北京青年报/2023.05.12/精度可达毫米级 北京积水潭医院智能化骨折复位机器人成医生“超级助手
近日，北京积水潭医院传来一个好消息，该院与北京罗森博特科技有限公司就“智能化骨折复位机器人技术成果”签署转化协议，总金额达1亿元。历经十几年的研究，这款智能化骨折复位机器人实现了骨科手术机器人从辅助定位导航到完成手术操作的技术飞跃，在全球范围内率先实现在最高难度的骨盆骨折手术中的临床应用，填补了国际空白。与传统手术相比，智能化骨折复位机器人通过术前自动手术规划、术中3D实时导航可视化、力位协同机器人精准操作，突破了传统手术中医生脑、眼、手的局限，做到了精准、微创、低辐射，成为医生的“超级助手”。这款机器人，也是本市科技创新与医疗相结合造福百姓的一个缩影。
传统外科需依靠人力和经验
不同于普通的股骨、胫骨等直线型骨骼，骨盆结构特殊，顾名思义，骨盆呈环状，像一个盆一样，一旦骨折，其修复难度可想而知。北京积水潭医院副院长吴新宝说，传统的骨盆修复往往依靠外科手术，要求医生切开骨折部位，在布满血管神经的骨盆部位显露出骨折位置，并通过徒手操作复位骨折，最后使用钢板固定。这种方式创伤大，需要麻醉、输血，且恢复时间长。
随着医学的进步，如今的骨科手术追求的是微创，损伤小、恢复快。在智能化骨折复位机器人发明以前，说起“手动版”的骨盆微创复位手术，吴新宝感慨：“这种手术方式需要多人配合，至少得4个大夫，因为骨盆修复要把骨折线对上，这就需要一定的张力，得有一人负责牵拉上肢，一个人负责牵拉下肢，通过拉伸产生的张力，让骨盆周围的软组织、韧带、肌肉的约束力使骨折自动回位，同时术者还要在X线透视下反复调整骨折位置，一旦判断复位满意，则所有人把持住不动，再由一个有经验的医生打临时固定针，将骨盆结构框住。复位的过程总是让医生累得满头大汗。打好固定针之后，再在放射线的帮助下给破裂的骨缝打上螺钉进行修复固定。手术要做得好，很大程度上得靠主刀医生的经验，整个手术下来，往往需要花费三四个小时，让医生筋疲力尽。”
机器人可自动规划复位路径
在北京积水潭医院的智能骨科实验室内，北京青年报记者看到了这款全球首款智能化骨折复位机器人。只见这款机器人与手术台密切融合，安装在床头的是一套监控系统，相当于机器人的“大脑”，透过NDI跟踪相机，可实时显示术中患者身体的影像数据，规划复位路径、显示手术数据等等。床旁一侧是一套把持系统，可通过末端的把持针固定住患者的骨盆，床的另一侧是一只可移动的机械臂，可通过力度、角度的变化，将错位的骨盆恢复到正常位置。床头还装有一套弹性牵引系统，可与机械臂相互配合，将患者身体进行牵拉，以便于开展手术。
北京积水潭医院创伤骨科主任医师赵春鹏介绍，整个手术过程非常简单快捷，前期先给患者做术前CT，通过系统自动规划复位路径。进手术室全身麻醉后，再给患者安装两个示踪器，可结合NDI跟踪相机用于开展骨盆三维实时导航定位，在骨盆位置打入若干枚固定骨盆用的把持针，将把持针连接到把持臂、机器人机械臂，按照前期规划复位路径，机器人自动开展骨盆复位，完成后再给患者打入固定针，整台手术下来只需一个多小时，术后无需再进重症监护室，第二天就能出院。
突破三个难点找到复位原理
目前，国内能徒手做好骨盆骨折复位手术的医生为数不多。说起这款手术机器人的研发过程，吴新宝打开了话匣子：“考虑到传统手术模式带来的不便，我们一直希望研发一款能够自动复位骨盆的机器人。”早在2007年，吴新宝就萌生了初步想法。但由于骨盆结构的特殊性，复位是最难的，就像要把一个破碎的碗拼回去，机器人的研发过程一波三折。
“破碎的骨茬之间存在一定约束力，只要一块没有对准，另一块就对不上，当时我们问软件工程师，能不能把这种复位方式做出来，而且复位时可能会用到好几个力，因为当时技术所限，怎么都调不出来。”研发了一段时间没有成功，又得使用传统手术方式，这让吴新宝一直“耿耿于怀”。
真正让吴新宝下定决心要做这款手术机器人，是在2014年。在前期的不断探索、思考、积累中，吴新宝突破了几个难点：第一，打破传统思路，放弃徒手把持骨盆的方式，改用金属把持臂通过微创的方式把持住骨盆；第二，将人固定在手术床上，实现自动牵拉，解放人力；第三，放弃追求解剖学意义上骨缝拼接的“严丝合缝”，而是以功能复位为目标，允许一定范围内的误差，术后骨盆自行愈合，结构完整，不影响使用功能即可。
“由于人的骨盆结构是对称的，我们采用镜像原理，如果左侧的骨盆骨折，可以依据右侧骨盆的模型做一个镜像翻版，据此模拟复位时碎裂骨片的回归位置。这个复位原理看似粗糙，但实验过程中，破碎的骨片竟全部严丝合缝地对上了。”吴新宝感慨道。
反复测量机械臂复位力大小
复位时，机械臂的力量到底需多大？此前，国际上无任何先例可循。吴新宝发现，市面上相对适合的医用机械臂力量极限是16公斤。为了测量复位力大小，吴新宝团队开展了多次实验，发现手术中骨折复位时所需力量远不止16公斤，普通的医用机械臂力量是达不到的。复位力的控制又成为研发过程中的“拦路虎”，研发又走进了“死胡同”，所有人一筹莫展。
但执着的吴新宝没有放弃，依然不断实验。“后来我发现，如果加上纵向的牵引力，扭转骨盆所需要的复位力会省很多，那么，在加上弹性牵引的情况下，是不是就能帮机械臂省力？”为了证明这个假设，研发团队进行过无数次实验：用过橡皮筋、弹簧，也用过猪后腿，后来又咬咬牙，花重金从德国买来“人工肌肉”搭建生物力学模型进行测试，经过反复验证，证实在弹性牵引下，复位力可降低50%，这就一下子解决了机械臂的力量问题。
复位平均三维精度达3.41毫米
2018年，样机搭建成功，实验继续开展。每周三，吴新宝都要一头扎进实验室，与工程师反复沟通，工程师经常会换上刷手服进手术室观摩手术，医生也会常常出入位于罗森博特的实验室，双方实现了深度融合。后来，22名患者的科研实验全部成功，平均失血量仅159毫升。2021年11月，选定国内6家医院开展多中心临床实验，两组病例进行随机双盲前瞻对照研究，今年3月5日，92例病例全部完成，病例随访还在进行中，将持续至今年6月。初步的结果令所有人喜出望外：从目前来看，一组患者使用机器人进行手术，目前手术成功率100%；另一组患者为医生徒手牵拉复位，成功率约60%，徒手复位不成功时只能开腹手术。
未来，这款机器人正式上市后，将彻底改变传统的骨盆骨折复位手术。吴新宝说，首先是解放了医生，以前一台手术要四五个人齐上阵，现在，在机器人的帮助下，一个人就能完成复位；其次，对患者来说，可以极大减轻痛苦，不仅实现微创，还能减轻患者的经济负担，更重要的是骨折闭合复位的质量大大提高。国际上专家认为，骨盆骨折通过复位使骨折端的移位能够达到10毫米以内即为优良，而智能化骨折复位机器人的复位操作，平均三维精度达到3.41毫米，明显优于徒手复位的精度。
“现在我脑海中已经有了2.0版的初步模型，我希望打造出一个标准化流程，让更多医生经过系统培训，轻松上手，造福更多患者。在5G技术的搭载下，还能实现远程手术。”对于未来，吴新宝充满了信心。
文/北京青年报记者 郭谦
