傳統(tǒng)外科需依靠人力和經(jīng)驗

 

　　不同于普通的股骨、脛骨等直線型骨骼，骨盆結(jié)構(gòu)特殊，顧名思義，骨盆呈環(huán)狀，像一個盆一樣，一旦骨折，其修復難度可想而知。北京積水潭醫(yī)院副院長吳新寶說，傳統(tǒng)的骨盆修復往往依靠外科手術(shù)，要求醫(yī)生切開骨折部位，在布滿血管神經(jīng)的骨盆部位顯露出骨折位置，并通過徒手操作復位骨折，最后使用鋼板固定。這種方式創(chuàng)傷大，需要麻醉、輸血，且恢復時間長。

　　隨著醫(yī)學的進步，如今的骨科手術(shù)追求的是微創(chuàng)，損傷小、恢復快。在智能化骨折復位機器人發(fā)明以前，說起“手動版”的骨盆微創(chuàng)復位手術(shù)，吳新寶感慨：“這種手術(shù)方式需要多人配合，至少得4個大夫，因為骨盆修復要把骨折線對上，這就需要一定的張力，得有一人負責牽拉上肢，一個人負責牽拉下肢，通過拉伸產(chǎn)生的張力，讓骨盆周圍的軟組織、韌帶、肌肉的約束力使骨折自動回位，同時術(shù)者還要在X線透視下反復調(diào)整骨折位置，一旦判斷復位滿意，則所有人把持住不動，再由一個有經(jīng)驗的醫(yī)生打臨時固定針，將骨盆結(jié)構(gòu)框住。復位的過程總是讓醫(yī)生累得滿頭大汗。打好固定針之后，再在放射線的幫助下給破裂的骨縫打上螺釘進行修復固定。手術(shù)要做得好，很大程度上得靠主刀醫(yī)生的經(jīng)驗，整個手術(shù)下來，往往需要花費三四個小時，讓醫(yī)生筋疲力盡。”

 

　　機器人可自動規(guī)劃復位路徑

 

　　在北京積水潭醫(yī)院的智能骨科實驗室內(nèi)，北京青年報記者看到了這款全球首款智能化骨折復位機器人。只見這款機器人與手術(shù)臺密切融合，安裝在床頭的是一套監(jiān)控系統(tǒng)，相當于機器人的“大腦”，透過NDI跟蹤相機，可實時顯示術(shù)中患者身體的影像數(shù)據(jù)，規(guī)劃復位路徑、顯示手術(shù)數(shù)據(jù)等等。床旁一側(cè)是一套把持系統(tǒng)，可通過末端的把持針固定住患者的骨盆，床的另一側(cè)是一只可移動的機械臂，可通過力度、角度的變化，將錯位的骨盆恢復到正常位置。床頭還裝有一套彈性牽引系統(tǒng)，可與機械臂相互配合，將患者身體進行牽拉，以便于開展手術(shù)。

 

　　北京積水潭醫(yī)院創(chuàng)傷骨科主任醫(yī)師趙春鵬介紹，整個手術(shù)過程非常簡單快捷，前期先給患者做術(shù)前CT，通過系統(tǒng)自動規(guī)劃復位路徑。進手術(shù)室全身麻醉后，再給患者安裝兩個示蹤器，可結(jié)合NDI跟蹤相機用于開展骨盆三維實時導航定位，在骨盆位置打入若干枚固定骨盆用的把持針，將把持針連接到把持臂、機器人機械臂，按照前期規(guī)劃復位路徑，機器人自動開展骨盆復位，完成后再給患者打入固定針，整臺手術(shù)下來只需一個多小時，術(shù)后無需再進重癥監(jiān)護室，第二天就能出院。

 

　　突破三個難點找到復位原理

 

　　目前，國內(nèi)能徒手做好骨盆骨折復位手術(shù)的醫(yī)生為數(shù)不多。說起這款手術(shù)機器人的研發(fā)過程，吳新寶打開了話匣子：“考慮到傳統(tǒng)手術(shù)模式帶來的不便，我們一直希望研發(fā)一款能夠自動復位骨盆的機器人。”早在2007年，吳新寶就萌生了初步想法。但由于骨盆結(jié)構(gòu)的特殊性，復位是最難的，就像要把一個破碎的碗拼回去，機器人的研發(fā)過程一波三折。

 

　　“破碎的骨茬之間存在一定約束力，只要一塊沒有對準，另一塊就對不上，當時我們問軟件工程師，能不能把這種復位方式做出來，而且復位時可能會用到好幾個力，因為當時技術(shù)所限，怎么都調(diào)不出來。”研發(fā)了一段時間沒有成功，又得使用傳統(tǒng)手術(shù)方式，這讓吳新寶一直“耿耿于懷”。

 

　　真正讓吳新寶下定決心要做這款手術(shù)機器人，是在2014年。在前期的不斷探索、思考、積累中，吳新寶突破了幾個難點：第一，打破傳統(tǒng)思路，放棄徒手把持骨盆的方式，改用金屬把持臂通過微創(chuàng)的方式把持住骨盆；第二，將人固定在手術(shù)床上，實現(xiàn)自動牽拉，解放人力；第三，放棄追求解剖學意義上骨縫拼接的“嚴絲合縫”，而是以功能復位為目標，允許一定范圍內(nèi)的誤差，術(shù)后骨盆自行愈合，結(jié)構(gòu)完整，不影響使用功能即可。

 

　　“由于人的骨盆結(jié)構(gòu)是對稱的，我們采用鏡像原理，如果左側(cè)的骨盆骨折，可以依據(jù)右側(cè)骨盆的模型做一個鏡像翻版，據(jù)此模擬復位時碎裂骨片的回歸位置。這個復位原理看似粗糙，但實驗過程中，破碎的骨片竟全部嚴絲合縫地對上了。”吳新寶感慨道。

 

　　反復測量機械臂復位力大小

 

　　復位時，機械臂的力量到底需多大？此前，國際上無任何先例可循。吳新寶發(fā)現(xiàn)，市面上相對適合的醫(yī)用機械臂力量極限是16公斤。為了測量復位力大小，吳新寶團隊開展了多次實驗，發(fā)現(xiàn)手術(shù)中骨折復位時所需力量遠不止16公斤，普通的醫(yī)用機械臂力量是達不到的。復位力的控制又成為研發(fā)過程中的“攔路虎”，研發(fā)又走進了“死胡同”，所有人一籌莫展。

 

　　但執(zhí)著的吳新寶沒有放棄，依然不斷實驗。“后來我發(fā)現(xiàn)，如果加上縱向的牽引力，扭轉(zhuǎn)骨盆所需要的復位力會省很多，那么，在加上彈性牽引的情況下，是不是就能幫機械臂省力？”為了證明這個假設(shè)，研發(fā)團隊進行過無數(shù)次實驗：用過橡皮筋、彈簧，也用過豬后腿，后來又咬咬牙，花重金從德國買來“人工肌肉”搭建生物力學模型進行測試，經(jīng)過反復驗證，證實在彈性牽引下，復位力可降低50%，這就一下子解決了機械臂的力量問題。

 

　　復位平均三維精度達3.41毫米

 

　　2018年，樣機搭建成功，實驗繼續(xù)開展。每周三，吳新寶都要一頭扎進實驗室，與工程師反復溝通，工程師經(jīng)常會換上刷手服進手術(shù)室觀摩手術(shù)，醫(yī)生也會常常出入位于羅森博特的實驗室，雙方實現(xiàn)了深度融合。后來，22名患者的科研實驗全部成功，平均失血量僅159毫升。2021年11月，選定國內(nèi)6家醫(yī)院開展多中心臨床實驗，兩組病例進行隨機雙盲前瞻對照研究，今年3月5日，92例病例全部完成，病例隨訪還在進行中，將持續(xù)至今年6月。初步的結(jié)果令所有人喜出望外：從目前來看，一組患者使用機器人進行手術(shù)，目前手術(shù)成功率100%；另一組患者為醫(yī)生徒手牽拉復位，成功率約60%，徒手復位不成功時只能開腹手術(shù)。

 

　　未來，這款機器人正式上市后，將徹底改變傳統(tǒng)的骨盆骨折復位手術(shù)。吳新寶說，首先是解放了醫(yī)生，以前一臺手術(shù)要四五個人齊上陣，現(xiàn)在，在機器人的幫助下，一個人就能完成復位；其次，對患者來說，可以極大減輕痛苦，不僅實現(xiàn)微創(chuàng)，還能減輕患者的經(jīng)濟負擔，更重要的是骨折閉合復位的質(zhì)量大大提高。國際上專家認為，骨盆骨折通過復位使骨折端的移位能夠達到10毫米以內(nèi)即為優(yōu)良，而智能化骨折復位機器人的復位操作，平均三維精度達到3.41毫米，明顯優(yōu)于徒手復位的精度。

 

　　“現(xiàn)在我腦海中已經(jīng)有了2.0版的初步模型，我希望打造出一個標準化流程，讓更多醫(yī)生經(jīng)過系統(tǒng)培訓，輕松上手，造福更多患者。在5G技術(shù)的搭載下，還能實現(xiàn)遠程手術(shù)。”對于未來，吳新寶充滿了信心。