Summary
本稿では、大腿骨頸部骨折治療時に、より正確なスクリュー配置、手術効率の向上、合併症の軽減を可能にするロボット支援整形外科手術の方法を紹介します。
Abstract
カニューレスクリュー固定は、特に若い患者における大腿骨頸部骨折の主な治療法です。従来の外科手術では、Cアーム透視法を使用してスクリューをフリーハンドで配置し、いくつかのガイドワイヤーの調整が必要になるため、手術時間と放射線被曝が増加します。繰り返し穴あけは、大腿骨頸部の血液供給と骨の質に損傷を与える可能性があり、その後、スクリューの緩み、非癒合、大腿骨頭壊死などの合併症が続く可能性があります。固定をより正確にし、合併症の発生率を減らすために、私たちのチームは、大腿骨頸部システムを使用したネジの配置にロボット支援整形外科手術を適用し、従来の手順を変更しました。このプロトコルでは、患者のX線情報をシステムにインポートする方法、ソフトウェアでスクリューパスプランニングを実行する方法、およびロボットアームがスクリューの配置を支援する方法を紹介します。この方法を使用すると、外科医は最初にスクリューを正常に配置でき、手順の精度が向上し、放射線被曝を回避できます。プロトコル全体には、大腿骨頸部骨折の診断が含まれています。術中X線画像の収集ソフトウェアでのスクリューパス計画。外科医によるロボットアームの支援下でのスクリューの正確な配置。インプラント埋入の検証。
Introduction
大腿骨頸部骨折は、クリニックで最も一般的な骨折の1つであり、人間の骨折の約3.6%、股関節骨折の54.0%を占めています1。若年大腿骨頸部骨折患者に対しては,解剖学的縮小と堅固な内部固定により非癒合・大腿骨頭壊死(FHN)のリスクを低減し,可能な限り術前レベルまで機能を回復する外科的治療を行う2.最も一般的に使用される外科的治療は、3つのカニューレ圧縮スクリュー(CCS)による固定です。特に若い患者における患者の要求の増加に伴い、不安定な大腿骨頸部骨折に対するCCSよりも角度安定性、低侵襲性、および優れた生体力学的安定性の利点を兼ね備えた大腿骨頸部システム(FNS)が徐々に使用されています3。
伝統的に、ネジは透視術中の指導の下で外科医によってフリーハンドで配置されました。フリーハンド法は、術中に経路を計画できない、穴あけ中のガイドワイヤーの方向を制御するのが難しい、繰り返しの穴あけによる骨と血液供給の損傷、不適切な位置決めによる皮質を通るスクリューの貫通など、多くの欠点があります。これらの要因は、骨折非癒合、FHN、内部固定不全などの術後合併症を直接的または間接的に引き起こす可能性があり、機能的予後に影響を与えます4。フリーハンド法は、頻繁な透視法による患者や外科医の放射線障害の増加にも関連しています5。したがって、術前計画中に最適なスクリューエントリーポイントと正確なスクリュー配置を決定することは、手術の成功の鍵となります。近年、ロボット支援による低侵襲体内固定術が整形外科手術でますます頻繁に使用されており6、その高精度と手術時間や放射線障害を低減できることから、整形外科医に広く受け入れられています。大腿骨頸部骨折の治療にFNS固定を支援するためにロボット支援整形外科手術システムを適用し、より正確で効率的なスクリュー配置プロセス、スクリュー配置の成功率、およびより良い機能回復をもたらしました。
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Protocol
本研究は、西安交通大学紅慧病院の倫理委員会によって承認されました。患者からインフォームドコンセントを得た。
1. X線透視法による大腿骨頸部骨折の診断
- 股関節周囲の圧痛またはパーカッションの痛み、下肢の短縮、股関節の制限などを伴う大腿骨頸部骨折のある患者を特定します。
- 大腿骨頸部骨折を診断するには、X線透視法またはCTスキャンの前後(AP)ビューと側面図を使用します。
- 60歳未満で大腿骨頸部骨折と診断された患者にはFNS治療を注文してください。含めるためにこれらの追加の基準を使用してください:外傷の明確な病歴を伴う骨折;代謝性疾患または病的骨折の病歴または証拠はありません。よく発達した股関節で、FHNの症状や変形はありません。X線またはCTスキャンによる大腿骨頸部骨折の診断。
2. 骨折近傍縮小、X線検査、ロボット支援整形外科手術システムの準備
- 全身麻酔後、手動牽引と調整によって骨折の閉鎖整復を行います。
- 外科医が牽引のために四肢を保持した縦方向の牽引によって患肢の長さを回復し、四肢の回転によって骨折ギャップの位置合わせを回復します。
- 手足を牽引ベッド(連続的な四肢牽引を提供する一種の手術台)に固定して、手術中の連続牽引を行います。
- X線透視法による閉鎖還元の質を調べる。APおよび側面図で首軸の角度と皮質のアライメントを復元し、角度変形が発生しないようにします。
- 手術の前に、ロボット支援整形外科手術システムのコンポーネント(ワークステーション、光学追跡システム、ロボットアーム)をCアームX線装置に接続します。システムにログインし、患者の医療記録を記録します。
3.消毒、画像収集、および手術経路計画
- 定期的な外科的消毒の後、シャンツピンを同側腸骨翼に置き、患者のトレーサーをピンに固定します。
- ロボットアームとCアームに滅菌保護スリーブを取り付けます。位置決め定規(ロボット位置決めシステムの位置決め定規の10個の識別ポイント付き)をロボットアームで組み立てます。
- CアームX線装置を大腿骨頸部の中央に配置し、Cアームと患者の間に位置決め定規を備えたロボットアームを配置します。患者トレーサーやロボットアームなどの光学追跡システムの障害物がないことを確認してください。
- 位置決め定規の10個の識別点を含むX線画像(X線イメージインテンシファイアが患者の平面に垂直である)および側面図(X線イメージインテンシファイヤが大腿骨頸部チャネル面に垂直である)を収集する。
- AP および側面ビューイメージをワークステーションにインポートします。画像には、10個の識別点と大腿骨近位部全体が明確に含まれている必要があります。
- ワークステーションのソフトウェアで外科用スクリューパス計画を実行します。
- 大腿骨頸部の中央にネジチャネルを配置し、首軸角度を130°に設定し、APおよび側面図の大腿骨頸部の長軸に平行にします。
- 大腿骨頭の軟骨の下にネジの先端を5 mm配置します。
4. FNSの配置と検証
- 位置決め定規をロボットアームのスリーブに取り付けます。計画されたパスに従って、ロボットアームをエントリポイントの位置まで実行します。ナイフで大腿骨の長軸に沿って皮膚を3 cm切開し、皮下組織を鈍く分離し、スリーブを挿入して骨皮質に接触させます。
- 計画された経路に従ってスリーブの入口点と方向を確認します。必要に応じてパスを微調整します。
- ガイドワイヤーをスリーブを通して骨にドリルで開け、軟骨下骨から5 mm離します。ロボットアームを取り外し、ガイドワイヤーの位置をX線で確認します。
- 中空のドリルビットを使用してガイドワイヤーに沿って穴を開け、ボルトとプレートを大腿骨頭に挿入します。回転防止ネジと固定ネジを配置します。
- FNS の圧縮設計を使用して動的圧縮を適用します。透視検査は、APと側面図の両方で大腿骨頸部の中央にボルトがあり、軟骨下骨から5 mm、プレートが骨にフィットしている状態で、FNSの配置を確認します。
- 術後の受動的な股関節屈曲活動と膝関節と足首関節の積極的な運動を提案する。術後4週間、8週間、12週間、24週間、36週間、48週間にフォローアップを行い、フォローアップに応じて体重負荷時間を設定します。
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Representative Results
ロボット支援整形外科手術システムは、スクリュー経路を仮想的にシミュレートし、スクリューの正確な配置を支援するため、このシステムは安定性が高く、手術の精度と成功率が向上し、外科的外傷や放射線損傷のリスクが低いという利点があります。最後に、スクリュー固定の精度は、より良い臨床予後と合併症の発生率の低下をもたらします。
大腿骨頸部骨折と診断された患者は手術を受けました。手術後に予防的抗感染および抗凝固治療が使用されました。患者は、補助的な受動的な股関節屈曲活動を実施し、下肢の筋力トレーニングを指導しました。手術後2週間以内に、患者はベッドで股関節の積極的な曲げを行うことを許可されました。患者は4週間後に杖の助けを借りて非体重負荷運動を行うことができた。X線検査は4週間ごとのフォローアップで実施されました。骨折線がぼやけている場合、患者は部分的な体重負荷運動を行うことができます。X線画像が骨折が治癒したことを示したとき、患者は完全な体重負荷歩行を試みることができました。股関節機能は、最終フォローアップ時にハリス股関節スコアシステムに従って評価されました(表1)。
大腿骨頸部骨折の術前X線画像を図1に示します(図1A:APビュー;図1B:側面図)。図2は、閉鎖還元(図2A、B)によって適切な位置(図2C、D)に骨折が減少したことを示しています。作製したロボット支援整形外科手術システムを図3に示します。Cアームと患者の間の位置決め定規(図4C,D)を使用した患者トレーサー(図4A)と位置決め定規(図4B)を使用して収集されたX線画像、および位置決め定規を含む透視画像(図4E、F)を示します。手術経路計画はソフトウェア上で実行され、スクリューチャネルは仮想的に表示されました(図5)。ロボットアームは計画方向に走り(図6A)、ロボットアームはガイドワイヤーの配置を支援し(図6B)、ガイドワイヤーの位置をX線で確認しました(図6C)。図7は、FNS(図7A)、リーマ加工(図7B、C)、ボルトとプレートの配置、回転防止ネジ、および固定ネジ(図7D-F)を示しています。図8は、検証用X線画像(図8A:AP図、図8B:側面図)および皮膚上の小切開部(図8C)を示す。
図1:患者のX線画像。 患者の大腿骨頸部骨折の術前X線画像。(A) AP ビュー;(B)側面図。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:骨折の手動閉鎖縮小。 画像は、(A、B)影響を受けた股関節の手動縮小、(C)APビューおよび(D)縮小後のX線画像の側面図を示しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:ロボット支援整形外科手術システム。 このシステムは、ワークステーション(左)、光学追跡システム(中央)、ロボットアーム(右)で構成されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:画像コレクション。 (A)患者トレーサー;(B)ロボットアームを備えた位置決め定規。(C,D)光学追跡システム(患者トレーサーとロボットアームを含む)、CアームX線装置、および位置決め定規との間の相対位置。(E)APビューおよび(F)ポジショニング定規による側面図X線画像。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図5:手術経路計画。 ソフトウェア上の仮想ねじチャネルの表示。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図6:ガイドワイヤーの配置におけるロボット支援。 (A)スリーブ付きのロボットアームが計画方向に移動します。(B)ガイドワイヤーは、外科医によってスリーブを通して骨にドリルで開けられます。(C)X線によるガイドワイヤーの配置の検討。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図7:FNSの配置。 (A)FNSは、ボルトとプレート(黄色)、固定ネジ(緑)、および回転防止ネジ(青)で構成されています。(B,C)ガイドワイヤーに沿ってリーマ加工。(D,E,F)ボルトとプレートを大腿骨頭に挿入し、固定ネジと回転防止ネジを配置します。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図8:X線検証。 図は、(A)AP図と(B)動的圧縮後の骨折の側面図X線画像を示しています。(C)傷の外観。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
表1:患者の詳細。 この表は、すべての患者の特徴、手術情報、および術後のフォローアップを示しています。骨折はガーデン分類7に従って分類され、股関節機能はハリススコアリングシステム8を使用して評価されます。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
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Discussion
FNSは大腿骨頸部骨折を固定する方法であり、スライド式股関節スクリューの角度安定性と複数のカニューレスクリューの配置の侵襲性が最小限であるという利点があります。この方法は、ねじ切りや周囲の軟部組織の刺激を受けにくいです。Tangらの研究9では、CCS群と比較して、FNS群の患者は、大腿骨頸部短感なしまたは軽度の割合が低く、治癒時間が短く、ハリスコアが高かった。生体力学的研究は、FNSがCCS3よりも優れた生体力学的特性を有することを示した。FNSは、どちらも大腿骨頸部からの正確なスクリュー配置を必要とするという点で、術中のCCSに似ています。従来の手術では、スクリューは透視下で外科医によってフリーハンドで配置されます。術中、経皮的操作、視覚的偏差、およびフリーハンドの不安定性は、理想的な位置からの実際の位置の誤差につながる可能性があります。放射線被ばくを繰り返すと、患者と外科医の両方への放射線損傷が増加します。さらに、非癒合、FHN、早期インプラント不全などの若年患者の合併症は固定技術に関連しており、これらの発生率は最大28%です10。スクリュー固定の精度は、スクリュー固定の強度と大腿骨頸部骨折の治癒率に直接影響します11。
コンピュータナビゲーションシステムと医用画像提示技術の開発により、研究者はコンピュータナビゲーションシステムを通じて良好な臨床予後を達成し、特に大腿骨頸部骨折に対するロボット支援整形外科手術システムの固定において、従来の手順よりも優れた手術精度とより高い成功率、ならびに外科的外傷および放射線損傷の軽減という点で優れています12、13.
ロボット支援整形外科手術システムには、正確なナビゲーションと位置決めという利点があります。手術の重要なステップは、画像収集、手術経路計画、およびガイドワイヤー挿入です。識別点と術中のバイプラナーX線透視画像はデジタル化されて空間対応を形成し、外科医はソフトウェア内のネジの経路を直感的に計画できます。さらに、ロボットアームは、ミリメートルレベルまでの精度で、ネジを配置するための正確な空間位置決めを提供します。Zwingmannmら14,15は、従来法の位置異常率が2.6%、修正率が2.7%であるのに対し、航法支援技術の誤配置率は0.1%〜1.3%、改訂率は0.8%〜1.3%であることを見出した。一方、ロボットナビゲーションの移植は非常に安定しており、操作に安全境界があるため、ネジの配置のずれによって引き起こされる血管や神経の損傷のリスクが大幅に減少します。
FNSの配置プロセスを支援するためにロボット支援整形外科手術システムを使用し、スクリューを対応する解剖学的部位に正確かつ安定して配置しました。ロボットの助けを借りて、常駐の外科医はより迅速かつ正確にネジを配置することができました。ロボットの助けを借りて学習曲線を短縮することができ、個人はいくつかの手術を通じてロボット支援技術に熟練することができます。さらに、外科医の技術レベルの違いによる手術結果の差を排除することができます。ネジの長さと直径は、大腿骨頭を貫通するネジによって引き起こされる関節や血管の損傷を避けるために事前に計画することができます。これにより、術後外傷性関節炎およびFHNの発生率が減少する。
将来的には、ロボット支援整形外科手術システムを使用して、高パウヴェルスグレード、後方下粉砕、複合変形などの状況で内部固定ネジの配置を支援し、骨折治癒のための生物学的および生体力学的環境をより困難にします16。このような状況では、術後合併症の発生率を減らすために正確な固定が必要です。大腿骨骨折のネジの内部固定にロボット支援整形外科手術システムを適用することで、外科医は手術計画を支配し、最良の手術経路を取得し、インプラント埋入のための最高の精度と効率を達成します。この方法は骨折治癒をより助長し、早期のリハビリテーションと軽度の外科的損傷を克服するための良好な予後を可能にします。
ただし、大腿骨頸部骨折ネジのロボット支援内部固定配置にはいくつかの制限があります。まず、外科医は、ロボットの支援なしで予期しない状況を解決できるように、従来の外科的技術(開閉整復と内部固定)の経験が必要です。第二に、ロボット作業の基本原則と画像収集の正しい完了には、一定期間のトレーニングが必要です。外科医はプログラムされたステップを完了するために協力する必要があり、熟練した協力を改善することで手術時間を短縮できます。第三に、スリーブは軟組織によって高い横方向の応力を受け、エントリポイント13のずれを招く可能性がある。スリーブの周りの軟組織の張力は、スリーブ挿入前の鈍い分離によって減少する可能性があります。最後に、正確なスクリュー配置は、画像に一致する手術部位の空間位置に依存します。様々な要因が、患者トレーサーと手術部位の空間位置または相対変位の変化をもたらし得、これは画像ドリフト17と呼ばれる。外科医は、手術中の画像ドリフトを認識し、それを検証する必要があります。必要に応じて、画像を再度収集する必要があります。
大腿骨頸部骨折のための整形外科ロボット支援FNSは、術後合併症の発生率が低く、時間効率が高く侵襲性の低い手順です。この方法は、スクリュー配置の精度を向上させ、手術中の放射線損傷を軽減し、若い外科医の学習プロセスを短縮する可能性があります。
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Disclosures
著者は、この記事の研究、著者、および/または出版に関して潜在的な利益相反を宣言しません。
Acknowledgments
この作業は、西安衛生健康委員会の青少年育成プロジェクト(プログラム番号2023qn17)および陝西省の主要研究開発プログラム(プログラム番号2023-YBSF-099)によってサポートされました。
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
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