Summary
В данной статье представлен метод роботизированной ортопедической хирургии для установки винта при лечении перелома шейки бедренной кости с использованием шейной системы бедренной кости, который позволяет более точно установить винт, повысить эффективность хирургического вмешательства и уменьшить количество осложнений.
Abstract
Канюлированная винтовая фиксация является основной терапией переломов шейки бедра, особенно у молодых пациентов. Традиционная хирургическая процедура использует рентгеноскопию С-дуги для установки винта от руки и требует нескольких регулировок направляющей проволоки, что увеличивает время операции и лучевую нагрузку. Повторное сверление также может привести к повреждению кровоснабжения и качества кости шейки бедренной кости, что может сопровождаться такими осложнениями, как ослабление винта, несращение и некроз головки бедренной кости. Чтобы сделать фиксацию более точной и снизить частоту осложнений, наша команда применила роботизированную ортопедическую хирургию для установки винтов с использованием системы шейки бедренной кости для модификации традиционной процедуры. В этом протоколе рассказывается, как импортировать рентгеновскую информацию пациента в систему, как выполнять планирование траектории винта в программном обеспечении и как роботизированная рука помогает в установке винта. Используя этот метод, хирурги могут успешно установить винт с первого раза, повысить точность процедуры и избежать радиационного облучения. Весь протокол включает в себя диагностику перелома шейки бедра; сбор интраоперационных рентгеновских снимков; планирование траектории движения винта в программном обеспечении; точное размещение винта хирургом с помощью роботизированной руки; и проверка установки имплантата.
Introduction
Перелом шейки бедра является одним из наиболее распространенных переломов в клинике и составляет около 3,6% переломов у человека и 54,0% переломов шейки бедра1. Маленьким пациентам с переломами шейки бедренной кости проводится хирургическое лечение с целью снижения риска несращения и некроза головки бедренной кости (ГН) путем анатомической редукции и жесткой внутренней фиксации и максимального восстановления их функции до дооперационногоуровня2. Наиболее часто используемым хирургическим методом лечения является фиксация тремя канюлированными компрессионными винтами (CCS). С увеличением требований пациентов, особенно у молодых пациентов, постепенно используется система шейки бедренной кости (FNS), которая сочетает в себе преимущества угловой стабильности, минимальной инвазивности и лучшей биомеханической стабильности, чем CCS при нестабильных переломах шейки бедреннойкости 3.
Традиционно винты устанавливались хирургами от руки под рентгеноскопическим интраоперационным контролем. Метод от руки имеет много недостатков, таких как невозможность планирования пути интраоперационно, трудности в контроле направления направляющей проволоки во время сверления, повреждение кости и кровоснабжения из-за повторного сверления, а также проникновение винта через кору из-за неправильного позиционирования. Эти факторы могут прямо или косвенно вызывать послеоперационные осложнения, такие как несращение перелома, FHN и нарушение внутренней фиксации, которые влияют на функциональный прогноз4. Метод от руки также был связан с повышенным лучевым поражением пациентов и хирургов из-за частых рентгеноскопий5. Таким образом, определение оптимальной точки входа винта и точное размещение винта во время предоперационного планирования являются ключом к успеху операции. В последние годы роботизированная минимально инвазивная внутренняя фиксация все чаще используется в ортопедической хирургии6, и она широко признана хирургами-ортопедами из-за ее высокой точности и способности сокращать время операции и лучевое повреждение. Мы применили роботизированную ортопедическую хирургическую систему для фиксации ФНС при лечении переломов шейки бедренной кости, что привело к более точному и эффективному процессу установки винта, более высокой успешности установки винта и лучшему функциональному восстановлению.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Настоящее исследование было одобрено комитетом по этике больницы Хунхуэй Сианьского университета Цзяотун. От пациентов было получено информированное согласие.
1. Диагностика перелома шейки бедренной кости методом рентгенороскопии
- Выявить пациентов с переломом шейки бедренной кости с болезненностью или ударной болью вокруг тазобедренного сустава, укорочением нижней конечности, ограничением тазобедренного сустава и т.д.
- Используйте передне-задний вид (AP) и боковой вид рентгеновской рентгеноскопии или компьютерной томографии для диагностики перелома шейки бедренной кости.
- Закажите лечение ФНС пациентам, которым не исполнилось 60 лет и у которых диагностирован перелом шейки бедра. Используйте следующие дополнительные критерии для включения: перелом с явной травмой в анамнезе; отсутствие в анамнезе или признаков метаболических заболеваний или патологических переломов; хорошо развитый тазобедренный сустав, без проявлений ФГН и без деформации; диагноз перелома шейки бедренной кости с помощью рентгена или компьютерной томографии.
2. Вправление перелома, рентгенологическое исследование и подготовка системы роботизированной ортопедической хирургии
- После общего наркоза проводят закрытое вправление перелома путем ручного вытяжения и регулировки.
- Восстановите длину пораженной конечности путем продольного вытяжения, при этом хирург удерживает конечность для вытяжения, и восстановите выравнивание разрыва перелома путем вращения конечности.
- Закрепите конечность на тяговом ложе (своего рода операционный стол, обеспечивающий непрерывное вытяжение конечности) для непрерывного вытяжения во время операции.
- Исследуют качество закрытой редукции с помощью рентгеновской рентгеноскопии. Восстановите угол наклона шейки и стержня и выравнивание коры головного мозга в AP и боковых видах и убедитесь, что не происходит угловых деформаций.
- Перед операцией соедините компоненты системы роботизированной ортопедической хирургии - рабочую станцию, систему оптического слежения и роботизированную руку - с рентгеновским аппаратом С-дуги. Войдите в систему и запишите медицинскую карту пациента.
3. Дезинфекция, сбор изображений и планирование хирургического тракта
- После обычной хирургической дезинфекции поместите штифт Шанца на ипсилатеральное крыло подвздошной кости и закрепите индикатор пациента на штифте.
- Наденьте стерильные защитные рукава на роботизированную руку и С-дугу. Соберите линейку позиционирования (с 10 опознавательными точками на линейке позиционирования для системы позиционирования робота) с помощью роботизированной руки.
- Расположите рентгеновский аппарат С-дуги по центру шейки бедренной кости и поместите роботизированную руку с линейкой позиционирования между С-дугой и пациентом. Убедитесь, что нет препятствий для оптической системы слежения, включая индикатор пациента и роботизированную руку.
- Соберите рентгеновские снимки AP (ЭОП рентгеновского изображения перпендикулярен плоскости пациента) и бокового вида (ЭОП перпендикулярен плоскости канала шейки бедренной кости) рентгеновские изображения, содержащие 10 опознавательных точек линейки позиционирования.
- Импортируйте изображения AP и бокового вида на рабочую станцию; Снимки должны четко содержать 10 опознавательных точек и весь проксимальный отдел бедренной кости.
- Выполните планирование траектории хирургического винта с помощью программного обеспечения рабочей станции.
- Найдите винтовой канал в центре шейки бедренной кости с углом наклона шейки к валу 130° и параллельно длинной оси шейки бедренной кости на AP и боковом видах.
- Найдите кончик винта на 5 мм под хрящом головки бедренной кости.
4. Размещение и верификация ФНС
- Замените линейку позиционирования на втулке на роботизированной руке. Запустите роботизированную руку в положение точки входа в соответствии с запланированной траекторией. Сделайте ножом разрез на коже 3 см вдоль длинной оси бедренной кости, затупите отделите подкожную клетчатку и вставьте рукав для контакта с корой кости.
- Подтвердите точку входа и направление рукава в соответствии с запланированной траекторией. При необходимости настройте путь.
- Просверлите направляющую проволоку в кость через втулку до тех пор, пока она не окажется на расстоянии 5 мм от субхондральной кости. Снимите роботизированную руку и проверьте положение направляющего провода с помощью рентгеновского снимка.
- Рассверьте отверстие вдоль направляющей проволоки с помощью полого сверла и вставьте болт и пластину в головку бедренной кости. Установите винт, препятствующий вращению, и стопорный винт.
- Примените динамическое сжатие, используя конструкцию сжатия FNS. Рентгеноскопия проверяет размещение ФНС с болтом в центре шейки бедренной кости как на АП, так и сбоку, а также на расстоянии 5 мм от субхондральной кости, а также с пластиной, подходящей к кости.
- Предложите вспомогательные пассивные сгибания бедра и активные упражнения на коленные и голеностопные суставы после операции. Выполняйте последующие наблюдения через 4 недели, 8 недель, 12 недель, 24 недели, 36 недель и 48 недель после операции, с учетом времени нагрузки в зависимости от периода наблюдения.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Роботизированная система ортопедической хирургии виртуально имитирует траекторию винта и помогает в точном размещении винта, что означает, что эта система обладает такими преимуществами, как высокая стабильность, повышенная хирургическая точность и вероятность успеха, а также меньший риск хирургической травмы и лучевого повреждения. Наконец, точность винтовой фиксации приводит к лучшему клиническому прогнозу и снижению частоты осложнений.
Пациентам с диагнозом перелом шейки бедренной кости было проведено хирургическое вмешательство. После операции применялись профилактические противоинфекционные и антикоагулянтные процедуры. Пациенты выполняли вспомогательные пассивные упражнения на сгибание бедра и инструктировали силовые тренировки нижних конечностей. В течение 2 недель после операции пациентам было разрешено выполнять активный сгибание тазобедренного сустава в постели. Через 4 недели пациенты могли выполнять движения, не связанные с отягощением, с помощью трости. Рентгенологическое исследование проводилось при диспансерном наблюдении каждые 4 недели; Если линия перелома была размыта, пациенты могли выполнять частичные упражнения с отягощениями. Пациенты могли пытаться ходить с полной нагрузкой, когда рентгеновская визуализация показала, что перелом зажил. Функция тазобедренного сустава оценивалась в соответствии с системой оценки тазобедренного сустава Харриса при окончательном наблюдении (табл. 1).
Предоперационные рентгеновские снимки перелома шейки бедренной кости показаны на рисунке 1 (рис. 1A: вид AP; Рисунок 1В: вид сбоку). На рисунке 2 показано, что перелом был уменьшен закрытой редукцией (рис. 2A, B) в правильное положение (рис. 2C, D). Подготовленная роботизированная система ортопедической хирургии показана на рисунке 3. Демонстрируются собранные рентгеновские изображения с использованием индикатора пациента (рис. 4A) и линейки позиционирования (рис. 4B) с линейкой позиционирования между С-дугой и пациентом (рис. 4C, D), а также рентгеноскопические изображения, содержащие линейку позиционирования (рис. 4E, F). Планирование хирургического тракта выполнялось в программном обеспечении, и канал винта отображался виртуально (рис. 5). Роботизированная рука двигалась в запланированном направлении (рис. 6A), роботизированная рука помогала с размещением направляющей проволоки (рис. 6B), а положение направляющей проволоки проверялось рентгеновским снимком (рис. 6C). На рисунке 7 показана структура FNS (рис. 7A), процесс развертывания (рис. 7B, C), размещение болта и пластины, винта, препятствующего вращению, и стопорного винта (рис. 7D-F). На рисунке 8 представлены проверочные рентгеновские снимки (рис. 8A: вид AP, рис. 8B: вид сбоку) и небольшой разрез на коже (рис. 8C).
Рисунок 1: Рентгеновские снимки пациента. Предоперационные рентгеновские снимки перелома шейки бедренной кости пациента. а) точка зрения ПД; (B) вид сбоку. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Ручное закрытое вправление перелома. На снимках показано (A, B) ручное вправление пораженного тазобедренного сустава и (C) вид AP и (D) боковой вид рентгеновских снимков после уменьшения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Роботизированная система ортопедической хирургии. Система состоит из рабочей станции (слева), оптической системы слежения (посередине) и роботизированной руки (справа). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Коллекция изображений. (A) Индикатор пациента; (B) линейка позиционирования с роботизированной рукой; (C, D) взаимное положение между оптической системой слежения (включая индикатор пациента и роботизированную руку), рентгеновским аппаратом С-дуги и линейкой позиционирования; (E) вид AP и (F) рентгеновские снимки бокового обзора с линейкой позиционирования. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Планирование хирургического тракта. Отображение виртуального канала винта в программном обеспечении. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6: Помощь робота в размещении направляющей проволоки. (А) Роботизированная рука с рукавом движется в запланированном направлении. (B) Направляющая проволока просверливается хирургом в кости через рукав. С) Осмотр места расположения направляющего провода с помощью рентгеновского снимка. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 7: Размещение FNS. (A) FNS состоит из болта и пластины (желтый), стопорного винта (зеленый) и винта, препятствующего вращению (синий). (В,В) Развертывание вдоль направляющей проволоки. (Д,Э,Ж) Болт и пластина вставляются в головку бедренной кости, а стопорный винт и винт против вращения помещаются. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 8: Рентгеновская верификация. На рисунке показаны (А) вид AP и (B) рентгеновские снимки перелома после динамического сжатия с бокового обзора. (С) Внешний вид раны. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Таблица 1: Сведения о пациенте. В таблице приведены характеристики, оперативная информация и послеоперационное наблюдение всех пациентов. Переломы классифицируются в соответствии с классификациейГардена 7, а функция тазобедренного сустава оценивается с использованием системы оценки Харриса8. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
ФНС – это метод фиксации переломов шейки бедренной кости, который обладает такими преимуществами, как угловая стабильность скользящих тазобедренных винтов и минимальная инвазивность установки множественных канюлированных винтов. Этот метод менее подвержен винтовой резке и раздражению окружающих мягких тканей. В исследовании Tang et al.9, по сравнению с группой CCS, пациенты в группе FNS имели более низкие показатели отсутствия или легкой короткости шейки бедренной кости, более короткое время заживления и более высокие баллы по шкале Харриса. Биомеханические исследования показали, что FNS обладает лучшими биомеханическими свойствами, чем CCS3. FNS похож на CCS интраоперационно тем, что оба требуют точного размещения винта через шейку бедренной кости. В традиционной хирургии винт устанавливается хирургами от руки при рентгеноскопии; Во время операции чрескожные манипуляции, визуальное отклонение и нестабильность руки могут привести к ошибке фактического положения из идеального положения. Повторное радиологическое облучение увеличивает радиационное повреждение как пациентов, так и хирургов. Кроме того, осложнения у более молодых пациентов, такие как несращение, FHN и ранний отторжение имплантата, связаны с методами фиксации, и они имеют частоту до 28%10. Точность винтовой фиксации напрямую влияет на прочность винтовой фиксации и скорость заживления переломов шейки бедренной кости11.
С развитием компьютерных навигационных систем и технологии представления медицинских изображений исследователи достигли хорошего клинического прогноза с помощью компьютерных навигационных систем, особенно в области роботизированной фиксации системы ортопедической хирургии при переломах шейки бедра, которая превосходит традиционную процедуру с точки зрения лучшей хирургической точности и более высокого уровня успеха, а также снижения хирургических травм и лучевых повреждений12, 13.
Преимущество роботизированной ортопедической хирургии заключается в точной навигации и позиционировании. Важнейшими этапами операции являются сбор изображений, планирование хирургического пути и введение направляющей проволоки. Идентификационные точки и интраоперационные бипланарные рентгеновские рентгеновские снимки оцифровываются для формирования пространственного соответствия, чтобы хирург мог интуитивно планировать траекторию винта в программном обеспечении. Кроме того, роботизированная рука обеспечивает точное пространственное позиционирование для размещения винта с точностью до миллиметра. Zwingmannm et al.14,15 обнаружили, что частота неправильного положения обычного метода составила 2,6%, а частота пересмотра - 2,7%, в то время как частота неправильного положения навигационной техники составила от 0,1% до 1,3%, а частота пересмотра составила от 0,8% до 1,3%. Между тем, роботизированная навигационная имплантация очень стабильна, с безопасной границей в операции, что значительно снижает риск травм сосудов и нервов, вызванных отклонениями в размещении винта.
Мы использовали роботизированную ортопедическую хирургическую систему, чтобы облегчить процесс установки FNS, и винт был помещен в соответствующий анатомический участок точно и стабильно. С помощью робота хирурги-резиденты могли устанавливать винт быстрее и точнее. Кривая обучения может быть сокращена с помощью робота, и люди могут стать искусными в технике с помощью робота с помощью нескольких операций. Кроме того, разница в хирургических результатах из-за различий в технических уровнях хирургов может быть устранена. Длину и диаметр винтов можно планировать заранее, чтобы избежать травмирования сустава и кровеносных сосудов, вызванного проникновением винтов в головку бедренной кости. Это снижает частоту послеоперационного травматического артрита и ФГН.
В будущем мы будем использовать роботизированную ортопедическую хирургическую систему, чтобы помочь установить внутренние фиксирующие винты в таких ситуациях, как высокий класс Пауэлса, заднее нижнее измельчение и комбинированные деформации, которые усложняют биологическую и биомеханическую среду для заживления переломов16. В этих ситуациях требуется точная фиксация для снижения частоты послеоперационных осложнений. Благодаря применению системы роботизированной ортопедической хирургии для внутренней фиксации винтов при переломах бедренной кости хирург доминирует в планировании операции, выбирает наилучший хирургический путь и достигает высочайшей точности и эффективности установки имплантата. Этот метод в большей степени способствует заживлению переломов, позволяя провести раннюю реабилитацию и хороший прогноз для преодоления незначительных хирургических травм.
Тем не менее, существуют некоторые ограничения для роботизированной внутренней фиксации винтов для перелома шейки бедренной кости. Во-первых, хирург должен иметь опыт работы с традиционными хирургическими техниками (открытая/закрытая репозиция и внутренняя фиксация), чтобы неожиданные ситуации могли быть разрешены без помощи робота. Во-вторых, основные принципы работы робота и правильное завершение сбора изображений требуют периода обучения. Хирурги должны работать вместе, чтобы выполнить запрограммированные шаги, и время операции может быть сокращено за счет улучшения профессионального сотрудничества. В-третьих, рукав получает высокую боковую нагрузку со стороны мягких тканей и может привести к отклонению в точкевхода 13. Натяжение мягких тканей вокруг рукава может быть уменьшено путем тупого отделения перед введением рукава. Наконец, точное размещение винта зависит от пространственного положения места операции, соответствующего изображению; Различные факторы могут привести к изменению пространственного положения или относительному смещению индикатора пациента и места операции, что называется дрейфомизображения 17. Хирург должен знать о смещении изображения во время операции и проверять его. При необходимости изображения необходимо собрать заново.
Ортопедическая робот-ассистированная ФНС при переломах шейки бедренной кости – это эффективная по времени и малоинвазивная процедура с низкой частотой послеоперационных осложнений. Этот метод может повысить точность установки винтов и уменьшить радиационное повреждение во время операции, сократив при этом процесс обучения молодых хирургов.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Автор(ы) заявляют об отсутствии потенциальных конфликтов интересов в отношении исследования, авторства и/или публикации этой статьи.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана Проектом по развитию молодежи Сианьской комиссии по здравоохранению (Программа No 2023qn17) и Ключевой программой исследований и разработок провинции Шэньси (Программа No 2023-YBSF-099).
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 |
References
- Thorngren, K. G., Hommel, A., Norrman, P. O., Thorngren, J., Wingstrand, H.
- Lowe, J. A., Crist, B. D., Bhandari, M., Ferguson, T. A. Optimal treatment of femoral neck fractures according to patient's physiologic age: An evidence-based review. The Orthopedic Clinics of North America. 41 (2), 157-166 (2010).
- Stoffel, K., et al. Biomechanical evaluation of the femoral neck system in unstable Pauwels III femoral neck fractures: A comparison with the dynamic hip screw and cannulated screws. Journal of Orthopaedic Trauma. 31 (3), 131-137 (2016).
- Mei, J., et al. Finite element analysis of the effect of cannulated screw placement and drilling frequency on femoral neck fracture fixation. Injury. 45 (12), 2045-2050 (2014).
- Zheng, Y., Yang, J., Zhang, F., Lu, J., Qian, Y. Robot-assisted vs freehand cannulated screw placement in femoral neck fractures surgery: A systematic review and meta-analysis. Medicine. 100 (20), 25926 (2021).
- Karthik, K., Colegate-Stone, T., Dasgupta, P., Tavakkolizadeh, A., Sinha, J. Robotic surgery in trauma and orthopaedics: A systematic review. The Bone and Joint Journal. 97-B (3), 292-299 (2015).
- Garden, R. S. Low-angle fixation in fractures of the femoral neck. The Bone and Joint Journal. 43 (4), 647-663 (1961).
- Harris, W. H. Traumatic arthritis of the hip after dislocation and acetabular fractures: Treatment by mold arthroplasty. An end-result study using a new method of result evaluation. Journal of Bone and Joint Surgery. American Volume. 51 (4), 737-755 (1968).
- Tang, Y., et al. Femoral neck system versus inverted cannulated cancellous screw for the treatment of femoral neck fractures in adults: A preliminary comparative study. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 16, 504 (2021).
- Da Many, D. S., Parker, M. J., Chojnowski, A. Complications after intracapsular hip fractures in young adults. A meta-analysis of 18 published studies involving 564 fractures. Injury. 36 (1), 131-141 (2005).
- Hamelinck, H. K. M., et al. Safety of computer-assisted surgery for cannulated hip screws. Clinical Orthopaedics and Related Research. 455, 241-245 (2007).
- Wang, X., Lan, H., Li, K. Treatment of femoral neck fractures with cannulated screw invasive internal fixation assisted by orthopaedic surgery robot positioning system. Orthopaedic Surgery. 11 (5), 864-872 (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).
- Zwingmann, J., Hauschild, O., Bode, G., Südkamp, N. S., Schmal, H. Malposition and revision rates of different imaging modalities for percutaneous iliosacral screw fixation following pelvic fractures: A systematic review and meta-analysis. Archives of Orthopaedic & Trauma Surgery. 133 (9), 1257-1265 (2013).
- Zwingmann, J., Konrad, G., Kotter, E., Südkamp, N. P., Oberst, M. Computer-navigated iliosacral screw insertion reduces malposition rate and radiation exposure. Clinical Orthopaedics and Related Research. 467 (7), 1833-1838 (2009).
- Stockton, D. J., et al. Failure patterns of femoral neck fracture fixation in young patients. Orthopedics. 42 (4), 376-380 (2019).
- Wu, X. -B., Wang, J. -Q., Sun, X., Han, W. Guidance for the treatment of femoral neck fracture with precise minimally invasive internal fixation based on the orthopaedic surgery robot positioning system. Orthopaedic Surgery. 11 (3), 335-340 (2019).
