作者：中国人民解放军总医院骨科医学部 师朋涛
前交叉韧带（ACL）断裂是运动医学最常见疾病之一，前交叉韧带重建（ACLR）是治疗ACL断裂的最有效方法和金标准，在运动医学所有手术总量中占比非常高，且ACL患病率和ACLR发生率逐年上升，其断裂后可以产生明显的膝关节不稳，最终导致关节退行性变和
ACLR导航技术发展历程
国外发展 文献报道最早的为1995年Dessenne等研制的计算机辅助ACLR无图像导航系统，采用基于主动光学导航系统，术中采用导航探针分别采集前交叉韧带的股骨止点周围、胫骨止点周围、股骨髁间窝的各20~100个点云重建出股骨胫骨表面轮廓，手动规划出ACL骨道范围，医生采用导航探针手动定位ACL的股骨开口和胫骨开口点来建立骨道。后来提出了骨骼形变技术，前期通过采集大量高精度骨骼体数据或者尸体骨3D表面扫描数据，建立特定骨骼的统计学模型。术中采集相应区域骨骼的离散点云数据，通过形状预测法将其与骨骼统计学模型进行配准。以获得较为精确、真实的虚拟骨骼形态来进行骨道规划。
2000年Petermann等基于主动式机械臂和加拿大北方数字公司（NDI）的被动红外导航系统，术前在患者的股骨和胫骨安装导航参考架，并进行CT扫描，利用自研软件进行基于CT的手术规划。由主动式机械臂自动进行股骨骨道的钻孔操作，定位精度达2.0mm。2005年Schep等发表基于主动红外导航系统的计算机辅助ACLR系统，基本原理和临床工作流类似于Dessenne等研制的系统，优势在于能提示ACL与股骨髁间窝撞击和屈伸膝关节时韧带的延长程度。但尸体试验的精度依然很低，股骨骨道定位精度平均4.61mm，胫骨骨道定位精度平均5.02mm，远远达不到临床精度需求。德国BrainLab公司开发了针对ACLR的VectorVisionACL1.0软件，基于NDI被动红外光学导航。术前无需拍摄任何影像，术中安装被动红外参考架，通过导航探针采集膝关节内ACL股骨骨道、胫骨骨道、髁间窝区域的骨骼表面，然后进行基于术中二维X线透视的导航策略。德国Aesculap公司开发的OrthoPilot，基本原理类似于BrainLab公司的产品，提供了高精度的实时导航功能，辅助完成股骨骨道和胫骨骨道的精准规划和定位。2018年Cho等研发了基于术前MRI规划的导航系统在机器人辅助ACL重建系统并采用尸体膝关节接受机器人辅助ACLR，在术后进行CT扫描，骨道位置的准确性得到提高且令人满意。
国内发展 2020年北京航空航天大学与解放军总医院合作完成了基于解剖特征的ACLR机器人定位系统的开发，通过使用Brahmet线等解剖标志配准术前CT和术中X射线图像，从而提高ACLR隧道放置的准确性，在模型骨的准确性为1.73mm，尸体模型的精度为2.17mm。2024年北京大学第三医院Yang等采用天玑骨科手术机器人系统，基于被动式红外光学导航系统，术中三维C形臂拍摄的C形臂CT的导航策略，术中可实现基于三维C形臂CT与模拟二维X线图像的手动式精准手术规划。机械臂自动运动定位至手术规划的股骨骨道和胫骨骨道，由医生完成最后的钻孔操作，尸体实验股骨骨道的定位精度平均1mm。2024年，由纳通公司研发的前交叉韧带重建手术导航定位系统成功获得国家药品监督管理局（NMPA）三类医疗器械注册证，正式批准上市。该机器人系统是目前国内首款专用于运动医学领域前交叉韧带重建手术的获批产品。该系统利用多模态影像融合技术在术前重建患者膝关节模型，并通过机械臂实现亚毫米级精度的骨隧道钻取操作，从而有效降低人为操作误差，辅助医生在关节镜下完成高精度的前交叉韧带重建手术，还能够在术中进行运动学和动力学的双重评估，以优化手术效果，减少术后并发症，促进患者术后康复。
综上所述，计算机辅助ACLR手术技术自1995年以来，经历了从主动光学导航到基于X线、CT、MRI及多模态影像融合的持续发展。早期技术主要依赖主动光学或红外导航，结合手动规划与定位，精度有限。2000年起，机械臂辅助技术逐步应用，定位精度有所提高。随后，基于骨骼形变技术、实时追踪导航的系统相继问世，显著提升了术中规划及定位的准确性。近年来，运动医学领域导航技术快速发展，在理想状态下可以达到亚毫米级精度。2024年，国内首款专用于ACLR手术的机器人系统获批上市。
导航在ACLR骨道定位应用进展
近年来运动医学科医生利用导航在ACLR做了大量探索性工作，导航在提高ACL重建精确度方面显示出潜力，但其临床效果和成本效益存在争议。
导航辅助ACLR临床疗效 Hart等进行了一项随机对照试验，比较了导航和传统ACL重建的2年随访结果。发现导航组在膝关节功能评分方面略优于常规组，但差异并不显著。Meuffels等的系统综述指出，虽然导航辅助未显示出显著的短期临床优势，但可能会降低长期并发症风险和翻修率，导航系统的潜在益处可能需要更长时间才能体现。Foo等回顾性评估了2004—2009年使用OrthoPilot导航系统和传统方法进行的ACL重建手术，比较了术后隧道置入的准确性和1年后的临床结果。结果显示，导航手术在股骨隧道置入的解剖学准确性上有优势，但术后1年临床结果与传统方法无显著差异。Cheng等的荟萃分析显示导航辅助ACL重建的翻修率略低于传统技术，但差异未达到统计学意义。2013年Zhu等报道德国博医来公司的VectorVisionACL1.0软件导航的2年随访临床疗效满意，与传统的徒手操作无显著差异。
导航辅助ACLR定位精度 Taketomi等报道，基于术中透视的导航系统在ACL翻修能够可视化整个先前的隧道或股骨隧道内关节镜下不可见但存在的骨道，确保外科医生能够准确地创建新隧道，而不受旧隧道的干扰，从而显著改善手术结果。Oshima等通过比较术中无图像导航系统和依赖术中透视导航，结果表明，透视图像与术后三维CT测量的胫骨隧道位置一致性更高，而无图像导航系统与三维CT结果相比存在显著差异。2016年，Lee等使用术中无图像导航系统发现导航可以使隧道位置和方向可预测，具有很高的准确性和可重复性，可用于提高安全性，降低短股骨隧道的风险，并防止后壁破裂。Wang等通过Mimics软件创建虚拟引导针，结合术前CT生成的三维模型，采用全息透镜2代混合现实头戴显示器进行手术导航。通过混合现实技术将预先设计的三维模型投射到术区，配准患者的皮肤轮廓和骨性标志物来完成导航和定位。结果混合现实组的股骨隧道入口没有显著的统计学差异，股骨隧道和胫骨隧道的方向更集中。
近期Yavari等通过对2000年1月—2022年11月的相关文献进行系统检索，在使用计算机辅助导航和机器人技术进行ACLR手术时，有6项研究（351例患者）报告股骨隧道放置更为准确，8项研究中的6项（321例患者）报告胫骨隧道放置在至少1项测量标准下更为准确，但是临床效果与传统手术相比并没有显著差异。可见导航在ACL重建中能够提高隧道置入的准确性，尤其在股骨隧道定位上表现更优，但短期临床效果与传统方法无显著差异。综上，导航技术在ACL重建中的应用已显示出提高隧道定位精确性的潜力，尤其在复杂病例如翻修手术中表现突出。然而，其对短期临床结果的改善尚无显著优势，长期效果仍需进一步验证。上述研究表明，基于术中透视的导航系统在隧道位置一致性上优于无图像导航，混合现实技术等新兴方法也展现出前景，但应用仍处于探索阶段。当前面临的问题包括高成本、技术复杂性及对临床结局改善的有限证据。未来应通过多中心长期随访研究验证导航技术的临床和经济效益，同时优化技术以降低成本，提高易用性，推动其在临床中的广泛应用。
导航辅助ACLR现状分析
在ACLR手术中，导航用于提高股骨隧道定位的精确性，弥补传统手术中医生依赖经验和肉眼判断带来的误差，从而提高手术的成功率并减少并发症。依照既往ACL手术临床经验，笔者认为计算机辅助导航较好的适应证是ACLR翻修和多韧带手术，可以帮助更快、更准确地创建所需的多个隧道，同时避免隧道碰撞，在复杂病例中提供更高的精度。过去的几十年里，ACLR一直是一种成功的干预措施，患者满意度很高，应用导航系统能够提高手术精确度，但是很难证实导航技术可显著改善临床结果，因为这种改进未必直接转化为患者感知的益处。如果在长期随访的临床研究中导航系统能够显著降低翻修率，其长期成本效益可能会更有优势。
机器人可以帮助医生更稳健地操作器械，减少人为误差，在钻隧道时保持稳定，降低误操作的风险。但同时机器人系统操作复杂、体积庞大、占据手术空间，并且有些系统需要额外的皮肤切口和钻孔来固定参考架或传感器，大大增加了手术的侵入性和感染风险，或是增加了辐射暴露和手术时间，严重违背关节镜手术微创理念。目前仍缺乏完善的智能快速的医学图像处理与智能化、自动化的人机交互手术规划软件；机器人系统机械臂缺乏能够及时跟踪患者大腿和小腿位置变动的实时随动控制功能，影响操作精度和安全性。镜下操作时大量软组织亦会产生形变，导致导航手术的安全性和个性化严重不足，股骨骨道的重复定位精度难以控制在临床医生期望的1mm之内，大大制约了各类计算机导航和机器人辅助手术系统在临床的广泛应用。
未来开发能够实时跟踪软组织变形、自动规划、自动配准、随动控制、自动钻孔的机器人导航系统，减少对传统参考架和点云配准的依赖，最终实现全自动化手术路径规划和执行。还可依据关节镜下图像立体信息采集识别和计算机视觉技术、扩展现实、人工智能等技术的引入使得导航信息的显示更加直观和友好，未来有望实现手术中关键解剖结构的自主识别和导航引导，减少人为误差并优化手术效果。
小结与展望
ACLR手术近年来在导航和机器人技术辅助下取得了显著的进展，尤其是在股骨骨道定位的精确性和稳定性方面。然而临床上能显著改善患者感知的效果和降低长期翻修率的证据仍需进一步研究。导航系统虽能显著提升定位精度，但其局限性包括体积庞大、手术侵入性增强、操作复杂性增加、辐射暴露等，限制了其广泛应用。未来应致力于发展更智能化、自动化、个性化的智能导航系统，包括实时软组织变形跟踪、镜下图像智能处理、自动路径规划及力传感技术的整合，以全面提升前交叉韧带重建手术的安全性和效果。
来源：中国矫形外科杂志2025年11月第33卷第22期
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