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2023-03-01
骨科界的機械革命：機械手臂如何重塑骨科新世界？ Robolution In the World of Orthopaedics: From Manual to Robotics
S&H：您在澳洲注意到目前有哪些趨勢？
Dr. Dugal James: 過去5到10年間，關節鏡手術的數量逐年減少，這可能是由於一些論文指出，對於50歲以上的患者，關節鏡手術的效益非常有限。需要接受關節鏡半月軟骨切除術的年輕患者數量逐漸減少。取而代之的是，在45至55歲的年齡層中，半膝關節置換的趨勢明顯成長。
除此之外，我認為另一個明顯的不同是，過去25至30年來，全膝關節置換手術的平均年齡正在下降，並且現今50多歲患者大多希望擁有更高的活動力，以繼續參與團隊運動或騎自行車等活動，因此患者對關節假體耐用度的要求遠高於從前。
這些年來澳洲在科技和新技術方面取得了長足進步，患者對麻醉和手術風險的擔憂也越來越少。現在唯一的重要因素是費用，必須在健康保險的支付範圍之內。我認為這是中老年人最關心的問題。
S&H：在澳洲，高科技輔助人工膝關節手術的百分比有多少？
Dr. Dugal James: 科技的進步為全膝關節手術帶來革新，目前在澳洲，導航及機械手臂和3D列印等科技輔助手術的比例已超過60%，反觀傳統手術僅佔3成左右。隨著社會富裕程度提升，患者們也更積極追求新科技，會主動上網搜尋手術知識，並尋找能夠掌握新科技的醫師。從過去經驗來看，電腦導航的使用量從極少到能在人工關節手術總量中佔比20%，大約花費8年的時間，而機械手臂卻早早在第5年就已經超過這個比例。相信未來幾年，機械手臂將持續發展並有望超越電腦導航，甚至取代它。
S&H：ROSA 與其他機器人系統的差異為何？
Dr. Dugal James: 身為ROSA其中一位設計者，我們的目標是能夠為醫師打造出更加有效且易操作的手術工具。為此，研發團隊深入了解市場上現有的手術機器人，從中分析優缺點，針對醫師的使用體驗、機器的硬體設計，以及如何縮短手術時間等面向，進行全方面評估與規劃。首先，我們設計了能將2D 製作成3D 模型的X-Ray技術，這表示可以在不使用CT 的情況下還原患者的骨頭模型，減少患者暴露在輻射的劑量及有效率地進行成像。為了讓醫師在第一次接觸ROSA時都能容易上手，軟體設計方面更為直覺，在使用上不需要過多繁瑣的步驟。至於機器的硬體設計，希望讓ROSA具備更好的活動性，能在不同手術室間輕鬆移動，打破較小型的醫院空間上的限制。此外，醫師可以紀錄每一次手術的結果，建立龐大的手術資料庫。如此一來，後續能透過大數據去探討膝關節手術時如何針對不同的情況下達到最佳的平衡。利用這些成功案例的數據，在未來提供給遇到類似個案的醫師參考。
醫師設計團隊更嘗試結合mymobility 追蹤患者術後狀況，匯集術前、術中、術後的數據，針對手術前後相關性進行更完整的分析，幫助醫師在訓練中獲得更有效的學習。
S&H：ROSA在臨床上的影響性為何？
Dr. Dugal James: 第一次使用ROSA的時候，最初幾個案例所花費的手術時間並沒有比傳統手術短。然而在熟悉它一天左右，我們就成功將手術時間縮短至只比傳統手術僅多出5-10 分鐘。隨著熟練程度提升，現在ROSA的手術時間已經與傳統手術沒有太大的差異。
透過ROSA的導航定位紀錄我們也發現，其實切割時偶爾也會發生1 或2 度的誤差，如果今天是很小的傷口，傳統手術不一定能被及時察覺到，而對於一些較小的誤差，也能提供立即的回饋，讓我更有機會去糾正。我認為ROSA的軟體已經相對智能，是全新世代的手術體驗，幫助我們了解更多細節數據，對於脛骨和股骨的切割角度因此更加客觀，若今天要使用機械手臂進行重切，我不會有任何擔憂，因為它可以幫助我在短時間內精確地調整，甚至1-2°、1-2mm 的切割。換作是以前遇到這樣的情況，我會需要審慎評估是否需要為了極小的差異重新切割，承擔不必要的風險。
S&H：與傳統器械相比，機械輔助手術的傷口尺寸有多大？
Dr. Dugal James: 這取決於你如何打你的定位針。對於TKR，如果你的定位針放置在「傷口外」四指幅的位置，傷口尺寸會與傳統操作一樣；而如果你是在「傷口內」放置定位針，同時也是我個人比較傾向的做法，你的傷口必須距trochlea近端至少8cm，以便放進定位針。不過在實務操作上，因為機器手臂的器具更為輕巧，不像使用導航時搭配的切割器具則會佔用更多的空間，傷口必須拉大。所以我只要用機械手臂，我會讓傷口在近端短於 2cm。定位針的位置其實並不影響精準度，所以我的原則是盡量倒向攝影機，以便於紅外線更加容易捕捉到即時位置，只要做到不會影響你的開刀速度與視野就可以了。
S&H：您可以與我們分享放置定位針的一些訣竅嗎？您會為了避開機械手臂而使用特定方式定位嗎？
Dr. Dugal James: 假設我在做左膝關節，機械手臂和我在病患的右側，而攝影機在病患的左側，我會在股骨端用2根定位針放在平行於股骨長軸的線上，並且其中一端的定位針會距離另一根位於遠端或近端的定位針1. 5cm，這決定了第一個維度。接著，我會讓它們向外偏離垂直約10度，因為如果偏離垂直10 ∼ 15度，當機械手臂靠近時，移動的機械臂不太可能碰撞到我的感光球。深度方面，我通常會讓它做到bi-cortical，盡量避免穿過後側cortex。所以當定位針穿過anterior cortex後，遇到第二個阻力就是停止鑽孔的時候。但重要的是至少讓它們能接觸，否則它們會有晃動的現象。我會建議在繼續下一個步驟前，務必用手指檢查定位針的穩定性。如果有必要、兩個定位針不見得要平行，若是有一點角度的差異也有助於穩定性。
S&H：如果病患的感光球移位，需要重新進行病患的定位嗎？
Dr. Dugal James: 沒錯，而且你必須實質上完全重新定位。如果這個狀況發生在你切割進行到一半時，將會是一個很大的問題，因為你的定位會失去參考性，也因此保持感光球位置的正確及穩定性非常重要。股骨端的感光球通常不會是問題，但當你今天決定在同一側進行Bil-TKR時，會出現定位針需要打在脛骨外側的現象（一腳內、一腳外），而脛骨的外側非常垂直，相對不容易下針，因此我建議採用偏離垂30、30、30度守則。使用機械手臂時，藉由 3D 骨頭模型輔助，醫師可以快速執行患者定位，提升定位時的效率。對於有經驗的ROSA使用者來說，整個流程其實也只需要2-3分鐘；而放置定位針和感光球可能分別會需要大約2分鐘。以上就是使用ROSA可能需要額外花費的5-8分鐘時間成本，熟練之後甚至更短，更為簡單直覺。
S&H：ROSA能做到哪些傳統器械無法幫助我們做到的事呢？
Dr. Dugal James: 過去在使用傳統器械操作時，有些人習慣只關注單側的骨頭切割，事後再試著調整軟組織，並且他們在手術中對鬆緊度、病患體型大小、旋轉角度等面向的評估方式，多仰賴自己的經驗，無法從器械得到定量的客觀回饋。ROSA能夠及時提供軟組織鬆緊的數據，測量從彎曲到伸直間的平衡，呈現在不同角度下valgus/ varus的鬆緊數據並且呈現在設定切割的畫面中。此外，我們可以根據病人的3D骨頭模型挑選出適合的植入物尺寸大小，調整切割以達到關節間隙的平衡。當你越來越熟悉運用此機器，腦中的雜訊會自動排除，並在腦海中累積所謂的「知識」，你會發現在你使用ROSA進行手術的各階段中，你將只集中在特定關鍵數據，然後到下一個階段調整，不再只是跟隨數字，而是你會解讀數據反饋給你的真實狀態，將螢幕上的數字吸收轉化為自身經驗，更直覺地對不同情況進行調整。我們發現大多數的使用者會持續學習，並從中發展出一套專屬的手術風格。每位前來手術的醫師都有自己的手術偏好，不論使用cruciate retaining或posterior stabilized、mechanical 或 personalized alignment，ROSA都可以把想法及理念具現化，並且降低手術中可能發生的誤判或失誤。
S&H：ROSA的學習曲線有多長？
Dr. Dugal James: 這取決於你是否有導航的經驗。打個比方：如果初次進入飛機駕駛艙，滿眼都是按鈕呈現眼前，會感到不知所措。但如果是踏進來一輛不熟悉的車子，或許被一些沒看過的功能困惑，但當你起步時，就會瞬間專注於那些習慣的信號，開心地踏上你的旅程。
初學者在前幾次操作可能還是會有些不安或不習慣，但大多數醫師通常在操作5次以內就能適應操作，變得非常直覺簡單，此外不會覺得這一切像是例行公事。ROSA提供數據化經驗的累積，會不斷挑戰你舊有的觀念，更加細緻化你的手術方式。即使到現在，我仍感受到機器手臂帶給我新的啟發，因為從設計開始我們就目標打造一台以醫師為中心的機械手臂。
S&H：您目前是使用以Image based或是Imageless的選項？
Dr. Dugal James: 我基本上使用image based的選項，因為我認為這對資料庫很重要。不過在做病例的時候，我必須承認我不會太放心思在術前影像上，因為我知道在手術中機械手臂可以填補我腦海裡的所有空白，並將我的手感數據化。我對手術中獲得的資訊信任程度大於術前影像，因為手術中的數據會包含軟組織。我喜歡看Long-leg view，可以知道手術前後HKA 角度變化，它能幫助我確認我在 X 光上得到的精確性與我在手術時感覺的差異。不過在某些情況，我也會以imageless的方式進行，我在一家距離墨爾本約1 5 0 k m的區域中心，所以我有的病患來自1 5 0 ∼ 2 0 0 k m遠，也有從城裡來的人。有些病患初診後沒辦法回診拍攝影像，有些病患希望馬上動手術，所以沒有足夠的時間得到影像。不過如同前面所說，術中的數據可以滿足你所需要的一切。
S&H：所以imageless選項提供的功能，與以image based的選項完全相同嗎？差別只在於有沒有影像？
Dr. Dugal James: 是的，螢幕上顯示的影像並不影響太多。影像很美，很能吸引目光，在視覺上能夠達到一定程度上的輔助，但是最終決定定位點的仍舊是根據醫師的專業判斷。當然它也能夠模擬組件擺放在骨頭上的樣子，將術後的成果呈現在眼前。
S&H：您認為ROSA重建手術的未來方向和發展如何？
Dr. Dugal James: ROSA半膝手術，已經是現在進行式。另外還有一組團隊在研究 ROSA用於髖關節導航(於2021年開始) ，他們計劃將ROSA用於引導髖臼開刀，很可能還會進展到切割股骨頸。我不確定是否還有一群在研究用於肩關節手術，不過如果我們轉向肩關節導航我也不會驚訝，因為肩關節的主要議題是在手術前辨識出肩盂的輪廓，而我們有2D轉為3D影像的技術，因此非常有機會在不使用CT的情況下做到，只要有肩盂特徵的術前評估，我們就可以決定要怎麼切磨最好。
另一個議題是 ROSA 軟體的進一步開發，我們現在正在研究能夠增強軟組織平衡的軟體，當我做出初步股骨切割和脛骨切割後，幫助我評估valgus／varus、 屈曲／伸展時固定的張力，如何避免人為的差異。目前有些人會直接用手做，有些人則會使用撐開器。但從一開始，我們就認為要提供主動式張力器，而我們已經在這項開發上有所進展，我們希望在不久的將來，就可以看到它在市場上發揚光大，使膝關節置換達到更好的重現性。
Dr. Dugal James: 過去5到10年間，關節鏡手術的數量逐年減少，這可能是由於一些論文指出，對於50歲以上的患者，關節鏡手術的效益非常有限。需要接受關節鏡半月軟骨切除術的年輕患者數量逐漸減少。取而代之的是，在45至55歲的年齡層中，半膝關節置換的趨勢明顯成長。
除此之外，我認為另一個明顯的不同是，過去25至30年來，全膝關節置換手術的平均年齡正在下降，並且現今50多歲患者大多希望擁有更高的活動力，以繼續參與團隊運動或騎自行車等活動，因此患者對關節假體耐用度的要求遠高於從前。
這些年來澳洲在科技和新技術方面取得了長足進步，患者對麻醉和手術風險的擔憂也越來越少。現在唯一的重要因素是費用，必須在健康保險的支付範圍之內。我認為這是中老年人最關心的問題。
S&H：在澳洲，高科技輔助人工膝關節手術的百分比有多少？
Dr. Dugal James: 科技的進步為全膝關節手術帶來革新，目前在澳洲，導航及機械手臂和3D列印等科技輔助手術的比例已超過60%，反觀傳統手術僅佔3成左右。隨著社會富裕程度提升，患者們也更積極追求新科技，會主動上網搜尋手術知識，並尋找能夠掌握新科技的醫師。從過去經驗來看，電腦導航的使用量從極少到能在人工關節手術總量中佔比20%，大約花費8年的時間，而機械手臂卻早早在第5年就已經超過這個比例。相信未來幾年，機械手臂將持續發展並有望超越電腦導航，甚至取代它。
S&H：ROSA 與其他機器人系統的差異為何？
Dr. Dugal James: 身為ROSA其中一位設計者，我們的目標是能夠為醫師打造出更加有效且易操作的手術工具。為此，研發團隊深入了解市場上現有的手術機器人，從中分析優缺點，針對醫師的使用體驗、機器的硬體設計，以及如何縮短手術時間等面向，進行全方面評估與規劃。首先，我們設計了能將2D 製作成3D 模型的X-Ray技術，這表示可以在不使用CT 的情況下還原患者的骨頭模型，減少患者暴露在輻射的劑量及有效率地進行成像。為了讓醫師在第一次接觸ROSA時都能容易上手，軟體設計方面更為直覺，在使用上不需要過多繁瑣的步驟。至於機器的硬體設計，希望讓ROSA具備更好的活動性，能在不同手術室間輕鬆移動，打破較小型的醫院空間上的限制。此外，醫師可以紀錄每一次手術的結果，建立龐大的手術資料庫。如此一來，後續能透過大數據去探討膝關節手術時如何針對不同的情況下達到最佳的平衡。利用這些成功案例的數據，在未來提供給遇到類似個案的醫師參考。
醫師設計團隊更嘗試結合mymobility 追蹤患者術後狀況，匯集術前、術中、術後的數據，針對手術前後相關性進行更完整的分析，幫助醫師在訓練中獲得更有效的學習。
S&H：ROSA在臨床上的影響性為何？
Dr. Dugal James: 第一次使用ROSA的時候，最初幾個案例所花費的手術時間並沒有比傳統手術短。然而在熟悉它一天左右，我們就成功將手術時間縮短至只比傳統手術僅多出5-10 分鐘。隨著熟練程度提升，現在ROSA的手術時間已經與傳統手術沒有太大的差異。
透過ROSA的導航定位紀錄我們也發現，其實切割時偶爾也會發生1 或2 度的誤差，如果今天是很小的傷口，傳統手術不一定能被及時察覺到，而對於一些較小的誤差，也能提供立即的回饋，讓我更有機會去糾正。我認為ROSA的軟體已經相對智能，是全新世代的手術體驗，幫助我們了解更多細節數據，對於脛骨和股骨的切割角度因此更加客觀，若今天要使用機械手臂進行重切，我不會有任何擔憂，因為它可以幫助我在短時間內精確地調整，甚至1-2°、1-2mm 的切割。換作是以前遇到這樣的情況，我會需要審慎評估是否需要為了極小的差異重新切割，承擔不必要的風險。
S&H：與傳統器械相比，機械輔助手術的傷口尺寸有多大？
Dr. Dugal James: 這取決於你如何打你的定位針。對於TKR，如果你的定位針放置在「傷口外」四指幅的位置，傷口尺寸會與傳統操作一樣；而如果你是在「傷口內」放置定位針，同時也是我個人比較傾向的做法，你的傷口必須距trochlea近端至少8cm，以便放進定位針。不過在實務操作上，因為機器手臂的器具更為輕巧，不像使用導航時搭配的切割器具則會佔用更多的空間，傷口必須拉大。所以我只要用機械手臂，我會讓傷口在近端短於 2cm。定位針的位置其實並不影響精準度，所以我的原則是盡量倒向攝影機，以便於紅外線更加容易捕捉到即時位置，只要做到不會影響你的開刀速度與視野就可以了。
S&H：您可以與我們分享放置定位針的一些訣竅嗎？您會為了避開機械手臂而使用特定方式定位嗎？
Dr. Dugal James: 假設我在做左膝關節，機械手臂和我在病患的右側，而攝影機在病患的左側，我會在股骨端用2根定位針放在平行於股骨長軸的線上，並且其中一端的定位針會距離另一根位於遠端或近端的定位針1. 5cm，這決定了第一個維度。接著，我會讓它們向外偏離垂直約10度，因為如果偏離垂直10 ∼ 15度，當機械手臂靠近時，移動的機械臂不太可能碰撞到我的感光球。深度方面，我通常會讓它做到bi-cortical，盡量避免穿過後側cortex。所以當定位針穿過anterior cortex後，遇到第二個阻力就是停止鑽孔的時候。但重要的是至少讓它們能接觸，否則它們會有晃動的現象。我會建議在繼續下一個步驟前，務必用手指檢查定位針的穩定性。如果有必要、兩個定位針不見得要平行，若是有一點角度的差異也有助於穩定性。
S&H：如果病患的感光球移位，需要重新進行病患的定位嗎？
Dr. Dugal James: 沒錯，而且你必須實質上完全重新定位。如果這個狀況發生在你切割進行到一半時，將會是一個很大的問題，因為你的定位會失去參考性，也因此保持感光球位置的正確及穩定性非常重要。股骨端的感光球通常不會是問題，但當你今天決定在同一側進行Bil-TKR時，會出現定位針需要打在脛骨外側的現象（一腳內、一腳外），而脛骨的外側非常垂直，相對不容易下針，因此我建議採用偏離垂30、30、30度守則。使用機械手臂時，藉由 3D 骨頭模型輔助，醫師可以快速執行患者定位，提升定位時的效率。對於有經驗的ROSA使用者來說，整個流程其實也只需要2-3分鐘；而放置定位針和感光球可能分別會需要大約2分鐘。以上就是使用ROSA可能需要額外花費的5-8分鐘時間成本，熟練之後甚至更短，更為簡單直覺。
S&H：ROSA能做到哪些傳統器械無法幫助我們做到的事呢？
Dr. Dugal James: 過去在使用傳統器械操作時，有些人習慣只關注單側的骨頭切割，事後再試著調整軟組織，並且他們在手術中對鬆緊度、病患體型大小、旋轉角度等面向的評估方式，多仰賴自己的經驗，無法從器械得到定量的客觀回饋。ROSA能夠及時提供軟組織鬆緊的數據，測量從彎曲到伸直間的平衡，呈現在不同角度下valgus/ varus的鬆緊數據並且呈現在設定切割的畫面中。此外，我們可以根據病人的3D骨頭模型挑選出適合的植入物尺寸大小，調整切割以達到關節間隙的平衡。當你越來越熟悉運用此機器，腦中的雜訊會自動排除，並在腦海中累積所謂的「知識」，你會發現在你使用ROSA進行手術的各階段中，你將只集中在特定關鍵數據，然後到下一個階段調整，不再只是跟隨數字，而是你會解讀數據反饋給你的真實狀態，將螢幕上的數字吸收轉化為自身經驗，更直覺地對不同情況進行調整。我們發現大多數的使用者會持續學習，並從中發展出一套專屬的手術風格。每位前來手術的醫師都有自己的手術偏好，不論使用cruciate retaining或posterior stabilized、mechanical 或 personalized alignment，ROSA都可以把想法及理念具現化，並且降低手術中可能發生的誤判或失誤。
S&H：ROSA的學習曲線有多長？
Dr. Dugal James: 這取決於你是否有導航的經驗。打個比方：如果初次進入飛機駕駛艙，滿眼都是按鈕呈現眼前，會感到不知所措。但如果是踏進來一輛不熟悉的車子，或許被一些沒看過的功能困惑，但當你起步時，就會瞬間專注於那些習慣的信號，開心地踏上你的旅程。
初學者在前幾次操作可能還是會有些不安或不習慣，但大多數醫師通常在操作5次以內就能適應操作，變得非常直覺簡單，此外不會覺得這一切像是例行公事。ROSA提供數據化經驗的累積，會不斷挑戰你舊有的觀念，更加細緻化你的手術方式。即使到現在，我仍感受到機器手臂帶給我新的啟發，因為從設計開始我們就目標打造一台以醫師為中心的機械手臂。
S&H：您目前是使用以Image based或是Imageless的選項？
Dr. Dugal James: 我基本上使用image based的選項，因為我認為這對資料庫很重要。不過在做病例的時候，我必須承認我不會太放心思在術前影像上，因為我知道在手術中機械手臂可以填補我腦海裡的所有空白，並將我的手感數據化。我對手術中獲得的資訊信任程度大於術前影像，因為手術中的數據會包含軟組織。我喜歡看Long-leg view，可以知道手術前後HKA 角度變化，它能幫助我確認我在 X 光上得到的精確性與我在手術時感覺的差異。不過在某些情況，我也會以imageless的方式進行，我在一家距離墨爾本約1 5 0 k m的區域中心，所以我有的病患來自1 5 0 ∼ 2 0 0 k m遠，也有從城裡來的人。有些病患初診後沒辦法回診拍攝影像，有些病患希望馬上動手術，所以沒有足夠的時間得到影像。不過如同前面所說，術中的數據可以滿足你所需要的一切。
S&H：所以imageless選項提供的功能，與以image based的選項完全相同嗎？差別只在於有沒有影像？
Dr. Dugal James: 是的，螢幕上顯示的影像並不影響太多。影像很美，很能吸引目光，在視覺上能夠達到一定程度上的輔助，但是最終決定定位點的仍舊是根據醫師的專業判斷。當然它也能夠模擬組件擺放在骨頭上的樣子，將術後的成果呈現在眼前。
S&H：您認為ROSA重建手術的未來方向和發展如何？
Dr. Dugal James: ROSA半膝手術，已經是現在進行式。另外還有一組團隊在研究 ROSA用於髖關節導航(於2021年開始) ，他們計劃將ROSA用於引導髖臼開刀，很可能還會進展到切割股骨頸。我不確定是否還有一群在研究用於肩關節手術，不過如果我們轉向肩關節導航我也不會驚訝，因為肩關節的主要議題是在手術前辨識出肩盂的輪廓，而我們有2D轉為3D影像的技術，因此非常有機會在不使用CT的情況下做到，只要有肩盂特徵的術前評估，我們就可以決定要怎麼切磨最好。
另一個議題是 ROSA 軟體的進一步開發，我們現在正在研究能夠增強軟組織平衡的軟體，當我做出初步股骨切割和脛骨切割後，幫助我評估valgus／varus、 屈曲／伸展時固定的張力，如何避免人為的差異。目前有些人會直接用手做，有些人則會使用撐開器。但從一開始，我們就認為要提供主動式張力器，而我們已經在這項開發上有所進展，我們希望在不久的將來，就可以看到它在市場上發揚光大，使膝關節置換達到更好的重現性。
