Summary
本文介绍了一种使用股骨颈系统治疗股骨颈骨折期间机器人辅助骨科手术的螺钉放置方法，该方法可以更准确地放置螺钉，提高手术效率并减少并发症。
Abstract
套管螺钉固定术是股骨颈骨折的主要治疗方法，尤其是年轻患者。传统的外科手术使用C型臂透视徒手放置螺钉，需要多次调整导丝，这增加了手术时间和辐射暴露。反复钻孔也会对股骨颈的血液供应和骨骼质量造成损害，随后可能出现螺钉松动、不愈合和股骨头坏死等并发症。为了使固定更加精确并减少并发症的发生率，我们的团队应用机器人辅助骨科手术使用股骨颈系统进行螺钉放置，以修改传统手术。该协议介绍了如何将患者的X射线信息导入系统，如何在软件中执行螺钉路径规划，以及机械臂如何协助螺钉放置。使用这种方法，外科医生可以在第一时间成功放置螺钉，提高手术的准确性，并避免辐射暴露。整个方案包括股骨颈骨折的诊断;术中X射线图像的收集;软件中的螺杆路径规划;在外科医生的机械臂协助下精确放置螺钉;以及植入物放置的验证。
Introduction
股骨颈骨折是临床上最常见的骨折之一，约占人体骨折的3.6%和髋部骨折的54.0%1。对于股骨颈骨折的年轻患者，进行手术治疗，通过解剖复位和刚性内固定降低股骨头不愈合和股骨头坏死（FHN）的风险，并尽可能将其功能恢复到术前水平2。最常用的手术治疗是通过三个空心压缩螺钉（CCS）固定。随着患者需求的增加，尤其是年轻患者，股骨颈系统（FNS）逐渐被使用，它结合了角度稳定性、微创性以及比CCS更好的生物力学稳定性等优点，用于不稳定的股骨颈骨折3。
传统上，螺钉由外科医生在透视术中引导下徒手放置。徒手法有许多缺点，例如术中无法规划路径，钻孔时难以控制导丝的方向，反复钻孔导致骨骼和血液供应受损，以及由于定位不当导致螺钉穿透皮层。这些因素可直接或间接引起术后并发症，如骨折不愈合、FHN和内固定失败，从而影响功能预后4。徒手法也与频繁透视对患者和外科医生的辐射损伤增加有关5。因此，在术前计划期间确定最佳螺钉入口点和精确的螺钉放置是手术成功的关键。近年来，机器人辅助微创内固定在骨科手术中的应用越来越频繁6，并因其高精度和减少手术时间和辐射损伤的能力而被整形外科医生广泛接受。我们应用机器人辅助骨科手术系统辅助FNS固定治疗股骨颈骨折，从而实现了更准确高效的螺钉放置过程，更高的螺钉放置成功率和更好的功能恢复。
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Protocol
本研究已获得西安交通大学宏汇医院伦理委员会的批准。获得患者的知情同意。
1.X线透视诊断股骨颈骨折
- 识别股骨颈骨折伴髋关节周围压痛或叩诊疼痛、下肢缩短、髋关节受限等的患者。
- 使用 X 线透视或 CT 扫描的前后 （AP） 视图和侧位视图来诊断股骨颈骨折。
- 对于年龄小于 60 岁且被诊断为股骨颈骨折的患者，应进行 FNS 治疗。使用以下附加标准纳入：有明确创伤史的骨折;没有代谢性疾病或病理性骨折的病史或证据;髋关节发育良好，无FHN表现，无畸形;通过 X 射线或 CT 扫描诊断股骨颈骨折。
2. 骨折闭合复位、X线检查、机器人辅助骨科手术系统的准备
- 全身麻醉后，通过手动牵引和调整进行骨折闭合复位。
- 通过纵向牵引恢复患肢的长度，外科医生握住肢体进行牵引，并通过肢体旋转恢复骨折间隙的对齐。
- 将肢体固定在牵引床（一种提供连续肢体牵引的手术台）上，以便在手术过程中连续牵引。
- 通过X射线透视检查闭合还原的质量。在 AP 和侧视图中恢复颈轴角度和皮层对齐，并确保不会发生角畸形。
- 手术前，将机器人辅助骨科手术系统的组件——工作站、光学跟踪系统和机械臂——与C臂X光机连接起来。登录系统，记录患者的病历。
3. 消毒、影像采集、手术路径规划
- 常规手术消毒后，将 Schanz 针放在同侧髂翼上，并将患者的示踪剂固定在针上。
- 将无菌保护套套放在机械臂和C臂上。将定位尺（机器人定位系统的定位尺上的10个识别点）与机械臂组装在一起。
- 将C臂X光机放在股骨颈中央，并将带有定位尺的机械臂放在C臂和患者之间。确保光学跟踪系统（包括患者示踪剂和机械臂）没有障碍物。
- 收集包含定位尺的10个识别点的AP视图（X射线图像增强器垂直于患者的平面）和侧视图（X射线图像增强器垂直于股骨颈通道平面）。
- 将AP和侧视图图像导入工作站;图像必须清楚地包含 10 个识别点和整个股骨近端。
- 在工作站的软件上执行手术螺钉路径规划。
- 将螺钉通道定位在股骨颈中心，颈轴角为 130°，平行于 AP 和侧视图上的股骨颈长轴。
- 将螺钉的尖端定位在股骨头软骨下方5毫米处。
4. FNS放置和验证
- 将定位尺更换到机械臂上的套筒上。根据计划的路径将机械臂运行到入口点的位置。用刀沿股骨长轴在皮肤上切开3厘米，钝化分离皮下组织，插入套筒接触骨皮质。
- 根据计划的路径确认套筒的入口点和方向。如有必要，请微调路径。
- 将导丝通过套筒钻入骨中，直到距软骨下骨 5 毫米。拆下机械臂，用X射线检查导丝的位置。
- 使用空心钻头沿导丝扩孔，然后将螺栓和板插入股骨头。放置防旋转螺钉和锁定螺钉。
- 使用 FNS 的压缩设计应用动态压缩。透视检查可验证 FNS 的位置，螺栓位于股骨颈中央的 AP 和侧位，距离软骨下骨 5 mm，并且钢板与骨相匹配。
- 建议术后辅助被动髋关节屈曲活动以及主动锻炼膝关节和踝关节。术后 4 周、8 周、12 周、24 周、36 周和 48 周进行随访，负重时间取决于随访情况。
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Representative Results
机器人辅助骨科手术系统虚拟模拟螺钉路径并协助螺钉的精确放置，这意味着该系统具有高度稳定、提高手术精度和成功率以及降低手术创伤和辐射损伤风险的优点。最后，螺钉固定的准确性可改善临床预后并降低并发症发生率。
被诊断为股骨颈骨折的患者接受了手术。手术后使用预防性抗感染和抗凝治疗。患者进行辅助被动髋关节屈曲活动，指导下肢力量训练。手术后2周内，允许患者在床上进行髋关节的主动弯曲。患者可以在4周后在手杖的帮助下进行非负重运动。每4周随访进行一次X射线检查;如果骨折线模糊，患者可以进行部分负重运动。当X射线成像显示骨折已经愈合时，患者可以尝试完全负重行走。在最终随访时根据Harris髋关节评分系统评估髋关节功能（表1）。
股骨颈骨折的术前X射线图像如图1所示（图1A：AP视图;图 1B：侧视图）。图2说明通过闭合复位（图2A，B）将断裂减少到适当的位置（图2C，D）。制备的机器人辅助骨科手术系统如图3所示。演示了使用患者示踪剂（图4A）和定位尺（图4B）收集的X射线图像，在C臂和患者之间放置尺（图4C，D），以及包含定位尺的荧光透视图像（图4E，F）。在软件上执行手术路径规划，并虚拟显示螺钉通道（图5）。机械臂沿计划方向运行（图6A），机械臂协助放置导丝（图6B），并通过X射线检查导丝的位置（图6C）。图 7 显示了 FNS 的结构（图 7A）、铰孔过程（图 7B，C）、螺栓和板的位置、防旋转螺钉和锁定螺钉（图 7D-F）。图8显示了验证X射线图像（图8A：AP视图，图8B：侧视图）和皮肤上的小切口（图8C）。
图1：患者的X射线图像。 患者股骨颈骨折的术前X射线图像。（A） AP视图;（二）侧视图。 请点击此处查看此图的大图。
图2：手动闭合复位骨折。 图像显示（A，B）受累髋关节的手动复位和（C）AP视图和（D）复位后X射线图像的侧视图。 请点击此处查看此图的大图。
图 3：机器人辅助骨科手术系统。 该系统由工作站（左）、光学跟踪系统（中）和机械臂（右）组成。 请点击此处查看此图的大图。
图 4：图像集合。 （一）患者示踪剂;（二）定位尺与机械臂;（C、D）光学跟踪系统（包括患者示踪仪和机械臂）、C臂X光机、定位尺之间的相对位置;（E）AP视图和（F）带有定位尺的侧视图X射线图像。请点击此处查看此图的大图。
图 5：手术路径规划。 在软件上显示虚拟螺丝通道。 请点击此处查看此图的大图。
图 6：机器人协助放置导丝。 （A）带套筒的机械臂沿计划方向移动。（B）外科医生将导丝通过套筒钻入骨头中。（C）通过X射线检查导丝的位置。 请点击此处查看此图的大图。
图 7：FNS 放置。 （A） FNS 由螺栓和板（黄色）、锁定螺钉（绿色）和防旋转螺钉（蓝色）组成。（乙，丙）沿导丝扩孔。（D，E，F）将螺栓和板插入股骨头，并放置锁紧螺钉和防旋转螺钉。请点击此处查看此图的大图。
图 8：X 射线验证。 该图显示了动态压缩后断裂的（A）AP视图和（B）侧视图X射线图像。（C）伤口的外观。 请点击此处查看此图的大图。
表 1：患者详细信息。 该表显示了所有患者的特征、手术信息和术后随访。骨折根据花园分类7进行分类，并使用哈里斯评分系统8评估髋关节功能。 请按此下载此表格。
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Discussion
FNS是一种固定股骨颈骨折的方法，具有滑动髋螺钉的角度稳定性和多个空心螺钉放置侵入性最小的优点。这种方法不易发生螺丝切割和刺激周围软组织。在Tang等人的研究9中，与CCS组相比，FNS组患者的无股骨颈短或轻度短率较低，愈合时间较短，Harris评分较高。生物力学研究表明，FNS比CCS3具有更好的生物力学性能。FNS在术中与CCS相似，两者都需要通过股骨颈准确放置螺钉。在传统手术中，螺钉由外科医生在透视下徒手放置;术中，经皮操作、视觉偏差和手手不稳可能导致实际位置与理想位置的偏差。反复的放射学暴露会增加对患者和外科医生的辐射损伤。此外，年轻患者的并发症，如不愈合、FHN和早期种植失败，与固定技术有关，这些并发症的发生率高达28%10。螺钉固定的准确性直接影响螺钉固定的强度和股骨颈骨折的愈合速度11.
随着计算机导航系统和医学影像呈现技术的发展，研究人员通过计算机导航系统取得了良好的临床预后，特别是在股骨颈骨折的机器人辅助骨科手术系统固定方面，在手术精度更好、成功率更高、减少手术创伤和辐射损伤方面优于传统手术12，13.
机器人辅助骨科手术系统具有精确导航定位的优势。手术中的关键步骤是图像采集、手术路径规划和导丝插入。识别点和术中双平面X射线透视图像被数字化以形成空间对应关系，以便外科医生可以在软件中直观地规划螺钉的路径。此外，机械臂为螺钉的放置提供精确的空间定位，精度可达毫米级。Zwingmannm等人14，15 发现常规方法的错位率为2.6%，修订率为2.7%，而导航辅助技术的错位率为0.1%至1.3%，修订率为0.8%至1.3%。同时，机器人导航植入高度稳定，在操作中具有安全边界，大大降低了螺钉放置偏差导致血管和神经损伤的风险。
我们使用机器人辅助骨科手术系统辅助FNS放置过程，将螺钉准确稳定地放置在相应的解剖部位。在机器人的帮助下，住院外科医生可以更快、更准确地放置螺钉。在机器人的帮助下，学习曲线可以缩短，个人可以通过几次手术熟练掌握机器人辅助技术。此外，可以消除由于外科医生技术水平的差异而导致的手术结果差异。螺钉的长度和直径可以提前计划，以避免螺钉穿透股骨头对关节和血管造成伤害。这降低了术后创伤性关节炎和FHN的发生率。
未来，我们将使用机器人辅助骨科手术系统，在高Pauwels等级，后下粉碎和组合畸形等情况下辅助内固定螺钉的放置，这使得骨折愈合的生物和生物力学环境更具挑战性16。在这些情况下，需要精确固定以减少术后并发症的发生率。通过应用机器人辅助骨科手术系统对股骨骨折螺钉进行内固定，外科医生主导了手术计划，获得最佳手术路径，并实现了种植体放置的最高准确性和效率。这种方法更有利于骨折愈合，可以早期康复，为克服轻微的手术损伤提供良好的预后。
然而，机器人辅助内固定放置股骨颈骨折螺钉存在一些局限性。首先，外科医生需要具有传统手术技术（开放/闭合复位和内固定）的经验，以便在没有机器人协助的情况下解决意外情况。其次，机器人工作的基本原理和图像采集的正确完成需要一段时间的训练。外科医生需要共同努力完成编程步骤，并且可以通过提高熟练的合作来减少手术时间。第三，套筒受到软组织的高侧向应力，并可能导致入口点13的偏差。袖子周围软组织的张力可以通过在插入套筒之前进行钝性分离来降低。最后，准确的螺钉放置取决于与图像匹配的手术部位的空间位置;各种因素可导致患者示踪剂和手术部位的空间位置或相对位移的变化，这称为图像漂移17。外科医生应该意识到手术过程中的图像漂移并对其进行验证。如有必要，需要再次收集图像。
用于股骨颈骨折的骨科机器人辅助FNS是一种省时且侵入性较小的手术，术后并发症发生率低。该方法可以提高螺钉放置的精度，减少手术过程中的辐射损伤，同时缩短年轻外科医生的学习过程。
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Disclosures
作者声明与本文的研究、作者身份和/或出版没有潜在的利益冲突。
Acknowledgments
这项工作得到了西安市卫生健康委员会青少年培养项目（项目编号：2023qn17）和陕西省重点研发计划（项目编号：2023-YBSF-099）的支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| C-arm X-ray | Siemens | CFDA Certified No:20163542280 | Type: ARCADIS Orbic 3D |
| Femoral neck system | DePuy, Synthes, Zuchwil, Switzerland | CFDA Certified No: 20193130357 | Blot:length (75mm-130mm,5mm interval), diameter (10mm); Anti-rotation screw:length (75mm-130mm,5mm interval,match the lenth of the blot), diameter (6.5mm); Locking screw:length(25mm-60mm,5mm interval),diameter(5mm) |
| Robot-assisted orthopedic surgery system | Tianzhihang, Beijing,China | CFDA Certified No:20163542280 | 3rd generation |
| Traction Bed | Nanjing Mindray biomedical electronics Co.ltd. | Jiangsu Food and Drug Administration Certified No:20162150342 | Type:HyBase 6100s |
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