Teleoperated robotic system-assisted percutane transiliac-transsacrale schroeffixatie is een haalbare techniek. Schroefkanalen kunnen met hoge nauwkeurigheid worden geïmplementeerd dankzij de uitstekende bewegingsvrijheid en stabiliteit van de robotarmen.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Een teleoperated robotic system-assisted percutane transiliac-transsacrale schroeffixatietechniek
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Transiliac-transsacrale schroeffixatie is een uitdaging in de klinische praktijk omdat de schroeven door zes lagen corticale bot moeten breken. Transiliac-transsacrale schroeven zorgen voor een langere hefboomarm om de loodrechte verticale schuifkrachten te weerstaan. Het schroefkanaal is echter zo lang dat een kleine discrepantie kan leiden tot iatrogene neurovasculaire verwondingen. De ontwikkeling van medische robots heeft de precisie van chirurgie verbeterd. Het huidige protocol beschrijft hoe een nieuw teleoperationeel robotsysteem kan worden gebruikt om transiliac-transacrale schroeffixatie uit te voeren. De robot werd op afstand bediend om het instappunt te positioneren en de oriëntatie van de sleeve aan te passen. De schroefposities werden geëvalueerd met behulp van postoperatieve computertomografie (CT). Alle schroeven werden veilig geïmplanteerd, zoals bevestigd met behulp van intraoperatieve fluoroscopie. Postoperatieve CT bevestigde dat alle schroeven in het annulaire bot zaten. Dit systeem combineert het initiatief van de arts met de stabiliteit van de robot. De afstandsbediening van deze procedure is mogelijk. Robot-geassisteerde chirurgie heeft een hogere positieretentiecapaciteit in vergelijking met conventionele methoden. In tegenstelling tot actieve robotsystemen hebben chirurgen volledige controle over de operatie. Het robotsysteem is volledig compatibel met besturingssystemen en vereist geen extra apparatuur.
Inleiding
De eerste robottoepassing die werd gebruikt in orthopedische chirurgie was het ROBODOC-systeem dat in 1992 werd gebruikt1. Sindsdien hebben robotondersteunde chirurgische systemen zich snel ontwikkeld. Robot-geassisteerde chirurgie verbetert de artroplastiek door het vermogen van de chirurg te verbeteren om de uitlijning van de ledemaat en de fysiologische kinematica van het gewricht te herstellen2. Bij spinale chirurgie is de plaatsing van pedikelschroeven met behulp van een robot veilig en nauwkeurig; het vermindert ook de stralingsblootstelling van de chirurg3. Studies over robot-geassisteerde chirurgie zijn echter beperkt vanwege de heterogeniteit van traumatische orthopedische ziekten. Het bestaande onderzoek naar robotchirurgie voor orthopedisch trauma richt zich voornamelijk op robotondersteunde sacro-iliacale gewrichtsschroeven en schaamschroeffixatie van bekkenringfracturen4, cannulated schroeffixatie van de femurhals5, ingangspunt en distale vergrendelingsbouten in intramedullaire nagels 6,7, percutane fractuurreductie 8,9 en de behandeling van ernstig gewonde patiënten in het militaire veld10.
De percutane schroeftechniek kan worden uitgevoerd met behulp van 2D- en 3D-navigatieondersteuning. De sacro-iliacale, voorste kolom, achterste kolom, supraacetabulaire en magische schroeven zijn de meest voorkomende percutane technieken voor bekken- en acetabulaire facturen11. De percutane transiliacale-transsacrale schroeftechniek blijft een uitdaging voor chirurgen. Een goed begrip van de bekkenanatomie en röntgenfluoroscopie, nauwkeurige positionering en langdurige handstabiliteit zijn vereist voor deze procedure. Het teleoperatieve robotsysteem kan goed aan deze eisen voldoen. Deze studie maakt gebruik van een teleoperationeel robotsysteem om percutane transiliac-transsacrale schroeffixatie voor bekkenringfracturen te voltooien. De details en workflow van dit protocol worden hieronder weergegeven.
Robotisch systeem
Het Master-Slave Orthopaedic Positioning and Guidance System (MSOPGS) bestaat voornamelijk uit drie delen: de chirurgische Robot (Slave Manipulator) met zeven vrijheidsgraden (DOF), de Master Manipulator met force feedback en de console. Het systeem heeft vier bedrijfsmodi: handmatige tractie, master-slave-bediening, remote center of motion (ROM) en noodgeval. Figuur 1 toont de MSOPPGS; de belangrijkste componenten worden hieronder kort beschreven.
De chirurgische robot (zie Materiaaltabel) is een zeven DOF manipulator die vooraf gecertificeerd is voor integratie in medische producten12. De robot heeft force-feedback sensoren die veranderingen in kracht kunnen detecteren. De robotarm kan handmatig of op afstand worden bediend. Een koppelsensor wordt aan de punt geïnstalleerd en toegewezen aan de "Master Manipulator", waardoor real-time force feedback mogelijk is. De maximale belasting van de robotarm is voldoende om de krachten van zacht weefsel te weerstaan en het fladderen van de chirurgische instrumenten te verminderen. De robot is gekoppeld aan een mobiel platform om een operationele werkplek te verwerven en stabiliteit te garanderen. De basis is verbonden met de "Master Manipulator" en het besturingssysteem en kan instructies van het besturingssysteem verwerken.
De "Master Manipulator" is ontworpen voor de gezondheidszorg om de robot nauwkeurig te besturen. Dit apparaat biedt zeven actieve DOF, waaronder zeer nauwkeurige force-feedback grijpmogelijkheden. De eindeffector dekt het natuurlijke bewegingsbereik van de menselijke hand. Een incrementele besturingsstrategie wordt gebruikt om intuïtieve besturing van de robotarm te bereiken.
Het besturingssysteem biedt vier methoden voor het besturen van de robotarm: handmatige tractie, master-slave-bedieningsmodus, remote center of motion (RCM) en noodgeval. Het operatiesysteem verbindt de chirurg en robot en zorgt voor veiligheidsalarmen. Met de handmatige tractiemodus kan de manipulator vrij binnen een specifiek werkbereik worden gesleept. De robot wordt automatisch vergrendeld nadat hij 5 s is gestopt. In de master-slave-modus kan de chirurg de "Master Manipulator" gebruiken om de beweging van de robotarm te regelen. De RCM-modus maakt het mogelijk om het chirurgische instrument rond het uiteinde van het instrument te draaien. De RCM-modus is het meest geschikt voor heroriëntatie op het axiale fluoroscopiebeeld van het kanaal, zoals het radiografische druppelteken van het supraacetabulaire kanaal en het ware sacrale beeld van de transiliacale-transsacrale osseeuze route. De manipulator kan worden gebruikt voor noodremmen op elke positie. Figuur 2 toont de workflow van het systeem.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
De toepassing van deze robottechniek werd goedgekeurd door de ethische commissie van het Tongji Hospital of Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, en voldoet aan de Helsinki-verklaring van 1975, zoals herzien in 2013.
1. Preoperatieve planning
- Bevestig de cadaverische bekkens in rugligging met behulp van een fluoroscopische plaatbasis (zie Materiaaltabel) door twee Schanz-pennen door het dijbeen te steken. Plaats in rugligging zowel de achterste superieure iliacale stekels tegelijkertijd op de plank als de lendenwervels parallel aan de vloer.
OPMERKING: De gedoneerde kadavers werden gebalsemd door de afdeling Anatomie en Onderzoek, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology. De bekkenmonsters werden verkregen door transsectie ter hoogte van de lumbale 5 wervels en onder de onderste trochanter van het dijbeen. De organen in de bekkenholte werden verwijderd. De spieren, gewrichtscapsules en ligamenteuze structuren werden intact gelaten. - Verkrijg beelden van de bekken van de bovenrand van de L5-wervels tot de distale femorale trochanter met behulp van een spiraal-CT (zie Materiaaltabel). Verwerk de computertomografie (CT) beelden van alle kadavers die het werkstation gebruiken en sla ze op in het DICOM-formaat.
OPMERKING: CT-parameters: 0,5 mm plakdikte, 63 mA stroom, 140 kV spanning. - Importeer de CT-scangegevens in de preoperatieve planningssoftware (zie Materiaaltabel) van dit systeem in het DICOM-formaat om axiale, coronale en sagittale beelden van het bekken te verkrijgen.
OPMERKING: De DICOM-bestanden bevatten de informatie van de CT-scan en het gereconstrueerde beeld kan worden verkregen door automatische import. - Maak een cilinder met behulp van de MedCAD-module van de software en definieer de grootte van de cilinder door de diameter en lengte in te voeren. Plaats het in het S1- of S2-wervellichaam en pas de oriëntatie van de cilindermiddenlijn aan op de axiale en coronale afbeeldingen. Controleer de relatie tussen de rand van de cilinder en het corticale bot in elke afbeelding.
OPMERKING: De cilinder die zich volledig in het cancelleuze bot bevindt (met uitzondering van contact met het corticale bot) wordt geacht een overeenkomstig schroefkanaal te hebben in S1 of S2. De lengte van de middelste lijn van de cilinder is de lengte van de schroef.
2. Chirurgische instelling
- Bevestig het bekken op de fluoroscopische operatietafel in rugligging (figuur 1).
- Plaats de robot (zie materiaaltabel) aan de ipsilaterale zijde op 45° ten opzichte van de operatietafel met de C-arm loodrecht op de operatietafel aan de contralaterale zijde. De monitor van de C-arm moet naar de operatiekamer gericht zijn om de chirurg in staat te stellen deze te observeren (figuur 1).
- Plaats het werkstation van de MSOPGS en Slave Manipulator buiten de operatiekamer. De chirurg moet in staat zijn om het chirurgische veld en de C-armmonitor te observeren tijdens teleoperaties met de Slave-Manipulator (figuur 1).
3. Chirurgische ingreep
OPMERKING: Nadat het systeem is gestart en geïnspecteerd, wordt de manipulator automatisch geïmplementeerd in de werkstatus.
- Bevestig de roosterpositiemaker met plakband aan de ipsilaterale zijde. Selecteer het doelgebied door een rasterpositiemarkering op de werkelijke laterale weergave van het heiligbeen. Zorg ervoor dat de handmatige tractiemodus op de console is geselecteerd en gestart. Sleep de robotarm naar het algemene gebied van het transiliacale-transsacrale schroefingangspunt S1 of S2 (figuur 3A, B).
OPMERKING: Het doelgebied wordt omsloten door de voorste rand van het heiligbeen, het sacrale zenuwkanaal en het wervelkanaal. - Visualiseer de ware laterale weergave van het heiligbeen, bedien de Master Manipulator en pas de punt van de distale huls aan om zich in het ingangsgebied van de geleidedraad in de Master-Slave-bedieningsmodus te bevinden (figuur 3C).
- Nadat u de RCM-modus hebt geselecteerd, gaat u verder met de C-armfluoroscopie voor de laterale sacrale weergave. Pas het midden van de geleidingshuls aan in concentrische cirkels om consistent te zijn met het schroefkanaal (figuur 3D).
- Vergrendel de robotarm en steek een geleidingsdraad (2,5 mm K-draad, zie Materiaaltabel) door het contralaterale darmbeen met behulp van een elektrische boormachine. Verwijder vervolgens de robot in de handmatige tractiemodus (figuur 3E).
OPMERKING: Tijdens deze stap mag geen fluoroscopie worden uitgevoerd. - Draai de C-arm naar de inlaat- en uitlaathoeken (verschillende bekken hebben verschillende hoeken) om te bepalen of de geleidedraad is doorgebroken of contact heeft gemaakt met de voorste en achterste sacrale cortex en het sacrale zenuwkanaal (figuur 3F, G).
- Plaats een schroef met halve schroefdraad van 7,3 mm (zie materiaaltabel) langs de geleidingsdraad naar de contralaterale iliacale cortex.
- Beoordeel de schroefpositie in het bekkeninlaat- en uitlaatzicht en het laterale zicht (figuur 4).
4. Beoordeling na de operatie
- Voer de stappen 1.2-1.3 uit.
OPMERKING: CT-parameters: 0,5 mm plakdikte, 63 mA-stroom en 140 kV-spanning. - Controleer de schroefpositie in elke axiale, coronale en sagittale afbeelding.
OPMERKING: De schroefposities werden beoordeeld met behulp van de methode van Gras. In het bijzonder zijn schroeven in het cancellous bot Grade I, schroeven in contact met het corticale bot zijn Grade II en schroeven die het corticale bot binnendringen zijn Grade III. Graad III vertegenwoordigt schroefmisplaatsing en duidt op een risico op vasculair en zenuwletsel13.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Een senior orthopedisch chirurg voltooide de operatie met behulp van de beschreven procedure. Alle schroeven (drie in S1 en twee in S2) werden vastgezet. De tijd die nodig was (van de eerste röntgenfluoroscopie tot het inbrengen van de schroef) voor het inbrengen van elk van de vijf schroeven was respectievelijk 32 min, 28 min, 26 min, 20 min en 23 min. De fluoroscopietijd voor elke schroef was ongeveer 5 minuten. Hoewel alle schroeven op de juiste plaats op de intraoperatieve fluoroscopische beelden zaten, hebben versch...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Ongeacht het type robot, de kerntoepassing van robots in de orthopedie biedt een geavanceerd hulpmiddel voor chirurgen om de nauwkeurigheid van operaties te verbeteren. De opkomst van chirurgische robots is echter geen vervanging voor artsen. Chirurgen die robotchirurgie uitvoeren, kunnen al dan niet in de operatiekamer zijn. Chirurgische robots omvatten over het algemeen een computerbesturingssysteem, een robotarm die verantwoordelijk is voor de operatie en een navigatiesysteem dat verantwoordelijk is voor tracking. Er ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs verklaren dat ze geen tegenstrijdige belangen hebben.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 160-slice CT | United Imaging Healthcare Surgical Technology Co. Ltd | uCT780 | Verkrijg de nauwkeurige afbeelding en DICOM-gegevens |
| Elektrische botboor | YUTONG Medical | Geen | Krachtsysteem |
| Fluoroscopische plaatbasis | Geen | Geen | Bevestig de kadaverbekken op de operatietafel |
| K-draad | Geen | 2,5 mm | Leidraad |
| Master-Slave Orthopedisch Positionerings- en Geleidingssysteem | United Imaging Healthcare Surgical Technology Co. Ltd | Geen | Een op afstand bestuurd robotsysteem dat schroeven plaatst voor orthopedische chirurgie |
| Mimics Innovation Suite | Materialise | Mimics Medical 21 | Preoperatieve planningssoftware |
| Mobiele C-arm | United Imaging Healthcare Surgical Technology Co. Ltd | uMC560i | Laag dosis CMOS mobiele C-arm |
| Operatietafel | KELING | DL·C-I | Fluoroscopische operatietafel |
| Schanz-pinnen | Tianjin ZhengTian Medical Instrument Co.,Ltd. | 5,0 mm | Bevestig de kadaverbekken |
| Half-draadschroef | Tianjin ZhengTian Medical Instrument Co.,Ltd. | 7,3 mm | Transiliac-Transsacrale Schroef |
| Zeven DOF-manipulator | KUKA, Duitsland | LBR Med 7 R800 | Apparaat voor het uitvoeren van chirurgische operaties |
Referenties
- Bargar, W. L., Bauer, A., Börner, M. Primary and revision total hip replacement using the Robodoc system. Clinical Orthopaedics and Related Research. (354), 82-91 (1998).
- Jacofsky, D. J., Allen, M. Robotics in arthroplasty: A comprehensive review. Journal of Arthroplasty. 31 (10), 2353-2363 (2016).
- Perfetti, D. C., Kisinde, S., Rogers-LaVanne, M. P., Satin, A. M., Lieberman, I. H. Robotic spine surgery: Past, present and future. Spine. 47 (13), 909-921 (2022).
- Long, T., et al. Comparative study of percutaneous sacroiliac screw with or without TiRobot assistance for treating pelvic posterior ring fractures. Orthopaedic Surgery. 11 (3), 386-396 (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).
- Lei, H., Sheng, L., Manyi, W., Junqiang, W., Wenyong, L. A biplanar robot navigation system for the distal locking of intramedullary nails. International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. 6 (1), 61-65 (2010).
- Oszwald, M., et al. Robotized access to the medullary cavity for intramedullary nailing of the femur. Technology and Health Care. 18 (3), 173-180 (2010).
- Hung, S. S., Lee, M. Y. Functional assessment of a surgical robot for reduction of lower limb fractures. International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. 6 (4), 413-421 (2010).
- Dagnino, G., et al. Image-guided surgical robotic system for percutaneous reduction of joint fractures. Annual Review of Biomedical Engineering. 45 (11), 2648-2662 (2017).
- Garcia, P., et al. Trauma Pod: A semi-automated telerobotic surgical system. International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. 5 (2), 136-146 (2009).
- Gaensslen, A., Müller, M., Nerlich, M. Acetabular Fractures: Diagnosis, Indications, Treatment Strategies. , Thieme. Stuttgart, Germany. (2017).
- LBR, LBR Med: A collaborative robot for medical applications. KUKA. , Available from: https://www.kuka.com/en-cn/industries/health-care/kuka-medical-robotics/lbr-med (2023).
- Gras, F., et al. 2D-fluoroscopic navigated percutaneous screw fixation of pelvic ring injuries--A case series. BMC Musculoskeletal Disorders. 11, 153(2010).
- Innocenti, B., Bori, E. Robotics in orthopaedic surgery: Why, what and how. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery. 141 (12), 2035-2042 (2021).
- Chen, A. F., Kazarian, G. S., Jessop, G. W., Makhdom, A. Robotic technology in orthopaedic surgery. Journal of Bone and Joint Surgery. 100 (22), 1984-1992 (2018).
- D'Souza, M., et al. Robotic-assisted spine surgery: History, efficacy, cost, and future trends. Robotic surgery. 6, 9-23 (2019).
- Dagnino, G., et al. Navigation system for robot-assisted intra-articular lower-limb fracture surgery. International Journal for Computer Assisted Radiology and Surgery. 11 (10), 1831-1843 (2016).
- Füchtmeier, B., et al. Reduction of femoral shaft fractures in vitro by a new developed reduction robot system 'RepoRobo. Injury. 35, 113-119 (2004).
- Schuijt, H. J., Hundersmarck, D., Smeeing, D. P. J., vander Velde, D., Weaver, M. J. Robot-assisted fracture fixation in orthopaedic trauma surgery: A systematic review. OTA International. 4 (4), 153(2021).
- Wang, J. Q., et al. Percutaneous sacroiliac screw placement: A prospective randomized comparison of robot-assisted navigation procedures with a conventional technique. Chinese Medical Journal. 130 (21), 2527-2534 (2017).
- Zhu, Z. D., et al. TiRobot-assisted percutaneous cannulated screw fixation in the treatment of femoral neck fractures: A minimum 2-year follow-up of 50 patients. Orthopaedic Surgery. 13 (1), 244-252 (2021).
- Gardner, M. J., Routt, M. L. Transiliac-transsacral screws for posterior pelvic stabilization. Journal of Orthopaedic Trauma. 25 (6), 378-384 (2011).
- Verhey, J. T., Haglin, J. M., Verhey, E. M., Hartigan, D. E. Virtual, augmented, and mixed reality applications in orthopedic surgery. International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. 16 (2), 2067(2020).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
