机器人辅助经皮螺钉内固定结合三维打印模板治疗腕舟...

对于无移位或仅有微小移位的腕舟骨骨折，行经皮螺钉固定正逐步取代保守治疗。腕舟骨的经皮螺钉固定属于微创操作，其手术技术有一定的难度，特别是在对螺钉位置要求较高的情况下，会增加手术时间与术中X线暴露时间。近年来，随着相关领域科学技术的发展与进步，骨科手术机器人逐渐被应用于临床治疗中，可辅助人工膝关节和髋关节的置换，在骨盆与髋臼骨折的经皮螺钉固定以及椎弓根螺钉固定手术中提高置钉的精确度。但目前尚未见关于机器人用于腕舟骨骨折手术治疗的报道。北京积水潭医院手外科以骨科手术机器人辅助螺钉导针的置入，采用三维打印模板固定患肢腕关节，完成1例腕舟骨骨折的经皮螺钉内固定手术。现报告如下。

一般临床资料

患者，男，61岁，2018年3月因跌倒致左腕舟骨骨折2d就诊。X线可见左腕舟骨腰部以远多条骨折线，骨折线间隙＜1mm，未合并其他部位骨折。由于骨折端较为粉碎，稳定性差，考虑在机器人辅助下行闭合经皮空心螺钉固定手术。机器人辅助置钉手术在腕舟骨骨折患者的应用经北京积水潭医院新技术委员会和伦理委员会批准。

本研究采用TiRobot骨科手术机器人(北京天智航医疗科技股份有限公司，中国)，其主要工作步骤包括:由手术医生操作系统，以“C”型臂X线机采集术中影像，规划螺钉导针的入针方向和入点，随后由系统经计算给出符合医生要求的手术路径，发出指令使机械臂移动至所需位置，在机械臂上安装导针套筒，同时通过光学跟踪系统监控机械臂的运动路径并确认是否出现偏差，如有偏差由系统进行自动补偿，以保证导针置入位置的精确度。

术前CT扫描

行CT扫描时患者取俯卧位于CT设备(Aqualin，东芝公司，日本)上。扫描时间0．3s，视野225．0mm，层厚1．0mm，矩阵256×256。腕关节位置为背伸约40°，扫描范围为患肢前臂中段至掌指关节。

术前图像处理及三维打印

使用术前计划与设计软件VxWork(北京卓远科技有限公司，中国)导入DICOM格式CT数据，按以下步骤处理:①将腕关节整体(包括皮肤和软组织)进行容积重建，阈值－300，得到患肢腕关节外观三维影像(图1)。②在表面重建模式下，将带皮肤腕关节的三维影像外扩25px左右。③运用减集运算在其内将腕关节整体移除，形成阴模，并在两边加上锁扣装置。④将设计出的模型以WRL格式传输至桌面三维打印机(型号3DTOBE-2830e，三维天工科技有限公司，中国)，使用医用可降解聚乳酸材料将阴模分为掌侧和背侧两部分打印，并在掌侧舟骨结节处开直径为125px的孔(图2)，以便打入导针。

手术方法

采集图像:将机器人移动并固定至手术床旁患者患肢侧，罩无菌套，确保机械臂有一定工作空间可达腕部，将光学跟踪相机置于患肢侧头端，将移动式“C”型臂X线机置于患肢侧尾端。将已经过灭菌的三维打印模板安置于患肢腕部(图3)，用2根Shanz针通过模具两侧的锁扣将模具固定于硬塑料背板上，以防止患肢在术中移动。将患者示踪器固定于一侧Shanz针的尾部。应用“C”型臂X线机获取包含机器人定位标记点的术中透视影像，并将其传输至机器人工作站，由系统进行配准计算。

规划手术路径:根据术中采集的图像，使用系统规划软件进行螺钉置入路径规划。本研究病例采用掌侧入路，从腕舟骨结节处入针，沿腕舟骨中央区规划路径(图4)。

机器人辅助置钉:机械臂在系统控制下运动到规化中的位置。在机械臂上安装导向套筒，将导针尖端抵至患肢手掌侧皮肤，再次以“C”型臂X线机透视确认导针位置是否满意，同时在机器人系统软件上确认实际导针的位置和方向与规划导针是否相符。如软件显示其偏差＞0．2mm，可进行微调，同时在打入导针时监测是否与规划路径和位置有偏离。

透视验证:以“C”型臂X线机透视确认导针位置满意后，测量所需螺钉的长度，拧入适合的空心螺钉(Acutrak3．5，ACUMED公司，美国)，确认空心螺钉位置良好后撤出导针，冲洗切口后缝合1针。

手工记录手术时间及“C”型臂X线机曝光时间。

置针结束后，重合术前及术中以“C”型臂X线机采集的腕舟骨影像，测量实际导针与规划导针的位置差距及成角(图5)。

术后处理及随访

术后第2天换药，仅晚间以石膏固定。术后1、2和4周随访，记录不良事件发生情况并以X线检查骨折是否存在移位，同时观察患肢腕关节的疼痛情况和活动范围。术后4周后开始部分负重锻炼。

结果

实际导针与规划导针进针点基本重合，成角约4．43°。该例手术用时58min，其中X线曝光时间为18．4s。一次性打入导针，未进行调整。术中使用止血带，出血量＜10ml。术后4周摄腕关节正、侧位及舟骨位X线，骨折有愈合迹象(图6)。撤除石膏外固定，开始腕关节的屈伸功能训练，腕关节的活动度达到正常范围的80%。

讨论

对于无移位或移位＜1mm的新鲜腕舟骨骨折，闭合复位经皮空心螺钉内固定可以缩短术后制动时间及骨折愈合时间，提高骨折愈合率，近年来已经成为最常用的治疗方法。但是，这类微创手术的操作具有一定的难度，要求术者对此类术式有丰富的临床经验，对腕舟骨的解剖结构有非常清晰的认识。腕舟骨骨折的固定对螺钉的位置有一定的要求，例如螺钉应居中，尽可能与骨折线垂直，以及螺钉要尽可能长以增加把持力。传统的经皮空心螺钉固定术依赖术中多次的X线透视来获得满意的导针位置，增加了手术时间以及术者和患者的X线暴露时间。有时，尽管经过多次X线透视检查，螺钉仍然偏离正确位置，术者只能不断调整导针在舟骨内的位置。位置欠佳的导针孔还可能有干扰作用，使得调整导针位置的操作更为困难。因此，螺钉在腕舟骨内有可能偏离最佳位置，从而影响骨折的愈合。反复调整导针和螺钉位置的操作无疑还会造成腕舟骨骨量的损失，从而降低螺钉固定的牢固性。

术中利用计算机导航设备辅助放置腕舟骨螺钉置入是上述问题的一种解决方案，但其临床应用没有广泛开展。原因是现有的导航系统都需要借助于人手操作，而人手操作的不稳定性可能会造成手术操作的偏差，导致导针位置欠佳。对于腕舟骨骨折，计算机导航系统还要求在手术部位附近放置示踪器，这会给患者增加额外的创伤。另外，腕关节由桡腕关节、腕中关节和腕掌关节组成，活动度相对较大，如果不能有效固定腕关节，示踪器的细微移动就会给手术操作带来较大误差。腕舟骨手术对操作系统的精确度要求非常高，通常超过1mm的误差即会造成令人无法接受的结果。

为了解决上述问题，北京积水潭医院手外科在腕舟骨骨折经皮螺钉内固定术中试用了骨科手术机器人。该机器人可以按照术者在术中摄取的X线影像上规划的目标，由系统操控机械臂运动，配合以安装在机械臂上的导针套筒，消除了人为操作的不稳定性，理论上可能提高手术的精确度和安全性。此外，术者还对本研究病例设计了基于CT数据的三维打印模板以充分固定腕关节。该模板是个性化模板，其内壁形状完全符合患肢腕关节外形。将模板低温灭菌后，在术中安置于患肢腕关节上，并与腕部皮肤紧密贴合，扣紧后可使腕关节处于完全制动状态。该模板是保证机器人辅助置钉准确度的重要因素。同时，可将示踪器固定于模板，避免在患者肢体再行切口。

本研究病例的总体手术时间与术者之前行透视引导徒手操作手术的时间接近。但是，本研究病例术中没有调整导针，从而节省了时间，“C”型臂X线机曝光次数和时间较少。大部分手术时间是用于非手术操作，例如机器人和示踪采集装置的摆放、缓慢的机械臂运动及校准、要求较高的图像采集以及导针的打入规划等。考虑到随着医生对机器人系统的使用熟练程度的提高，设备摆位、图像采集和手术规划等操作用时将进一步缩短，未来有可能缩短总手术时间。

本研究所应用的机器人软件系统最初是基于髋臼骨折和股骨颈骨折的螺钉置入要求设计的，其精确度和安全性在临床上已经得到初步确认。将该机器人用于腕舟骨骨折的手术治疗，目前尚未见相关报道。该机器人的基本工作原理是通过正、侧位X线影像来确定导针在三维空间的最佳位置，由此初步推断将其应用于腕舟骨骨折的手术治疗是可行的。但本研究所使用的软件系统和操作工具不是专门为腕舟骨骨折的治疗设计的，手术操作过程中可能会产生一定的误差，这种误差对于腕舟骨这样的短小骨而言，可能是非常大的。从某种意义上说，腕舟骨骨折的手术治疗对于机器人精确度的要求是非常高的。

从本研究的初步结果来看，机器人辅助经皮螺钉固定技术结合三维打印模板治疗无移位或仅有微小移位的腕舟骨骨折，可使螺钉位置更加精准，减少导针的调整次数，提高固定的牢固性，有利于患者早期康复。其手术时间和术中X线暴露时间未来有可能缩短。本研究有非常明显的不足:只有1例病例，缺少与传统经皮置钉方法的对照，随访时间短。机器人辅助经皮螺钉内固定结合三维打印模板治疗腕舟骨骨折的临床应用与效果，有待进一步的前瞻性大样本临床研究予以证实。