经验分享|计算机引导机械臂单髁置换术



经验分享|计算机引导机械臂单髁置换术

作者：张国宁，鲁怡然，张阳洋，程千

来源：上海交通大学医学院附属同仁医院骨科

膝关节单髁置换术(unicondylar knee arthroplasty,UKA)是指对膝关节进行单间室表面置换，主要用于治疗单一间室的骨关节炎或骨坏死。与全膝关节置换术相比，UKA能最大限度保留膝关节的正常运动形态[1]，手术时间短、创伤小、失血量少、术后住院及康复时间短、恢复快、术后膝关节活动度更大[2~4]。

假体的准确放置是影响UKA手术疗效和假体使用寿命的重要因素。假体置入位置不当，会导致其松动、磨损，从而影响假体的使用寿命，同时引发对侧间室骨关节炎，增加术后的翻修率[5，6]，影响术后功能恢复，降低患者的满意度。传统UKA手术在很大程度上依赖于术者的经验，有文献报道传统UKA手术假体置入的误差发生率高达30%[7]。

近年来机器人技术被广泛应用于UKA，能为手术的精确性提供巨大的帮助[8]，但其软件程序繁琐，操作步骤复杂，不利于广泛使用和推广。UKA手术的关键步骤在于胫骨截骨，因此，笔者所在医院利用计算机手术导引系统，引导机械臂，利用3枚克氏针定位，进行精准胫骨截骨，实施计算机引导下UKA手术，初步临床效果满意，现报道如下。

1、手术技术

1.1术前准备

所有患者术前均行患膝CT扫描，将CT图像导入医学影像控制系统(MIMICS)，生成膝关节3D立体图，导入假体试模的三维模型，根据患者内侧胫骨平台大小，确定拟安放假体的型号，规划假体的放置位置。

选择对应的假体试模，放置于胫骨平台上方，逐渐平行下移至前后缘皮质与试模高度一致，以后缘骨皮质为基准，使试模与内侧平台完全匹配，内侧缘及前后缘尽量不要悬出，外侧缘不要超过胫骨前后轴(anteroposterior axis,AP轴，即后交叉韧带胫骨止点中点与髌腱内缘连线)[9]。平行于试模下缘，放置模拟截骨导向器(横截面与胫骨平台平行，矢状面与胫骨长轴平行，纵向导杆位置放置于胫骨结节内侧1/3处)。根据截骨导向器和试模位置，设计克氏针位置(图1a)，根据克氏针位置确定胫骨垂直截骨面和水平截骨面。模拟截骨导向器验证假体的内外翻，根据患者原有的胫骨平台后倾角度确定假体后倾角;内外旋角度原则上平行于AP轴。

1.2麻醉与体位

所有患者均采用全身麻醉，仰卧位，患肢先平放于手术床上，待克氏针置入后，再置于外展支架上。

1.3手术操作

所有手术均由同一医师主刀完成，假体均选择同一单髁假体，材质为钴铬钼合金以及超高分子聚乙烯。在导引系统中导入mimics处理好的术前CT，规划克氏针位置(图1b)，包括垂直截骨定位的1枚克氏针，以及水平截骨定位的2枚克氏针，3枚克氏针确定胫骨截骨方向及骨块大小。麻醉后固定患者体位，患肢先平放于手术床上，消毒、铺巾，C形臂X线机结合机械臂，拍摄正侧位片，校准图像，并输入导引系统(图1c)。

在导引系统中进行多模态图像融合，确定克氏针位置，将信号传输到激光定位操作平台，引导机械臂，根据术前测量胫骨平台前后径，调整克氏针长度，依次打入3枚克氏针，注意控制克氏针打入的深度，防止造成后方血管、神经损伤(图1d)。待克氏针置入后，再次进行C形臂X线机透视，确定克氏针位置，观察胫骨截骨块的后倾角度、宽度、厚度，以及内外翻角度，保证克氏针位置与术前规划一致(图1e,1f)。

拔除水平方向偏内侧的1枚克氏针，仅留针道，方便切口。将患肢置于外展支架上，重新消毒铺单。取髌旁内侧切口，近端平髌骨上极，经克氏针将皮肤切开，远端至关节线下方2cm，依次切开皮肤、筋膜及关节囊，显露胫骨平台内侧前缘，暴露截骨位置，同时显露水平方向内侧的克氏针孔道，重新插入克氏针，将截骨导向器套入水平方向的2枚克氏针上。先沿第1枚克氏针方向，垂直截骨，使锯片正好与克氏针纵轴平行接触，再根据截骨导向器水平导板，平行于2枚克氏针平面，水平截骨。保护内侧副韧带，精准截取并完整取出受损胫骨骨块，与术前规划模块相比，大小一致，后倾角度接近生理后倾角，测试截骨间隙，松紧度良好，完成胫骨截骨(图1g,1h)。按手术步骤，进行股骨截骨，并依次放置股骨、胫骨假体，完成UKA手术。

图 1 计算机手术导引系统引导机械臂行胫骨精准截骨完成UKA手术示意图。

1a：术前MIMICS上规划匹配假体，模拟放置胫骨假体及截骨导向器;1b：在导引系统中规划克氏针通道位置;1c：C形臂X线机结合机械臂，摄片校准图像;1d：在导引系统中进行多模态图像融合，将信号传输到激光定位操作平台，引导机械臂置入克氏针;1e, 1f：待3枚克氏针置入后，再次进行C形臂X线机透视，确定克氏针位置与术前规划一致;1g, 1h：术中根据克氏针位置进行胫骨精准截骨

1.4术后处理

术后预防性应用抗生素1d;所有患者术后第1d即予以膝关节直腿抬高及屈伸活动锻炼，术后第2d予以换药、摄片及CT检查，在助行器辅助下行走练习，术后3~5d予以出院，定期门诊复查，记录术后6个月膝关节ROM和KSS评分，并与术前对照。术后复查CT，将数据导入mimics系统，测量胫骨假体后倾角、内外翻、内外旋角度、截骨厚度等参数，与术前规划参数作对照，评估假体置入位置的精确性。

2、临床资料

2.1一般资料

对2021年1月-2022年1月在上海交通大学医学院附属同仁医院接受计算机手术导引系统引导机械臂行UKA手术的20例单间室内侧骨关节炎患者进行回顾性分析，所有患者K-L分级均为IV级[11]，外侧间室完整性较好，前交叉韧带功能完好，年龄≥60岁，BMI≤28kg/m2;均无存在明显外侧间室狭窄、合并严重内外翻畸形或屈曲挛缩畸形及前交叉韧带缺失者。其中男6例，女14例，平均年龄(70.2±4.1)岁，平均BMI(25.4±1.4)kg/m2，平均病程(67.2±28.7)个月，均为初次内侧单髁置换。本研究通过医院医学伦理委员会批准(伦理号：同仁伦理2021-006-01)，所有患者均签署知情同意书。

2.2初步结果

手术时间平均(48.5±8.6)min，手术出血量平均(47.5±10.1)ml。术后胫骨假体后倾角、内外翻、内外旋角度、截骨厚度与术前规划相比较误差在距离1mm和角度1°的范围内，提示计算机引导机械臂单髁置换手术，胫骨假体放置位置精确性高。术后随访时间6个月，膝关节ROM由术前的(88.9±12.3)°显著增加至术后的(102.8±8.4)°(P<0.001)、KSS临床[(51.4±10.3)分vs(89.7±3.0)分，P<0.001]及功能评分[(41.7±14.4)分vs(83.3±6.9)分，P<0.001]均较术前显著增加[10]。均无严重并发症发生。

3、讨论

从21世纪初开始，计算机导航技术逐步运用于UKA手术[12，13]，其最大的优势是简化手术操作，缩短手术时间，减少手术创伤，使手术变得更安全、更准确、更微创[14]。

计算机手术导引系统遵循建模(Setup)-配准(registration)-规划(Planning)-执行(Execu⁃tion)的步骤[14]，利用多模态影响融合及智能成像技术，能够在术中实时反馈置入物位置的准确性，结合精准手术导引，双重提升手术安全。该系统具有机械通道定位及嵌入式激光定位两种模式，功能灵活，人机协同度高，且定位系统为红外线无创，避免给患者带来额外损伤，可根据不同手术使用需求，用系统指导机械臂，实现手-眼-脑灵活组合使用，打造真正的人机共融的手术体验。

UKA手术的关键是胫骨截骨，每位患者的胫骨形状、大小、内外翻、内外旋和后倾角度均不相同。作者利用计算机将患者数据建模，输入导引系统，使无形的人体参数转变成直接的图像，可使需要截骨的位置在术中影像上动态显示，引导机械臂，快速、精准地打入3枚克氏针定位，确立胫骨垂直及水平截骨平面，进行精准截骨，完成UKA手术。术中截骨一次成功，避免反复截骨，恢复患者的生理后倾角，对于临床经验不甚丰富的年轻医师来说，可缩短学习曲线，缩短手术时间，降低感染风险，提高手术成功率。

术后随访半年，膝关节ROM、KSS评分均较术前有显著提高。患者膝关节自然感觉更好，满意度更高，达到了预期效果。术后CT检查发现，假体位置与术前规划吻合，能将误差控制在1mm和1°的范围内，表明计算机引导机械臂进行胫骨截骨，能有效地提高UKA手术假体置入的精确性。手术过程简便，只需定位3枚克氏针，即可确定截骨平面，无需反复截骨，更有利于推广。

综上所述，使用计算机手术导引系统引导机械臂进行精准胫骨截骨在单髁置换手术中的应用结果可靠，疗效显著，操作简便，具有很强的临床转化价值，值得进一步推广。

作者简介

程千，副主任医师、副教授、硕士研究生导师，上海交通大学医学院附属同仁医院骨科行政副主任。

社会任职：上海市医学会运动医学专科分会青年委员会副主任委员、上海市中西医结合学会运动医学专委会常务委员兼保膝学组组长，上海市中西医结合学会骨伤科委员会青年委员，上海市中医药学会运动医学分会委员，中国老年保健协会骨关节分会委员，中华志愿者协会中西医结合委运动医学常务委员，中国研究型医院学会骨科创新与转化委员会关节外科学组委员等。

工作及成果：主编骨科专著2部，副主编1部，主编高校骨科教材英文版1部，在编上海交通大学医学院骨科本科教材1部《简明骨科运动医学》;发表SCI 5篇，核心期刊论文10余篇;获国家发明专利1项，实用新型专利7项，主持省厅课题2项，已经结题，目前主持上海市卫健委课题1项。

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