Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Телеуправляемая роботизированная система с помощью чрескожной трансилиакально-транссакральной фиксации винтов

3.5K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/64796

⸱

6 января 2023 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Orthopedics, Tongji Hospital of Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, 2Wuhan United Imaging Healthcare Surgical Technology Co. Ltd.

В этой статье

Краткое содержание

Телеуправляемая роботизированная система чрескожной транслиачно-транссакральной фиксации винтов является осуществимой техникой. Винтовые каналы могут быть реализованы с высокой точностью благодаря отличной свободе движения и стабильности роботизированных рук.

Аннотация

Транслиакально-транссакральная винтовая фиксация является сложной задачей в клинической практике, так как винты должны пробивать шесть слоев кортикальной кости. Трансилиакально-транссакральные винты обеспечивают более длинный рычаг рычага, чтобы выдерживать перпендикулярные вертикальные силы сдвига. Однако винтовой канал настолько длинный, что незначительное несоответствие может привести к ятрогенным нейрососудистым повреждениям. Разработка медицинских роботов повысила точность хирургии. Настоящий протокол описывает, как использовать новую телеуправляемую роботизированную систему для выполнения транслиакально-трансакральной винтовой фиксации. Робот управлялся дистанционно, чтобы позиционировать точку входа и регулировать ориентацию рукава. Положения винтов оценивали с помощью послеоперационной компьютерной томографии (КТ). Все винты были безопасно имплантированы, что было подтверждено с помощью интраоперационной рентгеноскопии. Послеоперационная КТ подтвердила, что все винты находились в канцелярной кости. Эта система сочетает в себе инициативу врача со стабильностью робота. Возможно дистанционное управление этой процедурой. Роботизированная хирургия имеет более высокую способность удерживать позицию по сравнению с обычными методами. В отличие от активных роботизированных систем, хирурги имеют полный контроль над операцией. Роботизированная система полностью совместима с системами операционной и не требует дополнительного оборудования.

Введение

Первым роботизированным приложением, используемым в ортопедической хирургии, была система ROBODOC, используемая в 1992году 1. С тех пор роботизированные хирургические системы быстро развивались. Роботизированная хирургия улучшает артропластику, повышая способность хирурга восстанавливать выравнивание конечности и физиологическую кинематику сустава2. В спинальной хирургии размещение винтов ножки с помощью робота безопасно и точно; это также уменьшает лучевую нагрузку хирурга3. Однако исследования по роботизированной хирургии были ограничены из-за неоднородности травматических ортопедических заболеваний. Существующие исследования в области роботизированной хирургии ортопедической травмы в основном сосредоточены на роботизированных винтах крестцово-подвздошного сустава и лобково-винтовой фиксации переломов тазового кольца4, канюляционной винтовой фиксации шейки бедра5, болтах точки входа и дистальной блокировке при интрамедуллярном гвозде 6,7, уменьшении чрескожных переломов 8,9 и лечении тяжелораненых пациентов в военной области10.

Чрескожная винтовая техника может быть выполнена с использованием 2D и 3D навигационной поддержки. Крестцово-подвздошный, передний столб, задний столб, надлетабулярный и магические винты являются наиболее распространенными чрескожными методами для тазовых и вертлужных вертлужных фактур11. Чрескожная транслиакально-транссакральная винтовая техника остается сложной для хирургов. Для этой процедуры требуется понимание анатомии таза и рентгеноскопии, точное позиционирование и долгосрочная стабильность руки. Телеуправляемая роботизированная система может хорошо соответствовать этим требованиям. В этом исследовании используется телеуправляемая роботизированная система для завершения чрескожной транслиакально-транссакральной фиксации винтов при переломах тазового кольца. Подробная информация и рабочий процесс этого протокола представлены ниже.

Роботизированная система
Ортопедическая система позиционирования и наведения Master-Slave (MSOPGS) в основном состоит из трех частей: хирургического робота (Slave Manipulator) с семью степенями свободы (DOF), Master Manipulator с силовой обратной связью и консоли. Система имеет четыре режима работы: ручная тяга, управление ведущий-ведомый, дистанционный центр движения (ПЗУ) и аварийный. На рисунке 1 показаны MSOPPGS; его основные компоненты кратко описаны ниже.

Хирургический робот (см. Таблицу материалов) представляет собой манипулятор из семи DOF, который предварительно сертифицирован для интеграции в медицинские изделия12. Робот имеет датчики обратной связи по силе, которые могут обнаруживать изменения в силе. Роботизированная рука может управляться вручную или удаленно. Датчик крутящего момента устанавливается на наконечнике и сопоставляется с «Мастер-манипулятором», обеспечивая обратную связь по силе в режиме реального времени. Максимальная нагрузка на роботизированную руку достаточна, чтобы противостоять силам мягких тканей и уменьшить трепетание хирургических инструментов. Робот прикреплен к мобильной платформе для приобретения рабочего места и обеспечения стабильности. База подключена к «Мастер-манипулятору» и оперативной системе и может обрабатывать инструкции от операционной системы.

«Мастер-манипулятор» предназначен для отраслей здравоохранения, чтобы точно управлять роботом. Это устройство предлагает семь активных DOF, включая высокоточные возможности захвата с обратной связью по силе. Его концевой эффектор охватывает естественный диапазон движения человеческой руки. Инкрементная стратегия управления используется для достижения интуитивно понятного управления роботизированной рукой.

Оперативная система предоставляет четыре метода управления роботизированной рукой: ручная тяга, режим работы ведущий-ведомый, дистанционный центр движения (RCM) и аварийный. Оперативная система связывает хирурга и робота и обеспечивает сигнализацию безопасности. Ручной режим тяги позволяет свободно перетаскивать манипулятор в пределах определенного рабочего диапазона. Робот автоматически блокируется после остановки на 5 с. В режиме «хозяин-ведомый» хирург может использовать «Мастер-манипулятор» для управления движением роботизированной руки. Режим RCM позволяет хирургическому инструменту поворачиваться вокруг конца инструмента. Режим RCM лучше всего подходит для переориентации на осевой рентгеноскопический вид канала, такой как рентгенографический каплевидный знак надтацетабулярного канала и истинный крестцовый вид транслиачно-транссакрального костного пути. Манипулятор можно использовать для экстренного торможения в любом положении. На рисунке 2 показан рабочий процесс системы.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Применение этой роботизированной техники было одобрено комитетом по этике больницы Тунцзи Медицинского колледжа Тунцзи, Университета науки и технологии Хуачжун, и она соответствует Хельсинкской декларации 1975 года, пересмотренной в 2013 году.

1. Предоперационное планирование

  1. Зафиксируйте трупные пельвы в положении лежа на спине с помощью флюороскопического основания пластины (см. Таблицу материалов), вставив два штифта Шанца через бедренную кость. В положении лежа на спине поместите оба задних верхних подвздошных шипа одновременно на доску и поясничные позвонки параллельно полу.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Пожертвованные трупы были забальзамированы Департаментом анатомии и исследований Медицинского колледжа Тунцзи, Университета науки и техники Хуачжун. Тазовые образцы были получены путем трансекции на уровне поясничных 5 позвонков и ниже меньшего трохантера бедренной кости. Органы в полости малого таза были удалены. Мышцы, суставные капсулы и связочные структуры остались нетронутыми.
  2. Получение изображений пельв от верхнего края позвонков L5 до дистального бедренного трохантера с помощью спиральной КТ (см. Таблицу материалов). Обработайте снимки компьютерной томографии (КТ) всех трупов с помощью рабочей станции и сохраните их в формате DICOM.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Параметры КТ: толщина среза 0,5 мм, ток 63 мА, напряжение 140 кВ.
  3. Импортируйте данные КТ в программное обеспечение предоперационного планирования (см. Таблицу материалов) этой системы в формате DICOM для получения осевых, корональных и сагиттальных изображений таза.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Файлы DICOM содержат информацию из компьютерной томографии, а восстановленное изображение может быть получено автоматическим импортом.
  4. Создайте цилиндр с помощью модуля MedCAD программного обеспечения и определите размер цилиндра, введя диаметр и длину. Поместите его в тело позвонка S1 или S2 и отрегулируйте ориентацию средней линии цилиндра на осевом и корональном изображениях. Проверьте связь между краем цилиндра и кортикальной костью на каждом изображении.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Считается, что цилиндр, полностью находящийся внутри канцелярной кости (исключая контакт с кортикальной костью), имеет соответствующий винтовой канал в S1 или S2. Длина средней линии цилиндра – это длина винта.

2. Хирургическая установка

  1. Зафиксируйте таз на флюороскопическом операционном столе в положении лежа на спине (рисунок 1).
  2. Поместите робота (см. Таблицу материалов) на ипсилатеральную сторону под углом 45° к операционному столу с C-образным рычагом перпендикулярно операционному столу на контралатеральной стороне. Монитор С-руки должен быть обращен к операционной, чтобы хирург мог наблюдать за ним (рисунок 1).
  3. Разместите рабочее место MSOPGS и Slave Manipulator за пределами операционной. Хирург должен иметь возможность наблюдать за хирургическим полем и монитором C-arm во время телеоперации с помощью раба-манипулятора (рисунок 1).

3. Хирургическая процедура

ПРИМЕЧАНИЕ: После запуска и проверки системы манипулятор автоматически переводится в рабочее состояние.

  1. Зафиксируйте устройство позиционирования сетки клейкой лентой на ипсилатеральной стороне. Выделите целевую область с помощью маркера положения сетки на истинном боковом представлении крестца. Убедитесь, что на консоли выбран и запущен режим ручной тяги. Перетащите роботизированную руку в общую область точки входа транслиакально-транссакрального винта S1 или S2 (рисунок 3A, B).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Целевая область закрыта передней границей крестца, крестцовым нервным каналом и спинномозговым каналом.
  2. Визуализируйте истинный боковой вид крестца, управляйте мастер-манипулятором и отрегулируйте кончик дистального рукава, чтобы он был расположен в области входа направляющей проволоки в режиме работы Master-Slave (рисунок 3C).
  3. После выбора режима RCM продолжите рентгеноскопию C-образного плеча для бокового сакрального вида. Отрегулируйте центр втулки направляющей проволоки в концентрические круги, чтобы он соответствовал винтовому каналу (рисунок 3D).
  4. Зафиксируйте роботизированную руку и вставьте направляющую проволоку (2,5 мм K-wire, см. Таблицу материалов) через контралатеральную подвздошную кость с помощью электрической дрели. Затем снимите робота в режиме ручной тяги (рисунок 3E).
    ПРИМЕЧАНИЕ: На этом этапе не следует выполнять рентгеноскопию.
  5. Поверните С-образный кронштейн к входному и выходному углам (разные пелвы имеют разные углы), чтобы определить, прорвался ли направляющая проволока или соприкоснулась ли передняя и задняя крестцовая кора и крестцовый нервный канал (рисунок 3F, G).
  6. Вставьте полурез 7,3 мм (см. Таблицу материалов) вдоль направляющей проволоки к контралатеральной подвздошной коре.
  7. Оцените положение винта на входе и выходе таза и боковом виде (рисунок 4).

4. Послеоперационная оценка

  1. Выполните шаги 1.2-1.3.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Параметры КТ: толщина среза 0,5 мм, ток 63 мА и напряжение 140 кВ.
  2. Проверьте положение винта на каждом осевом, корональном и сагиттальном изображении.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Положения винтов оценивались с использованием метода Гра. В частности, винты в канцелярной кости относятся к степени I, винты, контактирующие с кортикальной костью, относятся к степени II, а винты, которые проникают в кортикальную кость, относятся к степени III. Степень III представляет собой неправильное размещение винта и указывает на риск повреждения сосудов и нервов13.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Старший хирург-ортопед завершил операцию, используя описанную процедуру. Все винты (три в S1 и два в S2) были закреплены. Время, затрачиваемое (от первой рентгеноскопии до вставки винта) для вставки каждого из пяти винтов, составляло 32 мин, 28 мин, 26 мин, 20 мин и 23 мин соответственно. Время рентгеноскопии для каждого винта составляло примерно 5 минут. Хотя все винты находились в правильном месте на интраоперационных флюороскопических изображениях, в нескольких статьях подчеркивалась необходимость послеоперационной ко...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Независимо от типа робота, основное применение роботов в ортопедии предоставляет хирургам передовой инструмент для повышения точности операции. Однако появление хирургических роботов не является заменой врачам. Хирурги, выполняющие роботизированную хирургию, могут находиться или не находиться в операционной. Хирургические роботы обычно включают компьютерную систему управления, роботизированную руку, ответственную за операцию, и навигационную систему, ответственную за отслеживание. Существует три категории роботизированны...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
160-срезовый компьютерный томографUnited Imaging Healthcare Surgical Technology Co. LtduCT780Получение точного изображения и данных DICOM
Электрическая костная дрельYUTONG MedicalНетСистема питания
Флюороскопическое основание пластиныНетНет Нет Фиксациятрупных тазов к операционному столу
K-wireНет2,5 ммНаправляющая проволока
Master-slave Ортопедическая система позиционирования и наведенияUnited Imaging Healthcare Surgical Technology Co. LtdNoneТелеуправляемая роботизированная система, которая позиционирует винты для ортопедической хирургии
Mimics Innovation SuiteMaterialiseMimics Medical 21Программное обеспечение для предоперационного планирования    
Мобильная С-дугаUnited Imaging Healthcare Surgical Technology Co. LtduMC560iНизкодозированный CMOS Мобильный С-дуговый
операционный стол KELINGDL· C-IФлюороскопический хирургический стол
Schanz pinsTianjin ZhengTian Medical Instrument Co., Ltd.5,0 ммЗакрепить трупные лоханки
Винт с полурезьбойTianjin ZhengTian Medical Instrument Co., Ltd.7,3 ммТрансилиакально-транссакральный винт
с семью степенями свободы манипуляторKUKA, ГерманияLBR Med 7 R800Устройство для выполнения хирургических операций

Ссылки

  1. 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).
  2. Jacofsky, D. J., Allen, M. Robotics in arthroplasty: A comprehensive review. Journal of Arthroplasty. 31 (10), 2353-2363 (2016).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Gaensslen, A., Müller, M., Nerlich, M. Acetabular Fractures: Diagnosis, Indications, Treatment Strategies. , Thieme. Stuttgart, Germany. (2017).
  12. 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).
  13. Gras, F., et al. 2D-fluoroscopic navigated percutaneous screw fixation of pelvic ring injuries--A case series. BMC Musculoskeletal Disorders. 11, 153(2010).
  14. Innocenti, B., Bori, E. Robotics in orthopaedic surgery: Why, what and how. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery. 141 (12), 2035-2042 (2021).
  15. 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).
  16. D'Souza, M., et al. Robotic-assisted spine surgery: History, efficacy, cost, and future trends. Robotic surgery. 6, 9-23 (2019).
  17. 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).
  18. Füchtmeier, B., et al. Reduction of femoral shaft fractures in vitro by a new developed reduction robot system 'RepoRobo. Injury. 35, 113-119 (2004).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Gardner, M. J., Routt, M. L. Transiliac-transsacral screws for posterior pelvic stabilization. Journal of Orthopaedic Trauma. 25 (6), 378-384 (2011).
  23. 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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Телеуправляемая роботизированная система с помощью чрескожной трансилиакально-транссакральной фиксации винтов
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.