徐九峰韓巍王軍強林鴻王彬彬馮云

（1.北京市延慶縣醫(yī)院骨科，北京102100；2.北京積水潭醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，北京100035；3.北京醫(yī)療機器人工程實驗室，北京100192；4.北京航空航天大學生物與醫(yī)學工程學院，北京100191；5.北京天智航醫(yī)療科技股份有限公司，北京100192）

骨盆復位機器人試驗研究*

徐九峰1韓巍2**王軍強2林鴻3王彬彬4馮云5

（1.北京市延慶縣醫(yī)院骨科，北京102100；2.北京積水潭醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，北京100035；3.北京醫(yī)療機器人工程實驗室，北京100192；4.北京航空航天大學生物與醫(yī)學工程學院，北京100191；5.北京天智航醫(yī)療科技股份有限公司，北京100192）

背景：大多數(shù)骨盆骨折伴有骨盆環(huán)移位，需要進行復位操作。手法復位存在復位次數(shù)多和復位不良的問題；手術(shù)導航系統(tǒng)指導醫(yī)師進行骨折復位操作僅能為醫(yī)師指示復位狀態(tài)，而不能實現(xiàn)對復位的精細調(diào)整。

目的：應(yīng)用骨盆復位機器人進行骨盆模型復位試驗研究，對復位效果進行統(tǒng)計學分析和評估，為骨盆復位技術(shù)研究提供臨床試驗依據(jù)。

方法：由創(chuàng)傷骨科實習醫(yī)師和創(chuàng)傷骨科主任醫(yī)師各完成10次骨盆模型復位操作。試驗過程中記錄復位操作過程中的照相次數(shù)；復位完成后分別測量骶髂關(guān)節(jié)間隙、骶髂關(guān)節(jié)上下移位、骶髂關(guān)節(jié)前后移位、恥骨聯(lián)合間隙、恥骨聯(lián)合上下移位、恥骨聯(lián)合前后移位。所得數(shù)據(jù)均采用獨立樣本t檢驗進行分析，P＜0.05為有統(tǒng)計學差異。

結(jié)果：兩組的復位效果均達到骨盆骨折理想復位的要求，且兩組間的復位效果數(shù)據(jù)和照相次數(shù)均無統(tǒng)計學差異（P＜0.05）。

結(jié)論：本研究的模型骨試驗實現(xiàn)了恥骨聯(lián)合分離合并骶髂關(guān)節(jié)脫位的準確復位，初步驗證了骨盆復位機器人的精度和可用性。骨盆復位機器人輔助手術(shù)具有對操作者的手術(shù)經(jīng)驗要求少，X線暴露時間短的特點。

骨盆；機器人；治療；計算機輔助

Background:ound:Most pelvic fractures associatew ith pelvic ring displacementwhich needsmanualmanipulation.Manualmanipulationmay take several tries and the reductionmay be unsatisfactory.Computerassisted navigation can guide surgeon's manipulation,however,itonly indicates reduction statusand cannotachieve fineadjustment.

Objective:tive:To develop pelvic reduction onmodel bones by using reduction robot,and to evaluate statistically the results of the reduction in order to provide experimental supports for clinic.

Methods:hods:Experiments in this study were conducted by an intern or a chief physician on trauma surgery.Each doctor completed pelvic reduction ofmodelbone for 10 times.The frequency of X-ray fluoroscopy during the experimentwas recorded.The sacroiliac joint gap,inferior and superior disp lacement of the sacroiliac joint,anterior and posterior displacementof the sacroiliac joint,pubic symphysis gap,inferior and superior displacement of the pubic symphysis,anterior and posterior displacementof the pubic symphysisweremeasured after reduction.The bilateral t testwas implemented to all the parameters.When Pvaluewere less than 0.05,the testwas considered to have statisticalsignificance.

Results:ults:Satisfactory reduction was achieved in all the experimentsand there were no significant differences in the frequency of X-ray fluoroscopy or reduction parametersbetween two operators.

Conclusions:ions:Experimentsdeveloped on themodelbone in thisstudy achieve thegoal to complete accurate reduction on pubic symphysis separation w ith sacroiliac joint dislocation.The accuracy and usability of the reduction robot are prelim inarily validated.The operation requires less surgical experiences.Furthermore,intraoperative X-ray radiation and operation timeare significantly reduced.

骨盆骨折是一種嚴重損傷，多由高能外傷所導 致，占全身骨折的1%～3%，因其多伴有合并癥和多發(fā)

傷，致殘率高達50%～60%，致死率可達13%以上[1-3]。大多數(shù)骨盆骨折伴有骨盆環(huán)移位，治療時需要進行復位操作。臨床上多采用手法復位法對骨盆進行復位，要求復位時持續(xù)用力但又不能用力過猛，以防止造成新的骨折[4,5]，同時醫(yī)師要多次進行透視檢查以了解復位情況直至達到令人滿意的復位效果[6]。該方法對醫(yī)師的依賴程度很高，且對傳統(tǒng)的X線片和X線透視的依賴程度很高[7,8]，致使醫(yī)師和患者的放射線暴露時間較長。此外，該方法需要醫(yī)師徒手操作且復位過程中依靠目測進行定位[9]，但人類生理結(jié)構(gòu)的限制導致該方法存在穩(wěn)定性欠缺和精確定位困難等不足，故為得到滿意的復位效果需要進行反復的嘗試與調(diào)整。綜上，復位次數(shù)多和復位不良是該方法不容忽視的問題。據(jù)文獻顯示，骨盆骨折幾乎都涉及骨盆環(huán)，畸形愈合發(fā)生率為5%[10-12]。復位不良將為患者帶來雙下肢不等長、疼痛等問題，有時需要進行二次手術(shù)來矯正。

目前，臨床上多采用手術(shù)導航系統(tǒng)指導醫(yī)師進行骨折復位操作[13]，其可實現(xiàn)術(shù)前手術(shù)入路的模擬、術(shù)中環(huán)境下相關(guān)手術(shù)設(shè)備、器械及患者等被跟蹤目標相對位置和姿態(tài)的實時監(jiān)測等[14,15]。但整體而言，手術(shù)導航系統(tǒng)僅能為醫(yī)師指示復位狀態(tài)，不能實現(xiàn)對復位的精細調(diào)整且不能輔助醫(yī)師進行復位操作并抵抗肌肉牽拉力維持復位。

骨折復位操作需要同時滿足復位精度高、射線輻射量少和操作時間短等要求[9,16,17]?；谝陨闲枨?，本研究在進行骨盆骨折復位時選擇主從式六自由度并聯(lián)骨折復位手術(shù)機器人系統(tǒng)，擬通過骨折模型試驗驗證該系統(tǒng)能否得到滿意的復位效果，為骨盆復位提供一個有效的方法。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

使用骨盆模型骨作為試驗對象進行重復操作。骨折模擬骶髂關(guān)節(jié)脫位和恥骨聯(lián)合分離，將骨盆模型左右髂骨分別用2根直徑5mm固定針與復位機器人左右支架固定，骨盆模型骶髂關(guān)節(jié)未分離側(cè)固定在平臺上（圖1）。將照相機連接到顯示器上，以模擬術(shù)中的X線透視設(shè)備，分別從入口位和出口位對手術(shù)部位成像。術(shù)者手持的操作桿與機器人之間通過微處理器、一個按鈕控制器和接口模塊相連接（圖2）。機器人本體的性能指標是：操作范圍50mm，定位精度1.0mm，復位操作力490 N。

圖1 復位機器人安裝方式

1.2 試驗操作

術(shù)者背對骨盆模型，助手根據(jù)術(shù)者要求對骨盆模型進行照相，術(shù)者通過顯示器觀察骨盆模型的形態(tài)并控制操縱桿將復位動作信號傳至機器人，以控制骨折復位（圖2）。

1.3 試驗分組

試驗由兩位術(shù)者完成，分別為創(chuàng)傷骨科實習醫(yī)師（A組）和創(chuàng)傷骨科主任醫(yī)師（B組）。實習醫(yī)師具有參觀和協(xié)助手術(shù)的經(jīng)歷，主任醫(yī)師有六年手術(shù)操作的經(jīng)歷，兩位術(shù)者同時接受1天的培訓和練習。每組試驗分別由兩個術(shù)者各完成10次骨盆模型復位操作。

1.4 數(shù)據(jù)測定

復位操作過程中記錄照相次數(shù)。復位完成后分別測量骨盆模型的以下數(shù)據(jù)：骶髂關(guān)節(jié)間隙（L1）、骶髂關(guān)節(jié)上下移位（L2）、骶髂關(guān)節(jié)前后移位（L3）、恥骨聯(lián)合間隙（L4）、恥骨聯(lián)合上下移位（L5）、恥骨聯(lián)合前后移位（L6）。

圖2 骨盆模型復位操作

1

1.5 統(tǒng)計學處理

采用SPSS 22.0軟件進行統(tǒng)計學分析，所測得數(shù)據(jù)均采用均數(shù)±標準差表示，兩組間比較采用獨立樣本t檢驗，P＜0.05為有統(tǒng)計學差異。

2 結(jié)果

骨盆復位達到以下標準可認為復位滿意：骶髂關(guān)節(jié)上下移位（L2）和前后移位（L3）均≤5mm，恥骨聯(lián)合上下移位（L5）≤5mm，恥骨聯(lián)合前后移位（L6）≤10mm[18]。對兩組數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析的結(jié)果如表1所示。復位后骶髂關(guān)節(jié)的前后和上下移位，恥骨聯(lián)合的上下和前后移位等指標均達到了理想復位要求。統(tǒng)計檢驗表明，兩組間的復位效果參數(shù)L1～L6和照相次數(shù)的均值均無明顯差異（表1）。

3 討論

骨盆環(huán)的高能量損傷可導致各種類型的骨折損傷移位。恥骨聯(lián)合或恥骨支損傷可致前環(huán)不穩(wěn)，而骶髂關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)囊及韌帶的損傷可致后環(huán)不穩(wěn)。由于骨盆是環(huán)形結(jié)構(gòu)，單純固定后環(huán)時，骨盆結(jié)構(gòu)呈幾何可變體系，受力時不能維持原有結(jié)構(gòu)和形態(tài)，因而穩(wěn)定性差；同時固定前后環(huán)時，骨盆形成了閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)，呈幾何不變體系，抗變形維持原來結(jié)構(gòu)的能力明顯增強。恥骨聯(lián)合分離合并骶髂關(guān)節(jié)脫位或骶骨骨折時，通常在髂嵴或髂前上棘和髂前下棘之間置入固定針，術(shù)者借助固定針反復通過提拉、內(nèi)旋、外旋等動作來閉合恥骨聯(lián)合，并使骶髂關(guān)節(jié)或骶骨盡可能實現(xiàn)解剖復位，由于骨盆自身復雜的多維度結(jié)構(gòu)，術(shù)者需要憑借經(jīng)驗反復調(diào)整復位角度直至滿意，這一過程會大幅增加手術(shù)時間，很難實現(xiàn)精確的解剖復位，且術(shù)者需接受大量X射線。國外有學者基于骨盆CT三維重建模型，對骨盆復位的位移和扭矩進行分析，但并未對臨床起到實際的指導作用。鑒于機器人自身的高精度、穩(wěn)定的剛性結(jié)構(gòu)以及多自由度運動的優(yōu)勢，本研究采用簡捷的六自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu)作為主手，用映射的方法控制復位并聯(lián)機器人從手，對骨盆骨折模型進行復位試驗，效果較好。

表1 兩組試驗數(shù)據(jù)及統(tǒng)計分析結(jié)果（x x±s s）

本研究實現(xiàn)了恥骨聯(lián)合分離合并骶髂關(guān)節(jié)脫位的準確復位，初步驗證了六自由度并聯(lián)機構(gòu)的精度和可用性，但仍存在諸多不足之處：①模型較為簡單，無法模擬對抗肌肉等軟組織牽拉力量的真實手術(shù)情況，關(guān)于骨盆復位中所需的操作力和扭矩等數(shù)據(jù)未進行采集，尚需進一步的試驗驗證；②模型骨與真實骨在生物力學上仍有差異，可能影響復位效果；③由于并聯(lián)機構(gòu)操作范圍是50mm，有時出現(xiàn)超出操作范圍無法繼續(xù)沿該方向運動的情況，需要術(shù)者重新改變復位路徑，增加操作次數(shù)，但同時也避免了過度操作，從而增加了系統(tǒng)的安全性。

本研究的創(chuàng)新和特點體現(xiàn)在：①率先使用了六自由度并聯(lián)機器人進行骨盆骨折復位，能更好地滿足復位操作要求；②與導航下機器人輔助骨折復位方法相比，該方法完全依賴術(shù)者的目測，故復位精度不如導航軟件計算得那么精確，但基本滿足臨床上骨盆骨折復位標準（骨盆骨折的復位以功能恢復為首要目標，而形態(tài)恢復相對次要，當形態(tài)恢復涉及耗時復雜的操作時，顯然簡潔的功能恢復更具有實用性），而且不需要安裝導航設(shè)備以及術(shù)前在軟件上對骨折遠近端進行分割、規(guī)劃等復雜耗時的操作；③手術(shù)經(jīng)驗很少的實習醫(yī)師與主任醫(yī)師所達到的復位效果相當，說明本系統(tǒng)對操作者的手術(shù)經(jīng)驗要求少；④本系統(tǒng)主從端的連接方式允許術(shù)者遠離手術(shù)區(qū)域，可以減少醫(yī)師的X射線暴露。

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Pelvic reduction robot:an experimental study*

XU Jiufeng1,HANWei2**,WANG Junqiang2,LIN Hong3,WANG Binbin4,FENG Yun5
(1.Departmentof Orthopedics,Beijing Yanqing County Hospital,Beijing 102100;2.Departmentof Orthopedicsand Traumatology, Jishuitan Hospital,Beijing 100035;3.M edical Robot Engineering Laboratory,Beijing 100192;4.Schoolof Biological Science and MedicalEngineering,Beihang University,Beijing100191;5.TinaviMedicalTechnologiesCompany Lim ited,Beijing100192,China)

ords:Pelvic;Robotics;Therapy;Computer-Assisted

2095-9958（2015）06-0 242-04

10.3969/j.issn.2095-9958.2015.03-011

北京積水潭醫(yī)院FRCS基金資助；北京市科技計劃課題支持（Z131100006413027）

**通信作者：韓巍，E-mail:hanweijst@hotmail.com