引用本文: 柴偉, 謝杰, 張曉崗, 延廷芳, 趙亞蘭, 何川, 張瑗. 國產全膝關節置換術輔助機器人系統動物實驗研究. 中國修復重建外科雜志, 2020, 34(11): 1376-1381. doi: 10.7507/1002-1892.202003173 復制
全膝關節置換術(total knee arthroplasty,TKA)是治療終末期膝關節骨關節炎的經典手術[1]。據統計,2018 年我國完成 TKA 約 25 萬例。隨著中國人口老齡化,人工膝關節置換數量必將逐年增長[2]。患者滿意度、術后功能恢復和假體生存率一直都是 TKA 療效的主要評價指標,盡管在假體設計、手術器械、手術技術和術后康復等方面均有巨大提高,但是傳統 TKA 術后患者不滿意率仍高達 20%,療效不理想的主要原因為常規手工操作的技術限制,導致計劃誤差、假體位置不良和關節不穩等[3-5]。
TKA 輔助系統可極大提高術中截骨和術后假體位置的精準性,術中還可以根據三維圖像實時反饋調整假體的對位、對線以及軟組織張力平衡。因此,基于機器人系統輔助的 TKA,能獲得精確的假體位置、量化的軟組織平衡以及完美的影像學對線,而且可重復率極高[6-11]。近期有大量臨床文獻表明機器人輔助 TKA 的優勢包括:假體植入精確度高、術后下肢力線恢復好、軟組織損傷少、并發癥少等[12]。目前國內外使用較廣泛、技術較成熟的 TKA 輔助系統是美國史賽克公司 Mako RIO 系統[13],但是因其在我國沒有醫療器械許可證,尚不可臨床使用,且其研發和生產均在國外,其人機交互方式與國內醫生習慣存在差異。國內該領域研發方面仍處于起步摸索階段[14-17],目前市場上尚無可以臨床使用的產品。
骨圣元化 TKA 輔助系統(YUANHUA-TKA)是目前國內研發較早、技術成熟、可用于輔助 TKA 的機器人系統,填補了我國在該領域的空白。在前期工作中,YUANHUA-TKA 系統的精準度和穩定性已經通過近 400 例假骨模型實驗得到充分驗證,系統的電磁兼容性以及電氣安全性能也已經通過了中國食品藥品檢定研究院(NIFDC)的檢測。為了在臨床應用前進一步評估 YUANHUA-TKA 系統的操作性能、精確度及使用的安全性,本研究將基于山羊進行膝關節截骨實驗。
1 材料與方法
1.1 實驗動物及主要材料、儀器
18 月齡山羊 6 只,雌雄不限,體質量 30~35 kg,由深圳市領先醫療服務有限公司采購,并在其動物實驗中心進行實驗。實驗過程使用耳標進行動物標記。
異氟烷(深圳瑞沃德生命科技有限公司);陸眠寧(吉林華牧動物保健品有限公司)。心電監護儀(CRICK 公司,美國),實驗過程中實時監測動物的心電狀況;YUANHUA-TKA 系統[元化智能科技(深圳)有限公司],實驗過程中輔助完成截骨操作。
1.2 YUANHUA-TKA 系統的構成及工作原理
該系統硬件部分主要由三部分組成(圖 1):機械臂系統、導航儀系統和主控臺車系統[18-20];軟件部分根據國內醫生習慣,優化人機交互策略,嵌入了完全自主研發的術中安全保護策略算法,可以有效防止術中誤傷患者韌帶、血管等重要組織,從而進一步保證了手術的安全性和精準度。

a:主控臺車系統 b:機械臂系統 c:導航儀系統
Figure1. The YUANHUA-TKA systema: The console system b: The manipulator system c: The navigation system
工作原理:術前首先對 CT 圖像進行自動分割,分別生成股骨和脛骨三維模型,并基于該模型進行手術方案的智能規劃,包括假體配型、規劃截骨量等。手術過程中,醫生分別在股骨和脛骨植入固定釘,安裝股骨和脛骨示蹤器,通過精準高效的注冊算法,將示蹤器和導航儀互動所得的參數與術前的骨模型進行校正和配準,完成坐標系轉換[21-23];然后通過術中規劃功能,進一步由醫生根據實際病況對截骨規劃進行微調。最后,醫生手握機械臂末端的擺鋸,在機械臂輔助下完成膝關節置換截骨操作。截骨過程中,在導航儀系統和機械臂的配合下,擺鋸的運動范圍限制在預定安全范圍之內,既可以防止對韌帶、血管、神經等組織的損傷,也可以有效避免截骨量過多,提高手術的精準度和安全性。
1.3 實驗方法
實驗開始前 2 d 首先對 6 只山羊雙下肢進行 CT 三維掃描,并進行 CT 分割,得到每個下肢的股骨和脛骨三維模型。然后登錄 YUANHUA-TKA 系統手術規劃軟件,對每個下肢進行截骨規劃。因為沒有適配山羊膝關節的假體,本實驗根據最小號的人體膝關節假體進行截骨規劃,其中包括脛骨平臺平面以及股骨的隨機 2 個平面,并記錄每個平面的規劃截骨厚度和截骨角度。見圖 2。

a. 下肢 CT 掃描;b. CT 分割獲取股骨和脛骨三維模型;c. 基于手術規劃系統進行截骨規劃
Figure2. Preoperative preparation of the animal experimenta. CT scan of the lower extremity; b. CT segmentation to build the 3D models of the femur and tibia; c. Planning the resection planes based on the operation planning system
術前山羊禁食 12 h,使用鹽酸賽拉嗪誘導麻醉,建立靜脈通道。手術部位剃毛備皮,氣管插管后上臺,仰臥位固定,連接心電監護儀進行生命體征監護,連接麻醉機,使用異氟烷維持麻醉。術中山羊采用仰臥位,首先分別在股骨及脛骨安裝示蹤器。然后取膝關節內側入路,切開皮膚和皮下組織,進入關節,充分暴露脛骨平臺,按照 YUANHUA-TKA 系統操作指南依次對股骨和脛骨進行注冊配準。配準完成后,系統進入術中規劃模塊,實驗者可對截骨參數進行調整確認。截骨過程中,首先選擇當前的截骨平面,然后 YUANHUA-TKA 系統的機械臂會自動調整,使截骨擺鋸與當前截骨平面對齊,實驗者此時可以在限定的截骨平面內移動擺鋸完成截骨操作。見圖 3。為保證截骨精度以及保護側副韌帶、血管等重要組織,YUANHUA-TKA 系統設定了安全限制:當系統檢測到截骨量過多或鋸片超過了當前截骨安全邊界時,擺鋸自動停電,無法繼續進行截骨。實驗者需微調擺鋸姿態,使之回到安全范圍內,才能繼續截骨操作。截骨完成后,保存手術方案并退出。

a. 注冊配準;b. 導航截骨;c. 截骨過程中的手術軟件界面 主視圖中的綠色線框表示截骨安全范圍,右上角色條實時更新當前擺鋸與截骨平面的位置關系,保證精準截骨
Figure3. Bone resection assisted by the YUANHUA-TKA systema. Registration; b. Bone resection assisted by the navigation system; c. The software interface during the bone resection The green boundary around the model indicated the safety range of resection, the color bar indicated the relative position between the saw blade and the resection plane in real time to ensure the resection accuracy
1.4 觀測指標
1.4.1 大體觀察
本研究使用的山羊在手術輔助系統完成截骨后,即刻實施安樂死,取出股骨和脛骨標本進行大體觀察。
1.4.2 結果測量
取雙下肢殘肢進行 CT 三維掃描,獲取股骨和脛骨三維模型,用三維測量軟件(SolidWorks)導入術前和術后的三維模型,并進行模型匹配,通過對比兩個模型計算實際截骨厚度。股骨截骨角度為兩個截骨平面在矢狀面的夾角,脛骨截骨角度為脛骨截骨平面與脛骨機械軸在矢狀面的夾角。見圖 4。為保證測量精度,減小測量誤差,由 3 名未參與實驗但熟悉三維測量軟件的人員進行測量,每人測量 1 次,取 3 個測量值中相近的 2 個測量值計算平均值作為測量結果。

a. 術前和術后 CT 三維模型匹配;b. 通過對比術前和術后模型,測量截骨量;c. 股骨截骨角度測量
Figure4. Sketch map of the osteotomy thickness and angle measurementa. Matching the preoperative and postoperative CT 3D models; b. Measuring the osteotomy thickness by comparing the preoperative and postoperative models; c. Measuring the femoral osteotomy angle
1.5 統計學方法
采用 SPSS22.0 統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示,術前規劃和術后實測的截骨厚度及截骨角度比較采用配對 t 檢驗;檢驗水準 α=0.05。
2 結果
實驗過程中出血未見異常;軟件系統無卡頓崩潰情況;機械臂未出現無法隨時懸停或超出截骨規劃區切割情況;YUANHUA-TKA 系統整體運行穩定。術后即刻大體觀察示股骨和脛骨的截骨面平整。見圖 5。術前規劃的截骨厚度和截骨角度與術后實測值比較,差異均無統計學意義(P>0.05);截骨厚度誤差<1 mm,截骨角度誤差<2°。見表 1、2。





a~c. 股骨截面;d. 脛骨截面
Figure5. The observation of the osteotomy planes of the lower limb specimens at immediate after operationa-c. Femur resection planes; d. Tibia resection plane
3 討論
本實驗采用的 YUANHUA-TKA 系統與目前市場上唯一的 TKA 輔助系統 Mako RIO 相比,因其人機交互策略根據中國醫生的需求進行設計和優化,因此有更友好的人機交互策略,也更適合中國醫生的操作使用習慣。在外形體積上,YUANHUA-TKA 系統更加小巧靈活,占用手術室空間更小。此外,與國內早期研發的 WATO 膝關節置換手術機器人系統[24]相比,YUANHUA-TKA 系統采用 7 自由度機械臂,活動空間更大、柔順性更好。
為初步驗證 YUANHUA-TKA 系統的可靠性和精準性,本研究設計了基于山羊的膝關節截骨實驗。羊膝關節的生物力學行為與人類相當,在羊行進過程中,膝關節承受著縱向壓應力,與人接近,用羊進行 TKA 研究的可行性已獲認同。本次動物實驗結果表明,采用 YUANHUA-TKA 系統整體運行穩定,軟件操作性能優良,圖像顯示清晰流暢,機械臂截骨操作穩定。系統可以輔助實驗者依照術前規劃進行截骨,控制截骨厚度和角度,且截骨厚度誤差<1 mm,截骨角度誤差<2°,與 Mako RIO 系統精度相當[25],同時也滿足臨床 TKA 精度要求。因此,本實驗結果為 YUANHUA-TKA 系統應用于臨床提供了有效的截骨精度和截骨可靠性驗證。
本實驗中,因山羊股骨和脛骨尺寸太小,截骨平面規劃沒有完全按照臨床實際需求進行,截骨完成后也無法安裝可用的假體,不能驗證輔助 TKA 后下肢力線恢復準確率以及假體安裝的精準度。因此,在下一步研究中我們將通過 YUANHUA-TKA 系統在尸體標本中的應用,為臨床應用提供更直觀、更可靠的證據。
雖然機器人輔助關節置換可以獲得更好的下肢力線和更高的假體植入精度,但文獻表明使用機器人系統輔助完成 TKA 的患者其關節活動度無明顯改善,且患者中長期功能恢復中的獲益尚無充分的臨床研究證據[12],因此機器人輔助 TKA 的長期效益還有待研究。
作者貢獻:柴偉、謝杰、張曉崗、何川、張瑗負責方案設計,根據臨床使用需求提出改善 YUANHUA-TKA 系統的功能以及人機交互策略,并實施動物實驗操作;延廷芳負責組織動物實驗、數據分析以及文章撰寫;趙亞蘭負責軟件開發以及動物實驗過程中的系統操作。
利益沖突:所有作者聲明,在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。課題經費支持沒有影響文章觀點和對研究數據客觀結果的統計分析及其報道。
機構倫理問題:動物實驗方案經深圳市領先醫療服務有限公司實驗動物管理和使用委員會 IACUC 批準。實驗動物使用許可證批準號:AAS190906G。
全膝關節置換術(total knee arthroplasty,TKA)是治療終末期膝關節骨關節炎的經典手術[1]。據統計,2018 年我國完成 TKA 約 25 萬例。隨著中國人口老齡化,人工膝關節置換數量必將逐年增長[2]。患者滿意度、術后功能恢復和假體生存率一直都是 TKA 療效的主要評價指標,盡管在假體設計、手術器械、手術技術和術后康復等方面均有巨大提高,但是傳統 TKA 術后患者不滿意率仍高達 20%,療效不理想的主要原因為常規手工操作的技術限制,導致計劃誤差、假體位置不良和關節不穩等[3-5]。
TKA 輔助系統可極大提高術中截骨和術后假體位置的精準性,術中還可以根據三維圖像實時反饋調整假體的對位、對線以及軟組織張力平衡。因此,基于機器人系統輔助的 TKA,能獲得精確的假體位置、量化的軟組織平衡以及完美的影像學對線,而且可重復率極高[6-11]。近期有大量臨床文獻表明機器人輔助 TKA 的優勢包括:假體植入精確度高、術后下肢力線恢復好、軟組織損傷少、并發癥少等[12]。目前國內外使用較廣泛、技術較成熟的 TKA 輔助系統是美國史賽克公司 Mako RIO 系統[13],但是因其在我國沒有醫療器械許可證,尚不可臨床使用,且其研發和生產均在國外,其人機交互方式與國內醫生習慣存在差異。國內該領域研發方面仍處于起步摸索階段[14-17],目前市場上尚無可以臨床使用的產品。
骨圣元化 TKA 輔助系統(YUANHUA-TKA)是目前國內研發較早、技術成熟、可用于輔助 TKA 的機器人系統,填補了我國在該領域的空白。在前期工作中,YUANHUA-TKA 系統的精準度和穩定性已經通過近 400 例假骨模型實驗得到充分驗證,系統的電磁兼容性以及電氣安全性能也已經通過了中國食品藥品檢定研究院(NIFDC)的檢測。為了在臨床應用前進一步評估 YUANHUA-TKA 系統的操作性能、精確度及使用的安全性,本研究將基于山羊進行膝關節截骨實驗。
1 材料與方法
1.1 實驗動物及主要材料、儀器
18 月齡山羊 6 只,雌雄不限,體質量 30~35 kg,由深圳市領先醫療服務有限公司采購,并在其動物實驗中心進行實驗。實驗過程使用耳標進行動物標記。
異氟烷(深圳瑞沃德生命科技有限公司);陸眠寧(吉林華牧動物保健品有限公司)。心電監護儀(CRICK 公司,美國),實驗過程中實時監測動物的心電狀況;YUANHUA-TKA 系統[元化智能科技(深圳)有限公司],實驗過程中輔助完成截骨操作。
1.2 YUANHUA-TKA 系統的構成及工作原理
該系統硬件部分主要由三部分組成(圖 1):機械臂系統、導航儀系統和主控臺車系統[18-20];軟件部分根據國內醫生習慣,優化人機交互策略,嵌入了完全自主研發的術中安全保護策略算法,可以有效防止術中誤傷患者韌帶、血管等重要組織,從而進一步保證了手術的安全性和精準度。

a:主控臺車系統 b:機械臂系統 c:導航儀系統
Figure1. The YUANHUA-TKA systema: The console system b: The manipulator system c: The navigation system
工作原理:術前首先對 CT 圖像進行自動分割,分別生成股骨和脛骨三維模型,并基于該模型進行手術方案的智能規劃,包括假體配型、規劃截骨量等。手術過程中,醫生分別在股骨和脛骨植入固定釘,安裝股骨和脛骨示蹤器,通過精準高效的注冊算法,將示蹤器和導航儀互動所得的參數與術前的骨模型進行校正和配準,完成坐標系轉換[21-23];然后通過術中規劃功能,進一步由醫生根據實際病況對截骨規劃進行微調。最后,醫生手握機械臂末端的擺鋸,在機械臂輔助下完成膝關節置換截骨操作。截骨過程中,在導航儀系統和機械臂的配合下,擺鋸的運動范圍限制在預定安全范圍之內,既可以防止對韌帶、血管、神經等組織的損傷,也可以有效避免截骨量過多,提高手術的精準度和安全性。
1.3 實驗方法
實驗開始前 2 d 首先對 6 只山羊雙下肢進行 CT 三維掃描,并進行 CT 分割,得到每個下肢的股骨和脛骨三維模型。然后登錄 YUANHUA-TKA 系統手術規劃軟件,對每個下肢進行截骨規劃。因為沒有適配山羊膝關節的假體,本實驗根據最小號的人體膝關節假體進行截骨規劃,其中包括脛骨平臺平面以及股骨的隨機 2 個平面,并記錄每個平面的規劃截骨厚度和截骨角度。見圖 2。

a. 下肢 CT 掃描;b. CT 分割獲取股骨和脛骨三維模型;c. 基于手術規劃系統進行截骨規劃
Figure2. Preoperative preparation of the animal experimenta. CT scan of the lower extremity; b. CT segmentation to build the 3D models of the femur and tibia; c. Planning the resection planes based on the operation planning system
術前山羊禁食 12 h,使用鹽酸賽拉嗪誘導麻醉,建立靜脈通道。手術部位剃毛備皮,氣管插管后上臺,仰臥位固定,連接心電監護儀進行生命體征監護,連接麻醉機,使用異氟烷維持麻醉。術中山羊采用仰臥位,首先分別在股骨及脛骨安裝示蹤器。然后取膝關節內側入路,切開皮膚和皮下組織,進入關節,充分暴露脛骨平臺,按照 YUANHUA-TKA 系統操作指南依次對股骨和脛骨進行注冊配準。配準完成后,系統進入術中規劃模塊,實驗者可對截骨參數進行調整確認。截骨過程中,首先選擇當前的截骨平面,然后 YUANHUA-TKA 系統的機械臂會自動調整,使截骨擺鋸與當前截骨平面對齊,實驗者此時可以在限定的截骨平面內移動擺鋸完成截骨操作。見圖 3。為保證截骨精度以及保護側副韌帶、血管等重要組織,YUANHUA-TKA 系統設定了安全限制:當系統檢測到截骨量過多或鋸片超過了當前截骨安全邊界時,擺鋸自動停電,無法繼續進行截骨。實驗者需微調擺鋸姿態,使之回到安全范圍內,才能繼續截骨操作。截骨完成后,保存手術方案并退出。

a. 注冊配準;b. 導航截骨;c. 截骨過程中的手術軟件界面 主視圖中的綠色線框表示截骨安全范圍,右上角色條實時更新當前擺鋸與截骨平面的位置關系,保證精準截骨
Figure3. Bone resection assisted by the YUANHUA-TKA systema. Registration; b. Bone resection assisted by the navigation system; c. The software interface during the bone resection The green boundary around the model indicated the safety range of resection, the color bar indicated the relative position between the saw blade and the resection plane in real time to ensure the resection accuracy
1.4 觀測指標
1.4.1 大體觀察
本研究使用的山羊在手術輔助系統完成截骨后,即刻實施安樂死,取出股骨和脛骨標本進行大體觀察。
1.4.2 結果測量
取雙下肢殘肢進行 CT 三維掃描,獲取股骨和脛骨三維模型,用三維測量軟件(SolidWorks)導入術前和術后的三維模型,并進行模型匹配,通過對比兩個模型計算實際截骨厚度。股骨截骨角度為兩個截骨平面在矢狀面的夾角,脛骨截骨角度為脛骨截骨平面與脛骨機械軸在矢狀面的夾角。見圖 4。為保證測量精度,減小測量誤差,由 3 名未參與實驗但熟悉三維測量軟件的人員進行測量,每人測量 1 次,取 3 個測量值中相近的 2 個測量值計算平均值作為測量結果。

a. 術前和術后 CT 三維模型匹配;b. 通過對比術前和術后模型,測量截骨量;c. 股骨截骨角度測量
Figure4. Sketch map of the osteotomy thickness and angle measurementa. Matching the preoperative and postoperative CT 3D models; b. Measuring the osteotomy thickness by comparing the preoperative and postoperative models; c. Measuring the femoral osteotomy angle
1.5 統計學方法
采用 SPSS22.0 統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示,術前規劃和術后實測的截骨厚度及截骨角度比較采用配對 t 檢驗;檢驗水準 α=0.05。
2 結果
實驗過程中出血未見異常;軟件系統無卡頓崩潰情況;機械臂未出現無法隨時懸停或超出截骨規劃區切割情況;YUANHUA-TKA 系統整體運行穩定。術后即刻大體觀察示股骨和脛骨的截骨面平整。見圖 5。術前規劃的截骨厚度和截骨角度與術后實測值比較,差異均無統計學意義(P>0.05);截骨厚度誤差<1 mm,截骨角度誤差<2°。見表 1、2。





a~c. 股骨截面;d. 脛骨截面
Figure5. The observation of the osteotomy planes of the lower limb specimens at immediate after operationa-c. Femur resection planes; d. Tibia resection plane
3 討論
本實驗采用的 YUANHUA-TKA 系統與目前市場上唯一的 TKA 輔助系統 Mako RIO 相比,因其人機交互策略根據中國醫生的需求進行設計和優化,因此有更友好的人機交互策略,也更適合中國醫生的操作使用習慣。在外形體積上,YUANHUA-TKA 系統更加小巧靈活,占用手術室空間更小。此外,與國內早期研發的 WATO 膝關節置換手術機器人系統[24]相比,YUANHUA-TKA 系統采用 7 自由度機械臂,活動空間更大、柔順性更好。
為初步驗證 YUANHUA-TKA 系統的可靠性和精準性,本研究設計了基于山羊的膝關節截骨實驗。羊膝關節的生物力學行為與人類相當,在羊行進過程中,膝關節承受著縱向壓應力,與人接近,用羊進行 TKA 研究的可行性已獲認同。本次動物實驗結果表明,采用 YUANHUA-TKA 系統整體運行穩定,軟件操作性能優良,圖像顯示清晰流暢,機械臂截骨操作穩定。系統可以輔助實驗者依照術前規劃進行截骨,控制截骨厚度和角度,且截骨厚度誤差<1 mm,截骨角度誤差<2°,與 Mako RIO 系統精度相當[25],同時也滿足臨床 TKA 精度要求。因此,本實驗結果為 YUANHUA-TKA 系統應用于臨床提供了有效的截骨精度和截骨可靠性驗證。
本實驗中,因山羊股骨和脛骨尺寸太小,截骨平面規劃沒有完全按照臨床實際需求進行,截骨完成后也無法安裝可用的假體,不能驗證輔助 TKA 后下肢力線恢復準確率以及假體安裝的精準度。因此,在下一步研究中我們將通過 YUANHUA-TKA 系統在尸體標本中的應用,為臨床應用提供更直觀、更可靠的證據。
雖然機器人輔助關節置換可以獲得更好的下肢力線和更高的假體植入精度,但文獻表明使用機器人系統輔助完成 TKA 的患者其關節活動度無明顯改善,且患者中長期功能恢復中的獲益尚無充分的臨床研究證據[12],因此機器人輔助 TKA 的長期效益還有待研究。
作者貢獻:柴偉、謝杰、張曉崗、何川、張瑗負責方案設計,根據臨床使用需求提出改善 YUANHUA-TKA 系統的功能以及人機交互策略,并實施動物實驗操作;延廷芳負責組織動物實驗、數據分析以及文章撰寫;趙亞蘭負責軟件開發以及動物實驗過程中的系統操作。
利益沖突:所有作者聲明,在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。課題經費支持沒有影響文章觀點和對研究數據客觀結果的統計分析及其報道。
機構倫理問題:動物實驗方案經深圳市領先醫療服務有限公司實驗動物管理和使用委員會 IACUC 批準。實驗動物使用許可證批準號:AAS190906G。