机器人辅助膝关节置换手术系统研究综述.pdf

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1、第31卷第1期机械设计Vol.31No.122014014年年1月1月JOURNALOFMACHINEDESIGNJan.2014机器人辅助膝关节置换手术系统研究综述*1122雷静桃，曹元龙，胡磊，王田苗（1.上海大学机电工程与自动化学院，上海200072；2.北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191）摘要：分析了膝关节置换手术机器人的需求及传统膝关节置换手术的不足，如切骨模板种类繁多、手术操作繁琐、骨平面切割不精确、难于精确定位等问题。对国内外机器人辅助膝关节置换的研究现状进行了综述，介绍了膝关节置换手术机器人系统的基本结构和系统组成

2、，总结了研发机器人所涉及的关键技术，并展望膝关节置换手术机器人的发展趋势。关键词：人工关节；全膝关节置换；单髁关节置换；机器人中图分类号：TH242文献标识码：A文章编号：1001-2354（2014）01-0001-08骨关节病在中老年人中有很高的发病率，其主要骨与假体的吻合度达98％，而传统手术股骨与假体的［2］表现为软骨退变磨损，同时关节边缘韧带附着处和软吻合度只有23％。骨下骨质反应性增生形成骨赘，并由此引起关节疼痛、文献［3］临床对比了传统手术30例和机器人辅助僵直畸形和功能障碍。关节软骨一旦磨损，不可再生。膝关节置换32例，采用传统手术，

3、在侧向X光片中股磨损后，常常出现内翻畸形，膝关节内侧局部应力负荷骨屈曲角（thefemoralflexionangleγ）、胫骨角（thetib-集中，更会加重软骨及软骨下骨磨损，从而内翻畸形加ialflexionangleδ）分别为4.19°±3.28°和89.7°±1.7°；而重，形成恶性循环，疼痛逐渐加重，甚至无法行走，病人采用机器人辅助手术股骨和胫骨外翻角分别为0.17°±最终选择人工关节置换术。0.65°和85.5°±0.92°。表明机器人辅助关节置换手术在人工关节置换术已经成为治疗各种原因引起的骨切骨及假体植入定位方面有更高的精度，从而能

4、获得性关节炎及类风湿性关节炎的重要手段之一，目前全良好的下肢对线。可以看出，机器人辅助关节置换在术世界每年有成千上万患有膝关节疾病（骨关节炎、软骨前规划、术中操作精确度等有明显优势。由于机器人辅组织退化等）的患者接受了人工膝关节置换手术。老年助微创介入骨科手术，能精确定位，提高骨切割的精人患膝关节病变尤其多见，随着我国老龄人口的增加，度；减少手术创伤从而使得病人快速恢复；能缩短手术对膝关节置换手术需求呈现逐年增长的态势。时间，减少患者的痛苦，提高手术成功率等。近年来，国美国每年20万例的膝关节手术病人中，有约8％因内外关于机器人辅助微创介入外科手术系

5、统的研发日［3-4］手术问题而不得不再次进行修复。膝关节置换存在的主益活跃，新型外科机器人的小型化、高度的手术精要问题是：（1）平台假体的固定；（2）感染及返修；（3）髌确性、消除人手最细微震颤的能力将使其有广泛的应股及胫股关节对线误差大等。现代的机械定位系统是基用前景。于肉眼对肢体和假体的观察来实现的，即使经验丰富的医生采用机械定位系统，股骨与胫骨下肢对线误差较1人工膝关节置换手术大。传统膝关节置换手术，由于对线误差、假体松动、脱［1］膝关节主要包含两个关节接触面：胫股关节面及位、断裂和感染等造成的失败率达5%～8％。机器人辅助外科手术的精确性使失

6、败率大大降髌股关节面。关节表面均覆盖有关节软骨，提供关节润低。如，用于TKA的机器人辅助手术系统（Robodoc滑及避免关节面间相互摩擦。人工膝关节置换手术是SurgicalAssistantSystem）在加州研制成功，术前规一种关节功能的重建术，即对于严重病变的膝关节（如划—切骨—对线进行得十分顺利，没有出现并发症；股风湿、类风湿性关节炎、骨关节炎等），使用人工膝关节*收稿日期：2013-01-18；修订日期：2013-10-09基金项目：国家863项目子课题资助项目（SS2012AA041604）作者简介：雷静桃（1970—），女，河南洛阳人，

7、副教授，博士，主要研究方向：机器人技术，发表论文30余篇。2机械设计第31卷第1期替代病变组织。该手术已成为临床治疗关节病变的常单髁关节置换术（UnicompartmentalKneeArthroplasty，用手术，对于缓解患者关节疼痛、恢复和改善关节的运UKA）和全膝关节置换术（TotalKneeArthroplasty，［5］动功能、提高病人的生活质量起到了积极作用。TKA）。1．1人工膝关节膝关节骨关节病的软骨磨损早期主要集中在胫骨人工膝关节完全参照正常人膝关节的解剖形状，平台前内侧，单髁关节置换术仅对胫骨关节单侧病变如图1所示，模仿人体膝关

8、节的结构及活动方式，是一进行表面置换，保留了膝关节前后交叉韧带，不干扰膝种仿生制品。根据膝关节假体使用的部位