Summary
远程手术机器人系统辅助经皮经髂-经骶螺钉固定是一种可行的技术。由于机械臂具有出色的移动自由度和稳定性，因此可以高精度地实现螺杆通道。
Abstract
经髂骨-骶部螺钉固定在临床实践中具有挑战性，因为螺钉需要突破六层皮质骨。经髂骨螺钉提供更长的杠杆臂，以承受垂直垂直剪切力。然而，螺杆通道太长，微小的差异会导致医源性神经血管损伤。医疗机器人的发展提高了手术的精度。本协议描述了如何使用新的远程操作机器人系统来执行经髂骨-经骶骨螺钉固定。机器人被远程操作以定位入口点并调整套筒的方向。使用术后计算机断层扫描（CT）评估螺钉位置。所有螺钉均已安全植入，如术中透视检查所证实的那样。术后CT证实所有螺钉都在松质骨中。该系统将医生的主动性与机器人的稳定性相结合。可以远程控制此过程。与传统方法相比，机器人辅助手术具有更高的位置保持能力。与主动机器人系统相比，外科医生可以完全控制手术。机器人系统与手术室系统完全兼容，不需要额外的设备。
Introduction
骨科手术中使用的第一个机器人应用是1992年采用的ROBODOC系统1。从那时起，机器人辅助手术系统迅速发展。机器人辅助手术通过增强外科医生恢复肢体对齐和关节生理运动学的能力来改善关节成形术2.在脊柱手术中，使用机器人放置椎弓根螺钉是安全准确的;它还减少了外科医生的辐射暴露3。然而，由于创伤性骨科疾病的异质性，对机器人辅助手术的研究受到限制。现有骨科创伤机器人手术研究主要集中在骨盆环骨折的机器人辅助骶髂关节螺钉和耻骨螺钉固定4，股骨颈空心螺钉固定5，髓内钉的入口点和远端锁定螺栓6，7，经皮骨折复位8，9，以及军事领域重伤患者的治疗10。
经皮螺钉技术可以使用 2D 和 3D 导航支持进行。骶髂螺钉、前柱、后柱螺钉、髋臼上螺钉和魔术螺钉是盆腔和髋臼护理最常见的经皮技术11.经皮经髂-经骶螺钉技术对外科医生来说仍然具有挑战性。该手术需要了解骨盆解剖结构和 X 射线透视、准确定位和长期手部稳定性。遥控机器人系统可以很好地满足这些要求。本研究利用远程操作机器人系统完成骨盆环骨折的经皮经髂骨-骶骨螺钉固定。该协议的详细信息和工作流程如下所示。
机器人系统
主从骨定位引导系统（MSOPGS）主要由三部分组成：具有七自由度（DOF）的手术机器人（从机械手），具有力反馈的主机械手和控制台。该系统有四种操作模式：手动牵引、主从操作、远程运动中心 （ROM） 和紧急。 图 1 显示了 MSOPPG;其主要组成部分简要说明如下。
手术机器人（见 材料表）是一个七自由度机械手，经过预先认证，可集成到医疗产品中12。机器人具有力反馈传感器，可以检测力的变化。机械臂可以手动或远程操作。扭矩传感器安装在尖端并映射到“主机械手”，从而实现实时力反馈。机械臂上的最大负载足以抵抗软组织力并减少手术器械的颤动。机器人连接到移动平台，以获得可操作的工作场所并确保稳定性。底座连接到“主机械手”和操作系统，可以处理来自操作系统的指令。
“主机械手”专为医疗保健行业设计，用于精确控制机器人。该器件提供七个有源自由度，包括高精度力反馈抓取功能。它的末端执行器涵盖了人手的自然运动范围。采用增量控制策略实现对机械臂的直观控制。
该操作系统提供四种控制机械臂的方法：手动牵引、主从操作模式、远程运动中心 （RCM） 和紧急情况。操作系统将外科医生和机器人连接起来，并提供安全警报。手动牵引模式允许机械手在特定的工作范围内自由拖动。机器人在停止5秒后自动锁定。在主从模式下，外科医生可以使用“主机械手”来控制机械臂的运动。RCM 模式允许手术器械围绕器械末端旋转。RCM 模式最适合在通道的轴向透视视图上重新定向，例如髋臼上通道的放射影像泪滴征和经髂-经骶骨通路的真实骶视图。机械手可用于任何位置的紧急制动。 图 2 显示了系统的工作流程。
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Protocol
该机器人技术的应用得到了华中科技大学同济医学院同济医院伦理委员会的批准，符合2013年修订的1975年《赫尔辛基宣言》。
1.术前计划
- 通过插入两个Schanz针，使用透视板底座（见 材料表）将尸体骨盆固定在仰卧位。在仰卧位，将两个髂后上棘同时放在平板上，腰椎平行于地板。
注：捐赠的尸体由华中科技大学同济医学院解剖学与研究系进行防腐处理。骨盆标本是在腰椎5椎水平和股骨小转子下方通过横断获得的。盆腔内的器官被切除。肌肉、关节囊和韧带结构保持完整。 - 使用螺旋CT获取从L5椎骨上边缘到股骨远端转子的骨盆图像（ 材料表）。使用工作站处理所有尸体的计算机断层扫描（CT）图像，并以DICOM格式存储它们。
注意：CT 参数：0.5 mm 切片厚度，63 mA 电流，140 kV 电压。 - 将CT扫描数据以DICOM格式导入该系统的术前计划软件（见 材料表），以获得骨盆的轴向，冠状和矢状面图像。
注意：DICOM文件包含来自CT扫描的信息，重建的图像可以通过自动导入获得。 - 使用软件的 MedCAD 模块创建一个圆柱体，并通过输入直径和长度来定义圆柱体的大小。将其放入S1或S2椎体中，并在轴向和冠状图像上调整圆柱中线的方向。检查每个图像中圆柱体边缘与皮质骨之间的关系。
注意：完全在松质骨内的圆柱体（不包括与皮质骨的接触）被认为在 S1 或 S2 中具有相应的螺钉通道。气缸中线的长度是螺钉的长度。
2. 手术环境
- 将骨盆固定在仰卧位的透视手术台上（图1）。
- 将机器人（见 材料表）放在同侧，与手术台成45°，C型臂垂直于对侧的手术台。C型臂的监视器应面向手术室，以使外科医生能够观察它（图1）。
- 将MSOPGS和从属机械手的工作站放在手术室外。外科医生应该能够在使用从属机械手进行远程操作时观察手术区域和 C 型臂监视器（图 1）。
3. 外科手术
注： 系统启动并检查后，机械手将自动部署到工作状态。
- 用胶带将网格定位器固定在同侧。通过骶骨真实侧视图上的网格位置标记选择目标区域。确保已选择并启动主机上的手动牵引模式。将机械臂拖动到 S1 或 S2 经髂-经骶螺钉入口点的一般区域（图 3A、B）。
注意：目标区域被骶骨前缘、骶神经管和椎管包围。 - 可视化骶骨的真实侧视图，操作主机械手，并在主从操作模式下将远端套筒的尖端调整为位于导丝入口区域（图 3C）。
- 选择 RCM 模式后，继续 C 臂透视以获得骶侧位图。将导丝套的中心调整为同心圆，以与螺钉通道一致（图3D）。
- 锁定机械臂，并使用电钻将导丝（2.5 mm K 线，见 材料表）插入对侧髂骨。然后，在手动牵引模式下卸下机器人（图 3E）。
注意：在此步骤中不应进行透视检查。 - 将C臂转向入口和出口角度（不同的骨盆具有不同的角度），以确定导丝是否突破或接触了前后骶皮层和骶神经管（图3F，G）。
- 沿导丝将 7.3 mm 半螺纹螺钉（见 材料表）插入对侧髂皮层。
- 评估骨盆入口和出口视图以及侧视图中的螺钉位置（图4）。
4. 术后评估
- 执行步骤 1.2-1.3。
注意：CT 参数：0.5 mm 切片厚度、63 mA 电流和 140 kV 电压。 - 检查每个轴向、冠状和矢状图像中的螺钉位置。
注意：螺钉位置是使用格拉斯的方法评估的。具体来说，松质骨中的螺钉为I级，与皮质骨接触的螺钉为II级，穿透皮质骨的螺钉为III级。III级表示螺钉错位，表明有血管和神经损伤的风险13.
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Representative Results
一位高级整形外科医生使用所述程序完成了手术。所有螺钉（S1 中的三个和 S2 中的两个）都已固定。插入五个螺钉中的每一个所花费的时间（从第一次X射线透视到插入螺钉）分别为32分钟，28分钟，26分钟，20分钟和23分钟。每个螺杆的荧光透视时间约为5分钟。尽管所有螺钉在术中透视图像上都位于正确的位置，但有几篇文章强调了术后CT扫描以评估螺钉放置的必要性。术后CT扫描中没有螺钉穿透皮质骨。所有螺钉都完全在松质骨中（图4）。
图1：手术环境设置。 机械臂以与手术台成一定角度放置在受影响的一侧，并由底座锁定。C型臂位于骨盆的健康一侧，图像显示器面向外科医生。用于远程操作的控制器位于手术室外。 请点击此处查看此图的大图。
图 2：MSOPGS 的临床工作流程。 选择手术程序后，应遵循机器人放置说明。粗略引导模式意味着外科医生使用手动牵引模式或主从模式将手术器械移动到感兴趣的位置。然后，在 RCM 模式或操纵杆操作模式下调整套筒的方向。换句话说，粗略模式用于选择入口点，精确模式用于调整导丝的方向。用于斜骶髂式螺钉的操纵杆操作模式在文中没有提及。 请点击此处查看此图的大图。
图3：外科手术。 （A）在手术前使用网格定位目标区域。（B）将机械臂拖入目标区域。（C）在主从操作模式下，机械臂的位置更精确，使导丝套筒位于所需的入口点。（D）围绕导丝套筒的远端进行运动，直到套筒呈同心圆。（E-G）钻入导丝后，在骨盆的入口和出口图像上确认导丝的理想位置。请点击此处查看此图的大图。
图 4：计算机断层扫描重建和 X 射线确认螺钉完全在松质骨内。 （A）中线部位的矢状面CT重建图像，提示螺钉位于S1。（B）螺钉未进入骶管在重新切片轴向CT重建图像上。（C）螺钉在重新切片的冠状CT重建图像上是安全的。（D）螺钉完全位于骶骨真正侧视图的骨内。（中、女）螺钉与入口和出口图像上的前骶骨和后骶皮层以及骶神经管保持安全距离。比例尺 （A-C）： 2 厘米。 请点击此处查看此图的大图。
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Discussion
无论机器人的类型如何，机器人在骨科中的核心应用都为外科医生提供了提高手术准确性的先进工具。然而，手术机器人的出现并不能替代医生。进行机器人手术的外科医生可能在手术室，也可能不在手术室。手术机器人一般包括计算机控制系统、负责手术的机械臂和负责跟踪的导航系统。根据机器人和外科医生的交互方式，机器人系统分为三类，包括半主动、被动和主动系统14。机器人辅助主要限于关节置换术和脊柱器械程序，以提高手术准确性2，15，16。机器人在创伤骨科中的使用相对较少。Trauma Pod10 挽救了战场上重伤患者的生命，机器人辅助骨折手术 （RAFS）17 和 RepoRobo18 可以帮助减少股骨骨折。天玑®天玑®天玑®天玑®天玑®机器人是一种半自动机器人系统，它采用智能算法，根据术前图像规划螺杆轨迹;它使用3D成像和光学跟踪来导航19，20。该系统只能执行术前计划和导航，不能执行其他手术任务。同样，天玑®天玑®鹃机器人系统在确定股骨颈骨折手术中的螺钉位置方面发挥着作用21。作为一种工具，MSOPGS与医生的技能和知识相结合，使手术更加准确和微创。
经髂骨-骶骨螺钉突破六层皮质骨22.螺杆通道很长，微小的差异会导致医源性神经血管损伤。与徒手技术相关的最重大挑战是调整出口和入口视图中的导丝方向。导丝在突破皮质或软骨下骨时会偏转。由于以下原因，机器人辅助手术比传统外科手术更精确。首先，外科医生手部运动的幅度不会一对一地转移到手术器械上。缩放效果降低了手术器械运动的幅度，以促进更精细的运动。其次，机器人可以保持其位置而没有任何偏差。然而，在手术器械移动过程中软组织是否受到创伤尚不清楚。需要反馈阈值以避免对软组织过度紧张。此外，外科医生可以避免在整个手术过程中辐射暴露的危险。
新技术总是与学习曲线相关联。在这项研究中，与固定前三个螺钉所花费的时间相比，最后两个螺钉的操作时间显着减少。远程操作逻辑将帮助外科医生在手术器械和主机械手之间建立大脑连接。医生应熟练地在透视下使用徒手技术放置骶髂螺钉。在我们的技术中，使用直观的控制策略来降低操作系统的难度。虽然主机械手和手术器械的末端不在同一工作空间，但手术器械的末端可以随着主机械手适当移动。RCM是最关键的一步，大大简化了导丝方向的调整。RCM 模式可确保入口点在旋转期间不会移位，前提是确定了入口点。外科医生操作主机械手，手术器械在锥形空间中移动，其中顶点是螺钉插入点。
由于大部分手术都使用骶侧图像，因此患者必须在整个手术过程中保持相同的位置。在尸体研究中，骨盆固定在手术台上。在实际手术环境中，可以使用安全带将患者的躯干固定在手术台上。然而，患者比尸体重，不容易移动。机器人和患者是系统中两个不相关的部分。随着项目的发展，机器人和患者将使用跟踪系统形成一个实时同步系统，这意味着机器人和患者的相对位置可以保持不变。
该机器人系统由于其低延迟和与当前手术系统的兼容性，有望成为未来远程医疗的重要组成部分。骨科创伤患者在损伤和手术之间有一个特定的时间窗口，特别是在骨盆和髋臼骨折的情况下。在这种情况下，确保循环稳定和预防其他全身性损伤至关重要。中心医院的医生可以使用远程医疗系统指导术前准备，并通过MSOPGS进行完整的远程手术。此外，该系统还结合了2D或3D导航，虚拟现实（VR），增强现实（AR）和混合现实（MR）技术。现实技术在骨科手术方面具有巨大的潜力。随时验证患者数据、推进手术计划并提高干预措施精度的能力提高了医疗保健质量和患者结果23.术前成像数据可以与进一步的视觉数据相结合，以空间上正确的方式呈现在患者表面。AR/MR中的多模态图像集成通过将图像重建与实际解剖结构叠加，为外科医生提供了术中透视，从而消除了重复使用辐射的必要性。
这项研究有一些局限性。所用骨盆的样本量很小。尽管我们试图完全模拟实际的手术情况，但尸体研究与实际手术环境之间存在显着差异。该系统需要针对临床应用进一步完善。
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Disclosures
提交人声明他们没有竞争利益。
Acknowledgments
没有。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 160-slice CT | United Imaging Healthcare Surgical Technology Co. Ltd | uCT780 | Acquire the prescise image and DICOM data |
| Electric bone drill | YUTONG Medical | None | Power system |
| Fluoroscopic plate base | None | None | Fix the cadaveric pelves to operating table |
| K-wire | None | 2.5mm | Guidewire |
| Master-Slave Orthopaedic Positioning and Guidance System | United Imaging Healthcare Surgical Technology Co. Ltd | None | A teleoperated robotic system that positions screws for orthopaedic surgery |
| Mimics Innovation Suite | Materialise | Mimics Medical 21 | Preoperative planning software |
| Mobile C-arm | United Imaging Healthcare Surgical Technology Co. Ltd | uMC560i | Low Dose CMOS Mobile C-arm |
| Operating table | KELING | DL·C-I | Fluoroscopic surgical table |
| Schanz pins | Tianjin ZhengTian Medical Instrument Co.,Ltd. | 5.0mm | Fix the cadaveric pelves |
| Semi-threaded screw | Tianjin ZhengTian Medical Instrument Co.,Ltd. | 7.3mm | Transiliac-Transsacral Screw |
| Seven DOF manipulator | KUKA, Germany | LBR Med 7 R800 | Device for performing surgical operations |
References
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