Zdalnie sterowane, wspomagane przez system robota, przezskórne przezbiodrowo-krzyżowe mocowanie śrubowe jest wykonalną techniką. Kanały śrubowe mogą być realizowane z dużą dokładnością dzięki doskonałej swobodzie ruchów i stabilności ramion robota.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Zdalnie sterowana, wspomagana przez system robotyczny, przezskórna technika przezbiodrowo-krzyżowego mocowania śrubowego
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Mocowanie śrubą przezbiodrowo-krzyżową jest wyzwaniem w praktyce klinicznej, ponieważ muszą przebić się przez sześć warstw kości korowej. transiliczno-krzyżowe zapewniają dłuższe ramię dźwigni, aby wytrzymać prostopadłe pionowe siły ścinające. Jednak kanał śrubowy jest tak długi, że niewielka rozbieżność może prowadzić do jatrogennych uszkodzeń nerwowo-naczyniowych. Rozwój robotów medycznych poprawił precyzję operacji. Niniejszy protokół opisuje, w jaki sposób można wykorzystać nowy zdalnie sterowany system robotyczny do wykonywania przezbiodrowego i transakralnego mocowania śrubowego. Robot był obsługiwany zdalnie w celu ustawienia punktu wejścia i dostosowania orientacji tulei. Pozycje oceniano za pomocą pooperacyjnej tomografii komputerowej (CT). Wszystkie zostały bezpiecznie wszczepione, co zostało potwierdzone za pomocą śródoperacyjnej fluoroskopii. Pooperacyjna tomografia komputerowa potwierdziła, że wszystkie znajdowały się w kości gąbczastej. System ten łączy inicjatywę lekarza ze stabilnością robota. Możliwe jest zdalne sterowanie tą procedurą. Chirurgia wspomagana przez robota ma większą zdolność utrzymywania pozycji w porównaniu z konwencjonalnymi metodami. W przeciwieństwie do aktywnych systemów robotycznych, chirurdzy mają pełną kontrolę nad operacją. System robota jest w pełni kompatybilny z systemami na salach operacyjnych i nie wymaga dodatkowego wyposażenia.
Wprowadzenie
Pierwszą aplikacją robotyczną wykorzystywaną w chirurgii ortopedycznej był system ROBODOC stosowany w 1992 roku1. Od tego czasu systemy chirurgiczne wspomagane przez roboty szybko się rozwinęły. Chirurgia wspomagana przez robota usprawnia endoprotezoplastykę, zwiększając zdolność chirurga do przywrócenia ustawienia kończyny i kinematyki fizjologicznej stawu2. W chirurgii kręgosłupa umieszczanie pedikularnych za pomocą robota jest bezpieczne i dokładne; Zmniejsza również narażenie chirurga na promieniowanie3. Jednak badania nad chirurgią wspomaganą robotem były ograniczone ze względu na niejednorodność urazowych chorób ortopedycznych. Dotychczasowe badania nad chirurgią robotyczną w leczeniu urazów ortopedycznych koncentrują się głównie na stawu krzyżowo-biodrowego wspomaganych robotem oraz mocowaniu łonowymi złamań pierścienia miednicy4, kaniulowane mocowanie śrubowe szyjki kości udowej5, punkt wejścia i dystalne blokujące w gwoździach śródszpikowych6,7, przezskórna redukcja złamań8,9oraz leczenie krytycznie rannych pacjentów w wojsku10.
Technika przezskórnego wkręcania może być wykonywana za pomocą nawigacji 2D i 3D. krzyżowo-biodrowe, przedni, tylne, nadpanewkowe i magiczne są najczęstszymi technikami przezskórnymi dla tkanek miednicy i panewki11. Przezskórna technika przezbiodrowo-krzyżowych pozostaje wyzwaniem dla chirurgów. Do tej procedury wymagane jest zrozumienie anatomii miednicy i fluoroskopii rentgenowskiej, dokładne pozycjonowanie i długotrwała stabilność ręki. Zrobotyzowany system sterowany zdalnie może dobrze spełnić te wymagania. W badaniu tym wykorzystano zdalnie sterowany system robotyczny do wykonania przezskórnego przezbiodrowo-krzyżowego zespolenia śrubowego w przypadku złamań pierścienia miednicy. Szczegóły i przebieg pracy tego protokołu przedstawiono poniżej.
System robotyczny
Ortopedyczny system pozycjonowania i prowadzenia Master-Slave (MSOPGS) składa się głównie z trzech części: robota chirurgicznego (manipulatora podrzędnego) z siedmioma stopniami swobody (DOF), głównego manipulatora ze sprzężeniem zwrotnym siły oraz konsoli. System posiada cztery tryby pracy: trakcja ręczna, praca master-slave, zdalne centrum ruchu (ROM) i awaryjne. Rysunek 1 przedstawia MSOPPGS; Jego główne elementy zostały pokrótce opisane poniżej.
Robot chirurgiczny (patrz Tabela materiałów) to manipulator z siedmioma stopniami swobody, który jest wstępnie certyfikowany do integracji z produktami medycznymi12. Robot posiada czujniki siłowego sprzężenia zwrotnego, które mogą wykrywać zmiany siły. Ramię robota może być obsługiwane ręcznie lub zdalnie. Czujnik momentu obrotowego jest zainstalowany na końcówce i zmapowany do "głównego manipulatora", umożliwiając sprzężenie zwrotne siły w czasie rzeczywistym. Maksymalne obciążenie ramienia robota jest wystarczające, aby oprzeć się siłom tkanek miękkich i zmniejszyć trzepotanie narzędzi chirurgicznych. Robot jest przymocowany do mobilnej platformy, aby uzyskać działające miejsce pracy i zapewnić stabilność. Baza jest podłączona do "Master Manipulatora" i systemu operacyjnego i może przetwarzać instrukcje z systemu operacyjnego.
"Główny Manipulator" jest przeznaczony dla branży medycznej do precyzyjnego sterowania robotem. To urządzenie oferuje siedem aktywnych stopni swobody, w tym bardzo precyzyjne możliwości chwytania z siłowym sprzężeniem zwrotnym. Jego efektor końcowy obejmuje naturalny zakres ruchu ludzkiej ręki. Strategia sterowania przyrostowego służy do uzyskania intuicyjnego sterowania ramieniem robota.
System operacyjny oferuje cztery metody sterowania ramieniem robota: trakcję ręczną, tryb pracy master-slave, zdalne centrum ruchu (RCM) i awaryjne. System operacyjny łączy chirurga i robota i zapewnia alarmy bezpieczeństwa. Ręczny tryb trakcji pozwala na swobodne przeciąganie manipulatora w określonym zakresie roboczym. Robot jest automatycznie blokowany po zatrzymaniu na 5 sekund. W trybie master-slave chirurg może używać "Master Manipulatora" do kontrolowania ruchu ramienia robota. Tryb RCM umożliwia obracanie się narzędzia chirurgicznego wokół końca instrumentu. Tryb RCM najlepiej nadaje się do reorientacji w osiowym widoku fluoroskopii kanału, takim jak radiograficzny znak łzy kanału nadpanewkowego i prawdziwy widok krzyżowy szlaku kostnego przezbiodrowo-krzyżowego. Manipulator może być używany do hamowania awaryjnego w dowolnej pozycji. Rysunek 2 pokazuje przebieg pracy systemu.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
Zastosowanie tej techniki robotycznej zostało zatwierdzone przez komisję etyki Szpitala Tongji w Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology i jest zgodne z Deklaracją Helsińską z 1975 roku, poprawioną w 2013 roku.
1. Planowanie przedoperacyjne
- Unieruchomić miednice zwłok w pozycji leżącej na plecach za pomocą podstawy płytki fluoroskopowej (patrz Tabela materiałów), wprowadzając dwie szpilki Schanza przez kość udową. W pozycji leżącej na plecach ułóż jednocześnie na desce oba tylne górne kolce biodrowe, a kręgi lędźwiowe równolegle do podłogi.
UWAGA: Podarowane zwłoki zostały zabalsamowane przez Wydział Anatomii i Badań Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology. Próbki miednicy uzyskano przez przecięcie na poziomie 5 kręgów lędźwiowych i poniżej krętarza mniejszego kości udowej. Usunięto narządy w jamie miednicy. Mięśnie, torebki stawowe i struktury więzadłowe pozostały nienaruszone. - Uzyskaj obrazy miednic od górnej krawędzi kręgów L5 do dystalnego krętarza udowego za pomocą spiralnej tomografii komputerowej (patrz tabela materiałów). Przetwarzaj obrazy tomografii komputerowej (CT) wszystkich zwłok za pomocą stacji roboczej i przechowuj je w formacie DICOM.
UWAGA: Parametry CT: grubość warstwy 0,5 mm, prąd 63 mA, napięcie 140 kV. - Zaimportuj dane tomografii komputerowej do oprogramowania do planowania przedoperacyjnego (patrz tabela materiałów) tego systemu w formacie DICOM, aby uzyskać obrazy osiowe, czołowe i strzałkowe miednicy.
UWAGA: Pliki DICOM zawierają informacje z tomografii komputerowej, a zrekonstruowany obraz można uzyskać poprzez automatyczny import. - Utwórz cylinder za pomocą modułu MedCAD oprogramowania i zdefiniuj rozmiar cylindra, wpisując średnicę i długość. Umieść go w trzonie kręgu S1 lub S2 i dostosuj orientację linii środkowej cylindra na obrazach osiowych i koronalnych. Sprawdź relację między krawędzią cylindra a kością korową na każdym obrazie.
UWAGA: Uważa się, że cylinder znajdujący się całkowicie w kości gąbczastej (z wyłączeniem kontaktu z kością korową) ma odpowiadający mu kanał śrubowy w S1 lub S2. Długość środkowej linii cylindra to długość.
2. Ustawienie chirurgiczne
- Zamocuj miednicę na fluoroskopowym stole operacyjnym w pozycji leżącej na plecach (Rysunek 1).
- Umieść robota (patrz Tabela materiałów) po stronie ipsilateralnej pod kątem 45° do stołu operacyjnego z ramieniem C prostopadłym do stołu operacyjnego po stronie przeciwnej. Monitor ramienia C powinien być skierowany w stronę sali operacyjnej, aby chirurg mógł go obserwować (Rysunek 1).
- Umieść stację roboczą MSOPGS i manipulatora podrzędnego na zewnątrz sali operacyjnej. Chirurg powinien być w stanie obserwować pole operacyjne i monitor ramienia C podczas teleoperacji z użyciem manipulatora niewolniczego (Rysunek 1).
3. Zabieg chirurgiczny
UWAGA: Po uruchomieniu i sprawdzeniu systemu, manipulator jest automatycznie uruchamiany w stanie roboczym.
- Zamocuj urządzenie do ustawiania pozycji siatki za pomocą taśmy samoprzylepnej po stronie ipsilateralnej. Wybierz obszar docelowy za pomocą znacznika pozycji siatki w prawdziwym widoku bocznym kości krzyżowej. Upewnij się, że tryb ręcznego sterowania na konsoli jest wybrany i uruchomiony. Przeciągnij ramię robota do ogólnego obszaru punktu wejścia transiliacyjno-krzyżowej S1 lub S2 (Rysunek 3A, B).
UWAGA: Obszar docelowy jest otoczony przednią granicą kości krzyżowej, kanałem nerwu krzyżowego i kanałem kręgowym. - Zwizualizuj prawdziwy widok boczny kości krzyżowej, uruchom główny manipulator i wyreguluj końcówkę dystalnej tulei tak, aby znajdowała się w obszarze wprowadzania przewodu prowadzącego w trybie pracy Master-Slave (Rysunek 3C).
- Po wybraniu trybu RCM kontynuuj fluoroskopię ramienia C dla bocznego widoku krzyżowego. Dostosuj środek tulei prowadnicy w koncentryczne okręgi, aby był spójny z kanałem (Rysunek 3D).
- Zablokuj ramię robota i włóż prowadnicę (drut K 2.5 mm, patrz Tabela materiałów) przez przeciwległą kość biodrową za pomocą wiertarki elektrycznej. Następnie usuń robota w trybie trakcji ręcznej (Rysunek 3E).
UWAGA: Na tym etapie nie należy wykonywać fluoroskopii. - Obróć ramię C do kąta wlotu i wylotu (różne miednice mają różne kąty), aby określić, czy prowadnik przebił się lub zetknął się z przednią i tylną korą krzyżową oraz kanałem nerwu krzyżowego (Rysunek 3F, G).
- Włóż z półgwintem 7.3 mm (patrz Tabela materiałów) wzdłuż prowadnika do przeciwległej kory biodrowej.
- Oceń położenie w widoku wlotu i wylotu miednicy oraz w widoku bocznym (Rysunek 4).
4. Ocena pooperacyjna
- Wykonaj kroki 1.2-1.3.
UWAGA: Parametry przekładnika prądowego: grubość warstwy 0,5 mm, prąd 63 mA i napięcie 140 kV. - Sprawdź położenie na każdym zdjęciu osiowym, czołowym i strzałkowym.
UWAGA: Pozycje zostały ocenione metodą Grasa. W szczególności w kości gąbczastej są stopnia I, stykające się z kością korową są stopnia II, a, które penetrują kość korową, są stopnia III. Stopień III oznacza niewłaściwe przemieszczenie i wskazuje na ryzyko uszkodzenia naczyń krwionośnych i nerwów13.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Doświadczony chirurg ortopeda przeprowadził operację zgodnie z opisaną procedurą. Wszystkie śruby (trzy w S1 i dwie w S2) zostały stabilnie osadzone. Czas potrzebny (od pierwszej fluoroskopii rentgenowskiej do wprowadzenia śruby) na wszycie każdej z pięciu śrub wynosił odpowiednio 32 min, 28 min, 26 min, 20 min i 23 min. Czas fluoroskopii dla każdej śruby wynosił około 5 min. Chociaż na intraoperacyjnych obrazach fluoroskopowych wszystkie śruby znajdowały się w prawidłowym miejscu, w wielu artykułach podkreślono konieczn...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Niezależnie od typu robota, podstawowe zastosowanie robotów w ortopedii zapewnia chirurgom zaawansowane narzędzie do poprawy dokładności operacji. Jednak pojawienie się robotów chirurgicznych nie zastąpi lekarzy. Chirurdzy wykonujący operacje robotyczne mogą, ale nie muszą, znajdować się na sali operacyjnej. Roboty chirurgiczne zazwyczaj zawierają komputerowy system sterowania, ramię robota odpowiedzialne za operację oraz system nawigacji odpowiedzialny za śledzenie. Istnieją trzy kategorie systemów robotycznych w zależn...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy oświadczają, że nie mają sprzecznych interesów.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 160-warstwowy CT | United Imaging Healthcare Surgical Technology Co., Ltd | uCT780 | Uzyskaj obraz precyzyjny i dane DICOM |
| Elektryczna wiertarka do kości | YUTONG Medyczna | Brak System | zasilania |
| Podstawa płytki fluoroskopowej | Brak | Brak | Przymocuj miednice zwłok do stołu operacyjnego |
| K-wire | Brak | Prowadnica | |
| 2,5 mmOrtopedyczny system pozycjonowania i naprowadzania Master-Slave | United Imaging Healthcare Surgical Technology Co. Ltd | Brak | Zdalnie sterowany system robotyczny, który pozycjonuje do chirurgii ortopedycznej |
| Naśladuje pakiet | Materialise | Mimics Medical 21 | Oprogramowanie do planowania przedoperacyjnego |
| Mobilne ramię C | United Imaging Healthcare Surgical Technology Co., Ltd | uMC560i | Niskodawkowy CMOS Mobilny stół operacyjny z ramieniem C |
| KELING | DL· C-I | Fluoroskopowy stół chirurgiczny | |
| Szpilki Schanz | Tianjin ZhengTian Medical Instrument Co., Ltd. | 5,0 mm | Zamocuj miednice zwłok |
| Śruba z gwintem półgwintowanym | Tianjin ZhengTian Medical Instrument Co., Ltd. | Śruba transbiodrowo-krzyżowa | 7,3 mm |
| Manipulator Seven DOF | KUKA, Niemcy | lbr med 7 R800 | Urządzenie do wykonywania operacji chirurgicznych |
Bibliografia
- 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).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
