Ortopædisk robotassisteret lårbenshalssystem til behandling af lårbenshalsbrud

Summary

Denne artikel introducerer en metode til robotassisteret ortopædkirurgi til skrueplacering under behandling af lårbenshalsbrud ved hjælp af lårbenshalssystemet, hvilket giver mulighed for mere præcis skrueplacering, forbedret kirurgisk effektivitet og færre komplikationer.

Abstract

Kanyleret skruefiksering er den vigtigste terapi for lårbenshalsfrakturer, især hos unge patienter. Den traditionelle kirurgiske procedure bruger C-arm fluoroskopi til at placere skruen frihånd og kræver flere styretrådjusteringer, hvilket øger driftstiden og strålingseksponeringen. Gentagen boring kan også forårsage skade på blodforsyningen og knoglekvaliteten i lårbenshalsen, hvilket kan efterfølges af komplikationer såsom skrueløsning, nonunion og lårbenshovednekrose. For at gøre fiksering mere præcis og reducere forekomsten af komplikationer anvendte vores team robotassisteret ortopædkirurgi til skrueplacering ved hjælp af lårbenshalssystemet for at ændre den traditionelle procedure. Denne protokol introducerer, hvordan man importerer en patients røntgeninformation til systemet, hvordan man udfører skruebaneplanlægning i software, og hvordan robotarmen hjælper med skrueplacering. Ved hjælp af denne metode kan kirurgerne placere skruen med succes første gang, forbedre procedurens nøjagtighed og undgå strålingseksponering. Hele protokollen inkluderer diagnosen lårbenshalsfraktur; indsamling af intraoperative røntgenbilleder; skrue sti planlægning i softwaren; præcis placering af skruen ved hjælp af robotarmen af kirurgen; og verifikation af implantatets placering.

Introduction

Lårbenshalsbrud er et af de mest almindelige brud i klinikken og tegner sig for ca. 3,6% af menneskelige brud og 54,0% af hoftebrud¹. For unge patienter med lårbenshalsfrakturer udføres kirurgisk behandling for at reducere risikoen for nonunion og lårbensnekrose (FHN) ved anatomisk reduktion og stiv intern fiksering og for at genoprette deres funktion til det præoperative niveau så meget som muligt². Den mest almindeligt anvendte kirurgiske behandling er fiksering med tre kanylerede kompressionsskruer (CCS). Med stigningen i patientkrav, især hos unge patienter, anvendes lårbenshalssystemet (FNS) gradvist, hvilket kombinerer fordelene ved vinkelstabilitet, minimal invasivitet og bedre biomekanisk stabilitet end CCS til ustabile lårbenshalsfrakturer³.

Traditionelt blev skruerne placeret i frihånd af kirurger under fluoroskopisk intraoperativ vejledning. Frihåndsmetoden har mange mangler, såsom manglende evne til at planlægge stien intraoperativt, vanskeligheder med at kontrollere styretrådens retning under boring, beskadigelse af knoglen og blodforsyningen på grund af gentagen boring og indtrængning af skruen gennem cortex på grund af forkert positionering. Disse faktorer kan direkte eller indirekte forårsage postoperative komplikationer, såsom brud nonunion, FHN og intern fikseringsfejl, som påvirker den funktionelle prognose⁴. Frihåndsmetoden har også været forbundet med øget strålingsskade hos patienter og kirurger fra hyppige fluoroskopi⁵. Derfor er bestemmelse af det optimale skrueindgangspunkt og præcis skrueplacering under præoperativ planlægning nøglen til operationens succes. I de senere år er robotassisteret minimalt invasiv intern fiksering blevet brugt med stigende hyppighed i ortopædkirurgi⁶, og det er bredt accepteret af ortopædkirurger på grund af dets høje præcision og dets evne til at reducere operationstiden og strålingsskaden. Vi anvendte det robotassisterede ortopædkirurgiske system til at hjælpe med FNS-fiksering til behandling af lårbenshalsfrakturer, hvilket resulterede i en mere nøjagtig og effektiv skrueplaceringsproces, en højere succesrate for skrueplaceringen og bedre funktionel genopretning.

Protocol

Denne undersøgelse blev godkendt af den etiske komité på Honghui Hospital Xi'an Jiaotong University. Der blev indhentet informeret samtykke fra patienterne.

1. Diagnose af lårbenshalsbrud ved røntgenfluoroskopi

1. Identificer patienter, der har en lårbenshalsbrud med ømhed eller percussed smerter omkring hofteleddet, forkortelse af underekstremiteten, begrænsning af hofteleddet osv.
2. Brug en antero-posterior (AP) visning og et lateralt billede af en røntgenfluoroskopi eller CT-scanning til at diagnosticere lårbenshalsbruddet.
3. Bestil FNS-behandling til patienter, der er under 60 år og diagnosticeret med lårbenshalsbrud. Brug disse yderligere kriterier for inklusion: brud med en klar historie med traumer; ingen historie eller tegn på metaboliske sygdomme eller patologiske frakturer; veludviklet hofteled, uden manifestationer af FHN og ingen deformitet; en diagnose af lårbenshalsbrud ved en røntgen- eller CT-scanning.

2. Frakturreduktion, røntgenundersøgelse og forberedelse af det robotassisterede ortopædkirurgiske system

1. Efter generel anæstesi udføres lukket reduktion af brud ved manuel trækkraft og justering.
   1. Gendan længden af det berørte lem ved langsgående trækkraft med kirurgen, der holder lemmen til trækkraft, og gendan justeringen af brudgabet gennem lemmernes rotation.
   2. Fastgør lemmen til trækkraftsengen (en slags betjeningsbord, der giver kontinuerlig trækkraft i lemmerne) til kontinuerlig trækkraft under operationen.
2. Undersøg kvaliteten af den lukkede reduktion ved røntgenfluoroskopi. Gendan halsakselvinklen og justeringen af cortex i AP og laterale visninger, og sørg for, at der ikke opstår vinkeldeformiteter.
3. Før operationen skal du forbinde komponenterne i det robotassisterede ortopædkirurgiske system - arbejdsstationen, det optiske sporingssystem og robotarmen - med C-arm røntgenmaskinen. Log ind i systemet, og registrer patientens journaler.

3. Desinfektion, billedindsamling og planlægning af kirurgisk sti

1. Efter rutinemæssig kirurgisk desinfektion skal du placere en Schanz-stift på den ipsilaterale iliac-vinge og fastgøre patientens sporstof på stiften.
2. Sæt sterile beskyttelsesærmer på robotarmen og C-armen. Saml positioneringslinealen (med de 10 identifikationspunkter på positioneringslinealen til robotpositioneringssystemet) med robotarmen.
3. Placer C-arm røntgenmaskinen centralt på lårbenshalsen, og sæt robotarmen med positioneringslinealen mellem C-armen og patienten. Sørg for, at der ikke er nogen hindring af det optiske sporingssystem, herunder patientsporeren og robotarmen.
4. Indsaml AP-visning (røntgenbilledforstærkeren er vinkelret på patientens plan) og lateral visning (røntgenbilledforstærkeren er vinkelret på lårbenshalskanalplanet) røntgenbilleder, der indeholder positioneringslinealens 10 identifikationspunkter.
5. Importer AP og laterale visningsbilleder til arbejdsstationen; Billederne skal tydeligt indeholde 10 identifikationspunkter og hele det proksimale lårben.
6. Udfør kirurgisk skruebaneplanlægning på arbejdsstationens software.
   1. Find skruekanalen i midten af lårbenshalsen med en halsakselvinkel på 130° og parallelt med lårbenshalsens lange akse på AP og sidevisninger.
   2. Find spidsen af skruen 5 mm under lårbenshovedets brusk.

4. FNS placering og verifikation

1. Sæt positioneringslinealen på ærmet på robotarmen. Kør robotarmen til indgangspunktets position i henhold til den planlagte sti. Lav et 3 cm snit på huden langs lårbenets lange akse med en kniv, stump adskille det subkutane væv og indsæt ærmet for at kontakte knoglebarken.
2. Bekræft muffens indgangspunkt og retning i overensstemmelse med den planlagte sti. Finjuster stien, hvis det er nødvendigt.
3. Bor styretråden ind i knoglen gennem bøsningen, indtil den er 5 mm fra den subchondrale knogle. Fjern robotarmen, og kontroller styretrådens position ved hjælp af røntgen.
4. Ream hullet langs styretråden ved hjælp af et hult bor, og indsæt bolten og pladen i lårbenshovedet. Placer antirotationsskruen og låseskruen.
5. Anvend dynamisk komprimering ved hjælp af komprimeringsdesignet af FNS. Fluoroskopien verificerer FNS-placeringen med bolten i midten af lårbenshalsen både på AP og laterale visninger og 5 mm fra den subchondrale knogle og med pladen, der passer til knoglen.
6. Foreslå assisteret passiv hoftefleksionsaktiviteter og aktiv træning af knæ- og ankelled efter operationen. Udfør opfølgninger efter 4 uger, 8 uger, 12 uger, 24 uger, 36 uger og 48 uger postoperativt, med den vægtbærende tid afhængig af opfølgningen.

Representative Results

Det robotassisterede ortopædkirurgiske system simulerer skruebanen virtuelt og hjælper med den præcise placering af skruen, hvilket betyder, at dette system har fordelene ved at være meget stabilt, have forbedret kirurgisk præcision og succesrate og have en lavere risiko for kirurgisk traume og strålingsskade. Endelig resulterer nøjagtigheden af skruefikseringen i en bedre klinisk prognose og en lavere forekomst af komplikationer.

Patienter diagnosticeret med en lårbenshalsfraktur blev opereret. Profylaktiske antiinfektions- og antikoagulationsbehandlinger blev anvendt efter operationen. Patienterne udførte assisteret passiv hoftefleksionsaktiviteter og instruerede styrketræning i underekstremiteterne. Inden for 2 uger efter operationen fik patienterne lov til at udføre aktiv bøjning af hofteleddet i sengen. Patienterne kunne udføre ikke-vægtbærende bevægelser ved hjælp af en stok efter 4 uger. Røntgenundersøgelse blev udført ved opfølgningerne hver 4. uge; Hvis brudlinjen var sløret, kunne patienterne udføre delvis vægtbærende træning. Patienterne kunne forsøge fuld vægtbærende gang, da røntgenbilleddannelsen viste, at bruddet var helet. Hoftefunktionen blev vurderet i henhold til Harris hoftescoresystem ved den endelige opfølgning (tabel 1).

Røntgenbillederne før operationen af lårbenshalsfrakturet er vist i figur 1 (figur 1A: AP-visning; Figur 1B: set fra siden). Figur 2 viser, at bruddet blev reduceret ved lukket reduktion (figur 2A,B) til en korrekt position (figur 2C,D). Det forberedte robotassisterede ortopædkirurgiske system er vist i figur 3. De indsamlede røntgenbilleder ved hjælp af patientsporstoffet (figur 4A) og positioneringslinealen (figur 4B) med positioneringslinealen mellem C-armen og patienten (figur 4C, D) demonstreres, såvel som fluoroskopibillederne, der indeholder positioneringslinealen (figur 4E, F). Kirurgisk stiplanlægning blev udført på softwaren, og skruekanalen blev virtuelt vist (figur 5). Robotarmen løb i den planlagte retning (figur 6A), robotarmen assisterede med placeringen af styretråden (figur 6B), og styretrådens position blev kontrolleret ved røntgen (figur 6C). Figur 7 viser FNS' struktur (figur 7A), oprivningsprocessen (figur 7B, C), placeringen af bolten og pladen, antirotationsskruen og låseskruen (figur 7D-F). Figur 8 viser røntgenbillederne af verifikationen (figur 8A: AP-visning, figur 8B: set fra siden) og det lille snit på huden (figur 8C).

Figur 1: Røntgenbilleder af patienten. Røntgenbillederne før operationen af patientens lårbenshalsbrud. (A) AP-visning; B) set fra siden. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 2: Manuel lukket reduktion af bruddet. Billederne viser (A,B) manuel reduktion af den berørte hofte og (C) AP-visningen og (D) sidebilledet af røntgenbillederne efter reduktion. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 3: Det robotassisterede ortopædkirurgiske system. Systemet består af arbejdsstationen (venstre), det optiske sporingssystem (midten) og robotarmen (højre). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 4: Billedsamling. (A) Patientens sporstof; B) linealen til positionering med robotarmen C,D) den relative position mellem det optiske sporingssystem (herunder patientsporstoffet og robotarmen), C-arm-røntgenmaskinen og positioneringslinealen (E) AP-visning og (F) røntgenbilleder fra siden med positioneringslinealen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 5: Planlægning af kirurgisk vej. Visning af den virtuelle skruekanal på softwaren. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 6: Robotassistance ved placering af styretråden. (A) Robotarmen med bøsningen bevæger sig i den planlagte retning. (B) Styretråden bores ind i knoglen gennem ærmet af kirurgen. C) Undersøgelse af styretrådens placering ved røntgen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 7: FNS-placering. (A) FNS består af bolt og plade (gul), låseskrue (grøn) og antirotationsskrue (blå). (B,C) Reaming langs styretråden. (D, E, F) Bolten og pladen indsættes i lårbenshovedet, og låseskruen og antirotationsskruen placeres. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 8: Røntgenverifikation. Figuren viser (A) AP-visningen og (B) røntgenbillederne af bruddet fra siden efter dynamisk kompression. (C) Sårets udseende. Klik her for at se en større version af denne figur.

Tabel 1: Oplysninger om patienten. Tabellen viser karakteristika, kirurgisk information og postoperativ opfølgning af alle patienterne. Frakturer klassificeres i henhold til Garden klassifikation⁷, og hoftefunktion vurderes ved hjælp af Harris scoringssystem⁸. Klik her for at downloade denne tabel.

Discussion

FNS er en metode til fastgørelse af lårbenshalsfrakturer, som har fordelene ved vinkelstabilitet af glidende hofteskruer og minimal invasivitet af placeringen af de flere kanylerede skruer. Denne metode er mindre tilbøjelig til skrueskæring og irritation af det omgivende bløde væv. I Tang et al.'s undersøgelse⁹, sammenlignet med CCS-gruppen, havde patienter i FNS-gruppen lavere satser for ingen eller mild lårbenshalskorthed, kortere helingstider og højere Harris-score. Biomekaniske undersøgelser har vist, at FNS har bedre biomekaniske egenskaber end CCS³. FNS ligner CCS intraoperativt, idet begge kræver nøjagtig skrueplacering gennem lårbenshalsen. I traditionel kirurgi placeres skruen frihånd af kirurger under fluoroskopi; Intraoperativt kan den perkutane manipulation, visuel afvigelse og frihånds ustabilitet føre til en fejl i den faktiske position fra den ideelle position. Gentagen radiologisk eksponering øger strålingsskaderne for både patienter og kirurger. Desuden er komplikationer hos yngre patienter, såsom nonunion, FHN og tidlig implantatsvigt, forbundet med fikseringsteknikker, og disse har en forekomst på op til 28%¹⁰. Nøjagtigheden af skruefiksering påvirker direkte styrken af skruefiksering og helingshastigheden af lårbenshalsfrakturer¹¹.

Med udviklingen af computernavigationssystemer og medicinsk billeddannelsespræsentationsteknologi har forskere opnået god klinisk prognose gennem computernavigationssystemer, især inden for robotassisteret ortopædkirurgisk systemfiksering for lårbenshalsfrakturer, hvilket er bedre end den traditionelle procedure med hensyn til at have bedre kirurgisk præcision og en højere succesrate samt reducere kirurgisk traume og strålingsskade^{12, 13}.

Det robotassisterede ortopædkirurgiske system har fordelen ved nøjagtig navigation og positionering. De kritiske trin i operationen er billedindsamling, kirurgisk stiplanlægning og indsættelse af guidetråd. Identifikationspunkterne og de intraoperative biplanære røntgenfluoroskopiske billeder digitaliseres for at danne en rumlig korrespondance, så kirurgen intuitivt kan planlægge skruens vej i softwaren. Derudover giver robotarmen præcis rumlig positionering til placeringen af skruen med nøjagtighed op til millimeterniveau. Zwingmannm et ^al.14,15 fandt, at fejlpositionen for den konventionelle metode var 2,6%, og revisionsraten var 2,7%, mens fejlpositionen for den navigationsassisterede teknik var 0,1% til 1,3%, og revisionsraten var 0,8% til ^1,3%. I mellemtiden er robotnavigationsimplantation meget stabil med en sikkerhedsgrænse i driften, hvilket i høj grad reducerer risikoen for vaskulære og nerveskader forårsaget af afvigelser i skrueplaceringen.

Vi brugte det robotassisterede ortopædkirurgiske system til at hjælpe FNS-placeringsprocessen, og skruen blev placeret nøjagtigt og stabilt på det tilsvarende anatomiske sted. Med hjælp fra robotten kunne de fastboende kirurger placere skruen hurtigere og mere præcist. Læringskurven kan forkortes ved hjælp af robotten, og enkeltpersoner kan blive dygtige i den robotassisterede teknik gennem flere operationer. Derudover kan forskellen i kirurgiske resultater på grund af forskelle i kirurgernes tekniske niveauer elimineres. Skruernes længde og diameter kan planlægges på forhånd for at undgå skade på leddet og blodkarrene forårsaget af skruerne, der trænger ind i lårbenshovedet. Dette reducerer forekomsten af postoperativ traumatisk arthritis og FHN.

I fremtiden vil vi bruge det robotassisterede ortopædkirurgiske system til at hjælpe med placeringen af interne fikseringsskruer i situationer som en høj Pauwels-kvalitet, posterior ringere minution og kombinerede deformiteter, hvilket gør det biologiske og biomekaniske miljø for brudheling mere udfordrende¹⁶. I disse situationer kræves præcis fiksering for at reducere forekomsten af postoperative komplikationer. Med anvendelsen af det robotassisterede ortopædkirurgiske system til intern fiksering af skruer til lårbensfrakturer dominerer kirurgen operationsplanlægningen, opnår den bedste kirurgiske vej og opnår den højeste nøjagtighed og effektivitet til implantatplacering. Denne metode er mere befordrende for brudheling, hvilket muliggør tidlig rehabilitering og en god prognose for at overvinde mindre kirurgiske skader.

Der er dog nogle begrænsninger for robotassisteret intern fikseringsplacering af lårbenshalsfrakturskruer. For det første skal kirurgen have erfaring med traditionelle kirurgiske teknikker (åben / lukket reduktion og intern fiksering), så uventede situationer kan løses uden robothjælp. For det andet kræver de grundlæggende principper for robotarbejde og korrekt gennemførelse af billedindsamling en træningsperiode. Kirurgerne skal arbejde sammen for at fuldføre de programmerede trin, og driftstiden kan reduceres ved at forbedre dygtigt samarbejde. For det tredje modtager muffen høj lateral belastning af blødt væv og kan føre til afvigelse i indgangspunktet¹³. Spændingen af blødt væv omkring ærmet kunne reduceres ved stump adskillelse før ærmeindsættelsen. Endelig afhænger nøjagtig skrueplacering af den rumlige placering af det kirurgiske sted, der matcher billedet; Forskellige faktorer kan føre til en ændring i den rumlige position eller den relative forskydning af patientens sporstof og det kirurgiske sted, der kaldes billeddrift¹⁷. Kirurgen skal være opmærksom på billeddrift under operationen og verificere den. Billederne skal indsamles igen, hvis det er nødvendigt.

Ortopædisk robotassisteret FNS til lårbenshalsfrakturer er en tidseffektiv og mindre invasiv procedure med en lav grad af postoperative komplikationer. Denne metode kan forbedre præcisionen af skrueplacering og reducere strålingsskader under operationen, samtidig med at læringsprocessen forkortes for unge kirurger.

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