1.萌芽阶段

机器人辅助膝关节的发展可以追溯到20世纪90年代。1991年4月，英国帝国理工大学的Brian Davies教授完成了世界上第一个使用机器人去除患者病变组织的手术，即机器人辅助。在这款机器人的研发过程中，Davies教授首次提出了“主动约束”的概念。这一概念在后来的外科手术机器人发展中至关重要。1991年底，Davies与Justin Cobb合作，进一步发展“主动约束”这一概念，将其作为一种控制机器人末端旋转刀具的手段，成功开发出一款全新的可以用来实施膝关节置换手术的机器人，将其命名为Acrobot。Acrobot系统的开发几乎奠定了现代外科机器人广泛采用的触觉系统的基础。其采用的非侵入性解剖注册技术帮助外科医生在预定义的手术区域内进行操作，并防止切除超出该区域的骨骼。1992年,IBM公司与加利福尼亚大学合作,首次将ROBODOC系统应用于髋关节置换手术,正式开启了机器人辅助骨科手术的大门。

2.探索时期

机器人辅助单髁膝关节置换术（UKA）的发展始于对传统膝关节置换术精度和一致性的改进需求。最早探索单髁置换手术的机器人辅助系统仍是前面提及的Acrobot系统。1999年，Acrobot机器人成为基于图像的半主动机器人系统，能够将手术的运动限制在预定义的手术区域内，从而使外科医生能够精确切割受影响的膝骨以适应UKA假体。2000年, Acrobot系统完成了首例膝关节单髁置换手术。此后，该机器人的尺寸和成本进一步降低，并被制成一个名为“Acrobot Sculptor”的车载系统，主要用来完成微创单髁置换手术（图1、图2）。

图1 Acrobot Sculptor膝关节单髁机器人系统

图2 Acrobot Sculptor机器人辅助膝关节单髁置换手术

2006年，第一篇关于机器人辅助膝关节单髁置换手术效果研究的文章在JBJS杂志正式发表。Cobb等人使用Acrobot系统完成13例膝关节Oxford单髁置换，与同期手工完成的15例Oxford单髁手术相比较，结果显示，所有13个Acrobot机器人组术后冠状面胫股关节的角度与术前规划偏差在±2˚范围内，而常规手术组的15个膝关节中只有6个（40%）在该区域内（p = 0.001）。可见，Acrobot机器人系统显著降低了膝关节单髁置换术中假体位置不准确的风险。术后6周和3个月WOMAC评分和AKS评分明显提高。与传统手术相比，Acrobot辅助手术可以更可靠地实现术前计划。计算机辅助可以提高植入物在UKA中放置的准确性和一致性。5年后，作者再次随访这一批患者，结果显示，有两例需要翻修手术，而机器人组未出现翻修。常规手术组术后5年随访使得膝关节评分也如机器人辅助组，两组有统计学差异[7]。由此，奠定了机器人辅助膝关节单髁置换手术的基础。

2005年,美国MAKO Surgical公司推出Tactile Guidance System(TGS),这是首个获FDA认证的机器人辅助单髁置换系统。外科医生借助机器人来制备股骨和胫骨髁面,实现了精准截骨,大大降低了假体位置不当导致的并发症。2006年6月，Martin Roche医生使用MAKO公司也完成第一例MAKO机器人辅助单髁置换手术。2008年，MAKO RIO机器人系统获美国FDA的认证。2008年10月，Martin Roche医生在韩国首尔的第21届国际关节置换技术学会（International Society for Technology in Arthroplasty）会议上发表题为：Accuracy of robotically assisted UKA的演讲，首次对MAKO机器人辅助单髁置换做了详细报道[13]。

3.临床验证阶段

2012年Blue Belt公司推出NAVIO手术系统,开创了影像导航与机器人相结合的新模式。该系统无需CT,通过人工智能算法实时构建患者解剖模型,在机器人辅助下实施手术,进一步提高了手术精度。2016年，MAKO RIO机器人系统被美国骨科巨头Stryker公司收购，并对Rio系统进行了升级,正式推出了Mako机器人系统，并使其走向全世界。2019年,Smith & Nephew公司收购NAVIO手术系统,简化了手术流程。2021年，该系统升级为CORI机器人。此外,基于机器视觉的智能示踪技术和基于深度学习的手术工具自动识别技术也在不断发展,有望进一步提高手术智能化水平。至此，机器人单髁置换手术基本成熟。

1.Acrobot膝关节单髁机器人系统

Acrobot机器人是首个应用于膝关节单髁置换术（UKA）的机器人辅助系统，为现代触觉系统奠定了基础。该系统采用基于图像的半主动机器人技术，旨在提高手术的精确度和一致性。其技术特点包括：（1）图像引导：Acrobot系统利用术前CT成像创建详细的手术计划。术中，系统限制手术工具的运动范围，确保骨切除在预定义的区域内进行。(2)触觉反馈：系统提供触觉反馈，帮助外科医生在手术过程中保持精准操作，并防止切除超出计划区域的骨骼。(3)安全性：通过非侵入性解剖注册技术，系统在手术过程中监控手术工具的位置，进一步确保手术的安全和准确。早期临床研究表明，Acrobot系统在UKA手术中的应用显著提高了骨准备和假体放置的准确性，减少了因组件错位导致的手术失败和翻修率。

2.MAKO 膝关节单髁机器人系统

MAKO机器人系统是目前广泛应用于单髁膝关节置换术（UKA）的一种先进的机器人辅助系统。它通过结合术前CT成像和术中触觉反馈，显著提高了手术的精确性和效果.其技术特点包括，(1)术前CT成像：a在手术前对患者进行CT扫描，生成三维模型。b这些模型用于详细的术前规划，包括确定假体尺寸、位置和骨切除范围。（2）触觉反馈：a系统在术中提供实时触觉反馈，指导外科医生的操作。B通过限制手术工具的运动范围，防止切除超出预定义区域的骨骼。(3)精确的骨准备和假体放置：a系统的高精度保证了骨准备和假体放置的准确性，减少了误差和术后并发症的风险。b提高了手术的一致性，使得假体的使用寿命延长。临床应用MAKO系统在膝关节置换单髁术中的应用表现卓越。研究表明，使用该系统可以显著提高假体的定位精度和肢体对线，减少术后并发症和翻修手术的需求。

图3 MAKO手术机器人系统

3.NAVIO及CORI膝关节单髁机器人系统

Navio系统是用于单髁膝关节置换术（UKA）的先进机器人辅助系统，CORI是Navio系统的升级版本。该系统通过其无影像导航技术和手持式设计，大大提高了手术的精确性和安全性。其卓越的临床表现和技术优势使其成为许多外科医生的首选工具，有效改善了UKA手术的结果和患者的生活质量。作为无影像导航的代表，Navio系统采用光学导航技术，不需要术前CT或MRI扫描，减少了辐射暴露和相关费用。系统通过实时光学追踪技术，监测手术工具和患者肢体的位置，确保手术在预定的范围内进行。Navio系统是一个手持式、开放平台，允许外科医生在手术过程中保持灵活性。系统提供实时反馈，帮助外科医生精确控制骨切除和假体放置。临床应用中，该系统的高精度保证了骨准备和假体放置的准确性，减少了误差和术后并发症的风险。通过精确的骨切除和假体定位，提高了术后关节功能和假体的长期稳定性。

图4 NAVIO手术机器人系统

4.NATON膝关节单髁机器人系统

机器人是第一款可以用来完成膝关节单髁置换术的国产机器人。纳通机器人系统基于术前CT影像数据，进行术前规划，术中采用实时的动态软组织平衡技术进行软组织预平衡，帮助术中通过调整假体位置实现更加精确的软组织平衡。骨骼处理采取磨钻和摆锯结合的方式，可以精确制作股骨侧和胫骨侧的骨床，最后使用试模最终再次确认软组织平衡，以选择合适的垫片厚度和假体型号。早期临床实验显示，该系统通过精确的骨切除，准确的假体定位以及良好的术中平衡判定，获得了优良的术后结果。

图5 纳通膝关节单髁置换手术机器人

1.按照机器人的主动程度，单髁机器人可以分为：自动、被动和半自动机器人三类。

（1）自动机器人系统：此类关节机器人需要术前在患者的髋或膝关节周围骨骼上安装金属标记钉作为基准，再行下肢CT扫描，并根据C条数据确定假体位置和大小。具体手术操作，是在医生监督下由机器人独立完成。相比于传统工具手术，自动机器人在机械轴对线方面精度提高。然而，自动机器人系统的缺点也很明显，如神经血管等组织损伤的风险较高，因此，也限制了自动机器人在临床中推广使用。

（2） 被动式机器人系统：被动式机器人通过以患者和器械为中心的参考点为外科医生提供术前规划，主要目的是解决与假体位置不良这一主要问题。研究证实，与传统手工技术相比，导航辅助在实现下肢力线和假体位置等方面具有较高的准确性，出现离群值明显较少。

（3）半自动机器人系统：半自动机器人由外科医生控制和操纵，但外科医生的控制也由机器人调节，将截骨或磨锉限制在之前定义的安全体积边界内。通过触觉反馈系统主动约束切削刀具或切割块的定位，或通过调节机器人工具的暴露或速度，在系统内建立了一个闭环反馈回路。这些保护措施不仅可以优化精度并减少错误，还可以简化手术流程。半自动系统可防止外科医生偏离术前计划的截骨和磨锉，从而提高了准确性并减少了假体植入的错误。

2.按基于的影像模式分类，单髁机器人可以分为：影像引导模式和无影像模式两类。

（1）影像依赖模式：目前是主流模式。此类机器人需要术前进行受累关节和相应肢体的CT扫描检查，包括扫描患者的髋关节、膝关节和踝关节，以获得肢体机械轴和膝关节局部解剖特征的特定数据，并由此建立患肢三维骨骼模型和假体位置大小位置计划。术中则需要进行骨注册配准完成术前三维模型与患者关节真实解剖结构的融合。在膝关节单髁置换术病例中，术前影像需机器人系统将影像扫描数据转换创建患者特定的三维骨骼模型并作术前规划。在术中再与患者膝关节骨面注册匹配来指导膝关节单髁手术操作。

（2）无影像模式：无影像模式机器人术前无需进行CT扫描，而是完全依赖于其系统内置的数据库。术中在关节表面进行注册配准，结合下肢运动学及关节数据库来创建三维虚拟模型，制定手术计划，包括确定下肢力线、假体大小位置等。不需要术前专门的CT扫描，其最大优点是减少患者辐射暴露的风险。

1.ACROBOT、MAKO、纳通等影像依赖型机器人单髁置换手术的主要步骤：

（1）术前规划：行髋膝踝CT扫描，计算机系统构建虚拟3D重建模型，这些模型用于详细的术前规划，包括确定假体尺寸、位置和骨切除范围。

（2）手术准备：机器人校准、患者平卧位、下肢消毒、腿托及腿架安装、切口显露关节内侧间室等。

（3）骨注册与磨削：分别完成骨配准和骨标志验证，确认假体位尺寸，术中动态评估膝关节屈曲各角度软组织松弛间隙、关节稳定性、运动范围和下肢对线情况合适，在机器臂辅助下，完成股骨和胫骨的磨削。

（4）安装试模，检查骨覆盖、假体位置、关节运动学和下肢对线等情况。

（5）安装假体，再次检查关节运动学。

2.NAVIO （CORI）等无影像机器人单髁置换手术的主要步骤：

（1）手术准备：机器人校准、患者平卧位、下肢消毒、膝关节内侧间室显露等。

（2）行髋膝踝关节中心注册，并注册股骨髁以及胫骨近端的表面标志，包括特殊解剖点以及股骨表面形态和胫骨表面形态。屈曲膝关节达到最大度数，建立肢体的旋转轴，并在整个屈曲过程中施加内翻或外翻应力，评估软组织“虚拟”紧张度，并选择最优假体型号及确定假体位置。

（3）手持磨钻完成股骨及胫骨磨削。安装试模，检查骨覆盖、假体位置、关节运动学和下肢对线等情况。

（4）安装股骨及胫骨假体，缝合切口。

相较于传统手工手术,机器人辅助单髁膝关节置换手术具有以下主要优势:

1.精准的术前规划

单髁机器人系统能够基于患者的CT或MRI数据,完成数字化、智能化的术前规划，医生能够在手术前进行详细的规划，包括截骨方案和假体安放位置等，这有助于提高手术的精确度。进行个性化的三维术前规划,确定最佳的植入位置和对线方式。

2.手术精度更高，术后恢复更佳

机器人能够精准地执行术前规划,精确地控制膝关节内侧间室截骨和磨骨的深度与角度，确保假体安装的精确性，减少人为操作误差,从而提高术后恢复的效果。Lonner等比较机器人辅助和手工手术UKA的术后影像学，结果显示传统技术的胫骨后倾角变异性较高(3.1°vs1.9°；P = 0.02 )，此外，胫骨假体在冠状面上对线的平均误差也较大[(2.7±2.1 )°vs.( 0.2±1.8 )°P<0.0001 ]。另一项研究报道139例患者，随机分为手工单髁置换手术组和机器人辅助组，结果同样发现，机器人辅助手术组具有更高的准确性、更低的术后疼痛评分和更优秀的结果。另外一篇文献报道50例Mako辅助UKA的术前计划和术后X线片测 量结果的对比分析，发现胫骨和股骨假体位置误差均< 1.5 mm 和3°。Iniguez等比较NAVIO机器人组和手工手术组假体对位的角度，发现两组在股骨远端内侧角、胫骨近端内侧角、胫骨后倾较和矢状面股骨角上存在显著差异，NAVIO组在假体对位上具有更高的精度。2022年7月至10月，笔者所在解放军总医院骨科医学部关节外科完成国产Naton机器人辅助膝关节内侧单髁置换患者共27例，均采用LINK SLED单髁假体。所有患者均行单侧手术。结果显示，术中止血带使用平均时间为35±7min。所有患者均随访超过18月。末次随访时，胫骨假体冠状位为内翻1.2°～4.4°，平均1.1°±0.7°。患侧膝关节OKS评分由术前33.4±2.0分下降为12.2±4.2分，差异均有统计学意义(P<0.01)，KSS临床评分由术前的(45±11)分提高至(88±3)分，功能评分由术前的(44±12)分提高至(77±10)，差异均有统计学意义(P<0.01)。所有病例在随访期间均未出现骨折、感染、下肢静脉血栓形成等手术并发症。笔者认为，国产机器人能够安全辅助完成膝关节单髁手术，实现假体的精准安装，随访18个月疗效满意。

一项前瞻性队列研究比较了146例接受内侧UKA患者的治疗效果，平均分配到手工手术组和MAKO机器人手术组。术后三月随访结果显示，与接受手工UKA的患者相比，机器人辅助UKA患者术后疼痛减轻更多、阿片类镇痛需求更少、住院时间更短、出院时最大膝关节屈曲更大（所有参数p<为0.001）。同时，两组患者术后并发症的发生率无差异。

尽管机器人辅助膝关节单髁置换术通过先进的技术提高了手术的精确性，但仍存在人工关节置换手术固有的一些并发症问题，如假体周围感染、深静脉血栓（DVT）或肺栓塞（PE）、假体位置不良、神经血管损伤等等。除此之外，但机器人辅助膝关节单髁置换手术可能出现一些特有的不良事件，如机器人相关设备、流程环节等可能出现问题导致机器人手术被迫停止，示踪器固定针周围可能出现皮肤软组织感染、经针道骨折，甚至出现安装固定针导致的神经血管损伤等。

1.机器人手术被迫终止：机器人辅助膝关节单髁置换术的手术过程包括术前计划、机器人校准、骨面注册、切磨骨骼以及假体植入等。机器人系统的任何一个设备环节出现问题，都可能导致手术被迫终止。骨面注册失败、存储光盘损坏、建模错误、控制程序损坏等，都是原来手工手术没有的特殊问题，都可能导致机器人手术无法进行。

2.与示踪器固定针相关的并发症：目前的机器人辅助膝关节单髁置换手术，都需要临时在股骨和胫骨额外放置两枚固定针来固定跟踪器，才能实现术中骨骼实时追踪。术中固定针松动移位、术后针道部位感染，甚至发生骨折等特殊问题都随之出现。一旦固定针松动、移位、断裂，可能会导致61%的病例被迫终止机器人手术。术后固定针针道发生皮肤软组织感染发生率也有相关报道，也有文献报道一例病例发生针道导致骨髓炎。一般认为，这可能与固定针的组织切割损伤和局部热损伤有关。固定针导致神经血管损伤的也很较少见，主要发生在全自动机器人的相关报道中。经针道骨折的总体发生率在0.2%左右。以股骨侧骨折居多。一般认为，固定针针道位置、直径（大于4mm）、固定在骨干、多次置针及使用非自钻自攻针是导致经针道相关骨折的常见危险因素。

目前,全球已有数十家公司推出了骨科关节手术机器人系统,主要应用于髋膝关节置换手术。辅助膝关节单髁置换手术的机器人，国内应用较多的为NATON机器人、MAKO机器人和CORI机器人。

作为国产单髁机器人的代表，NATON机器人在2022年完成临床试验，初步验证手术后早期临床效果良好。此后逐步在国内各大医院推广，目前在国内60多家医院完成膝关节单髁置换手术400余台。MAKO机器人作为全球应用最广最多的关节手术机器人，辅助医生完成各类关节置换手术超过百万例。2022年底，MAKO机器人正式对国内开放单髁手术平台，目前完成单髁手术350台左右。CORI机器人作为无影像机器人的代表，较早进入中国市场，但其单髁平台对国内开放世间并不长，大多处在试用阶段。

（一）尽管机器人辅助膝关节单髁置换手术已显示出良好的临床效果,但目前仍面临一些问题与挑战:

1.难以适应患者解剖变异:由于膝关节结构差异大,机器人很难对病变程度、关节稳定性等进行个体化评估和决策,仍需医生凭经验判断。另外，单髁置换手术中的软组织张力平衡，一直是手术医生较难把握的问题。目前的单髁机器人虽然通过距离测量部分解决了这一问题，但仍旧存在较大缺陷。更好的软组织张力测量办法亟待出现。

2.缺乏复杂病例的循证医学证据:目前针对骨质疏松、平台骨缺损、韧带损伤等复杂病例,尚无机器人辅助手术的大规模临床研究数据,其长期疗效有待验证。

3.手术时间和学习曲线:机器人系统操作较为复杂,手术时间可能延长15-20分钟,医生和手术团队需经专门培训后方可熟练掌握。

4.成本效益:机器人系统价格昂贵(数百万至千万人民币),且单次手术需额外耗材,经济学评价难以证明其优于传统手术。

（二）目前在机器人辅助单髁置换技术领域的设计主要集中在减少手术异常值和提高单髁术后放射学结果的准确性。早期数据显示机器人手术降低了单髁置换术的翻修率。未来,随着人工智能、多模态影像、材料工艺等技术的进步,未来的创新可能会继续改进机器人辅助关节成形术过程中的规划、设置和工作流程，并将机器人与各种新型技术相结合，机器人辅助单髁置换有望迎来新的突破以发挥机器人的最大优势。

1.与工智能与机器学习等技术融合：未来，人工智能（AI）和机器学习（ML）技术将进一步融入机器人辅助系统，实现术前图像的自动分割和手术自主规划,根据患者的解剖和功能特异性进行个性化调整，来提高手术规划和执行的智能化水平。AI也可以通过分析大量手术数据，优化手术路径和提高术前规划准确性。机器学习算法可以帮助机器人系统自我学习和改进，从而进一步提高机器人手术的精确性和效果。

2.增强现实（AR）与虚拟现实（VR）：AR和VR技术在未来的机器人辅助关节手术中将扮演重要角色。这些技术可以提供更直观的手术视图和更详细的术前规划，帮助外科医生更好地理解和执行手术步骤。AR技术有望为外科医生提供更直观、更丰富的视觉反馈,提高手术精度和效率。VR可以为外科医生提供模拟手术环境，提升手术技能和操作熟练度。

3.定制化单髁假体：3D打印技术将与机器人辅助系统相结合，根据患者的个体解剖结构定制膝关节单髁假体，最大限度贴合股骨骨面,减少骨量丢失,。这将显著提高假体的适应性和稳定性，减少并发症和提高手术成功率。定制化单髁假体与机器人辅助技术相结合，可以更好地恢复关节功能，延长假体寿命，提高患者的满意度。

4.远程手术与协作机器人（）：单髁机器人辅助系统必将支持远程手术，关节外科医生可以通过远程操作单髁手术机器人，为偏远地区的患者提供高质量的医疗服务。这将有助于缓解医疗资源不平衡的问题。机器人系统将朝着更高的智能化水平发展,实现自主导航、自适应控制等功能,并更进一步与外科医生协同工作，提供更高的手术灵活性和安全性，并进一步减轻医生的工作强度,提高手术质量。

机器人辅助单髁膝关节置换手术的发展经历了探索、发展和临床验证的过程，目前已成为提高手术精度和疗效的重要技术手段。尽管目前仍存在设备费用昂贵、辐射暴露、针道感染骨折、手术时间延长等问题，但随着机器人技术的不断进步和应用范围的扩大，这些机器人系统将进一步提高手术精确性、减少并发症和提升患者满意度。未来,随着人工智能、增强现实、物联网等新技术的融入,机器人辅助膝关节单髁置换手术将变得更加智能化、个性化、微创化，也将为患者带来更优质的手术体验和疗效。有理由相信,机器人辅助单髁膝关节置换手术将从创新技术逐步走向主流,为骨科手术的发展注入新的动力。机器人辅助单髁膝关节置换术（UKA）的未来充满希望。