Summary
원격 작동 로봇 시스템 보조 경피적 경질-경수술-경천골 나사 고정은 실현 가능한 기술입니다. 스크류 채널은 로봇 팔의 뛰어난 움직임의 자유와 안정성으로 인해 높은 정확도로 구현할 수 있습니다.
Abstract
경질리악-경천골 나사 고정은 나사가 피질 뼈의 6개 층을 뚫어야 하기 때문에 임상 실습에서 어렵습니다. 경골-경천골 나사는 수직 수직 전단력을 견딜 수 있는 더 긴 레버 암을 제공합니다. 그러나 스크류 채널이 너무 길어서 사소한 불일치로 인해 의원 성 신경 혈관 손상이 발생할 수 있습니다. 의료용 로봇의 개발은 수술의 정밀도를 향상 시켰습니다. 본 프로토콜은 새로운 원격 작동 로봇 시스템을 사용하여 transiliac-transacral 나사 고정을 실행하는 방법을 설명합니다. 로봇은 진입 점을 배치하고 슬리브의 방향을 조정하기 위해 원격으로 작동되었습니다. 스크류 위치는 수술 후 컴퓨터 단층 촬영 (CT)을 사용하여 평가되었습니다. 모든 나사는 수술 중 형광 투시법을 사용하여 확인된 바와 같이 안전하게 이식되었습니다. 수술 후 CT는 모든 나사가 해면골에 있음을 확인했습니다. 이 시스템은 의사의 주도권과 로봇의 안정성을 결합합니다. 이 절차의 원격 제어가 가능합니다. 로봇 보조 수술은 기존 방법에 비해 위치 유지 능력이 더 높습니다. 능동형 로봇 시스템과 달리 외과의는 수술을 완전히 제어할 수 있습니다. 로봇 시스템은 수술실 시스템과 완벽하게 호환되며 추가 장비가 필요하지 않습니다.
Introduction
정형 외과 수술에 활용 된 최초의 로봇 응용 프로그램은 1992 년에 사용 된 ROBODOC 시스템이었습니다1. 그 이후로 로봇 보조 수술 시스템이 빠르게 발전했습니다. 로봇 보조 수술은 사지의 정렬과 관절의 생리적 운동학을 복원하는 외과의의 능력을 향상시켜 관절 성형술을 개선합니다2. 척추 수술에서 로봇을 사용한 척추경 나사의 배치는 안전하고 정확합니다. 또한 외과 의사의 방사선 노출을 줄입니다3. 그러나 로봇 보조 수술에 대한 연구는 외상성 정형 외과 질환의 이질성으로 인해 제한적이었습니다. 기존의 정형외과 외상 로봇 수술에 대한 연구는 주로 골반고리 골절4의 로봇 보조 천장관절 나사 및 치골 나사 고정, 대퇴골 경부의 캐뉼러 나사 고정5, 골수 내 못 박기의 진입점 및 원위 잠금 볼트6,7, 경피적 골절 감소 8,9 및 군사 분야에서의 중상 환자 치료10에 중점을 둡니다.
경피적 스크류 기술은 2D 및 3D 탐색 지원을 사용하여 수행할 수 있습니다. 천장골, 전방 기둥, 후방 기둥, 비구 상부 및 마술 나사는 골반 및 비구 사실에 대한 가장 일반적인 경피적 기술입니다11. 경피적 경골-경천골 스크류 기술은 외과의에게 여전히 어려운 과제입니다. 이 절차에는 골반 해부학 및 X선 형광투시법, 정확한 위치 지정 및 장기적인 손 안정성에 대한 이해가 필요합니다. 원격 작동 로봇 시스템은 이러한 요구 사항을 잘 충족할 수 있습니다. 이 연구는 원격 작동 로봇 시스템을 사용하여 골반 링 골절에 대한 경피적 경골-경천골 나사 고정을 완료합니다. 이 프로토콜의 세부 정보와 워크플로는 아래에 나와 있습니다.
로봇 시스템
마스터-슬레이브 정형외과 포지셔닝 및 안내 시스템(MSOPGS)은 주로 7자유도(DOF)의 수술 로봇(슬레이브 매니퓰레이터), 포스 피드백이 있는 마스터 매니퓰레이터 및 콘솔의 세 부분으로 구성됩니다. 이 시스템에는 수동 견인, 마스터-슬레이브 작동, 원격 동작 중심(ROM) 및 비상 사태의 네 가지 작동 모드가 있습니다. 그림 1 은 MSOPPGS를 보여줍니다. 주요 구성 요소는 아래에 간략하게 설명되어 있습니다.
수술 로봇( 재료 표 참조)은 의료 제품(12)에 통합하도록 사전 인증된 7개의 DOF 조작기입니다. 로봇에는 힘의 변화를 감지할 수 있는 힘 피드백 센서가 있습니다. 로봇 팔은 수동 또는 원격으로 조작할 수 있습니다. 토크 센서가 팁에 설치되고 "마스터 매니퓰레이터"에 매핑되어 실시간 힘 피드백이 가능합니다. 로봇 팔의 최대 하중은 연조직의 힘에 저항하고 수술 도구의 펄럭임을 줄이기에 충분합니다. 로봇은 모바일 플랫폼에 부착되어 운영 작업장을 확보하고 안정성을 보장합니다. 베이스는 "마스터 매니퓰레이터"와 작동 시스템에 연결되어 있으며 작동 시스템의 명령을 처리 할 수 있습니다.
"마스터 매니퓰레이터"는 의료 산업에서 로봇을 정밀하게 제어하도록 설계되었습니다. 이 장치는 고정밀 힘 피드백 파악 기능을 포함하여 7개의 활성 DOF를 제공합니다. 엔드 이펙터는 인간 손의 자연스러운 운동 범위를 커버합니다. 점진적 제어 전략은 로봇 팔의 직관적 인 제어를 달성하는 데 사용됩니다.
수술 시스템은 로봇 팔을 제어하는 네 가지 방법, 즉 수동 견인, 마스터-슬레이브 작동 모드, 원격 동작 중심(RCM) 및 비상 상황을 제공합니다. 수술 시스템은 외과의와 로봇을 연결하고 안전 경보를 제공합니다. 수동 트랙션 모드를 사용하면 특정 작동 범위 내에서 매니퓰레이터를 자유롭게 끌 수 있습니다. 로봇은 5초 동안 정지한 후 자동으로 잠깁니다. 마스터-슬레이브 모드에서 외과의는 "마스터 매니퓰레이터"를 사용하여 로봇 팔의 움직임을 제어할 수 있습니다. RCM 모드를 사용하면 수술 기구가 기구 끝을 중심으로 회전할 수 있습니다. RCM 모드는 비구 상부 채널의 방사선 촬영 눈물 방울 기호 및 경장-경천골 골 경로의 진정한 천골 보기와 같은 채널의 축 방향 형광 투시 보기에서 방향을 변경하는 데 가장 적합합니다. 매니퓰레이터는 어느 위치에서나 비상 제동에 사용할 수 있습니다. 그림 2 는 시스템의 워크플로를 보여줍니다.
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Protocol
이 로봇 기술의 적용은 Huazhong 과학 기술 대학 Tongji 의과 대학 Tongji 병원 윤리위원회의 승인을 받았으며 2013 년에 개정 된 1975 년 헬싱키 선언을 준수합니다.
1. 수술 전 계획
- 대퇴골을 통해 두 개의 Schanz 핀을 삽입하여 형광 투시 플레이트 베이스( 재료 표 참조)를 사용하여 앙와위 위치에 사체 골반을 고정합니다. 앙와위 자세에서 뒤쪽 장골 척추를 판자와 요추를 바닥에 평행하게 동시에 놓습니다.
참고 : 기증 된 시체는 Huazhong 과학 기술 대학의 Tongji 의과 대학 해부학 및 연구과에서 방부 처리되었습니다. 골반 표본은 요추 5 척추의 수준과 대퇴골의 작은 trochanter 아래에서 절개하여 얻었습니다. 골반강의 장기가 제거되었습니다. 근육, 관절낭 및 인대 구조는 그대로 유지되었습니다. - 나선형 CT를 사용하여 L5 척추의 상단 가장자리에서 원위 대퇴 트로 챈터까지 골반의 이미지를 획득합니다 ( 재료 표 참조). 워크스테이션을 사용하여 모든 사체의 컴퓨터 단층 촬영(CT) 이미지를 처리하고 DICOM 형식으로 저장합니다.
참고: CT 매개변수: 0.5mm 슬라이스 두께, 63mA 전류, 140kV 전압. - CT 스캔 데이터를 DICOM 형식으로 이 시스템의 수술 전 계획 소프트웨어( 재료 표 참조)로 가져와 골반의 축, 관상 및 시상 이미지를 얻습니다.
참고: DICOM 파일에는 CT 스캔의 정보가 포함되어 있으며 재구성 된 이미지는 자동 가져 오기로 얻을 수 있습니다. - 소프트웨어의 MedCAD 모듈을 사용하여 원통을 만들고 지름과 길이를 입력하여 원통의 크기를 정의합니다. S1 또는 S2 척추체에 배치하고 축 및 관상 이미지에서 실린더 정중선의 방향을 조정합니다. 각 이미지에서 원통의 가장자리와 피질 뼈 사이의 관계를 확인하십시오.
알림: 해면골 내의 실린더(피질뼈와의 접촉 제외)는 S1 또는 S2에 해당 나사 채널이 있는 것으로 간주됩니다. 실린더의 중간 선의 길이는 나사의 길이입니다.
2. 수술 환경
- 골반을 형광 투시 수술대에 앙와위 자세로 고정합니다(그림 1).
- 로봇( 재료 표 참조)을 수술대에 45°의 동측면에 놓고 C-arm이 반대쪽의 수술대에 수직이 되도록 합니다. C-arm의 모니터는 외과의가 관찰할 수 있도록 수술실을 향해야 합니다(그림 1).
- MSOPGS 및 슬레이브 매니퓰레이터의 워크스테이션을 수술실 외부에 배치합니다. 외과의는 슬레이브 매니퓰레이터로 원격 작동하는 동안 수술 부위와 C-arm 모니터를 관찰할 수 있어야 합니다(그림 1).
3. 수술 절차
주: 시스템이 시작되고 검사된 후 조작기가 자동으로 작동 상태로 배포됩니다.
- 그리드 위치 메이커를 동측면에 접착 테이프로 고정합니다. 천골의 실제 측면도에서 그리드 위치 마커로 대상 영역을 선택하십시오. 콘솔에서 수동 견인 모드가 선택되고 시작되었는지 확인합니다. 로봇 팔을 S1 또는 S2 경장-경천골 나사 진입점의 일반 영역으로 끕니다(그림 3A, B).
참고: 대상 영역은 천골의 앞쪽 경계, 천골 신경관 및 척추관으로 둘러싸여 있습니다. - 천골의 실제 측면도를 시각화하고, 마스터 매니퓰레이터를 작동하고, 마스터-슬레이브 작동 모드에서 가이드와이어 입구 영역에 위치하도록 원위 슬리브의 끝을 조정합니다(그림 3C).
- RCM 모드를 선택한 후 측면 천골 보기를 위해 C-arm 형광투시를 계속합니다. 가이드와이어 슬리브의 중심을 나사 채널과 일치하도록 동심원으로 조정합니다(그림 3D).
- 로봇 팔을 잠그고 전기 드릴을 사용하여 반대쪽 장골을 통해 가이드와이어(2.5mm K-와이어, 재료 표 참조)를 삽입합니다. 그런 다음 수동 견인 모드에서 로봇을 제거합니다(그림 3E).
참고: 이 단계에서는 형광투시법을 수행해서는 안 됩니다. - C-arm을 입구 및 출구 각도(골반마다 각도가 다름)로 돌려 가이드와이어가 전방 및 후방 천골 피질과 천골 신경관을 뚫거나 접촉했는지 확인합니다(그림 3F, G).
- 가이드 와이어를 따라 7.3mm 반나사산 나사 ( 재료 표 참조)를 반대쪽 장골 피질에 삽입합니다.
- 골반 입구 및 출구 보기와 측면 보기에서 나사 위치를 평가합니다(그림 4).
4. 수술 후 평가
- 1.2-1.3단계를 수행합니다.
참고: CT 매개변수: 0.5mm 슬라이스 두께, 63mA 전류 및 140kV 전압. - 각 축, 관상 및 시상 이미지에서 나사 위치를 확인하십시오.
참고: 나사 위치는 Gras의 방법을 사용하여 평가되었습니다. 특히, 해면골의 나사는 등급 I, 피질 뼈와 접촉하는 나사는 등급 II, 피질 뼈를 관통하는 나사는 등급 III입니다. 등급 III은 나사 잘못된 배치를 나타내며 혈관 및 신경 손상의 위험을 나타냅니다13.
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Representative Results
수석 정형 외과 의사는 설명 된 절차를 사용하여 수술을 완료했습니다. 모든 나사(S1에 3개, S2에 2개)가 고정되었습니다. 5개의 나사를 각각 삽입하는 데 걸린 시간(첫 번째 X선 형광투시에서 나사 삽입까지)은 각각 32분, 28분, 26분, 20분 및 23분이었습니다. 각 나사에 대한 형광 투시 시간은 약 5분이었습니다. 모든 나사가 수술 중 형광 투시 이미지의 올바른 위치에 있었지만 여러 기사에서는 나사 배치를 평가하기 위해 수술 후 CT 스캔의 필요성을 강조했습니다. 수술 후 CT 스캔에서 피질 뼈를 관통하는 나사는 없습니다. 모든 나사는 완전히 해면골에 있었습니다(그림 4).
그림 1: 수술 환경 설정 로봇 팔은 수술대와 비스듬히 영향을받는 쪽에 위치하고베이스에 의해 잠겨 있습니다. C-arm은 골반의 건강한 쪽에 위치하며 이미지 디스플레이는 외과의를 향하고 있습니다. 원격 작동을위한 컨트롤러는 수술실 외부에 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: MSOPGS에 대한 임상 워크플로우. 수술 절차를 선택한 후 로봇 배치 지침을 따라야합니다. 대략적인 안내 모드는 외과의가 수동 견인 모드 또는 마스터-슬레이브 모드를 사용하여 수술 도구를 관심 위치로 이동한다는 것을 의미합니다. 그런 다음 RCM 모드 또는 조이스틱 작동 모드에서 슬리브 방향을 조정합니다. 즉, 러프 모드는 진입점을 선택하는 데 사용되고 정밀 모드는 가이드와이어의 방향을 조정하는 데 사용됩니다. 비스듬한 천장 스타일 나사에 사용되는 조이스틱 작동 모드는 텍스트에 언급되어 있지 않습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 수술 절차. (A) 수술 전에 그리드를 사용하여 대상 영역을 찾습니다. (B) 로봇 팔을 대상 영역으로 드래그합니다. (C) 마스터-슬레이브 작동 모드에서는 가이드 와이어 슬리브가 원하는 진입 점에 있도록 로봇 암이보다 정확하게 배치됩니다. (D) 슬리브가 동심원으로 나타날 때까지 가이드 와이어 슬리브의 말단부 주위로 이동합니다. (예) 가이드 와이어를 드릴링 한 후 골반의 입구 및 출구 이미지에서 가이드 와이어의 이상적인 위치를 확인합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 컴퓨터 단층 촬영 재구성 및 나사가 완전히 해면골 내에 있음을 확인하는 X-레이. (A) 나사가 S1에 있음을 시사하는 정중선 부위의 시상 CT 재구성 이미지. (B) 나사가 재슬라이스 축 CT 재구성 이미지에서 천골 운하에 들어가지 않았습니다. (C) 나사는 재슬라이스 코로나 CT 재구성 이미지에서 안전합니다. (D) 나사는 천골의 실제 측면보기에서 뼈 내에 완전히 위치합니다. (E, F) 나사는 입구 및 출구 이미지의 전방 및 후방 천골 피질과 천골 신경관에서 안전한 거리에 있습니다. 스케일 바 (A-C): 2 cm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
로봇의 유형에 관계없이 정형 외과에서 로봇의 핵심 응용 프로그램은 외과의가 수술의 정확성을 향상시킬 수있는 고급 도구를 제공합니다. 그러나 수술 로봇의 출현은 의사를 대체하지 않습니다. 로봇 수술을 수행하는 외과의는 수술실에있을 수도 있고 없을 수도 있습니다. 수술 로봇은 일반적으로 컴퓨터 제어 시스템, 수술을 담당하는 로봇 팔 및 추적을 담당하는 내비게이션 시스템을 포함합니다. 로봇 시스템에는 로봇과 외과의사가 상호작용하는 방식에 따라 반능동, 수동 및 능동 시스템(14)을 포함하는 세 가지 범주가 있다. 로봇 지원은 주로 수술 정확도를 향상시키기 위해 관절 치환술 및 척추 계측 절차로 제한됩니다 2,15,16. 외상 정형 외과에서 로봇을 사용하는 것은 비교적 드뭅니다. Trauma Pod10은 전장에서 중상을 입은 환자의 생명을 구하고 로봇 보조 골절 수술(RAFS)17 및 RepoRobo 18은 대퇴 골절 감소에 도움이 될 수 있습니다. TiRobot은 지능형 알고리즘을 사용하여 수술 전 이미지를 기반으로 나사 궤적을 계획하는 반자동 로봇 시스템입니다. 3D 이미징 및 광학 추적을 사용하여19,20을 탐색합니다. 이 시스템은 수술 전 계획 및 탐색만 수행할 수 있으며 다른 수술 작업은 수행할 수 없습니다. 유사하게, TiRobot 시스템은 대퇴 경부 골절 수술(21) 동안 나사 위치를 결정하는 역할을 한다. 도구로서 MSOPGS는 의사의 기술 및 지식과 결합하여 수술을보다 정확하고 최소 침습적으로 만듭니다.
경골-경질 나사는 피질 뼈22의 6 개 층을 뚫습니다. 스크류 채널이 너무 길어서 사소한 불일치로 인해 의원 성 신경 혈관 손상이 발생할 수 있습니다. 프리핸드 기술과 관련된 가장 중요한 과제는 출구 및 입구 보기에서 가이드와이어 방향을 조정하는 것입니다. 가이드 와이어는 피질 또는 연골 하 뼈를 뚫을 때 편향됩니다. 로봇 보조 수술은 다음과 같은 이유로 기존 수술 절차보다 더 정확합니다. 첫째, 외과 의사의 손 움직임의 진폭은 일대일로 수술 도구로 전달되지 않습니다. 스케일링 효과는 수술 기구의 움직임 진폭을 줄여 더 미세한 움직임을 용이하게 합니다. 둘째, 로봇은 편차없이 위치를 유지할 수 있습니다. 그러나 수술 도구가 움직이는 동안 연조직이 외상을 입는지 여부는 알려져 있지 않습니다. 연조직에 과도한 장력을 피하기 위해 피드백 임계 값이 필요합니다. 또한 외과의 사는 전체 절차 중에 방사선 노출의 위험을 피할 수 있습니다.
새로운 기술은 항상 학습 곡선과 관련이 있습니다. 이 연구에서는 처음 세 개의 나사를 고정하는 데 걸리는 시간에 비해 마지막 두 나사의 작동 시간이 크게 단축되었습니다. 원격 작동 로직은 외과의가 수술 기구와 마스터 매니퓰레이터 사이의 뇌를 연결하는 데 도움이 됩니다. 의사는 형광 투시 아래에 자유형 기술을 사용하여 천장 나사를 배치하는 데 능숙해야 합니다. 우리의 기술에서는 시스템 작동의 어려움을 줄이기 위해 직관적 인 제어 전략이 사용되었습니다. 마스터 매니퓰레이터와 수술 도구의 끝이 동일한 작업 공간에 있지는 않지만 수술 도구의 끝은 마스터 매니퓰레이터와 함께 적절하게 움직일 수 있습니다. 가장 중요한 단계인 RCM은 가이드와이어의 방향 조정을 크게 단순화합니다. RCM 모드는 진입점이 결정된 경우 회전 중에 진입점이 변위되지 않도록 합니다. 외과의는 마스터 매니퓰레이터를 조작하고 수술 도구는 정점이 나사 삽입 지점인 원뿔 모양의 공간에서 움직입니다.
대부분의 시술에는 측면 천골 이미지가 사용되므로 환자는 수술 내내 동일한 위치를 유지해야 합니다. 사체 연구에서 골반은 수술대에 고정됩니다. 환자의 몸통은 실제 수술 환경에서 하네스를 사용하여 수술대에 고정할 수 있습니다. 그러나 환자는 시체보다 무겁고 쉽게 움직이지 않습니다. 로봇과 환자는 시스템의 두 가지 관련이없는 부분입니다. 프로젝트 개발과 함께 로봇과 환자는 추적 시스템을 사용하여 실시간 동기화 시스템을 형성하게 되며, 이는 로봇과 환자의 상대적 위치가 일정하게 유지될 수 있음을 의미합니다.
이 로봇 시스템은 짧은 대기 시간과 현재 수술 시스템과의 호환성으로 인해 향후 원격 의료의 필수적인 부분이 될 것으로 예상됩니다. 정형 외과 외상 환자는 특히 골반 및 비구 골절의 경우 부상과 수술 사이에 특정 시간 창이 있습니다. 이러한 경우 순환 안정성을 보장하고 다른 전신 손상을 예방하는 것이 중요합니다. 중앙 병원의 의사는 원격 의료 시스템을 사용하여 수술 전 준비를 안내하고 MSOPGS를 통해 완전한 원격 수술을 수행할 수 있습니다. 또한 이 시스템은 2D 또는 3D 내비게이션, 가상 현실(VR), 증강 현실(AR) 및 혼합 현실(MR) 기술을 결합합니다. 현실 기술은 정형 외과 수술에 상당한 잠재력을 가지고 있습니다. 언제든지 환자 데이터를 확인하고, 수술 계획을 진행하고, 개입의 정확성을 향상시킬 수 있는 능력은 의료 및 환자 결과의 질을 향상시킵니다23. 수술 전 영상 데이터는 환자의 표면에 공간적으로 정확한 정렬로 제시된 추가 시각적 데이터와 결합될 수 있습니다. AR/MR의 다중 모드 이미지 통합은 이미지 재구성을 실제 해부학적 구조와 오버레이하여 외과의에게 수술 중 형광투시법을 제공하여 방사선을 재사용할 필요가 없습니다.
이 연구에는 몇 가지 한계가 있습니다. 사용된 골반의 표본 크기는 작았다. 실제 수술 상황을 완전히 시뮬레이션하려고 시도했지만 사체 연구와 실제 수술 환경 사이에는 상당한 차이가 있습니다. 이 시스템은 임상 응용 분야를 위해 더욱 개선되어야 합니다.
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Disclosures
저자는 경쟁 이익이 없다고 선언합니다.
Acknowledgments
없음.
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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