Summary
Denna artikel introducerar en metod för robotassisterad ortopedisk kirurgi för skruvplacering under behandling av lårbenshalsfraktur med lårbenshalssystemet, vilket möjliggör mer exakt skruvplacering, förbättrad kirurgisk effektivitet och färre komplikationer.
Abstract
Kanylerad skruvfixering är huvudterapin för lårbenshalsfrakturer, särskilt hos unga patienter. Det traditionella kirurgiska ingreppet använder C-armfluoroskopi för att placera skruven på frihand och kräver flera styrtrådsjusteringar, vilket ökar driftstiden och strålningsexponeringen. Upprepad borrning kan också orsaka skador på blodtillförseln och benkvaliteten i lårbenshalsen, vilket kan följas av komplikationer som skruvlossning, nonunion och lårbensnekros. För att göra fixeringen mer exakt och minska förekomsten av komplikationer tillämpade vårt team robotassisterad ortopedisk kirurgi för skruvplacering med lårbenshalssystemet för att modifiera det traditionella förfarandet. Detta protokoll introducerar hur man importerar en patients röntgeninformation till systemet, hur man utför skruvbaneplanering i programvara och hur robotarmen hjälper till med skruvplacering. Med hjälp av denna metod kan kirurgerna placera skruven framgångsrikt första gången, förbättra procedurens noggrannhet och undvika strålningsexponering. Hela protokollet inkluderar diagnosen lårbenshalsfraktur; insamling av intraoperativa röntgenbilder; skruvvägsplanering i programvaran; exakt placering av skruven under hjälp av robotarmen av kirurgen; och verifiering av implantatets placering.
Introduction
Lårbenshalsfraktur är en av de vanligaste frakturerna på kliniken och står för cirka 3,6% av humanfrakturerna och 54,0% av höftfrakturerna1. För unga patienter med lårbenshalsfrakturer utförs kirurgisk behandling för att minska risken för nonunion och lårbenshuvudnekros (FHN) genom anatomisk reduktion och styv inre fixering och för att återställa deras funktion till preoperativ nivå så mycket som möjligt2. Den vanligaste kirurgiska behandlingen är fixering med tre kanylerade kompressionsskruvar (CCS). Med ökningen av patientkraven, särskilt hos unga patienter, används lårbenshalssystemet (FNS) gradvis, vilket kombinerar fördelarna med vinkelstabilitet, minimal invasivitet och bättre biomekanisk stabilitet än CCS för instabila lårbenshalsfrakturer3.
Traditionellt placerades skruvarna på frihand av kirurger under fluoroskopisk intraoperativ vägledning. Frihandsmetoden har många brister, såsom oförmåga att planera vägen intraoperativt, svårigheter att kontrollera styrtrådens riktning under borrning, skador på ben- och blodtillförseln på grund av upprepad borrning och penetration av skruven genom cortex på grund av felaktig positionering. Dessa faktorer kan direkt eller indirekt orsaka postoperativa komplikationer, såsom frakturnonunion, FHN och internt fixeringsfel, vilket påverkar den funktionella prognosen4. Frihandsmetoden har också associerats med ökad strålskada hos patienter och kirurger från frekventa fluoroskopier5. Därför är det viktigt att bestämma den optimala skruvingångspunkten och den exakta skruvplaceringen under preoperativ planering för att operationen ska lyckas. Under de senaste åren har robotassisterad minimalinvasiv intern fixering använts med ökande frekvens inom ortopedisk kirurgi6, och det är allmänt accepterat av ortopedkirurger på grund av dess höga precision och dess förmåga att minska operationstiden och strålskadan. Vi tillämpade det robotassisterade ortopediska kirurgisystemet för att hjälpa till med FNS-fixering för behandling av lårbenshalsfrakturer, vilket resulterade i en mer exakt och effektiv skruvplaceringsprocess, en högre framgångsgrad för skruvplaceringen och bättre funktionell återhämtning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Den aktuella studien godkändes av etikkommittén vid Honghui Hospital Xi'an Jiaotong University. Informerat samtycke erhölls från patienterna.
1. Diagnos av lårbenshalsfraktur genom röntgenfluoroskopi
- Identifiera patienter som har en lårbenshalsfraktur med ömhet eller slagssmärta runt höftledet, förkortning av nedre extremiteten, begränsning av höftleden etc.
- Använd en antero-posterior (AP) vy och en sidovy av en röntgenfluoroskopi eller CT-skanning för att diagnostisera lårbenshalsfrakturen.
- Beställ FNS-behandling för patienter som är yngre än 60 år och diagnostiserats med lårbenshalsfraktur. Använd dessa ytterligare kriterier för inkludering: fraktur med en tydlig historia av trauma; ingen historia eller tecken på metaboliska sjukdomar eller patologiska frakturer; välutvecklad höftled, utan manifestationer av FHN och ingen deformitet; en diagnos av lårbenshalsfraktur genom en röntgen- eller CT-skanning.
2. Minskning av frakturnära operationer, röntgenundersökning och förberedelse av det robotassisterade ortopediska kirurgisystemet
- Efter generell anestesi, utför sluten reduktion av fraktur genom manuell dragkraft och justering.
- Återställ längden på den drabbade lemmen genom längsgående dragkraft med kirurgen som håller lemmen för dragkraft och återställ inriktningen av frakturgapet genom lemrotation.
- Fäst lemmen på dragbädden (ett slags operationsbord som ger kontinuerlig dragkraft) för kontinuerlig dragkraft under operationen.
- Undersök kvaliteten på den slutna reduktionen med röntgenfluoroskopi. Återställ nackaxelns vinkel och inriktning av cortex i AP och sidovyer, och se till att inga vinkeldeformiteter uppstår.
- Före operationen, anslut komponenterna i det robotassisterade ortopediska kirurgisystemet - arbetsstationen, det optiska spårningssystemet och robotarmen - med C-arm röntgenmaskinen. Logga in i systemet och registrera patientens journaler.
3. Desinfektion, bildinsamling och kirurgisk vägplanering
- Efter rutinmässig kirurgisk desinfektion, placera en Schanz-stift på den ipsilaterala iliacvingen och fixera patientens spårämne på stiftet.
- Sätt sterila skyddshylsor på robotarmen och C-armen. Montera positioneringslinjalen (med de 10 identifieringspunkterna på positioneringslinjalen för robotpositioneringssystemet) med robotarmen.
- Placera C-armen röntgenapparat centralt mot lårbenshalsen och placera robotarmen med positioneringslinjalen mellan C-armen och patienten. Se till att det inte finns några hinder för det optiska spårningssystemet, inklusive patientspåraren och robotarmen.
- Samla AP-vy (röntgenbildförstärkaren är vinkelrät mot patientens plan) och sidovy (röntgenbildförstärkaren är vinkelrät mot lårbenshalsens kanalplan) röntgenbilder som innehåller positioneringslinjalens 10 identifieringspunkter.
- Importera AP- och sidovybilder till arbetsstationen; Bilderna måste tydligt innehålla 10 identifieringspunkter och hela proximala lårbenet.
- Utför kirurgisk skruvvägsplanering på arbetsstationens programvara.
- Placera skruvkanalen i mitten av lårbenshalsen, med en nackaxelvinkel på 130 ° och parallellt med lårbenshalsens långa axel på AP och sidovyer.
- Placera skruvens spets 5 mm under brosket på lårbenet.
4. FNS-placering och verifiering
- Sätt tillbaka positioneringslinjalen på hylsan på robotarmen. Kör robotarmen till ingångspunktens position enligt den planerade vägen. Gör ett snitt på 3 cm på huden längs lårbenets långa axel med en kniv, trubbigt separera den subkutana vävnaden och sätt in hylsan för att komma i kontakt med benbarken.
- Bekräfta hylsans ingångspunkt och riktning i enlighet med den planerade vägen. Finjustera sökvägen om det behövs.
- Borra styrkabeln i benet genom hylsan tills den är 5 mm från det subkondrala benet. Ta bort robotarmen och kontrollera styrtrådens position med röntgen.
- Rym hålet längs styrtråden med en ihålig borr och sätt in bulten och plattan i lårbenet. Placera rotationsskruven och låsskruven.
- Applicera dynamisk komprimering med hjälp av FNS komprimeringsdesign. Fluoroskopin verifierar FNS-placeringen, med bulten i mitten av lårbenshalsen både på AP- och sidovyerna och 5 mm från det subkondrala benet, och med plattan som passar benet.
- Föreslå assisterade passiva höftböjningsaktiviteter och aktiv träning av knä- och fotleden efter operationen. Utför uppföljningar vid 4 veckor, 8 veckor, 12 veckor, 24 veckor, 36 veckor och 48 veckor postoperativt, med den viktbärande tiden beroende på uppföljningen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Det robotassisterade ortopediska kirurgisystemet simulerar skruvbanan virtuellt och hjälper till med den exakta placeringen av skruven, vilket innebär att detta system har fördelarna med att vara mycket stabilt, ha förbättrad kirurgisk precision och framgångsgrad och ha en lägre risk för kirurgiskt trauma och strålskada. Slutligen resulterar skruvfixeringens noggrannhet i en bättre klinisk prognos och en lägre förekomst av komplikationer.
Patienter som diagnostiserats med en lårbenshalsfraktur fick operation. Profylaktisk antiinfektion och antikoagulationsbehandlingar användes efter operationen. Patienterna utförde assisterade passiva höftböjningsaktiviteter och instruerade styrketräning i nedre extremiteterna. Inom 2 veckor efter operationen fick patienterna utföra aktiv böjning av höftleden i sängen. Patienterna kunde utföra icke-viktbärande rörelser med hjälp av en käpp efter 4 veckor. Röntgenundersökning utfördes vid uppföljningarna var 4: e vecka; Om frakturlinjen var suddig kunde patienterna utföra partiell viktbärande träning. Patienterna kunde försöka gå med full vikt när röntgenbilden visade att frakturen hade läkt. Höftfunktionen bedömdes enligt Harris hip score-system vid den slutliga uppföljningen (tabell 1).
Röntgenbilderna före operationen av lårbenshalsfrakturen visas i figur 1 (figur 1A: AP-vy; Figur 1B: vy i sidled). Figur 2 visar att frakturen reducerades genom sluten reduktion (figur 2A,B) till rätt läge (figur 2C,D). Det förberedda robotassisterade ortopediska systemet visas i figur 3. De insamlade röntgenbilderna med hjälp av patientspåraren (figur 4A) och positioneringslinjalen (figur 4B), med positioneringslinjalen mellan C-armen och patienten (figur 4C,D) demonstreras, liksom fluoroskopibilderna som innehåller positioneringslinjalen (figur 4E,F). Kirurgisk vägplanering utfördes på programvaran och skruvkanalen visades virtuellt (figur 5). Robotarmen löpte i den planerade riktningen (figur 6A), robotarmen hjälpte till med placeringen av guidekabeln (figur 6B) och styrtrådens position kontrollerades med röntgen (figur 6C). Figur 7 visar FNS struktur (figur 7A), brotschningsprocessen (figur 7B,C), bultens och plattans placering, rotationsskruven och låsskruven (figur 7D-F). I figur 8 visas röntgenbilderna från verifieringen (figur 8A: AP-vy, figur 8B: sidovy) och det lilla snittet på huden (figur 8C).
Figur 1: Röntgenbilder av patienten. Röntgenbilderna före operationen av patientens lårbenshalsfraktur. (A) AP-vy; (B) vy från sidan. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Manuell sluten reduktion av frakturen. Bilderna visar (A,B) manuell reduktion av den påverkade höften och (C) AP-vyn och (D) sidovyn av röntgenbilderna efter reduktion. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Det robotassisterade ortopediska kirurgisystemet. Systemet består av arbetsstationen (vänster), det optiska spårningssystemet (mitten) och robotarmen (höger). Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Bildinsamling. a) Patientens spårämne. (B) positioneringslinjalen med robotarmen; C,D) Den relativa positionen mellan det optiska spårningssystemet (inklusive patientspåraren och robotarmen), röntgenapparaten med C-arm och positioneringslinjalen. (E) AP-vyn och (F) sidovy röntgenbilder med positioneringslinjalen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5: Planering av kirurgiska vägar. Visning av den virtuella skruvkanalen på programvaran. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 6: Robothjälp vid placering av guidekabeln. (A) Robotarmen med hylsan rör sig i den planerade riktningen. (B) Styrkabeln borras in i benet genom hylsan av kirurgen. (C) Undersökning av styrtrådens placering med röntgen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 7: FNS-placering. (A) FNS består av bulten och plattan (gul), låsskruven (grön) och rotationsskruven (blå). (B,C) brotschning längs guidekabeln. (D,E,F) Bulten och plattan sätts in i lårbenshuvudet och låsskruven och rotationsskruven placeras. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 8: Röntgenverifiering. Figuren visar (A) AP-vyn och (B) sidovyröntgenbilderna av frakturen efter dynamisk kompression. (C) Sårets utseende. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Tabell 1: Uppgifter om patienten. Tabellen visar egenskaper, kirurgisk information och postoperativ uppföljning av alla patienter. Frakturer klassificeras enligt Garden klassificering7, och höftfunktionen bedöms med hjälp av Harris poängsystem8. Klicka här för att ladda ner denna tabell.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
FNS är en metod för fixering av lårbenshalsfrakturer, som har fördelarna med vinkelstabilitet hos de glidande höftskruvarna och minimal invasivitet vid placeringen av de flera kanylerade skruvarna. Denna metod är mindre benägen för skruvskärning och irritation av de omgivande mjuka vävnaderna. I Tang et al.s studie9, jämfört med CCS-gruppen, hade patienter i FNS-gruppen lägre frekvenser av ingen eller mild lårbenshalskorthet, kortare läkningstider och högre Harris-poäng. Biomekaniska studier har visat att FNS har bättre biomekaniska egenskaper än CCS3. FNS liknar CCS intraoperativt genom att båda kräver noggrann skruvplacering genom lårbenshalsen. I traditionell kirurgi placeras skruven på frihand av kirurger under fluoroskopi; Intraoperativt kan perkutan manipulation, visuell avvikelse och frihandsinstabilitet leda till ett fel i den faktiska positionen från den ideala positionen. Upprepad radiologisk exponering ökar strålskadorna för både patienter och kirurger. Dessutom är komplikationer hos yngre patienter, såsom nonunion, FHN och tidigt implantatfel, associerade med fixeringstekniker, och dessa har en incidens på upp till 28%10. Noggrannheten i skruvfixeringen påverkar direkt styrkan hos skruvfixeringen och läkningshastigheten för lårbenshalsfrakturer11.
Med utvecklingen av datornavigationssystem och medicinsk bildpresentationsteknik har forskare uppnått god klinisk prognos genom datornavigationssystem, särskilt i robotassisterad ortopedisk kirurgi systemfixering för lårbenshalsfrakturer, vilket är överlägset det traditionella förfarandet när det gäller att ha bättre kirurgisk precision och en högre framgångsgrad, samt minska kirurgiskt trauma och strålskada12, 13.
Det robotassisterade ortopediska kirurgisystemet har fördelen av exakt navigering och positionering. De kritiska stegen i operationen är bildinsamling, kirurgisk vägplanering och insättning av styrtråd. Identifieringspunkterna och de intraoperativa biplana röntgenfluoroskopiska bilderna digitaliseras för att bilda en rumslig korrespondens så att kirurgen intuitivt kan planera skruvens väg i programvaran. Dessutom ger robotarmen exakt rumslig positionering för placering av skruven, med noggrannhet upp till millimeternivån. Zwingmannm et al.14,15 fann att felpositioneringsgraden för den konventionella metoden var 2,6% och revisionsgraden var 2,7%, medan felpositioneringsgraden för navigationsassisterad teknik var 0,1% till 1,3% och revisionsgraden var 0,8% till 1,3%. Samtidigt är robotnavigationsimplantationen mycket stabil, med en säkerhetsgräns i operationen, vilket kraftigt minskar risken för kärl- och nervskador orsakade av avvikelser i skruvplaceringen.
Vi använde det robotassisterade ortopediska kirurgisystemet för att hjälpa FNS-placeringsprocessen, och skruven placerades på motsvarande anatomiska plats exakt och stabilt. Med hjälp av roboten kunde ST-kirurgerna placera skruven snabbare och mer exakt. Inlärningskurvan kan förkortas med hjälp av roboten, och individer kan bli skickliga i robotassisterad teknik genom flera operationer. Dessutom kan skillnaden i kirurgiska resultat på grund av skillnader i kirurgernas tekniska nivåer elimineras. Skruvarnas längd och diameter kan planeras i förväg för att undvika skador på fogen och blodkärlen orsakade av skruvarna som tränger in i lårbenet. Detta minskar förekomsten av postoperativ traumatisk artrit och FHN.
I framtiden kommer vi att använda det robotassisterade ortopediska kirurgisystemet för att hjälpa till med placeringen av interna fixeringsskruvar i situationer som hög Pauwels-grad, bakre underlägsen sönderdelning och kombinerade missbildningar, vilket gör den biologiska och biomekaniska miljön för frakturläkning mer utmanande16. I dessa situationer krävs exakt fixering för att minska förekomsten av postoperativa komplikationer. Med tillämpningen av det robotassisterade ortopediska kirurgisystemet för intern fixering av skruvar för lårbensfrakturer dominerar kirurgen operationsplaneringen, erhåller den bästa kirurgiska vägen och uppnår högsta noggrannhet och effektivitet för implantatplacering. Denna metod bidrar mer till frakturläkning, vilket möjliggör tidig rehabilitering och en god prognos för att övervinna mindre kirurgiska skador.
Det finns dock vissa begränsningar för robotassisterad intern fixeringsplacering av lårbenshalsfrakturskruvar. För det första måste kirurgen ha erfarenhet av traditionella kirurgiska tekniker (öppen/sluten reduktion och intern fixering), så att oväntade situationer kan lösas utan robothjälp. För det andra kräver de grundläggande principerna för robotarbete och korrekt slutförande av bildinsamling en utbildningsperiod. Kirurgerna måste arbeta tillsammans för att slutföra de programmerade stegen, och operationstiden kan minskas genom att förbättra skickligt samarbete. För det tredje får hylsan hög sidospänning av mjukvävnaden och kan leda till avvikelse i ingångspunkten13. Spänningen i mjukvävnaden runt hylsan kan minskas genom trubbig separation innan hylsan sätts in. Slutligen beror exakt skruvplacering på den rumsliga positionen för operationsområdet som matchar bilden; Olika faktorer kan leda till en förändring i den rumsliga positionen eller den relativa förskjutningen av patientens spårämne och operationsområdet, vilket kallas bilddrift17. Kirurgen bör vara medveten om bilddrift under operationen och verifiera den. Bilderna måste samlas in igen om det behövs.
Ortopedisk robotassisterad FNS för lårbenshalsfrakturer är ett tidseffektivt och mindre invasivt förfarande med låg frekvens av postoperativa komplikationer. Denna metod kan förbättra precisionen i skruvplaceringen och minska strålningsskadorna under operationen samtidigt som inlärningsprocessen förkortas för unga kirurger.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författaren (erna) förklarar inga potentiella intressekonflikter med avseende på forskning, författarskap och / eller publicering av denna artikel.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av ungdomsodlingsprojektet från Xi'an Health Commission (Program No. 2023qn17) och Key Research and Development Program of Shaanxi Province (Program No. 2023-YBSF-099).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| C-arm X-ray | Siemens | CFDA Certified No:20163542280 | Type: ARCADIS Orbic 3D |
| Femoral neck system | DePuy, Synthes, Zuchwil, Switzerland | CFDA Certified No: 20193130357 | Blot:length (75mm-130mm,5mm interval), diameter (10mm); Anti-rotation screw:length (75mm-130mm,5mm interval,match the lenth of the blot), diameter (6.5mm); Locking screw:length(25mm-60mm,5mm interval),diameter(5mm) |
| Robot-assisted orthopedic surgery system | Tianzhihang, Beijing,China | CFDA Certified No:20163542280 | 3rd generation |
| Traction Bed | Nanjing Mindray biomedical electronics Co.ltd. | Jiangsu Food and Drug Administration Certified No:20162150342 | Type:HyBase 6100s |
References
- Thorngren, K. G., Hommel, A., Norrman, P. O., Thorngren, J., Wingstrand, H.
- Lowe, J. A., Crist, B. D., Bhandari, M., Ferguson, T. A. Optimal treatment of femoral neck fractures according to patient's physiologic age: An evidence-based review. The Orthopedic Clinics of North America. 41 (2), 157-166 (2010).
- Stoffel, K., et al. Biomechanical evaluation of the femoral neck system in unstable Pauwels III femoral neck fractures: A comparison with the dynamic hip screw and cannulated screws. Journal of Orthopaedic Trauma. 31 (3), 131-137 (2016).
- Mei, J., et al. Finite element analysis of the effect of cannulated screw placement and drilling frequency on femoral neck fracture fixation. Injury. 45 (12), 2045-2050 (2014).
- Zheng, Y., Yang, J., Zhang, F., Lu, J., Qian, Y. Robot-assisted vs freehand cannulated screw placement in femoral neck fractures surgery: A systematic review and meta-analysis. Medicine. 100 (20), 25926 (2021).
- Karthik, K., Colegate-Stone, T., Dasgupta, P., Tavakkolizadeh, A., Sinha, J. Robotic surgery in trauma and orthopaedics: A systematic review. The Bone and Joint Journal. 97-B (3), 292-299 (2015).
- Garden, R. S. Low-angle fixation in fractures of the femoral neck. The Bone and Joint Journal. 43 (4), 647-663 (1961).
- Harris, W. H. Traumatic arthritis of the hip after dislocation and acetabular fractures: Treatment by mold arthroplasty. An end-result study using a new method of result evaluation. Journal of Bone and Joint Surgery. American Volume. 51 (4), 737-755 (1968).
- Tang, Y., et al. Femoral neck system versus inverted cannulated cancellous screw for the treatment of femoral neck fractures in adults: A preliminary comparative study. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 16, 504 (2021).
- Da Many, D. S., Parker, M. J., Chojnowski, A. Complications after intracapsular hip fractures in young adults. A meta-analysis of 18 published studies involving 564 fractures. Injury. 36 (1), 131-141 (2005).
- Hamelinck, H. K. M., et al. Safety of computer-assisted surgery for cannulated hip screws. Clinical Orthopaedics and Related Research. 455, 241-245 (2007).
- Wang, X., Lan, H., Li, K. Treatment of femoral neck fractures with cannulated screw invasive internal fixation assisted by orthopaedic surgery robot positioning system. Orthopaedic Surgery. 11 (5), 864-872 (2019).
- Duan, S. J., et al. Robot-assisted percutaneous cannulated screw fixation of femoral neck fractures: Preliminary clinical results. Orthopaedic Surgery. 11 (1), 34-41 (2019).
- Zwingmann, J., Hauschild, O., Bode, G., Südkamp, N. S., Schmal, H. Malposition and revision rates of different imaging modalities for percutaneous iliosacral screw fixation following pelvic fractures: A systematic review and meta-analysis. Archives of Orthopaedic & Trauma Surgery. 133 (9), 1257-1265 (2013).
- Zwingmann, J., Konrad, G., Kotter, E., Südkamp, N. P., Oberst, M. Computer-navigated iliosacral screw insertion reduces malposition rate and radiation exposure. Clinical Orthopaedics and Related Research. 467 (7), 1833-1838 (2009).
- Stockton, D. J., et al. Failure patterns of femoral neck fracture fixation in young patients. Orthopedics. 42 (4), 376-380 (2019).
- Wu, X. -B., Wang, J. -Q., Sun, X., Han, W. Guidance for the treatment of femoral neck fracture with precise minimally invasive internal fixation based on the orthopaedic surgery robot positioning system. Orthopaedic Surgery. 11 (3), 335-340 (2019).
