Summary
Il fissaggio a vite transiliaco-transsacrale transiliaco transiliaco assistito da sistema robotico teleoperato è una tecnica fattibile. I canali a vite possono essere implementati con elevata precisione grazie all'eccellente libertà di movimento e stabilità dei bracci robotici.
Abstract
La fissazione della vite transiliaca-transsacrale è impegnativa nella pratica clinica poiché le viti devono sfondare sei strati di osso corticale. Le viti transiliache-transsacrali forniscono un braccio di leva più lungo per resistere alle forze di taglio verticali perpendicolari. Tuttavia, il canale della vite è così lungo che una piccola discrepanza può portare a lesioni neurovascolari iatrogene. Lo sviluppo di robot medici ha migliorato la precisione della chirurgia. Il presente protocollo descrive come utilizzare un nuovo sistema robotico teleoperato per eseguire il fissaggio transiliaco-transsacrale della vite. Il robot è stato azionato a distanza per posizionare il punto di ingresso e regolare l'orientamento del manicotto. Le posizioni delle viti sono state valutate utilizzando la tomografia computerizzata postoperatoria (TC). Tutte le viti sono state impiantate in modo sicuro, come confermato utilizzando la fluoroscopia intraoperatoria. La TC postoperatoria ha confermato che tutte le viti erano nell'osso spugnoso. Questo sistema combina l'iniziativa del medico con la stabilità del robot. Il controllo remoto di questa procedura è possibile. La chirurgia assistita da robot ha una maggiore capacità di mantenimento della posizione rispetto ai metodi convenzionali. A differenza dei sistemi robotici attivi, i chirurghi hanno il pieno controllo dell'operazione. Il sistema robotico è completamente compatibile con i sistemi di sala operatoria e non richiede apparecchiature aggiuntive.
Introduction
La prima applicazione robotica utilizzata in chirurgia ortopedica è stato il sistema ROBODOC impiegato nel 19921. Da allora, i sistemi chirurgici assistiti da robot si sono rapidamente sviluppati. La chirurgia assistita da robot migliora l'artroplastica potenziando la capacità del chirurgo di ripristinare l'allineamento dell'arto e la cinematica fisiologica dell'articolazione2. Nella chirurgia spinale, il posizionamento delle viti peduncolari utilizzando un robot è sicuro e accurato; Riduce anche l'esposizione alle radiazioni del chirurgo3. Tuttavia, gli studi sulla chirurgia assistita da robot sono stati limitati a causa dell'eterogeneità delle malattie ortopediche traumatiche. La ricerca esistente sulla chirurgia robotica per traumi ortopedici si concentra principalmente sulle viti articolari sacroiliache assistite da robot e sulla fissazione a vite pubica delle fratture dell'anello pelvico4, sulla fissazione a vite cannulata del collo del femore5, sul punto di ingresso e sui bulloni di bloccaggio distali nelle chiodature intramidollari 6,7, sulla riduzione delle fratture percutanee 8,9 e sul trattamento di pazienti gravemente feriti in campo militare10.
La tecnica della vite percutanea può essere eseguita utilizzando il supporto di navigazione 2D e 3D. Le viti sacroiliache, anteriore, posteriore, sopraacetabolare e magica sono le tecniche percutanee più comuni per i fatti pelvici e acetabolari11. La tecnica percutanea della vite transiliaca-transsacrale rimane impegnativa per i chirurghi. Per questa procedura sono necessari una comprensione dell'anatomia pelvica e della fluoroscopia a raggi X, un posizionamento accurato e la stabilità della mano a lungo termine. Il sistema robotico teleoperato può soddisfare bene questi requisiti. Questo studio utilizza un sistema robotico teleoperato per completare la fissazione percutanea transiliaca-transsacrale della vite per le fratture dell'anello pelvico. I dettagli e il flusso di lavoro di questo protocollo sono presentati di seguito.
Sistema robotizzato
Il Master-Slave Orthopaedic Positioning and Guidance System (MSOPGS) è composto principalmente da tre parti: il robot chirurgico (Slave Manipulator) con sette gradi di libertà (DOF), il Master Manipulator con force feedback e la console. Il sistema ha quattro modalità operative: trazione manuale, funzionamento master-slave, centro di movimento remoto (ROM) e emergenza. La Figura 1 mostra gli MSOPPGS; I suoi componenti principali sono brevemente descritti di seguito.
Il robot chirurgico (vedi Tabella dei materiali) è un manipolatore a sette DOF che è pre-certificato per l'integrazione in prodotti medici12. Il robot ha sensori di feedback di forza in grado di rilevare i cambiamenti di forza. Il braccio robotico può essere azionato manualmente o da remoto. Un sensore di coppia è installato sulla punta e mappato sul "Master Manipulator", consentendo un feedback di forza in tempo reale. Il carico massimo sul braccio robotico è sufficiente per resistere alle forze dei tessuti molli e ridurre lo svolazzamento degli strumenti chirurgici. Il robot è collegato a una piattaforma mobile per acquisire un posto di lavoro operativo e garantire la stabilità. La base è collegata al "Master Manipulator" e al sistema operativo e può elaborare le istruzioni dal sistema operativo.
Il "Master Manipulator" è progettato per le industrie sanitarie per controllare con precisione il robot. Questo dispositivo offre sette DOF attivi, tra cui capacità di presa con feedback di forza ad alta precisione. Il suo effettore finale copre la gamma naturale di movimento della mano umana. Una strategia di controllo incrementale viene utilizzata per ottenere un controllo intuitivo del braccio robotico.
Il sistema operativo fornisce quattro metodi per il controllo del braccio robotico: trazione manuale, modalità operativa master-slave, centro di movimento remoto (RCM) e emergenza. Il sistema operativo collega il chirurgo e il robot e fornisce allarmi di sicurezza. La modalità di trazione manuale consente di trascinare liberamente il manipolatore all'interno di un intervallo di lavoro specifico. Il robot viene bloccato automaticamente dopo essere stato fermato per 5 secondi. Nella modalità master-slave, il chirurgo può utilizzare il "Master Manipulator" per controllare il movimento del braccio robotico. La modalità RCM consente allo strumento chirurgico di ruotare attorno all'estremità dello strumento. La modalità RCM è più adatta al riorientamento sulla vista della fluoroscopia assiale del canale, come il segno radiografico a goccia del canale sopraacetabolare e la vera vista sacrale della via ossea transiliaca-transsacrale. Il manipolatore può essere utilizzato per la frenata di emergenza in qualsiasi posizione. Nella Figura 2 viene illustrato il flusso di lavoro del sistema.
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Protocol
L'applicazione di questa tecnica robotica è stata approvata dal comitato etico del Tongji Hospital del Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, ed è conforme alla Dichiarazione di Helsinki del 1975, come rivista nel 2013.
1. Pianificazione preoperatoria
- Fissare le pelvi cadaveriche in posizione supina utilizzando una base di piastra fluoroscopica (vedi Tabella dei materiali) inserendo due perni Schanz attraverso il femore. In posizione supina, posizionare entrambe le spine iliache superiori posteriori contemporaneamente sulla tavola e le vertebre lombari parallele al pavimento.
NOTA: I cadaveri donati sono stati imbalsamati dal Dipartimento di Anatomia e Ricerca, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology. I campioni pelvici sono stati ottenuti per transezione a livello delle 5 vertebre lombari e sotto il piccolo trocantere del femore. Gli organi nella cavità pelvica sono stati rimossi. I muscoli, le capsule articolari e le strutture legamentose sono stati lasciati intatti. - Acquisire immagini delle pelve dal bordo superiore delle vertebre L5 al trocantere femorale distale utilizzando una TC spirale (vedi Tabella dei materiali). Elaborare le immagini di tomografia computerizzata (TC) di tutti i cadaveri utilizzando la workstation e memorizzarle nel formato DICOM.
NOTA: Parametri CT: spessore fetta 0,5 mm, corrente 63 mA, tensione 140 kV. - Importare i dati della scansione TC nel software di pianificazione preoperatoria (vedi Tabella dei materiali) di questo sistema nel formato DICOM per ottenere immagini assiali, coronali e sagittali del bacino.
NOTA: i file DICOM contengono le informazioni della scansione CT e l'immagine ricostruita può essere ottenuta mediante importazione automatica. - Creare un cilindro utilizzando il modulo MedCAD del software e definire la dimensione del cilindro digitando il diametro e la lunghezza. Posizionalo nel corpo vertebrale S1 o S2 e regola l'orientamento della linea mediana del cilindro sulle immagini assiali e coronali. Controlla la relazione tra il bordo del cilindro e l'osso corticale in ogni immagine.
NOTA: Si ritiene che il cilindro interamente all'interno dell'osso spugnoso (escluso il contatto con l'osso corticale) abbia un canale a vite corrispondente in S1 o S2. La lunghezza della linea mediana del cilindro è la lunghezza della vite.
2. Impostazione chirurgica
- Fissare il bacino sul tavolo operatorio fluoroscopico in posizione supina (Figura 1).
- Posizionare il robot (vedi Tabella dei materiali) sul lato omolaterale a 45° rispetto al tavolo operatorio con il braccio a C perpendicolare al tavolo operatorio sul lato controlaterale. Il monitor del braccio a C deve essere rivolto verso la sala operatoria per consentire al chirurgo di osservarlo (Figura 1).
- Posizionare la workstation di MSOPGS e Slave Manipulator fuori dalla sala operatoria. Il chirurgo deve essere in grado di osservare il campo chirurgico e il monitor del braccio a C mentre teleopera con lo Slave-Manipulator (Figura 1).
3. Procedura chirurgica
NOTA: dopo l'avvio e l'ispezione del sistema, il manipolatore viene automaticamente distribuito allo stato di funzionamento.
- Fissare il creatore di posizione della griglia con nastro adesivo sul lato omolaterale. Selezionare l'area di destinazione tramite un indicatore di posizione della griglia sulla vista laterale reale dell'osso sacro. Assicurarsi che la modalità di trazione manuale sulla console sia selezionata e avviata. Trascinare il braccio robotico nell'area generale del punto di ingresso della vite transiliaca-transsacrale S1 o S2 (Figura 3A, B).
NOTA: L'area bersaglio è racchiusa dal bordo anteriore dell'osso sacro, dal canale nervoso sacrale e dal canale spinale. - Visualizzare la vera vista laterale dell'osso sacro, azionare il Master Manipolatore e regolare la punta del manicotto distale in modo che si trovi nell'area di ingresso del filo guida nella modalità operativa Master-Slave (Figura 3C).
- Dopo aver selezionato la modalità RCM, continuare la fluoroscopia del braccio a C per la vista sacrale laterale. Regolare il centro del manicotto del filo guida in cerchi concentrici per essere coerente con il canale della vite (Figura 3D).
- Bloccare il braccio robotico e inserire un filo guida (filo K da 2,5 mm, vedi Tabella dei materiali) attraverso l'ileo controlaterale usando un trapano elettrico. Quindi, rimuovere il robot in modalità di trazione manuale (Figura 3E).
NOTA: durante questa fase non deve essere eseguita alcuna fluoroscopia. - Ruotare il braccio a C verso gli angoli di ingresso e uscita (diverse pelve hanno angoli diversi) per determinare se il filo guida ha sfondato o contattato la corteccia sacrale anteriore e posteriore e il canale nervoso sacrale (Figura 3F, G).
- Inserire una vite semifilettata da 7,3 mm (vedere la tabella dei materiali) lungo il filo guida verso la corteccia iliaca controlaterale.
- Valutare la posizione della vite nella vista di ingresso e uscita pelvica e nella vista laterale (Figura 4).
4. Valutazione postoperatoria
- Eseguire i passaggi 1.2-1.3.
NOTA: parametri CT: spessore della fetta di 0,5 mm, corrente 63 mA e tensione di 140 kV. - Controllare la posizione della vite in ciascuna immagine assiale, coronale e sagittale.
NOTA: Le posizioni delle viti sono state valutate utilizzando il metodo di Gras. In particolare, le viti nell'osso spugnoso sono di grado I, le viti a contatto con l'osso corticale sono di grado II e le viti che penetrano nell'osso corticale sono di grado III. Il grado III rappresenta l'errato posizionamento della vite e indica un rischio di lesioni vascolari e nervose13.
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Representative Results
Un chirurgo ortopedico senior ha completato l'intervento chirurgico utilizzando la procedura descritta. Tutte le viti (tre in S1 e due in S2) sono state fissate. Il tempo impiegato (dalla prima fluoroscopia a raggi X all'inserimento della vite) per l'inserimento di ciascuna delle cinque viti è stato rispettivamente di 32 min, 28 min, 26 min, 20 min e 23 min. Il tempo di fluoroscopia per ogni vite è stato di circa 5 minuti. Sebbene tutte le viti fossero nel posto corretto sulle immagini fluoroscopiche intraoperatorie, diversi articoli hanno evidenziato la necessità di scansioni TC postoperatorie per valutare il posizionamento della vite. Nessuna vite è penetrata nell'osso corticale sulle scansioni TC postoperatorie. Tutte le viti erano completamente nell'osso spugnoso (Figura 4).
Figura 1: Configurazione dell'ambiente chirurgico. Il braccio robotico è posizionato sul lato interessato ad angolo rispetto al tavolo operatorio e bloccato dalla base. Il braccio a C è posizionato sul lato sano del bacino, con il display dell'immagine rivolto verso il chirurgo. Il controller per la teleoperazione si trova all'esterno della sala operatoria. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 2: Flusso di lavoro clinico per MSOPGS. Dopo aver scelto la procedura chirurgica, è necessario seguire le istruzioni di posizionamento del robot. La modalità di guida approssimativa significa che il chirurgo utilizza la modalità di trazione manuale o la modalità Master-Slave per spostare gli strumenti chirurgici nella posizione di interesse. Quindi, regolare la direzione del manicotto in modalità RCM o Joystick. In altre parole, la modalità di abbozzo viene utilizzata per selezionare il punto di ingresso e la modalità precisa viene utilizzata per regolare la direzione del filo guida. La modalità di funzionamento del joystick, utilizzata per le viti oblique in stile sacroiliaco, non è menzionata nel testo. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 3: Procedura chirurgica. (A) Localizzazione dell'area bersaglio utilizzando la griglia prima dell'intervento chirurgico. (B) Trascinare il braccio robotico nell'area bersaglio. (C) In modalità operativa Master-Slave, il braccio robotico è posizionato in modo più preciso in modo che il manicotto del filo guida si trovi nel punto di ingresso desiderato. (D) Il movimento viene effettuato attorno all'estremità distale del manicotto del filo guida fino a quando il manicotto appare come un cerchio concentrico. (E-G) Dopo aver perforato il filo guida, la posizione ideale del filo guida viene confermata sulle immagini di ingresso e uscita del bacino. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 4: Ricostruzione della tomografia computerizzata e raggi X che confermano che la vite era interamente all'interno dell'osso spugnoso. (A) Immagini di ricostruzione TC sagittale del sito della linea mediana che suggeriscono che la vite si trova nella S1. (B) La vite non è entrata nel canale sacrale sull'immagine di ricostruzione TC assiale della reslice. (C) La vite è sicura sull'immagine di ricostruzione TC coronale di reslice. (D) La vite si trova interamente all'interno dell'osso sulla vera vista laterale dell'osso sacro. (E,F) La vite si trova a una distanza di sicurezza dalla corteccia sacrale anteriore e posteriore e dal canale nervoso sacrale sulle immagini di ingresso e uscita. Barre della scala (A-C): 2 cm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Indipendentemente dal tipo di robot, l'applicazione principale dei robot in ortopedia fornisce uno strumento avanzato per i chirurghi per migliorare l'accuratezza della chirurgia. Tuttavia, l'emergere di robot chirurgici non è un sostituto per i medici. I chirurghi che eseguono interventi chirurgici robotici possono o non possono essere in sala operatoria. I robot chirurgici includono generalmente un sistema di controllo computerizzato, un braccio robotico responsabile dell'operazione e un sistema di navigazione responsabile del monitoraggio. Esistono tre categorie di sistemi robotici a seconda di come il robot e il chirurgo interagiscono, inclusi i sistemi semi-attivi, passivi e attivi14. L'assistenza robotica è principalmente limitata alle procedure di artroplastica articolare e strumentazione spinale per migliorare l'accuratezza chirurgica 2,15,16. L'uso di robot nell'ortopedia traumatologica è relativamente raro. Trauma Pod10 salva la vita di pazienti gravemente feriti sul campo di battaglia e la chirurgia delle fratture assistita da robot (RAFS)17 e RepoRobo 18 possono aiutare nella riduzione delle fratture femorali. Il TiRobot è un sistema robotico semiautomatico che utilizza un algoritmo intelligente per pianificare la traiettoria della vite sulla base di immagini preoperatorie; utilizza l'imaging 3D e il tracciamento ottico per navigare19,20. Il sistema può eseguire solo la pianificazione e la navigazione preoperatoria e non può eseguire altri compiti chirurgici. Allo stesso modo, il sistema TiRobot svolge un ruolo nel determinare la posizione della vite durante l'intervento chirurgico di frattura del collo del femore21. Come strumento, MSOPGS si combina con le competenze e le conoscenze dei medici per rendere la chirurgia più accurata e minimamente invasiva.
Le viti transiliache-transsacrali sfondano sei strati di osso corticale22. Il canale della vite è così lungo che piccole discrepanze possono causare lesioni neurovascolari iatrogene. La sfida più significativa associata alla tecnica a mano libera è la regolazione della direzione del filo guida nelle viste di uscita e ingresso. Il filo guida devia quando sfonda l'osso corticale o subcondrale. La chirurgia assistita da robot è più precisa delle procedure chirurgiche tradizionali per i seguenti motivi. In primo luogo, l'ampiezza dei movimenti della mano del chirurgo non viene trasferita agli strumenti chirurgici su base individuale. L'effetto di ridimensionamento riduce l'ampiezza dei movimenti dello strumento chirurgico per facilitare i movimenti più fini. In secondo luogo, il robot può mantenere la sua posizione senza alcuna deviazione. Tuttavia, non è noto se i tessuti molli siano traumatizzati durante il movimento degli strumenti chirurgici. È necessaria una soglia di feedback per evitare un'eccessiva tensione sui tessuti molli. Inoltre, il chirurgo può evitare il pericolo di esposizione alle radiazioni durante l'intera procedura.
La nuova tecnologia è sempre associata a una curva di apprendimento. In questo studio, rispetto al tempo impiegato per fissare le prime tre viti, il tempo di funzionamento delle ultime due viti è stato significativamente ridotto. La logica della teleoperazione aiuterà i chirurghi a creare connessioni nel cervello tra lo strumento chirurgico e il Master Manipulator. I medici dovrebbero essere esperti nel posizionare le viti sacroiliache usando la tecnica a mano libera sotto fluoroscopia. Nella nostra tecnica, è stata utilizzata una strategia di controllo intuitiva per ridurre la difficoltà di funzionamento del sistema. Sebbene il Master Manipolatore e l'estremità dello strumento chirurgico non si trovino nello stesso spazio di lavoro, l'estremità dello strumento chirurgico può muoversi in modo appropriato con il Master Manipolatore. L'RCM, il passo più cruciale, semplifica enormemente la regolazione della direzione del filo guida. La modalità RCM garantisce che il punto di ingresso non venga spostato durante la rotazione, a condizione che il punto di ingresso sia determinato. Il chirurgo aziona il Master Manipulator e gli strumenti chirurgici si muovono in uno spazio simile a un cono, dove l'apice è il punto di inserimento della vite.
Poiché le immagini sacrali laterali vengono utilizzate per la maggior parte della procedura, i pazienti devono mantenere la stessa posizione durante l'intervento chirurgico. Negli studi cadaverici, il bacino è fissato sul tavolo chirurgico. Il tronco del paziente può essere fissato al tavolo chirurgico utilizzando un'imbracatura in contesti chirurgici reali. Tuttavia, i pazienti sono più pesanti dei cadaveri e non si muovono così facilmente. Il robot e il paziente sono due parti non correlate del sistema. Con lo sviluppo del progetto, il robot e il paziente formeranno un sistema sincronizzato in tempo reale utilizzando un sistema di tracciamento, il che significa che le posizioni relative del robot e del paziente possono rimanere costanti.
Si prevede che questo sistema robotico diventerà una parte essenziale della telemedicina in futuro grazie alla sua bassa latenza e compatibilità con gli attuali sistemi chirurgici. I pazienti con trauma ortopedico hanno una finestra temporale specifica tra lesione e chirurgia, soprattutto nel caso di fratture pelviche e acetabolari. In questi casi, garantire la stabilità circolatoria e prevenire altre lesioni sistemiche sono fondamentali. I medici degli ospedali centrali possono utilizzare il sistema di telemedicina per guidare i preparativi preoperatori ed eseguire interventi chirurgici completi a distanza attraverso il MSOPGS. Inoltre, questo sistema combina la navigazione 2D o 3D, la realtà virtuale (VR), la realtà aumentata (AR) e le tecnologie di realtà mista (MR). La tecnologia della realtà possiede un potenziale significativo per la chirurgia ortopedica. La capacità di verificare i dati dei pazienti in qualsiasi momento, far avanzare il piano dell'operazione e migliorare la precisione degli interventi migliora la qualità dell'assistenza sanitaria e gli esiti dei pazienti23. I dati di imaging preoperatorio possono essere combinati con ulteriori dati visivi presentati in un allineamento spazialmente corretto alla superficie del paziente. L'integrazione di immagini multimodali in AR/MR fornisce ai chirurghi la fluoroscopia intraoperatoria sovrapponendo le ricostruzioni delle immagini con strutture anatomiche reali, eliminando così la necessità di riutilizzare le radiazioni.
Questo studio ha alcune limitazioni. La dimensione del campione per il bacino utilizzato era piccola. Sebbene abbiamo tentato di simulare completamente la reale circostanza chirurgica, ci sono differenze significative tra gli studi cadaverici e le circostanze operative reali. Questo sistema deve essere ulteriormente perfezionato per le applicazioni cliniche.
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Disclosures
Gli autori dichiarano di non avere interessi concorrenti.
Acknowledgments
Nessuno.
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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