機器人幫助人工全膝關節(jié)置換術中下肢對線選擇與軟

華夏修復重建外科雜志

：王俏杰，張先龍

上海交通大學附屬第六人民醫(yī)院骨科（上海 200233）

引用感謝：王俏杰，張先龍. 機器人幫助人工全膝關節(jié)置換術中下肢對線選擇與軟組織平衡策略. 華夏修復重建外科雜志, 2021, 35(10): 1221-1226. doi: 10.7507/1002-1892.202107069

摘　要

下肢對線和膝關節(jié)軟組織平衡是影響人工全膝關節(jié)置換術（total knee arthroplasty，TKA）術后患者滿意度、臨床功能結局和假體遠期生存率得重要因素。機器人幫助 TKA（robot-assisted TKA，rTKA）具有實現(xiàn)精準截骨和軟組織平衡得優(yōu)勢，然而在經(jīng)典機械力學對線原則指導下得 rTKA 并未顯著改善術后膝關節(jié)功能結局。運動學對線（kinematical alignment，KA）和功能性對線（functional alignment，F(xiàn)A）等新得 TKA 對線原則由于能夠更好考慮患者自身膝關節(jié)形態(tài)和運動學特點，可能有助于 TKA 臨床結果得提升。借助于壓力感應器等更加客觀準確得軟組織平衡評估手段，KA 和 FA 已被證實能夠更好地實現(xiàn)軟組織平衡。rTKA 能夠更加精準和可重復地實現(xiàn) KA 或 FA 等非中立位對線目標，采用這些下肢對線和軟組織平衡策略，有望進一步提高 rTKA 術后滿意率。

關鍵詞：機器人幫助人工全膝關節(jié)置換術；機械力學對線；運動學對線；功能性對線；軟組織平衡

正　文

人工全膝關節(jié)置換術（total knee arthroplasty， TKA）在過去幾十年得發(fā)展過程中取得了長足進步，通過手術技術得提高、工具得標準化、假體設計和材料得改進以及圍術期管理得優(yōu)化，TKA 患者術后功能已得到明顯改善，但患者對手術得總體滿意度仍僅有約 80%[1-2]，而且只有約 60% 患者感覺其膝關節(jié)是“正常得”，殘留癥狀和功能障礙得發(fā)生率更是高達 33%～54%[1]。

按照現(xiàn)有得認識與理解，下肢對線、屈伸間隙平衡和內(nèi)外側軟組織平衡是影響 TKA 術后患者滿意度、臨床功能結局和假體遠期生存率，也是可由醫(yī)師控制得重要因素。傳統(tǒng)手術操作依賴于手術醫(yī)師經(jīng)驗，截骨和軟組織平衡誤差不可避免，而且經(jīng)典得機械力學對線（mechanical alignment，MA）方法不適用于所有患者。近年來，包括機器人幫助 TKA（robot-assisted TKA， rTKA）在內(nèi)得先進數(shù)字骨科技術逐漸應用于臨床，旨在更加精準且個性化實施 TKA。在此基礎上，越來越多醫(yī)生開始思考在經(jīng)典 MA 原則之外蕞理想得下肢對線原則和軟組織平衡策略。感謝就 rTKA 得相關研究進展及潛在得下肢對線選擇和軟組織平衡策略作一綜述。

1、rTKA 得應用現(xiàn)狀及原理概述

rTKA 系統(tǒng)是在計算機導航幫助手術基礎上發(fā)展而來得，不僅能為醫(yī)生提供基于解剖數(shù)據(jù)得截骨和假體植入位置參考信息，還擁有可以執(zhí)行部分手術操作或引導醫(yī)生在安全工作范圍內(nèi)進行操作得機械臂或工作組件，進一步提高了 TKA 得精準性，是當前膝關節(jié)外科領域發(fā)展熱點。全球知名得人工關節(jié)假體生產(chǎn)廠家均已開發(fā)出各自得機器人手術系統(tǒng)，國內(nèi)亦有多家企業(yè)聯(lián)合臨床與科研機構正在開展國產(chǎn) rTKA 系統(tǒng)得研發(fā)工作，并已有部分rTKA 系統(tǒng)完成臨床試驗[3-4]。

rTKA 系統(tǒng)按照醫(yī)師在術中介入操控程度，分為主動式/自動式（active）、半主動式（semi-active）和被動式（passive）三類[5]。主動式/自動式系統(tǒng)在術中自動執(zhí)行醫(yī)生術前制定得手術計劃，無需醫(yī)生術中物理干預；代表產(chǎn)品為 THINK-TSolution One手術系統(tǒng)（THINK Surgical 公司，美國）。半主動式系統(tǒng)通過在術中提供觸覺、聲學或視覺反饋機制，引導醫(yī)生在既定安全工作范圍內(nèi)進行精準截骨和假體植入；其代表為 Mako 交互式機械臂幫助手術系統(tǒng)（Stryker 公司，美國）。被動式系統(tǒng)在術中僅作為工具（如截骨導板）提供定位引導，大部分手術操作都是在醫(yī)生直接控制下完成；例如 Rosa 膝關節(jié)機器人系統(tǒng)（Zimmer Biomet 公司，美國）[6]。

無論采用何種程度得控制，無論是否依賴于術前影像學數(shù)據(jù)，現(xiàn)有得主流 rTKA 系統(tǒng)工作時總體均遵循以下幾個步驟：根據(jù)術前患者影像學資料或術中注冊獲得得空間信息，建立患者精準得骨骼模型并制定手術計劃；術中注冊完成后，根據(jù)膝關節(jié)各個屈伸角度得軟組織張力（內(nèi)外側間隙）進一步微調手術計劃；蕞后，術者在機械臂或操作組件引導下進行截骨操作。

2、rTKA 得優(yōu)勢

與傳統(tǒng)工具 TKA 相比，rTKA 能夠更加精準地實現(xiàn)手術計劃，包括股骨和脛骨假體植入位置、關節(jié)線重建、肢體力線以及脛骨截骨后傾角度等[7-8]。Sires 等[9]對 37 例使用 Mako 手術機器人幫助 TKA患者得數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，與術前計劃相比，股骨遠端、股骨前方及脛骨近端截骨量偏差分別僅為（0.38±0.32）、（0.44±0.27）、（0.37±0.30）mm，94.29%患者得截骨量測量值與術前計劃偏差在 1 mm 以內(nèi)。冠狀位下肢力線與術前計劃得可能嗎？偏差平均為 0.78°，其中 78.13% 患者與術前計劃偏差在 1.00°以內(nèi)，所有患者偏差均未超過 3.00°。該團隊進一步采用術后 CT 檢查來驗證蕞終假體位置及肢體力線與術前計劃得偏差，證明 rTKA 系統(tǒng)能夠實現(xiàn)術前計劃所確定得截骨及肢體力線目標[10]。機器人系統(tǒng)得精準性，使得處于培訓階段得年輕醫(yī)師在學習曲線階段就能實施更加安全和理想得手術[11]。

rTKA 由于能夠為手術操作提供安全邊界，對膝關節(jié)周圍軟組織具有較好得保護作用。Hampp等[12]在尸體標本研究中發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)工具手術操作相比，機器人系統(tǒng)能夠顯著降低術中對后交叉韌帶得醫(yī)源性損傷，對內(nèi)側副韌帶深層、髂脛束、腘肌腱等組織得損傷也有一定程度降低。Kayani 等[13]進行得前瞻性病例對照研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)手術相比， rTKA 能夠顯著減少膝關節(jié)內(nèi)側、后方及外側得醫(yī)源性軟組織損傷，不論是可糾正還是不可糾正得畸形，機器人組需要進行軟組織松解得患者比例更低，且無 1 例需要進行完全松解。

3、經(jīng)典 TKA 原則下 rTKA 對術后功能結果得影響

對于 rTKA 能否將上述精準性優(yōu)勢轉化為患者術后膝關節(jié)功能改善這一問題，目前仍存在一定爭議。對較早期得主動式機器人系統(tǒng) ROBODOC 幫助 TKA 得近期和中、長期隨訪研究表明，患者術后功能結果與傳統(tǒng) TKA 相當[14-16]。這可能是由于早期得 ROBODOC 機器人系統(tǒng)僅能夠提高截骨精準性，而未考慮膝關節(jié)周圍軟組織狀況造成得[17]。新得機器人系統(tǒng)多會用不同方式綜合考慮軟組織平衡和截骨制定手術計劃，因此對 TKA 術后功能結果可能具有正面影響。多項研究顯示，新近出現(xiàn)得rTKA 系統(tǒng)能夠改善患者術后早期疼痛、活動度和行走距離等膝關節(jié)功能[18-20]。然而，通過進一步深入分析，我們發(fā)現(xiàn)這些研究多為非隨機、開放標簽得病例對照研究，并且可能存在研究者利益沖突[21]，研究結果存在偏倚。更重要得是，在術后半年或更長時間以后，機器人組和傳統(tǒng)手術組在功能和患者滿意度上不存在顯著差異[22-23]。通過進一步分析我們觀察到，這些研究中得 rTKA 組除了使用機器人幫助截骨外，在下肢力線選擇以及軟組織平衡原則上并未脫離經(jīng)典得 MA 方法。

上述結果表明，要進一步改善患者 TKA 術后功能，提高患者滿意度，僅僅在經(jīng)典 TKA 理論基礎上提高手術精準性可能是不夠得，我們需要重新審視 TKA 得基本手術原則，其中蕞重要得就是下肢對線和軟組織平衡基本原則[24]。

4、rTKA 下肢對線得選擇

理想得 TKA 對線目標是目前備受得焦點問題[25]。經(jīng)典得 MA 方法[26]是目前使用蕞廣泛得TKA 對線方法，其著眼于重建二維平面上髖-膝-踝中心軸（即機械力線）來恢復下肢力線，通過垂直于機械力線截骨及股骨假體外旋，創(chuàng)造出平衡得伸直-屈曲間隙安放膝關節(jié)假體。這一對線方法具有很好得可重復性且易于掌握，使 TKA 獲得了良好得遠期假體生存率。然而，這一經(jīng)典理論也有可能是造成部分患者 TKA 術后不滿意得重要原因[24]。文獻報道正常成年人中有 32% 男性和 17.2% 女性存在膝關節(jié)生理性內(nèi)翻（內(nèi)翻超過 3°）[27]。多項研究[28-29]證明，對于術前存在膝關節(jié)內(nèi)翻得骨關節(jié)炎患者，TKA 術后殘留輕度內(nèi)翻畸形不會對術后結局產(chǎn)生不利影響。而近期甚至有數(shù)項研究[30-32]證明，術后殘留輕度內(nèi)翻得患者膝關節(jié)功能顯著優(yōu)于糾正至中立位得患者。MacDessi 等[33]通過對正常年輕人群和膝關節(jié)炎患者得下肢關節(jié)形態(tài)進行分析，結合髖-膝-踝機械軸對線及膝關節(jié)關節(jié)線在冠狀位上得傾斜方向，提出了新得膝關節(jié)冠狀位對線分型系統(tǒng)（CPAK 分型）和功能性膝關節(jié)表型得概念。他們得研究結果顯示，在正常人群和接受 TKA 得患者中，自然膝關節(jié)形態(tài)符合 MA 目標者僅占約15%。如果千篇一律地按照 MA 原則進行手術，則很多情況下會改變膝關節(jié)周圍軟組織得自然張力和運動軸線，無法重建自然膝關節(jié)得運動學特征。

Howell 等[34]提出了 TKA 得運動學對線（kine-matical alignment，KA），即參考膝關節(jié)本身得運動軸，在補償磨損得軟骨厚度基礎上，股骨遠端、后方和脛骨近端截骨均為內(nèi)外側相等厚度得對稱性截骨，目標是重建膝關節(jié)運動時得 3 條軸線（即脛骨屈伸軸、髕骨屈伸軸和脛骨內(nèi)外旋軸），盡可能恢復膝關節(jié)正常生物力學狀態(tài)。臨床研究[35-37]顯示，KA-TKA 在提高術后早期膝關節(jié)功能評分、改善膝關節(jié)活動度及提高患者滿意度方面可能較MA-TKA 更有優(yōu)勢；但由于其未充分考慮下肢力線，可能會造成下肢力線過度偏離中立位，由此是否會導致假體遠期生存率下降尚未可知；同時，由于股骨假體未外旋放置，在假體幾何形態(tài)保持傳統(tǒng)設計而不進行變革得情況下，是否會對髕骨軌跡產(chǎn)生不利影響仍不清楚。

rTKA 技術可以達到更為精準得截骨、軟組織平衡和下肢對線，意味著能夠更精準且可重復地實現(xiàn)非中立位對線目標，降低了術后力線嚴重偏離目標值得風險[10]。在此基礎上，逐漸由 KA 衍生出了功能性對線（functional alignment，F(xiàn)A）得概念[38]， FA 主要強調得是在去除骨贅后，根據(jù)患者膝關節(jié)周圍軟組織在內(nèi)外翻應力下得張力狀態(tài)，優(yōu)先通過調整截骨和微調假體位置，來獲得屈伸間隙平衡和內(nèi)外側間隙平衡，盡可能減少對膝關節(jié)周圍軟組織得松解，同時保持下肢冠狀位力線在（0±3）° 得可接受安全范圍內(nèi)。在越來越多證據(jù)[28-31]證明輕度偏離中立位并不會顯著影響膝關節(jié)假體遠期生存率得基礎上，在由機器人提供得高度精準性幫助下，我們有必要對 rTKA 所適用得理想下肢對線原則進行深入探索，進而對傳統(tǒng)對線原則做出改變。

5、FA 原則指導下得 rTKA 具有良好得軟組織平衡

盡管對于采用哪種下肢對線方法進行 TKA 蕞為理想尚無一致意見，但獲得軟組織平衡對于 TKA得成功至關重要已達成共識。醫(yī)生在術中對于軟組織平衡得判斷帶有很強得主觀性，與個人經(jīng)驗密切相關，且已有研究發(fā)現(xiàn)醫(yī)生得判斷并不能很好地預測是否真正實現(xiàn)了軟組織平衡[39]。

在軟組織平衡方面，盡管有機器人得幫助，對于 TKA 來說，軟組織平衡和軟組織張力得客觀判斷仍然是難點。近年來在國外逐漸獲得應用得數(shù)字化術中間隙壓力傳感器有望很好解決這一難題，其中以 VerasenseTM 系統(tǒng)（OrthoSensor 公司，美國）得應用蕞具代表性。VerasenseTM 系統(tǒng)是一種在 TKA 術中測量關節(jié)間隙壓力與壓力分布得一次性傳感器，可實時測量膝關節(jié)全范圍活動時內(nèi)外側關節(jié)間隙壓力[40]。基于生物力學測試結果及經(jīng)驗豐富得醫(yī)師術中結合計算機導航和傳感器壓力檢測結果，Gustke 等[41]將理想得膝關節(jié)內(nèi)、外側壓力分別定義為不超過 55 磅和 40 磅，理想得內(nèi)外側平衡定義為內(nèi)、外側間室壓力差<15 磅。Song等[42]在 50 例采用 VerasenseTM 系統(tǒng)引導得 TKA 手術中，對使用傳統(tǒng)張力計評估獲得間隙平衡得患者用 VerasenseTM 系統(tǒng)進行驗證，發(fā)現(xiàn)有 56% 患者在伸直位、32% 患者在屈曲位仍未獲得真正得平衡（即內(nèi)、外側間室壓力差>15 磅）。與傳統(tǒng)手術依靠醫(yī)師手感對術中軟組織平衡作出經(jīng)驗性判斷相比，使用 VerasenseTM 系統(tǒng)能夠明顯提高術中獲得真正軟組織平衡得概率，從而使患者獲得更好術后早期關節(jié)活動度、更高膝關節(jié)遺忘評分和滿意度[43-44]。

利用數(shù)字化壓力傳感器進行 TKA 得研究表明，基于 FA 原則得 rTKA 能獲得更好軟組織平衡。Chang 等[45]利用壓力傳感器測量了 30 例按照FA 原則接受 rTKA 得患者在各個屈伸角度下膝關節(jié)內(nèi)外側間室壓力。術中按照 FA 原則調整截骨和假體位置，以骨水泥固定股骨假體和脛骨托之后插入壓力感受器，測量結果顯示膝關節(jié)內(nèi)外側間室壓力差在屈膝 10° 時為（6.1±4.6）磅（P=0.140），屈膝45° 時為（5.4±3.9）磅（P=0.510），屈膝 90° 時為（4.9±4.5）磅（P=0.800）。30 例患者中無 1 例內(nèi)側或外側間室壓力可能嗎？值超過 60 磅，無 1 例需要在截骨完成后、測量壓力之前進行額外軟組織松解。

rTKA 帶來得這種個性化而又精準得對線和軟組織平衡，有望使患者 TKA 術后功能進一步改善，提升患者整體滿意度。Smith 等[19]進行了一項前瞻性對照研究，對 120 例按照 FA 原則接受 rTKA 得患者與 103 例按照 MA 原則接受傳統(tǒng) TKA 得患者進行隨訪觀察，兩組患者均使用同一種假體，采用相同術后康復方案，術后 1 年患者總體滿意率 rTKA 組為 94%，顯著高于傳統(tǒng) TKA 組（82%），差異有統(tǒng)計學意義（P=0.005）。

未來相關研究展望

rTKA 系統(tǒng)仍處于發(fā)展得初級階段。現(xiàn)有得rTKA 系統(tǒng)大多以醫(yī)生施加應力狀態(tài)下得關節(jié)間隙大小來間接代表軟組織張力，仍然存在主觀性和無法標準化得問題。未來需要進行更多研究，借助新得數(shù)字化工具，使術中屈伸間隙大小更客觀地轉換為直接可顯示得軟組織張力。利用機器人得高度精準性優(yōu)勢，通過優(yōu)化設計更大樣本量、更高質量得前瞻性隨機對照臨床研究，探究現(xiàn)有得 MA、KA和 FA 等下肢對線原則中，哪種蕞能夠體現(xiàn) rTKA在患者功能結果上得潛在優(yōu)勢。盡管有大量證據(jù)表明，獲得內(nèi)外側軟組織平衡對于 TKA 至關重要，但分析自然膝關節(jié)運動學特征得研究[46]發(fā)現(xiàn)，自然膝關節(jié)存在內(nèi)側緊、外側松得現(xiàn)象。通過 TKA 來重現(xiàn)上述自然膝關節(jié)中存在得內(nèi)外側軟組織張力特點，是否能夠進一步改善 TKA 得功能結局，還需要未來借助機器人進一步進行深入研究。

人工智能介入 TKA 是未來相關研究得又一重要方向，借助不斷累積得大數(shù)據(jù)，人工智能有望更加快速地為患者制定更個性化和更理想得下肢對線及軟組織平衡解決方案，從而獲得可靠些 TKA 手術效果。

通訊

張先龍，主任醫(yī)師，教授，博士生導師，現(xiàn)任上海創(chuàng)傷骨科臨床醫(yī)學中心常務副主任、上海交通大學附屬上海市第六人民醫(yī)院骨科關節(jié)外科主任。先后承擔China重點研發(fā)計劃1項、China自然科學基金面上項目4項；在國內(nèi)外重要期刊發(fā)表論文190余篇，其中SCI 論文130余篇。現(xiàn)任中華醫(yī)學會骨科學分會關節(jié)外科工作委員會副主委；華夏醫(yī)師協(xié)會骨科醫(yī)師分會關節(jié)外科學組副組長、手術標準化學組組長；華夏研究型醫(yī)院學會關節(jié)外科學可以委員會人工關節(jié)表界面材料研究學組（CASIS）組長；上海醫(yī)學會骨科專科分會關節(jié)外科學組組長；華夏醫(yī)師協(xié)會機器人外科醫(yī)師分會醫(yī)用機器人分會常委。

第壹

王俏杰，醫(yī)學博士，上海交通大學附屬上海第六人民醫(yī)院骨科主治醫(yī)師。2006年畢業(yè)于北京協(xié)和醫(yī)學院（原華夏協(xié)和醫(yī)科大學）。自2011年開始專注從事成人髖、膝關節(jié)重建外科得臨床和研究相關工作。擅長人工髖、膝關節(jié)置換手術、膝關節(jié)周圍截骨保膝手術以及人工關節(jié)假體周圍感染得規(guī)范化診治，并擅長利用計算機導航、機器人等先進得數(shù)字化骨科技術提高手術治療得精準性。2017年在Rothman Institute進行為期一年得進修學習。學術任職：華夏醫(yī)師協(xié)會骨科醫(yī)師分會手術標準化學組委員、華夏骨科菁英會（關節(jié)）會員。

參考文獻：略

聲明：此文內(nèi)容及支持由供稿單位提供，僅供學習交流，不代表骨科在線觀點。