机器人导航定位系统辅助下经皮空心螺钉内固定治疗股骨颈骨折

骨关节空间2019-02-24 13:21:03



本文原载于《中华创伤骨科杂志》2015年第8期

本文由新乡医学院第三附属医院宋君涛医师推荐

【推荐理由】术中螺钉置入更精准和规范,手术切口小,减少了放射线的接触时间。


股骨颈骨折是髋部骨折中最常见的类型,发生率约占股骨近端骨折的一半。随着世界入口老龄化的加剧,股骨颈骨折的发生率逐年增加[1]。对于绝大多数新鲜股骨颈骨折,首先考虑解剖复位,采用可靠的内固定[2]。闭合复位微创多枚空心螺钉内固定是股骨颈骨折最常用的内固定方式。有研究[3,4]证实,准确的螺钉置入位置可增加股骨颈骨折内固定的稳定性,降低骨折不愈合的风险。目前,股骨颈骨折空心螺钉内固定手术主要是医生在透视监测的帮助下,凭经验徒手操作完成。由于每位医生的经验不同和手术人员操作的不稳定性,很难确保每枚螺钉置入的方向和位置达到最满意效果。同时术中反复透视,也会对医护人员和患者造成放射性损害。


随着近年来计算机辅助骨科导航手术(computer assisted orthopaedic surgery, CAOS)技术在骨科的广泛应用,其在提高手术精确度、减少手术创伤和术中放射线损害及增加手术成功率等方面的显著优势,受到越来越多骨科医生的关注[5]。目前国内外使用的骨科辅助导航设备主要为光电导航,因其存在术中光线遮挡、固定示踪器增加额外创伤及操作不稳定等缺点,应用受到一定限制。机器人导航定位系统GD-2000是同内自主研发的基于术中X线透视影像的双平面骨科机器人系统,克服了上述光电导航的缺点,可辅助完成股骨颈和骶髂关节空心螺钉置入、髓内钉远端锁定的微创内固定手术,更符合创伤骨科医生的临床操作习惯,具有操作简便、定位准确、手术微创、射线暴露时间短等优点。本文回顾性分析2012年10月至2014年6月我院应用该导航定位系统辅助完成的21例股骨颈骨折空心螺钉内固定手术患者资料,并与同期传统徒手定位方法手术患者资料进行对比分析,探讨机器人导航定位系统辅助下经皮空心螺钉内固定治疗股骨颈骨折的疗效。


资料与方法


一、一般资料

病例纳入标准:闭合性股骨颈骨折患者。病例排除标准:年龄>65岁且Garden分型为Ⅲ型或Ⅳ型的股骨颈骨折患者,多发伤或严重创伤患者无法通过牵引床进行股骨颈骨折闭合复位者,合并其他严重疾病而无法耐受手术者。本研究导航组共纳入21例,男8例,女13例;年龄为20~85岁。致伤原因:滑倒摔伤12例,交通伤6例,高处坠落伤2例,运动伤1例。骨折按Garden分型:I型2例,Ⅱ型5例,Ⅲ型9例,Ⅳ型5例。受伤至手术时间为2~22d。新鲜骨折(受伤至手术时间<3周)20例,陈旧性骨折(受伤至手术时间≥3周)1例。选择同期采用传统徒手定位方法手术的25例患者作为对照组,男11例,女14例;年龄为24~81岁。致伤原因:滑倒摔伤10例,交通伤8例,运动伤4例,高处坠落伤3例。骨折按Garden分型:I型1例,Ⅱ型8例,Ⅲ型10例,Ⅳ型6例。受伤至手术时间为1~15d。两组患者术前一般资料比较差异均无统计学意义(P> 0.05,表1),具有可比性。



二、手术设备及器械

GD-2000骨科机器人导航定位系统(北京天智航公司),C型臂X线机(GE公司,美国),骨科牵引床,专用套筒、空心钉导针(长为400mm、直径为3.0 mm)和测深器(北京天智航公司),AO 7.3 mm空心钉(DePuy Synthes公司,瑞士)。


三、机器人导航定位系统的组成

机器人导航定位系统分为工作站和定位系统2部分。工作站主要完成图像采集、手术路径规划、路径三维坐标计算(图1A)。定位系统包括导航机器人和定位标尺。导航机器人是系统的执行部件,负责最终的手术路径输出,完成手术过程中的导针导向(图1B)。定位标尺通过其上的标记点,建立空间参考坐标系,实现图像坐标系与参考坐标系之间的转换。



四、手术方法

(一)导航组

1.启动系统:

通过数据线连接机器人、工作站和C型臂X线机,接通电源,开启工作站,登陆手术规划软件,输入患者相关信息。


2.安装标尺:

根据患者骨折的左、右侧选择与之对应的定位标尺,与机器人装配并旋紧固定。根据软件提示完成标尺校验。


3.患者准备:

采用蛛网膜下腔阻滞麻醉联合硬膜外麻醉或全身麻醉,将患者置于骨科牵引床,患肢持续牵引固定。为防止术中下肢位置移动,健侧下肢同时维持一定强度的牵引。通过手法整复及调整牵引闭合复位骨折,C型臂X线机正、侧位透视确认骨折复位满意。术野常规消毒,铺无菌手术单和专用敷巾(图2)。术前将与定位系统配套的专用套筒、导针和测深尺进行消毒、备用。


4.设备布局:

本手术增加了机器人工作站和定位系统2大设备,一般将机器人工作站和C型臂X线机显示器置于健侧无菌区外并面向术者,将机器人定位系统置于患肢外侧。将手术床调节至合适高度,C型臂X线机置于双下肢之间,机器人定位系统无需消毒,仅需外罩无菌保护套,标尺端朝向患者头侧,要求定位系统长轴与患肢股骨干纵轴基本平行,定位标尺正位中心孔位于股骨颈中心,侧位中心孔与股骨颈同高(图3),进行正、侧位透视,要求标尺上的8个定位点全部在正、侧位透视野内清晰、可辨(图4)。


5.路径规划:

将C型臂X线机正、侧位图像导入工作站规划软件,根据软件界面提示,标记定位点。3枚螺钉按照"倒三角形"布局完成螺钉置入位置、方向及股骨头内深度的手术规划,软件自动测算出螺钉长度参考值(图5)。



6.手术操作:

在软件系统中选择第1枚导针,点击"运动"按钮,机器人机械臂运动至导针置入位置,术者将导针套筒卡入定位卡槽,沿套筒定位于术区皮肤,做长为1cm的小切口,钝性分离皮下及筋膜,插入套筒使尖端顶至股骨外侧骨面。C型臂X线机正、侧位透视验证套筒位置和方向,确认位置无误后钻入导针(图6)。如发现套筒位置有偏差,可通过工作站软件系统的微调功能进行调整。调整时先将套筒退出皮外,在软件中点击"微调"按钮,选择微调方式(平移或带角度调整)和微调数值(每级为1mm),确认后返回运动界面,点击"运动"按钮,机械臂运动至调整后的导针路径位置,再次将套筒插入皮内,透视验证套筒位置正确后再钻入导针。以软件计算长度为参考,在进针过程中以专用测深尺测量进针深度,置入完成后再次正、侧位透视验证。退出套筒,于皮外剪断导针,完成第1枚导针置入。按照同样程序依次完成第2、3枚导针置入操作。每置入1枚导针均进行正、侧位透视验证,确保导针位置无误(图7)。移开机器人,按照常规空心螺钉置入程序,沿导针钻孔后完成3枚空心螺钉置入。空心螺钉的置入顺序为:下方螺钉、前方螺钉、后方螺钉。螺钉全部置入后再次经正、侧位透视验证。冲洗缝合3处小切口,无需放置引流。



(二)对照组

采用传统徒手定位方法,乎术医生根据临床经验结合C型臂X线机透视徒手沿股骨颈方向钻入空心钉导针,通过反复透视调整入针位置、角度及深度,直至导针分布符合"倒三角形"布局,打入导针后人工测量空心钉长度,钻孔后依次拧入3枚空心钉。


五、术后处理及疗效评价

术后复查骨盆正位和患髋侧位X线片,常规使用抗生素24 h预防感染,24h后开始每天协助患者轻柔被动屈髋活动2~3次,并指导患者进行下肢肌力训练,患肢避免过度屈曲内收、外旋。术后2周可在床上进行主动屈髋屈膝锻炼,术后4周扶双拐下地免负重活动。术后每个月定期复查X线片,术后3个月如骨折线明显模糊,可在双拐保护下部分负重活动,术后6个月根据X线片显示骨折愈合情况,逐步开始完全负重。末次随访时应用髋关节Harris评分系统评定患髋功能。


六、统计学处理

应用SPSS11.5统计学软件,计量资料用s表示,两组患者计量资料的比较采用两独立样本t检验,计数资料的比较采用χ2检验,P < 0.05认为差异有统计学意义。


结果


导航组患者的手术时间为50~120min,术中透视次数为23~41次,术中出血量为5~15 mL,术中总钻孔次数为3~8次。对照组患者的手术时间为65~110min,术中透视次数为36~66次,术中出血量为15~80 mL,术中总钻孔次数为14~26次。两组患者的手术时间比较差异无统计学意义(P>0.05,表2),导航组患者的术中透视次数、术中出血量及总钻孔次数显著少于对照组患者,差异均有统计学意义(P <0.05,表2)。所有患者术后获10~18个月(等均12.5个月)随访。术后伤口全部一期愈合。导航组患者骨折愈合时间为4~8个月,对照组患者为5~11个月;导航组末次随访时髋关节Harris评分为84.2~91.5分,对照组患者为82.6~92.1分,以上项目两组之间比较差异均无统计学意义(P > 0.05,表2)。随访期间导航组无一例患者发生伤口感染、内固定物松动、骨折再移位及股骨头缺血性坏死等并发症。典型病例图片见图8



讨论


一、机器人导航系统在骨科的应用

随着医学影像技术和计算机科技的发展和更新,CAOS技术已在关节外科、脊柱外科和创伤骨科得到广泛应用[6]。目前国内外文献报道骨科手术机器人主要用于关节置换、椎弓根螺钉置入、交叉韧带骨遂道定位、髓内钉锁定钉置入等手术,通过基于X线或三维CT影像数据的立体定向技术,辅助医生进行更精确的手术规划,可提高手术操作的精准度,避免徒手操作的误差,减少放射线的接触[7]。Elmallah等[8]对224例机器人辅助下全髋关节置换术患者进行前瞻性研究,结果显示术后99%的患者髋臼杯位置在术前设计的安全区内,认为与传统手术相比,机器人辅助手术提高了髋臼杯置入的准确性,可减少术后无菌性松动和髋关节脱位的发生率。国外研究[9]报道的遥控机器人骨折自动复位系统可完成长骨干骨折的自动复位,并引导完成股骨髓内钉近端髓腔开孔和远端锁钉的置入,通过与传统X线透视下徒手操作进行对比研究发现,机器人系统可达到高度精确的骨折复位,且缩短了手术操作时间,增加了手术的精准度,减少了放射线暴露时间。Tian等[10]自主研发的脊柱手术机器人系统,可实现由机器人自动完成椎弓根螺钉置入钻孔操作,并通过实验研究证实该系统可成功识别不同钻孔状态,避免了钻孔过程突破皮质,从而保证了脊柱手术的准确性和安全性。另外,周力等[11]报告应用双平面骨科机器人系统进行模型骨的股骨颈空心螺钉置入手术,与传统徒手操作进行对比发现,该系统可有效辅助完成股骨颈骨折空心钉内固定,空心钉之间的平行性和操作的稳定性均优于传统徒手操作,同时可明显减少医患的放射线暴露时间。随着国内外各种骨科手术机器人系统的不断研发和功能完善,机器人辅助骨科手术也被越来越多的骨科医生所接受,并逐渐在临床得到推广应用。


二、疗效分析

除少数股骨颈骨折患者有明显手术禁忌证而选择保守治疗外,绝大部分股骨颈骨折患者均应接受手术治疗,以防止骨折再移位,缩短患者卧床时间,降低骨折并发症的发生率[2]。目前最常用的治疗方式仍为闭合复位空心螺钉内固定。应用机器人导航系统辅助完成股骨颈骨折空心螺钉内固定,不仅可为医生提供直观的手术路径规划和引导,而且可避免徒手操作不稳定造成的偏差,减少放射线的接触。我院应用的机器人导航定位系统是国内自主研发的第一款骨科手术机器人系统,采用一种独特的双平面空间算法来完成空间定位的计算,再采用小型化、模块化的框架式机器人来完成乎术路径导航[12]。本研究导航组患者在机器人导航定位系统辅助下顺利完成股骨颈骨折空心螺钉经皮内固定手术,手术时间平均为(75.2±10.6)min,与对照组患者比较差异无统计学意义(P> 0.05)。机器人导航定位手术的时间包括机器人系统建立的无创时间和实际手术操作的有创时间,由于该手术在我院开展时间较短,缺乏足够经验,术中大部分时间花费在设备摆放和调试、图像采集及路径规划等无创过程,而实际的有创手术时间仅为10~20min,相信今后随着医生对设备的不断熟悉和经验的不断积累,无创手术时间将会大幅缩短,从而使总乎术时间也大幅缩短。本研究导航组患者的术中出血量和总钻孔次数显著少于对照组患者,且差异有统计学意义(P <0.05),这说明机器人导航定位系统可实现术中的精确定位,从而避免了传统手术中的反复钻孔,对患者而言真正实现了微创操作。在放射线接触方面,导航组患者的术中透视次数平均为(28.5±9.8)次,显著少于对照组患者的(48.6±8.1)次,差异有统计学意义(P <0.05);也远低于文献[11]报道的传统徒手操作所需要的透视次数,大大减少了医护人员和患者的放射性损害。本研究导航组所有患者术后X线片示3枚空心螺钉均能达到完全平行和"倒三角形"分散排布的固定效果,在随访期内骨折均达到一期愈合,未发生伤口感染、内固定物松动、骨折再移位及股骨头缺血性坏死等并发症,这有赖于术中3枚空心螺钉的精确定位和可靠固定。当然,股骨头缺血性坏死等长期并发症尚需更长时间的随访和观察,我们将在今后的进一步研究中加以补充和完善。


三、机器人导航定位系统辅助股骨颈骨折经皮空心螺钉内固定术的适应证和优、缺点

机器人导航定位系统辅助股骨颈骨折经皮空心螺钉内固定术的适应证较为广泛,只要能够满足闭合复位内固定的股骨颈骨折患者,均可采用该手术方式。该手术方式具有以下优点:①设备布局简单,不影响手术室内原先的设备布局,不考虑设备遮挡问题;②手术操作程序化,只需要采集C型臂X线机拍摄的二维X线图像,根据软件系统提示逐步完成路径规划和定位钻孔;③定位准确,术中只要严格按照程序逐步完成操作,均能完成3枚导针的精确定位;④具有纠偏功能,如发现导针的实际路径与规划路径有偏差,可以通过软件的微调功能调整机械臂角度,有效保证手术的安全性;⑤手术微创;⑥射线接触少;⑦学习曲线较短,可在较短时间内熟悉和掌握。本研究也发现该系统仍存在一些缺点和不足:①设备基于正、侧位二维图像进行定位,若正、侧位透视不是绝对标准,则可能对定位结果产生影响;②螺钉的置入路径规划仍然依靠医生凭经验在软件中完成,存在主观误差可能;③导向套筒过长,医生钻孔操作过程可能造成导针尖端的偏差;④设备购置成本相对较高,需经专人培训。


四、手术操作注意事项

手术操作过程中需注意以下几点:①在机器人位置锁定前,需检查并保证C型臂正、侧位旋转时不与机器人发生碰撞,否则可能因机器人轻微移动而导致定位偏差;②整个手术过程中需保证机器人和患者肢体的位置保持不变,否则坐标的空间定位可能发生改变而导致手术失败;③摆放机器人时,需尽量使标尺上的定位点靠近股骨颈中心,这样可以最大限度地减小空间定位的误差,保证定位的准确性;④必须保证采集的股骨颈正、侧位图像中所有定位点清晰、可辨,如定位点显示不全,可保持机器人锁定不动,通过调整C型臂的位置使所有定位点显示完全;⑤标记定位点时需注意标记数字的顺序,否则可能导致空间定位错误;⑥因机器人定位套筒较长,插入切口后需紧紧顶在骨面,并由助手协助固定,以避免打入导针时因套筒尖端滑动而导致误差;⑦每次插入套筒后,需摄正、侧位2幅X线图像,以检查并验证套筒的导向路径是否与软件中的规划相符,如出现偏差,需及时进行微调,确认无误后再打入导针。


综上所述,机器人导航定位系统辅助经皮空心螺钉内固定股骨颈骨折,具有设备操作相对简单、可以克服传统手术方式徒手操作不稳定、视觉偏差及易疲劳等缺点,以及螺钉置入更加精准和规范等优点,实现了手术的微创化,并减少了医护人员和患者的放射线暴露时间。由于我院开展该手术的时间较短,病例数偏少,缺乏更多的数据资料,需要在今后不断完善,并通过前瞻性随机对照研究进一步深入探讨。


参考文献(略)

(收稿日期:2014-12-31)

(本文编辑:聂兰英)


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