Summary
La fixation percutanée transiliaque-transsacrée assistée par système robotique téléopéré est une technique réalisable. Les canaux à vis peuvent être mis en œuvre avec une grande précision grâce à l’excellente liberté de mouvement et à la stabilité des bras robotiques.
Abstract
La fixation transiliaque-transsacrée des vis est difficile dans la pratique clinique, car les vis doivent percer six couches d’os cortical. Les vis transiliaques-transsacrées fournissent un bras de levier plus long pour résister aux forces de cisaillement verticales perpendiculaires. Cependant, le canal de vis est si long qu’une divergence mineure peut entraîner des lésions neurovasculaires iatrogène. Le développement de robots médicaux a amélioré la précision de la chirurgie. Le présent protocole décrit comment utiliser un nouveau système robotique téléopéré pour exécuter la fixation à vis transiliaque-transacrale. Le robot a été commandé à distance pour positionner le point d’entrée et ajuster l’orientation du manchon. Les positions des vis ont été évaluées à l’aide de la tomodensitométrie postopératoire (TDM). Toutes les vis ont été implantées en toute sécurité, comme confirmé par fluoroscopie peropératoire. La tomodensitométrie postopératoire a confirmé que toutes les vis étaient dans l’os spongieux. Ce système combine l’initiative du médecin avec la stabilité du robot. Le contrôle à distance de cette procédure est possible. La chirurgie assistée par robot a une capacité de rétention de position plus élevée que les méthodes conventionnelles. Contrairement aux systèmes robotiques actifs, les chirurgiens ont un contrôle total sur l’opération. Le système robotisé est entièrement compatible avec les systèmes de salle d’opération et ne nécessite pas d’équipement supplémentaire.
Introduction
La première application robotique utilisée en chirurgie orthopédique a été le système ROBODOC utilisé en 19921. Depuis lors, les systèmes chirurgicaux assistés par robot se sont rapidement développés. La chirurgie assistée par robot améliore l’arthroplastie en améliorant la capacité du chirurgien à restaurer l’alignement du membre et la cinématique physiologique de l’articulation2. En chirurgie de la colonne vertébrale, le placement des vis pédiculaires à l’aide d’un robot est sûr et précis; Il réduit également l’exposition du chirurgien aux rayonnements3. Cependant, les études sur la chirurgie assistée par robot ont été limitées en raison de l’hétérogénéité des maladies orthopédiques traumatiques. Les recherches existantes sur la chirurgie robotique pour les traumatismes orthopédiques se concentrent principalement sur les vis articulaires sacro-iliaques assistées par robot et la fixation par vis pubienne des fractures de l’anneau pelvien4, la fixation par vis canulée du col du fémur5, les boulons de verrouillage du point d’entrée et distal dans le clouage intramédullaire 6,7, la réduction des fractures percutanées 8,9 et le traitement des patients grièvement blessés dans le domaine militaire10.
La technique de vis percutanée peut être réalisée à l’aide d’un support de navigation 2D et 3D. Les vis sacro-iliaques, de la colonne antérieure, de la colonne postérieure, supra-acétabulaires et magiques sont les techniques percutanées les plus courantes pour les factures pelviennes et acétabulaires11. La technique de vis transiliaque-transsacrée percutanée reste difficile pour les chirurgiens. Une compréhension de l’anatomie pelvienne et de la fluoroscopie aux rayons X, un positionnement précis et une stabilité à long terme de la main sont nécessaires pour cette procédure. Le système robotique téléopéré peut bien répondre à ces exigences. Cette étude utilise un système robotique téléopéré pour compléter la fixation percutanée transiliaque-transsacrée de vis pour les fractures de l’anneau pelvien. Les détails et le déroulement de ce protocole sont présentés ci-dessous.
Système robotique
Le système de positionnement et de guidage orthopédique maître-esclave (MSOPGS) est principalement composé de trois parties: le robot chirurgical (manipulateur esclave) à sept degrés de liberté (DOF), le manipulateur maître avec retour de force et la console. Le système dispose de quatre modes de fonctionnement : traction manuelle, fonctionnement maître-esclave, centre de mouvement à distance (ROM) et urgence. La figure 1 montre le MSOPPGS; Ses principaux composants sont brièvement décrits ci-dessous.
Le robot chirurgical (voir Tableau des matériaux) est un manipulateur à sept DOF pré-certifié pour l’intégration dans les produits médicaux12. Le robot dispose de capteurs de retour de force qui peuvent détecter les changements de force. Le bras robotique peut être commandé manuellement ou à distance. Un capteur de couple est installé à la pointe et mappé au « maître manipulateur », permettant un retour de force en temps réel. La charge maximale sur le bras robotique est suffisante pour résister aux forces des tissus mous et réduire le flottement des instruments chirurgicaux. Le robot est attaché à une plate-forme mobile pour acquérir un lieu de travail opérationnel et assurer la stabilité. La base est connectée au « Master Manipulator » et au système d’exploitation et peut traiter les instructions du système opérationnel.
Le « Master Manipulator » est conçu pour les industries de la santé afin de contrôler précisément le robot. Cet appareil offre sept DOF actifs, y compris des capacités de préhension de retour de force de haute précision. Son effecteur final couvre l’amplitude naturelle des mouvements de la main humaine. Une stratégie de contrôle incrémentiel est utilisée pour obtenir un contrôle intuitif du bras robotique.
Le système opérationnel fournit quatre méthodes pour contrôler le bras robotique : traction manuelle, mode de fonctionnement maître-esclave, centre de mouvement à distance (RCM) et urgence. Le système opératoire relie le chirurgien et le robot et fournit des alarmes de sécurité. Le mode de traction manuelle permet de faire glisser librement le manipulateur dans une plage de travail spécifique. Le robot est automatiquement verrouillé après avoir été arrêté pendant 5 s. En mode maître-esclave, le chirurgien peut utiliser le « Master Manipulator » pour contrôler le mouvement du bras robotique. Le mode RCM permet à l’instrument chirurgical de pivoter autour de l’extrémité de l’instrument. Le mode RCM est le mieux adapté à la réorientation sur la vue de fluoroscopie axiale du canal, comme le signe de larme radiographique du canal supraacétabulaire et la véritable vue sacrée de la voie osseuse transiliaque-transsacrée. Le manipulateur peut être utilisé pour le freinage d’urgence à n’importe quelle position. La figure 2 montre le flux de travail du système.
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Protocol
L’application de cette technique robotique a été approuvée par le comité d’éthique de l’hôpital Tongji du Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, et elle est conforme à la Déclaration d’Helsinki de 1975, révisée en 2013.
1. Planification préopératoire
- Fixez les peaux cadavériques en décubitus dorsal à l’aide d’une base de plaque fluoroscopique (voir le tableau des matériaux) en insérant deux broches de Schanz à travers le fémur. En décubitus dorsal, placez simultanément les épines iliaques postérieures supérieures sur la planche et les vertèbres lombaires parallèles au sol.
NOTE: Les cadavres donnés ont été embaumés par le Département d’anatomie et de recherche du Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology. Les spécimens pelviens ont été obtenus par transsection au niveau des 5 vertèbres lombaires et en dessous du petit trochanter du fémur. Les organes de la cavité pelvienne ont été enlevés. Les muscles, les capsules articulaires et les structures ligamentaires ont été laissés intacts. - Acquérir des images des peaux depuis le bord supérieur des vertèbres L5 jusqu’au trochanter fémoral distal à l’aide d’une tomodensitométrie en spirale (voir le tableau des matériaux). Traitez les images de tomodensitométrie (TDM) de tous les cadavres à l’aide du poste de travail et stockez-les au format DICOM.
REMARQUE: Paramètres CT: épaisseur de tranche de 0,5 mm, courant 63 mA, tension de 140 kV. - Importez les données de tomodensitométrie dans le logiciel de planification préopératoire (voir le tableau des matériaux) de ce système au format DICOM pour obtenir des images axiales, coronales et sagittales du bassin.
Remarque : Les fichiers DICOM contiennent les informations de la tomodensitométrie et l’image reconstruite peut être obtenue par importation automatique. - Créez un cylindre à l’aide du module MedCAD du logiciel et définissez la taille du cylindre en tapant le diamètre et la longueur. Placez-le dans le corps vertébral S1 ou S2 et ajustez l’orientation de la ligne médiane du cylindre sur les images axiales et coronales. Vérifiez la relation entre le bord du cylindre et l’os cortical dans chaque image.
NOTE: Le cylindre entièrement dans l’os spongieux (à l’exclusion du contact avec l’os cortical) est considéré comme ayant un canal de vis correspondant dans S1 ou S2. La longueur de la ligne médiane du cylindre est la longueur de la vis.
2. Contexte chirurgical
- Fixez le bassin sur la table d’opération fluoroscopique en décubitus dorsal (Figure 1).
- Placez le robot (voir tableau des matériaux) du côté ipsilatéral à 45° de la table d’opération avec l’arceau perpendiculaire à la table d’opération du côté controlatéral. Le moniteur de l’arceau doit faire face à la salle d’opération pour permettre au chirurgien de l’observer (Figure 1).
- Placez le poste de travail du MSOPGS et du manipulateur esclave à l’extérieur de la salle d’opération. Le chirurgien doit être capable d’observer le champ chirurgical et le moniteur d’arceau tout en téléopérant avec le manipulateur d’esclaves (Figure 1).
3. Intervention chirurgicale
REMARQUE : Une fois le système démarré et inspecté, le manipulateur est automatiquement déployé à l’état de fonctionnement.
- Fixez le positionneur de grille avec du ruban adhésif du côté ipsilatéral. Sélectionnez la zone cible à l’aide d’un marqueur de position de grille sur la vue latérale réelle du sacrum. Assurez-vous que le mode de traction manuelle de la console est sélectionné et démarré. Faites glisser le bras robotique vers la zone générale du point d’entrée de la vis transiliaque-transsacrée S1 ou S2 (Figure 3A, B).
REMARQUE: La zone cible est entourée par le bord antérieur du sacrum, le canal nerveux sacré et le canal rachidien. - Visualisez la véritable vue latérale du sacrum, utilisez le manipulateur principal et ajustez la pointe du manchon distal pour qu’elle soit située dans la zone d’entrée du fil guide en mode de fonctionnement maître-esclave (Figure 3C).
- Après avoir sélectionné le mode RCM, continuez la fluoroscopie en arceau pour la vue sacrée latérale. Réglez le centre du manchon du fil guide en cercles concentriques pour qu’il soit cohérent avec le canal de vis (Figure 3D).
- Verrouillez le bras robotique et insérez un fil guide (fil K de 2,5 mm, voir le tableau des matériaux) à travers l’ilium controlatéral à l’aide d’une perceuse électrique. Ensuite, retirez le robot en mode de traction manuelle (Figure 3E).
REMARQUE: Aucune fluoroscopie ne doit être effectuée au cours de cette étape. - Tournez l’arceau en C vers les angles d’entrée et de sortie (différentes pelves ont des angles différents) pour déterminer si le fil guide a percé ou a touché le cortex sacré antérieur et postérieur et le canal nerveux sacré sacré (Figure 3F, G).
- Insérez une vis semi-filetée de 7,3 mm (voir le tableau des matériaux) le long du fil guide jusqu’au cortex iliaque controlatéral.
- Évaluez la position de la vis dans la vue d’entrée et de sortie pelvienne et la vue latérale (Figure 4).
4. Évaluation postopératoire
- Effectuez les étapes 1.2 à 1.3.
REMARQUE: Paramètres CT: épaisseur de tranche de 0,5 mm, courant de 63 mA et tension de 140 kV. - Vérifiez la position de la vis dans chaque image axiale, coronale et sagittale.
NOTE: Les positions des vis ont été évaluées à l’aide de la méthode de Gras. Plus précisément, les vis dans l’os spongieux sont de grade I, les vis en contact avec l’os cortical sont de grade II et les vis qui pénètrent dans l’os cortical sont de grade III. Le grade III représente le mauvais placement de vis et indique un risque de lésion vasculaire et nerveuse13.
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Representative Results
Un chirurgien orthopédique principal a effectué la chirurgie en utilisant la procédure décrite. Toutes les vis (trois en S1 et deux en S2) ont été fixées. Le temps nécessaire (de la première fluoroscopie à rayons X à l’insertion de la vis) pour insérer chacune des cinq vis était de 32 min, 28 min, 26 min, 20 min et 23 min, respectivement. Le temps de fluoroscopie pour chaque vis était d’environ 5 min. Bien que toutes les vis étaient au bon endroit sur les images fluoroscopiques peropératoires, plusieurs articles ont souligné la nécessité de tomodensitogrammes postopératoires pour évaluer le placement de la vis. Aucune vis n’a pénétré l’os cortical sur les tomodensitogrammes postopératoires. Toutes les vis étaient complètement dans l’os spongieux (Figure 4).
Figure 1 : Configuration de l’environnement chirurgical. Le bras robotique est positionné du côté affecté à un angle par rapport à la table d’opération et verrouillé par la base. L’arceau est positionné sur le côté sain du bassin, avec l’affichage de l’image face au chirurgien. Le contrôleur de téléopération est situé à l’extérieur de la salle d’opération. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Flux de travail clinique pour MSOPGS. Après avoir choisi la procédure chirurgicale, les instructions de placement du robot doivent être suivies. Le mode de guidage approximatif signifie que le chirurgien utilise le mode de traction manuelle ou le mode maître-esclave pour déplacer les instruments chirurgicaux dans la position qui les intéresse. Ensuite, réglez la direction du manchon en mode RCM ou en mode de fonctionnement Joystick. En d’autres termes, le mode brut est utilisé pour sélectionner le point d’entrée, et le mode précis est utilisé pour ajuster la direction du fil guide. Le mode de fonctionnement du joystick, utilisé pour les vis obliques de style sacro-iliaque, n’est pas mentionné dans le texte. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Intervention chirurgicale. (A) Localisation de la zone cible à l’aide de la grille avant la chirurgie. (B) Traîner le bras robotique dans la zone cible. (C) En mode de fonctionnement maître-esclave, le bras robotique est positionné plus précisément de manière à ce que le manchon du fil guide soit au point d’entrée souhaité. (D) Le mouvement est effectué autour de l’extrémité distale du manchon du fil guide jusqu’à ce que le manchon apparaisse comme un cercle concentrique. (E-G) Après avoir percé dans le fil guide, la position idéale du fil guide est confirmée sur les images d’entrée et de sortie du bassin. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Reconstruction par tomodensitométrie et radiographies confirmant que la vis était entièrement dans l’os spongieux. (A) Images de reconstruction de la tomodensitométrie sagittale du site médian suggérant que la vis est située dans le S1. (B) La vis n’est pas entrée dans le canal sacré sur l’image de reconstruction CT axiale de la retranche. (C) La vis est sûre sur l’image de reconstruction CT coronale reslice. (D) La vis est située entièrement à l’intérieur de l’os sur la vraie vue latérale du sacrum. (E,F) La vis est à une distance sécuritaire du cortex sacré antérieur et postérieur et du canal nerveux sacré sur les images d’entrée et de sortie. Barres d’échelle (A-C): 2 cm. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
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Discussion
Quel que soit le type de robot, l’application de base des robots en orthopédie fournit un outil avancé aux chirurgiens pour améliorer la précision de la chirurgie. Cependant, l’émergence des robots chirurgicaux ne remplace pas les médecins. Les chirurgiens qui pratiquent la chirurgie robotique peuvent ou non être dans la salle d’opération. Les robots chirurgicaux comprennent généralement un système de contrôle informatique, un bras robotique responsable de l’opération et un système de navigation responsable du suivi. Il existe trois catégories de systèmes robotiques en fonction de la façon dont le robot et le chirurgien interagissent, y compris les systèmes semi-actifs, passifs et actifs14. L’assistance robotique se limite principalement à l’arthroplastie articulaire et aux procédures d’instrumentation vertébrale pour améliorer la précision chirurgicale 2,15,16. L’utilisation de robots en orthopédie traumatologique est relativement rare. Trauma Pod 10 sauve la vie de patients grièvement blessés sur le champ de bataille, et la chirurgie des fractures assistée par robot (RAFS)17 et RepoRobo18 peuvent aider à réduire les fractures fémorales. Le TiRobot est un système de robot semi-automatique qui utilise un algorithme intelligent pour planifier la trajectoire de la vis en fonction d’images préopératoires; il utilise l’imagerie 3D et le suivi optique pour naviguer19,20. Le système ne peut effectuer que la planification préopératoire et la navigation et ne peut pas effectuer d’autres tâches chirurgicales. De même, le système TiRobot joue un rôle dans la détermination de la position de la vis lors d’une chirurgie de fracture du col du fémur21. En tant qu’outil, le MSOPGS se combine aux compétences et aux connaissances des médecins pour rendre la chirurgie plus précise et peu invasive.
Des vis transiliaques-transsacrées percent six couches d’os cortical22. Le canal à vis est si long que des écarts mineurs peuvent entraîner des lésions neurovasculaires iatrogène. Le défi le plus important associé à la technique à main levée est d’ajuster la direction du fil guide dans les vues de sortie et d’entrée. Le fil guide dévie lorsqu’il perce l’os cortical ou sous-chondral. La chirurgie assistée par robot est plus précise que les interventions chirurgicales traditionnelles pour les raisons suivantes. Premièrement, l’amplitude des mouvements de la main du chirurgien n’est pas transférée aux instruments chirurgicaux sur une base individuelle. L’effet d’entartrage réduit l’amplitude des mouvements de l’instrument chirurgical pour faciliter des mouvements plus fins. Deuxièmement, le robot peut maintenir sa position sans aucune déviation. Cependant, on ne sait pas si les tissus mous sont traumatisés lors du mouvement des instruments chirurgicaux. Un seuil de rétroaction est nécessaire pour éviter une tension excessive sur les tissus mous. De plus, le chirurgien peut éviter le danger d’exposition aux rayonnements pendant toute la procédure.
Les nouvelles technologies sont toujours associées à une courbe d’apprentissage. Dans cette étude, par rapport au temps nécessaire pour fixer les trois premières vis, le temps de fonctionnement des deux dernières vis a été considérablement réduit. La logique de téléopération aidera les chirurgiens à créer des connexions dans le cerveau entre l’instrument chirurgical et le maître manipulateur. Les médecins doivent être qualifiés pour placer les vis sacro-iliaques en utilisant la technique à main levée sous fluoroscopie. Dans notre technique, une stratégie de contrôle intuitive a été utilisée pour réduire la difficulté d’utilisation du système. Bien que le maître manipulateur et l’extrémité de l’instrument chirurgical ne soient pas dans le même espace de travail, l’extrémité de l’instrument chirurgical peut se déplacer de manière appropriée avec le maître manipulateur. Le RCM, l’étape la plus cruciale, simplifie grandement le réglage de la direction du fil guide. Le mode RCM garantit que le point d’entrée n’est pas déplacé pendant la rotation, à condition que le point d’entrée soit déterminé. Le chirurgien utilise le maître manipulateur et les instruments chirurgicaux se déplacent dans un espace en forme de cône, où le sommet est le point d’insertion de la vis.
Comme les images sacrées latérales sont utilisées pour la majeure partie de la procédure, les patients doivent maintenir la même position tout au long de la chirurgie. Dans les études cadavériques, le bassin est fixé sur la table chirurgicale. Le tronc du patient peut être fixé à la table d’opération à l’aide d’un harnais dans des environnements chirurgicaux réels. Cependant, les patients sont plus lourds que les cadavres et ne se déplacent pas aussi facilement. Le robot et le patient sont deux parties indépendantes du système. Avec le développement du projet, le robot et le patient formeront un système synchronisé en temps réel à l’aide d’un système de suivi, ce qui signifie que les positions relatives du robot et du patient peuvent rester constantes.
Ce système robotique devrait devenir un élément essentiel de la télémédecine à l’avenir en raison de sa faible latence et de sa compatibilité avec les systèmes chirurgicaux actuels. Les patients ayant subi un traumatisme orthopédique ont une fenêtre de temps spécifique entre la blessure et la chirurgie, en particulier dans le cas de fractures pelviennes et acétabulaires. Dans de tels cas, il est essentiel d’assurer la stabilité circulatoire et de prévenir d’autres lésions systémiques. Les médecins des hôpitaux centraux peuvent utiliser le système de télémédecine pour guider les préparations préopératoires et effectuer une chirurgie complète à distance par le biais du MSOPGS. De plus, ce système combine les technologies de navigation 2D ou 3D, de réalité virtuelle (VR), de réalité augmentée (AR) et de réalité mixte (MR). La technologie de la réalité possède un potentiel important pour la chirurgie orthopédique. La capacité de vérifier les données des patients à tout moment, de faire avancer le plan de l’opération et d’améliorer la précision des interventions améliore la qualité des soins de santé et les résultats pour les patients23. Les données d’imagerie préopératoire peuvent être combinées avec d’autres données visuelles présentées dans un alignement spatialement correct sur la surface du patient. L’intégration d’images multimodales dans la RA/RM fournit aux chirurgiens une fluoroscopie peropératoire en superposant les reconstructions d’images avec des structures anatomiques réelles, éliminant ainsi la nécessité de réutiliser le rayonnement.
Cette étude comporte certaines limites. La taille de l’échantillon pour le bassin utilisé était petite. Bien que nous ayons tenté de simuler complètement les circonstances chirurgicales réelles, il existe des différences significatives entre les études cadavériques et les circonstances opératoires réelles. Ce système doit être affiné pour les applications cliniques.
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Disclosures
Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts concurrents.
Acknowledgments
Aucun.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 160-slice CT | United Imaging Healthcare Surgical Technology Co. Ltd | uCT780 | Acquire the prescise image and DICOM data |
| Electric bone drill | YUTONG Medical | None | Power system |
| Fluoroscopic plate base | None | None | Fix the cadaveric pelves to operating table |
| K-wire | None | 2.5mm | Guidewire |
| Master-Slave Orthopaedic Positioning and Guidance System | United Imaging Healthcare Surgical Technology Co. Ltd | None | A teleoperated robotic system that positions screws for orthopaedic surgery |
| Mimics Innovation Suite | Materialise | Mimics Medical 21 | Preoperative planning software |
| Mobile C-arm | United Imaging Healthcare Surgical Technology Co. Ltd | uMC560i | Low Dose CMOS Mobile C-arm |
| Operating table | KELING | DL·C-I | Fluoroscopic surgical table |
| Schanz pins | Tianjin ZhengTian Medical Instrument Co.,Ltd. | 5.0mm | Fix the cadaveric pelves |
| Semi-threaded screw | Tianjin ZhengTian Medical Instrument Co.,Ltd. | 7.3mm | Transiliac-Transsacral Screw |
| Seven DOF manipulator | KUKA, Germany | LBR Med 7 R800 | Device for performing surgical operations |
References
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