手术室内的革命：全膝关节置换术的最新技术进展

全膝关节置换术（TKA）在严重膝关节骨性关节炎患者中展现出显著的长期植入物耐用性和高生存率。然而，患者对未发生并发症的初次TKA的不满意程度有充分的记录，平均发生率为10-20%。为了提高精度、准确性，最终改善患者预后的努力带来了TKA技术的整合。诸如患者定制化器械（PSI）、计算机辅助导航（CAN）和机器人辅助手术等工具旨在通过适应每个患者独特的解剖来提高术后满意度。

虽然研究表明，技术辅助的TKA改善了影像学对线和假体定位，但对于它是否能改善长期预后尚未达成共识。这表明，患者选择和期望管理等因素在整体满意度中也起着关键作用。例如，PolkowskiPolkowski基等人发现，术前患有少于3级或4级骨关节炎的患者在TKA后更容易不满意，即使该手术在技术上是成功的。

外科医生还必须确保患者有现实的期望，这需要与每个患者进行广泛的对话，以达到对手术目标的相互理解。例如，对于术前活动范围大于120°的TKA患者，必须注意术后活动范围需限制小于120°。培养这些期望至关重要，因为满足期望与术后的满意度紧密联系在一起。

将新技术纳入实践需要在理解新进展和坚持经过验证的外科手术原则之间取得平衡。越来越多的临床证据将这些技术与手动技术进行了比较。本文旨在探讨TKA技术的最新进展，探究了解有关技术和术后结果的证据，并讨论其局限性。

计算机辅助导航（CAN）：

一种简单、经济有效的解决方案

为了克服传统测量切除和间隙平衡的局限性，开发了CAN来提高截骨平面的准确性，恢复室间关节功能，实现平衡的屈伸间隙。CAN的使用已被证明可以减少胫骨假体冠状面和机械轴的异常值，表明与传统的TKA相比具有更高的准确性和精度。简单地说，CAN包括使用计算机辅助来定位切割导向器，取代传统的股骨髓内或胫骨髓外定位杆。

各种规格的系统可供选择，包括与多种公司植入物兼容的开放平台植入方案和特定植入物封闭替代方案。此外，该系统采用手持控制台或带有额外引脚的阵列，并配有非无菌的外部计算机。虽然所有系统都有助于确定股骨远端和胫骨近的截骨，但某些系统提供了额外的功能，如评估假体旋转、间隙平衡和尺寸测量（图1）。

图1：不同计算机辅助导航系统

研究表明，在手术时间上，学习曲线没有显著差异，仅需10例手术即可掌握。尽管CAN有了显著的进展，但与传统的TKA相比，长期生存率并未显著提高，CAN和手动TKA之间的翻修率相似。根据美国骨科医师学会2022临床实践指南，有中等程度的建议支持导航和传统技术之间在结果、功能或疼痛方面无差异，但一些外科医生可能更喜欢使用CAN，尽管目前尚无确凿证据表明其结果有差异。

与传统器械和其他全膝关节置换术技术相比，CAN具有诸多优势。例如，使用计算机确定股骨截骨角度，无需像传统全膝关节置换术那样对股骨髓内进行器械操作。这对股骨关节外畸形或有内固定残留的患者特别有益，因为这些情况下无法使用髓内导向器。与其他TKA技术平台不同，CAN不需要术前影像学检查。这就消除了与成本、保险授权和辐射暴露相关的某些挑战。此外，CAN通常是手持式的，在手术室中不需要大型额外设备，这对空间有限的中心（如门诊手术中心）有益。而且，外科医生和手术室工作人员在无需大量额外培训的情况下相对容易组装和使用CAN。

进一步的优势包括适应各种对线策略和减少异常值。CAN还为学员提供了与传统全膝关节置换术相似的器械触觉和概念，同时引入了技术创新。一些CAN系统也是开放平台，允许外科医生使用同一技术与多种植入物系统。由于系统成本的可变性，计算成本效益具有挑战性，但CAN通常比大多数机器人系统的资本成本低得多。肌肉骨骼手术中CAN的现行操作术语代码（20985）也已存在，尽管保险公司的批准可能并不总是有保证。

至于缺点，CAN中的仪器校准和注册点比通过股骨髓内定位杆设置股骨远端截骨角度更复杂，并且始终存在系统故障的可能性。一些计算机辅助导航系统可能缺乏机器人所具备的尺寸测量、间隙平衡和旋转对线等功能，如果使用骨内针，则存在针道并发症的潜在风险，并且需要处理额外的器械。从教育角度来看，重要的是要考虑到随着全膝关节置换术技术的广泛应用，骨科实习生将有更少的机会熟练掌握传统器械操作。从成本的角度来看，虽然CAN可能比机器人技术更具成本效益，但与传统全膝关节置换术相比，它确实增加了成本。

对用户最友好的CAN系统是手持、开放平台、基于加速计的系统，它们不需要骨穿针、阵列或额外的计算机屏幕，注册仅限于股骨远端中心、胫骨中心和踝部。这种方法特别适用于有内固定残留或股骨畸形阻碍使用髓内导向器的患者，随后可扩展到包括所有患者。对于体重指数高的患者，术中定位和触诊双踝进行注册非常重要。一种实用的方法是在这些患者的内踝和外踝上放置心电图导联，以辅助术中注册。总体而言，CAN在无需术前影像学检查、大量资本成本或广泛人员培训的情况下提高了实现理想对线的精度；然而，需要考虑的因素包括实习生教育、相对于标准器械的成本以及缺乏关于长期临床结果益处的确凿证据，这强调了在选择最合适的选项时辨别CAN之间差异的重要性。

增强现实是一种通过将数字信息叠加在物理图像上来增强对现实世界感知的技术。它使用头戴式设备来识别解剖标志、进行注册和规划截骨。增强现实系统可能在手术过程中为外科医生提供全息引导，指示胫骨和股骨的计划截骨角度和深度。为评估这些系统的准确性和精确性，需要进行全面的临床前和临床研究，尽管初步结果看起来很有前景。与其他基于标记的导航系统类似，这种增强现实方法受益于无需成像且不依赖消耗性材料。

目前有多种平台可供使用或即将推出，每个平台在头戴式设备、术前成像和开放平台功能方面具有不同的规格。然而，这些技术目前处于早期发展阶段，缺乏足够的临床数据来得出确凿的评估。有必要进一步研究这种平台相关的临床结果和外科医生人体工程学。

PSI旨在简化和个性化的假体植入过程，涉及生成患者特异性切割模块。这些模块是根据每位患者独特的解剖结构定制，源自使用术前计算机断层扫描或磁共振图像创建的三维模型。然后使用PSI导向器执行预定的截骨深度、旋转、倾斜度和截骨角度。然而，评估PSI精度的研究结果各异，比较PSI与传统器械在功能和临床结果方面的研究未发现统计学或临床显著差异。尽管如此，PSI的潜在好处包括减少所需器械托盘的数量，以及与其他技术相比可能具有的成本优势。

虽然对线理念仍然是一个讨论的话题，但作为更精确实施特定对线策略的一种手段，对PSI的兴趣有所增加。同样，定制植入物旨在使用一次性定制植入物重现膝关节的原生解剖结构。定制化的好处是植入物能精确匹配患者的解剖结构，优化骨-植入物匹配，恢复原生髁突曲率，并通过将髌股关节间室与胫股关节间室解耦来改善髌股关节跟踪。

软组织平衡被认为是TKA取得成功的一个主要因素。目前，“平衡”的概念是由每个外科医生的主观感觉和他们对适当的韧带张力的个人判断来衡量的。压力传感器是一种聚乙烯试模，已被开发用于在整个活动范围内提供胫股关节内侧和外侧间室压力以及股骨和胫骨假体接触点的客观测量。这些设备可以实时提供压力的量化测量，作为平衡的替代指标。研究评估了传感器对韧带平衡的结果。Cho等人报道，使用传感器实现可量化平衡膝关节的成功率为94%。同样，在一项对284例TKA进行的随机对照试验中，MacDessi等人报道了使用传感器后，不平衡膝关节减少了4倍。尽管如此，未报道功能或临床结果有改善。

然而，这些仪器是软组织平衡的客观量化的一个进步。这些传感器的整合可能有助于识别个人实践中的倾向或习惯。然而，重要的是要认识到，虽然这些传感器测量间室压力，但它们尚未直接评估软组织张力。这强调了继续创新和开发能够直接测量和指导TKA中软组织平衡的综合工具的必要性。为实现这一目标，该领域的未来研究应深入研究术前关节牵引成像，以便术前纳入软组织张力，以及利用人工智能实现每位患者最佳软组织平衡的现代术中设备。

30多年来，一直在研究数字机器人和使能技术，试图减少TKA后的失败机制。与传统的器械相比，这些系统为外科医生提供了在假体放置方面显示出更高准确性和一致性的工具。自2017年以来，机器人辅助在初级TKA中的使用增加了6倍多，根据最近的注册数据，机器人辅助TKA约占美国所有TKA的13%，在澳大利亚占30%以上。近年来，机器人技术经历了快速的发展，在设计和能力上有很大差异，所有主要的植入公司现在都提供某种形式的机器人辅助TKA。

不同机器人平台的关键考虑因素包括：(1)是否需要术前成像，如果需要，是何种类型；(2)注册过程；(3)软组织平衡能力；(4)切割工具；(5)引导功能。机器人系统分为封闭式，仅限于单一制造商的特定植入物设计，或开放式，允许使用来自不同制造商的各种植入物设计。表1提供了目前可用的主要机器人平台特征的全面概述。

无图像机器人平台有可能减少辐射暴露；然而，它们在三维虚拟建模的插值转换中可能缺乏精度，无法显示所有的骨几何细节，如骨赘的大小和位置，并且在骨标志注册期间完全依赖外科医生的准确性。无图像机器人辅助的TKA涉及在膝关节内放置阵列进行注册，这有助于告知机器人骨在空间中的位置。随后，进行软组织平衡和间隙评估，最后使用各种锯或磨钻实施手术计划。

图像依赖型机器人系统基于术前成像（通常是计算机断层扫描），以生成股骨远端和胫骨近端的精确三维虚拟模型。该模型有助于术前规划截骨、假体尺寸和定位，并创建术前模板。在手术过程中，这个模板可以映射到患者的骨解剖结构和畸形程度。注册可以通过表面注册进行，涉及膝关节中心的移动，或通过选择骨上的特定点。这个过程告知机器人骨的位置，并且机器人会根据手术过程中使用的阵列和相机来保留这些信息。

传统上，软组织平衡包括使用间隔块来评估张力。在机器人辅助的TKA中，软组织平衡包括在伸展和屈曲时施加内翻和外翻应力，允许机器人提供间隙测量和评估松弛度。然后可以通过截骨和软组织松解的组合来实现平衡。当前文献广泛记录了机器人辅助TKA在假体定位中的高准确性和精确度。该技术允许外科医生在手术过程中可靠地实施个体化对线策略，最大限度地减少软组织松解，并在适用患者中允许使用压配式假体。

机器人系统被分为主动、半主动和被动系统，具有不同程度的控制和复杂性。主动系统包括独立操作的机械臂，外科医生的指导最少。半主动系统通过各种提示和保护措施提供反馈，旨在限制意外的软组织或神经血管损伤，外科医生输入来引导机器人臂，而被动系统根据计算机辅助三维模板或无图像术中标志注册为外科医生提供完全控制。尽管每个系统略有不同，但它们的目的都是相同的，根据在早期步骤中建立的术前计划进行截骨。

正如手术室引入的任何新技术或技术时所预期的那样，可能存在学习曲线。这种学习曲线可能会导致手术室效率的中断。虽然从第一个病例手术就可以获得良好的患者预后和较低的并发症发生率，但效率学习曲线通常需要6到10个病例才能熟悉平台。然而，在一项对30家医院146名外科医生进行机器人辅助TKA手术时间曲线研究中，大多数医生能够达到与手动手术相同的手术时间。这表明，虽然初始采用机器人辅助的TKA可能会引入暂时的低效率，但大多数外科医生可以适应该技术，保持与传统方法相似的手术基准。

2023年澳大利亚骨科协会国家关节置换登记报告显示，机器人和非机器人辅助TKA之间的总体翻修率没有显著差异。然而，在澳大利亚骨科协会国家关节置换注册报告中，当检查来自一家公司的特定植入物时，机器人辅助TKA的翻修率明显低于CAN或手动TKA。结果的差异不一定来自机器人和非机器人TKA之间的区别，而可能来自对线和软组织平衡等因素，机器人能够精确执行这些因素。手术计划的有效性取决于执行能力，关节置换领域一直在寻求理解不同的膝关节表型和平衡技术，以改善手术结果。

在TKA中的使用技术引入了传统TKA中不存在的独特并发症担忧，如阵列或针相关故障、注册错误以及软件或机械故障。对每一项技术及其组件的透彻理解有助于预防许多这些挑战，从而确保患者的安全。分析在计算机导航或机器人辅助手术的不同阶段可能出现的常见问题是有益的。下面是最常遇到的技术故障场景概述。

专门针对当代TKA系统故障和失灵的研究很少，但对美国食品和药物管理局制造商和用户设施设备体验数据库的分析揭示了有价值的数据。制造商和用户设施设备体验数据库可作为与医疗设备相关的不良事件报告的数字存储库。Pagani等人报道，与机器人辅助全髋关节置换术相关的不良事件总体发生率为0.28%，与机器人辅助TKA相关的不良事件总发生率为0.85%。在机器人辅助TKA中，最常见的不良事件是截骨过程中机械人臂的意外运动（204中59例，28.9%），不准确的截骨（204中26例，12.7%），以及液体泄露或残留污染机器人组件（204中25例，12.3%）。尽管这些不良事件相对罕见，但它们对手术结果的潜在影响不容小觑。

基于图像的系统中的错误可能在手术开始之前就会发生，并且可以通过术前审查成像以确保遵循适当的成像协议预防。早期发现问题，必要时重复成像。阵列对于将解剖标志的位置在空间中传达给计算机或机器人至关重要，阵列通过插入股骨远端和胫骨近端的针固定。虽然总体上风险较低，但这些针代表了一个额外的步骤，可能导致并发症，如针道感染、术中针松动，或术后与针相关骨折。

然而，Yun等人的一项研究涉及2603例膝关节置换术（1702个TKA和901例单髁膝关节置换术），在他们的系列中没有阵列松动的情况。报道因针放置导致的股骨或胫骨干骨折的发生率为0.065%-1.3%。确保针牢固地固定在骨中以防止松动在骨质疏松患者中尤为关键。

如果在手术过程中，针或阵列有任何移动，如果恢复算法失败，则可能需要转换为传统器械。如果针在手术过程中松动，故障排除将取决于故障发生的时间。如果针在截骨前松动，可以重新定位针并重新注册。如果解截骨后针松动，必须将其牢固固定，如果横平面上仍存在骨，可能需要重新注册。如果阵列移动，也遵循类似的程序。如果阵列在截骨之前移动，应固定阵列并重新注册骨解剖结构。如果阵列在截骨后移动的话，应努力将阵列恢复到其原始位置，并对剩余骨进行重新注册。基于图像的系统因为有一个解剖模型可以重新参考，在这些恢复过程中可能具有优势。

注册错误代是技术辅助TKA的另一个潜在的失败点。不准确的注册会导致错误数据，并可能影响计划手术的执行。点选择错误可能导致不准确的映射，特别是在仅依赖这些信息进行引导的无图像系统中。仔细参考点至关重要。如果在注册后检查点验证失败，应该重新执行上一步注册。如果在3个平面上注册成功，但检查点验证仍然失败，则很可能是检查点已经移动了，在这种情况下，应将检查点重新插入到尽可能稳定的骨中并重新捕获。如果注册仍然不成功，这可能表明阵列移动了，必须进行阵列恢复程序。

错误最明显的阶段可能是在截骨的执行过程中。如果对这些截骨的精度有任何疑虑，必须确认手术阵列的完整性和其注册的准确性。在工作流程中纳入简单而有效的器械工具，可以极大地帮助验证截骨的准确性。此外，应用临床判断对于确保截骨的适当性是非常宝贵的。例如，在进行股骨前侧截骨后，对“大钢琴征”进行简单的视觉检查，可以作为评估股骨假体正确旋转的关键安全措施。一些机器人系统还配备了专门设计的工具，以验证截骨的准确性，提供了额外的验证和错误管理层次。

在技术引导外科医生出错的情况下，相信自己的临床判断并在必要时准备进行故障排除至关重要。保留最终假体规划屏幕的记录可在此类情况下作为指导。必须保持所有的截骨以便测量和验证已执行的操作。如何从术中技术故障中恢复也取决于技术故障发生的时间。恢复伸展和屈曲间隙的策略包括确认截骨测量值，并使用手动器械或间隙平衡器，调整股骨旋转并可能进行软组织松解。

此外，预防技术故障与管理技术故障同样重要。每天的术前检查，健全的维护计划，以及立即向制造商报告任何可疑的问题，都是简单但必要的预防措施。

虽然技术是TKA中提高准确性和精度的重要工具，但仍然存在出错的可能性。随着这些技术工具的采用，外科医生不仅有责任了解它们的使用方法，还必须善于识别和纠正出现的错误。