上，早期临床和尸体研究表明，半主动机器人系统具有很高的精准度和预测价值，会改善髋臼假体的定位，减少下肢不等长的发生率，更好地恢复髋关节旋转中心和offset。主动机器人系统对股骨侧假体也有类似的改善。这些放射学异常值的减少可能会带来更好的临床结果，更高的植入物存活率和更低的并发症发生率。然而，需要意识到的是，这些机器人系统也可能带来更高的术中并发症发生率，失血量、更长的手术时间及额外暴露于辐射等。机器人技术还会增加额外成本，由于目前缺乏评估这些经济成本的研究报告，今后需要对这些机器人技术进行深入的成本效益分析。此外，关于长期临床结果和生存率的数据非常少。因此，在完全主张使用机器人之前，需要进一步的研究来确定这些手术是否会转化为更好的结果和改善植入物寿命，以证明其增加的成本和时间是确实值得的。可以确定的是，在THA中使用机器人技术有很大的潜力，它可能会改变我们在未来这些重建手术的方式。

摘要
一、CAOS简介
二、机器人辅助THA的操作步骤
三、机器人辅助THA的假体准备
四、机器人辅助THA的假体植入
五、ROBODOC机器人系统在THA中的应用
六、MAKO系统在THA中的应用
参考文献

参考文献

[1]

Dunbar MJ . Cemented femoral fixation: the North Atlantic divide[J]. Orthopedics, 2009，32(9). DOI: 10.3928/01477447-20090728-07 .