TKAの現状とロボット支援技術導入の背景
日本における変形性膝関節症 の潜在患者数は2,500万人に上るといわれており、現在年間約9万件の人工膝関節形成術（total knee arthroplasty、以下TKA)が行われています。2022年には10万件に達することが予想されており、国民医療費の増加につながっています。また、ロボット支援手術の市場規模は国内で2024年には270億円に達すると試算されており、今後拡大傾向にあります。一方、TKAのインプラント素材の耐用性の向上により、1度手術をすれば半永久的な膝が実現され、米国では50代、60代の若年者の手術も増えてきています。しかし、若年で活動性の高い場合、正確にインプラントが設置されなければ、インプラントの摩耗や弛みを生じ、再手術が必要になります。
ロボット支援TKAの特長
ロボット支援TKAは、これまでのコンピューターナビゲーションやPSI (patient specific instrumentation：患者固有骨切りガイド)の骨切り精度を上回り、関節表面の形状や関節の動きを1mm、1度の正確性で再現します。目標とする設置位置から3度以上外れる確率はほぼ０％であり、従来のナビゲーションが10～20％外れることを考えると骨切りのヒューマンエラーはほぼないといえます。また、手術中に患者個々の軟部組織バランスをロボットに認識させることで、軟部組織のバランスを加味した手術計画が可能で、骨切りと軟部組織バランスの適正化により長期の安定性が得られます。
これまでのTKAでは、十字靭帯を切除する手術がほとんどであり、手術後の満足度、違和感は、部分人工関節置換術に比べて劣っていました。特に前十字靭帯（anterior cruciate ligament、以下ACL）を切除すると膝の回旋不安定性（捻りの不安感）が増大し、階段下降やスポーツ活動に支障を来していました。ロボット支援技術を使えば、ACLの温存が約60～70％の患者さんで可能となり、膝の安定性が再現されます（図1）。
図1．十字靭帯温存型TKA 術後X線像（左）およびイメージ図（右）
朱色で示した前・後十字靭帯は関節の中心に位置しており、前後の安定性と回旋安定性に寄与している。
（右側イメージ図の出典：Smith & Nephew社 より許諾を得て転載）
赤外線誘導式ロボットの概要
現在、TKAを支援するロボットはすべて赤外線誘導式ですが、骨切り方法の違いにより３つのタイプに分けられます。１つはロボットアームに骨切り用の鋸（bone saw）が取り付けられたもので、術者はアームを把持することで自動的に目標部位のみを骨切りします。もう１つは骨切りガイドがロボットアームに取り付けられており、ガイドが自動的に最適の位置に移動します。術者はbone sawでこのガイド越しに切れば、正確な骨切りができます。3つ目は慶應義塾大学病院が2019年9月に導入したロボット NAVIO™（Smith＆Nephew社製）で、ドリルを術者が把持し、目標の部位を削っていきます。鋸ではないため、多少時間はかかりますが、軟部組織を誤って傷つけることはなく患者さんの体に負担をかけずに、靭帯の温存が可能です（図２A）。
実際の手術では、まず最初に赤外線カメラを通じて患者個々の関節形状を読み込ませた後、軟部組織バランスを認識させます（図2B）。関節表面の大きさや形状および軟部組織の柔らかさは患者さんごとに異なるため、大変重要な情報になります。これらは手術中に速やかにグラフ化され、筋肉や靭帯バランスを微調整しながら手術計画をたてます（図3）。手術計画はモニター画面に表示され、ドリル先端を骨に押し当てると、ロボット制御下に1mm、1度以下の誤差で骨切りができます（図4）。ドリル先端は、目標外の部分になると自動的に回転が止まるため、骨以外の部分を傷つけることはありません。ドリルを骨切りに利用することで従来のTKAでは切除せざるを得なかった十字靭帯を温存することが可能になりました。
図2A. 骨を掘削するドリル
骨切り用の鋸（bone saw）を使わないため、骨以外の組織を傷つける危険性は極めて少ない。ドリルは目標外の部位に到達すると自動的に止まるか、プロテクターが伸びて刃が隠れる。
図2B. 手術支援ロボット全体像
赤外線カメラとロボット本体の２つのパートからなる。
（出典：Smith & Nephew社 より許諾を得て転載）
図3. 手術中のインプラント設置位置のシミュレーション
膝関節の内側/外側、屈曲/伸展の軟部組織バランスが等しくなるようにインプラントの位置を微調整する。
（出典：Smith & Nephew社 より許諾を得て転載）
図4. モニター画面を見ながらの骨切り
（出典：Smith & Nephew社 より許諾を得て転載）
【ロボット支援人工膝関節置換術のポイント】
- 従来のTKAと同様に変形性膝関節症、関節リウマチ、骨壊死、スポーツや外傷後の二次性膝関節症が対象となります。
- ロボットテクノロジーを使用することで骨切り精度の向上・軟部組織バランスの適正化が得られ、人工膝関節の寿命が延び半永久的な膝となります。
- 前十字靭帯（ACL）を温存することで膝が安定化し、違和感のない膝を再現します。
- 違和感のない膝は、術後のリハビリがスムーズで、早期社会復帰、スポーツ活動への復帰、高い患者満足度を実現します。
ロボット支援TKAの今後の展開
米国では、2022年にはロボット支援TKAは22万件に上ると推定されており、これを受けて日本でもシェアの拡大が予想されます。インプラント素材の進歩に加えて、テクノロジーの進歩は間違いなくTKAの耐用年数を増加させます。また、靭帯を温存し膝本来の機能性を維持したままインプラントを設置できるのは、長寿国日本では特に健康寿命の延伸に繋がります。今後は人工知能のテクノロジーと結びつくことにより、膝の形状、軟部組織バランスのデータから手術中に瞬時にロボットが最適なインプラント設置位置を教えてくれる時代が来るでしょう。そのためには今後、良質なロボットTKAの臨床データを蓄積・収集していく必要があります。日本の整形外科においては令和元年をロボット元年として今後、ますますロボット支援手術が人工関節のみならず関節鏡手術、骨折手術にも応用されていくことが期待されます。
左から：
小林秀（整形外科専任講師）、筆者（同准教授）、原藤健吾（同専任講師）
関連リンク
文責：整形外科
執筆：二木康夫
最終更新日：2020年3月2日
記事作成日：2020年3月2日