Summary
A fixação por parafuso transilíaco-transsacral assistida por sistema robótico teleoperado é uma técnica viável. Os canais de parafuso podem ser implementados com alta precisão devido à excelente liberdade de movimento e estabilidade dos braços robóticos.
Abstract
A fixação do parafuso transilíaco-transsacral é um desafio na prática clínica, pois os parafusos precisam romper seis camadas de osso cortical. Os parafusos transilíaco-transsacros fornecem um braço de alavanca mais longo para suportar as forças de cisalhamento verticais perpendiculares. No entanto, o canal do parafuso é tão longo que uma pequena discrepância pode levar a lesões neurovasculares iatrogênicas. O desenvolvimento de robôs médicos melhorou a precisão da cirurgia. O presente protocolo descreve como usar um novo sistema robótico teleoperado para executar a fixação de parafuso transilíaco-transsacral. O robô foi operado remotamente para posicionar o ponto de entrada e ajustar a orientação da manga. As posições dos parafusos foram avaliadas por meio de tomografia computadorizada (TC) pós-operatória. Todos os parafusos foram implantados com segurança, conforme confirmado por fluoroscopia intraoperatória. A TC pós-operatória confirmou que todos os parafusos estavam no osso esponjoso. Este sistema combina a iniciativa do médico com a estabilidade do robô. O controle remoto deste procedimento é possível. A cirurgia assistida por robô tem uma maior capacidade de retenção de posição em comparação com os métodos convencionais. Em contraste com os sistemas robóticos ativos, os cirurgiões têm controle total sobre a operação. O sistema do robô é totalmente compatível com os sistemas de sala de cirurgia e não requer equipamentos adicionais.
Introduction
A primeira aplicação robótica utilizada em cirurgia ortopédica foi o sistema ROBODOC empregado em 19921. Desde então, os sistemas cirúrgicos assistidos por robôs se desenvolveram rapidamente. A cirurgia assistida por robô melhora a artroplastia, aumentando a capacidade do cirurgião de restaurar o alinhamento do membro e a cinemática fisiológica da articulação2. Na cirurgia da coluna vertebral, a colocação de parafusos pediculares usando um robô é segura e precisa; também reduz a exposição ao cirurgião à radiação3. No entanto, os estudos sobre cirurgia assistida por robô têm sido limitados devido à heterogeneidade das doenças ortopédicas traumáticas. A pesquisa existente sobre cirurgia robótica para trauma ortopédico concentra-se principalmente em parafusos articulares sacroilíacos assistidos por robô e fixação por parafuso púbico de fraturas de anel pélvico4, fixação de parafuso canulado do colo femoral5, ponto de entrada e parafusos de travamento distal em pregas intramedulares 6,7, redução de fratura percutânea 8,9 e tratamento de pacientes gravemente feridos no campo militar10.
A técnica de parafuso percutâneo pode ser realizada utilizando suporte de navegação 2D e 3D. Os parafusos sacroilíaco, coluna anterior, coluna posterior, supraacetabular e mágico são as técnicas percutâneas mais comuns para facturas pélvicas e acetabulares11. A técnica de parafuso transilíaco-transsacral percutâneo permanece desafiadora para os cirurgiões. Uma compreensão da anatomia pélvica e fluoroscopia de raios-X, posicionamento preciso e estabilidade da mão a longo prazo são necessários para este procedimento. O sistema robótico teleoperado pode atender bem a esses requisitos. Este estudo utiliza um sistema robótico teleoperado para completar a fixação percutânea do parafuso transilíaco-transsacral para fraturas do anel pélvico. Os detalhes e o fluxo de trabalho deste protocolo são apresentados abaixo.
Sistema robótico
O Sistema de Orientação e Posicionamento Ortopédico Mestre-Escravo (MSOPGS) é composto principalmente por três partes: o Robô cirúrgico (Manipulador de Escravos) com sete graus de liberdade (DOF), o Mestre Manipulador com feedback de força e o console. O sistema tem quatro modos de operação: tração manual, operação mestre-escravo, centro remoto de movimento (ROM) e emergência. A Figura 1 mostra o MSOPPGS; seus principais componentes são brevemente descritos abaixo.
O robô cirúrgico (ver Tabela de Materiais) é um manipulador DOF de sete pré-certificados para integração em produtos médicos12. O robô possui sensores de feedback de força que podem detectar mudanças na força. O braço robótico pode ser operado manualmente ou remotamente. Um sensor de torque é instalado na ponta e mapeado para o "Master Manipulator", permitindo o feedback de força em tempo real. A carga máxima no braço robótico é suficiente para resistir às forças dos tecidos moles e reduzir a vibração dos instrumentos cirúrgicos. O robô é conectado a uma plataforma móvel para adquirir um local de trabalho operacional e garantir a estabilidade. A base é conectada ao "Master Manipulator" e ao sistema operacional e pode processar instruções do sistema operacional.
O "Master Manipulator" é projetado para as indústrias de saúde para controlar com precisão o robô. Este dispositivo oferece sete DOF ativos, incluindo recursos de apreensão de feedback de força de alta precisão. Seu efetor final cobre a amplitude natural de movimento da mão humana. Uma estratégia de controle incremental é usada para obter o controle intuitivo do braço robótico.
O sistema operativo fornece quatro métodos para controlar o braço robótico: tração manual, modo de operação mestre-escravo, centro remoto de movimento (RCM) e emergência. O sistema operatório liga o cirurgião e o robô e fornece alarmes de segurança. O modo de tração manual permite que o manipulador seja arrastado livremente dentro de uma faixa de trabalho específica. O robô é bloqueado automaticamente depois de ser parado por 5 s. No modo mestre-escravo, o cirurgião pode usar o "Mestre Manipulador" para controlar o movimento do braço robótico. O modo RCM permite que o instrumento cirúrgico gire em torno da extremidade do instrumento. O modo RCM é mais adequado para a reorientação na visão da fluoroscopia axial do canal, como o sinal radiográfico lacrimal do canal supraacetabular e a verdadeira visão sacral da via óssea transilíaco-transsacral. O manipulador pode ser usado para frenagem de emergência em qualquer posição. A Figura 2 mostra o fluxo de trabalho do sistema.
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Protocol
A aplicação desta técnica robótica foi aprovada pelo comitê de ética do Hospital Tongji da Faculdade de Medicina de Tongji, Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong, e está em conformidade com a Declaração de Helsinque de 1975, revisada em 2013.
1. Planejamento pré-operatório
- Fixar as peles cadavéricas na posição supina utilizando uma base de placa fluoroscópica (ver Tabela de Materiais) inserindo dois pinos Schanz através do fémur. Na posição supina, coloque as espinhas ilíacas posteriores superiores simultaneamente na prancha e as vértebras lombares paralelas ao chão.
NOTA: Os cadáveres doados foram embalsamados pelo Departamento de Anatomia e Pesquisa, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology. Os espécimes pélvicos foram obtidos por transecção ao nível das 5 vértebras lombares e abaixo do trocanter menor do fêmur. Os órgãos da cavidade pélvica foram removidos. Os músculos, cápsulas articulares e estruturas ligamentares foram deixados intactos. - Adquira imagens das pelves da borda superior das vértebras L5 para o trocanter femoral distal usando uma TC espiral (ver Tabela de Materiais). Processe as imagens de tomografia computadorizada (TC) de todos os cadáveres usando a estação de trabalho e armazene-as no formato DICOM.
NOTA: Parâmetros de TC: espessura de fatia de 0,5 mm, corrente de 63 mA, tensão de 140 kV. - Importe os dados da tomografia computadorizada para o software de planejamento pré-operatório (ver Tabela de Materiais) deste sistema no formato DICOM para obter imagens axiais, coronais e sagitais da pelve.
Observação : Os arquivos DICOM contêm as informações da tomografia computadorizada e a imagem reconstruída pode ser obtida por importação automática. - Crie um cilindro usando o módulo MedCAD do software e defina o tamanho do cilindro digitando o diâmetro e o comprimento. Coloque-o no corpo vertebral S1 ou S2 e ajuste a orientação da linha média do cilindro nas imagens axiais e coronais. Verifique a relação entre a borda do cilindro e o osso cortical em cada imagem.
NOTA: Considera-se que o cilindro inteiramente dentro do osso esponjoso (excluindo o contacto com o osso cortical) tem um canal de parafuso correspondente em S1 ou S2. O comprimento da linha do meio do cilindro é o comprimento do parafuso.
2. Ambiente cirúrgico
- Fixar a pelve na mesa de operação fluoroscópica na posição supina (Figura 1).
- Coloque o robô (ver Tabela de Materiais) no lado ipsilateral a 45° da mesa de operação com o braço C perpendicular à mesa de operação no lado contralateral. O monitor do braço C deve estar voltado para a sala de cirurgia para que o cirurgião possa observá-lo (Figura 1).
- Coloque a estação de trabalho do MSOPGS e do Manipulador Escravo fora da sala de cirurgia. O cirurgião deve ser capaz de observar o campo cirúrgico e o monitor do braço C durante a teleoperação com o Manipulador de Escravos (Figura 1).
3. Procedimento cirúrgico
Observação : depois que o sistema é iniciado e inspecionado, o manipulador é implantado automaticamente no estado de trabalho.
- Fixe o fabricante da posição da grade com fita adesiva no lado ipsilateral. Selecione a área de destino por um marcador de posição de grade na visão lateral verdadeira do sacro. Verifique se o modo de tração manual no console está selecionado e iniciado. Arraste o braço robótico para a área geral do ponto de entrada do parafuso transilíaco-transsacral S1 ou S2 (Figura 3A, B).
NOTA: A área alvo é delimitada pela borda anterior do sacro, o canal nervoso sacral e o canal espinhal. - Visualize a verdadeira visão lateral do sacro, opere o Manipulador Mestre e ajuste a ponta da manga distal para estar localizada na área de entrada do fio-guia no modo de operação Mestre-Escravo (Figura 3C).
- Depois de selecionar o modo RCM, continue a fluoroscopia do braço C para a visão sacral lateral. Ajuste o centro da manga do fio-guia em círculos concêntricos para ser consistente com o canal do parafuso (Figura 3D).
- Trave o braço robótico e insira um fio-guia (fio K de 2,5 mm, consulte Tabela de materiais) através do ílio contralateral usando uma broca elétrica. Em seguida, remova o robô no modo de tração manual (Figura 3E).
NOTA: Nenhuma fluoroscopia deve ser realizada durante esta etapa. - Gire o braço C para os ângulos de entrada e saída (diferentes pelves têm ângulos diferentes) para determinar se o fio-guia rompeu ou entrou em contato com o córtex sacral anterior e posterior e o canal nervoso sacral (Figura 3F, G).
- Insira um parafuso semirosqueado de 7,3 mm (ver Tabela de Materiais) ao longo do fio-guia até o córtex ilíaco contralateral.
- Avaliar a posição do parafuso na vista de entrada e saída pélvica e na vista lateral (Figura 4).
4. Avaliação pós-operatória
- Execute as etapas 1.2-1.3.
NOTA: Parâmetros de TC: espessura de fatia de 0,5 mm, corrente de 63 mA e tensão de 140 kV. - Verifique a posição do parafuso em cada imagem axial, coronal e sagital.
NOTA: As posições dos parafusos foram avaliadas pelo método de Gras. Especificamente, os parafusos no osso esponjoso são de Grau I, os parafusos em contato com o osso cortical são de Grau II e os parafusos que penetram no osso cortical são de Grau III. O grau III representa o extravio do parafuso e indica risco de lesão vascular e nervosa13.
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Representative Results
Um cirurgião ortopédico sênior completou a cirurgia usando o procedimento descrito. Todos os parafusos (três em S1 e dois em S2) foram fixados. O tempo necessário (desde a primeira fluoroscopia de raios X até a inserção do parafuso) para a inserção de cada um dos cinco parafusos foi de 32 min, 28 min, 26 min, 20 min e 23 min, respectivamente. O tempo de fluoroscopia para cada parafuso foi de aproximadamente 5 min. Embora todos os parafusos estivessem no local correto nas imagens fluoroscópicas intraoperatórias, vários artigos destacaram a necessidade de tomografias computadorizadas pós-operatórias para avaliar a colocação do parafuso. Nenhum parafuso penetrou no osso cortical na tomografia computadorizada pós-operatória. Todos os parafusos estavam completamente no osso esponjoso (Figura 4).
Figura 1: Configuração do ambiente cirúrgico. O braço robótico é posicionado no lado afetado em um ângulo com a mesa de operação e travado pela base. O braço C é posicionado no lado saudável da pelve, com a exibição da imagem voltada para o cirurgião. O controlador para teleoperação está localizado fora da sala de cirurgia. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Fluxo de trabalho clínico para MSOPGS. Depois de escolher o procedimento cirúrgico, as instruções de colocação do robô devem ser seguidas. O modo de orientação aproximada significa que o cirurgião usa o modo de tração manual ou o modo Mestre-Escravo para mover os instrumentos cirúrgicos para a posição de interesse. Em seguida, ajuste a direção da manga no modo RCM ou no modo de funcionamento do Joystick. Em outras palavras, o modo áspero é usado para selecionar o ponto de entrada, e o modo preciso é usado para ajustar a direção do fio-guia. O modo de operação do joystick, usado para os parafusos oblíquos de estilo sacroilíaco, não é mencionado no texto. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Procedimento cirúrgico. (A) Localização da área-alvo usando a grade antes da cirurgia. (B) Arrastar o braço robótico para a área alvo. (C) No modo de operação Mestre-Escravo, o braço robótico é posicionado com mais precisão para que a manga do fio-guia esteja no ponto de entrada desejado. (D) O movimento é feito em torno da extremidade distal da manga do fio-guia até que a manga apareça como um círculo concêntrico. (E-G) Após a perfuração no fio-guia, a posição ideal do fio-guia é confirmada nas imagens de entrada e saída da pelve. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Reconstrução por tomografia computadorizada e radiografias confirmando que o parafuso estava inteiramente dentro do osso esponjoso. (A) Imagens de reconstrução por TC sagital do local da linha média sugerindo que o parafuso está localizado no S1. (B) O parafuso não entrou no canal sacral na imagem de reconstrução da TC axial de reslice. (C) O parafuso é seguro na imagem de reconstrução da TC coronal em rescorte. (D) O parafuso está localizado inteiramente dentro do osso na verdadeira vista lateral do sacro. (E,F) O parafuso está a uma distância segura do córtex sacral anterior e posterior e do canal nervoso sacral nas imagens de entrada e saída. Barras de escala (A-C): 2 cm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
Independentemente do tipo de robô, a aplicação central de robôs em ortopedia fornece uma ferramenta avançada para os cirurgiões melhorarem a precisão da cirurgia. No entanto, o surgimento de robôs cirúrgicos não é um substituto para os médicos. Os cirurgiões que realizam a cirurgia robótica podem ou não estar na sala de cirurgia. Os robôs cirúrgicos geralmente incluem um sistema de controle de computador, um braço robótico responsável pela operação e um sistema de navegação responsável pelo rastreamento. Existem três categorias de sistemas robóticos, dependendo de como o robô e o cirurgião interagem, incluindo os sistemas semiativos, passivos e ativos14. A assistência robótica restringe-se principalmente à artroplastia articular e aos procedimentos de instrumentação da coluna vertebral para melhorar a acurácia cirúrgica 2,15,16. O uso de robôs em ortopedia de trauma é relativamente raro. O Trauma Pod10 salva a vida de pacientes gravemente feridos no campo de batalha, e a cirurgia de fratura assistida por robô (RAFS)17 e o RepoRobo 18 podem ajudar na redução da fratura do fêmur. O TiRobot é um sistema de robô semiautomático que usa um algoritmo inteligente para planejar a trajetória do parafuso com base em imagens pré-operatórias; ele usa imagens 3D e rastreamento óptico para navegar 19,20. O sistema só pode realizar planejamento e navegação pré-operatórios e não pode executar outras tarefas cirúrgicas. Da mesma forma, o sistema TiRobot desempenha um papel na determinação da posição do parafuso durante a cirurgia de fratura do colo do fêmur21. Como ferramenta, o MSOPGS combina com as habilidades e conhecimentos dos médicos para tornar a cirurgia mais precisa e minimamente invasiva.
Parafusos transilíaco-transsacros rompem seis camadas de osso cortical22. O canal do parafuso é tão longo que pequenas discrepâncias podem resultar em lesões neurovasculares iatrogênicas. O desafio mais significativo associado à técnica de mão livre é ajustar a direção do fio-guia nas vistas de saída e entrada. O fio-guia se desvia quando rompe o osso cortical ou subcondral. A cirurgia assistida por robô é mais precisa do que os procedimentos cirúrgicos tradicionais pelas seguintes razões. Primeiro, a amplitude dos movimentos das mãos do cirurgião não é transferida para os instrumentos cirúrgicos em uma base um-para-um. O efeito de descamação reduz a amplitude dos movimentos do instrumento cirúrgico para facilitar movimentos mais finos. Em segundo lugar, o robô pode manter sua posição sem qualquer desvio. No entanto, não se sabe se os tecidos moles estão traumatizados durante o movimento dos instrumentos cirúrgicos. Um limiar de feedback é necessário para evitar tensão excessiva nos tecidos moles. Além disso, o cirurgião pode evitar o perigo de exposição à radiação durante todo o procedimento.
A nova tecnologia está sempre associada a uma curva de aprendizado. Neste estudo, em comparação com o tempo necessário para fixar os três primeiros parafusos, o tempo de operação dos dois últimos parafusos foi significativamente reduzido. A lógica de teleoperação ajudará os cirurgiões a criar conexões no cérebro entre o instrumento cirúrgico e o Manipulador Mestre. Os médicos devem ser hábeis em colocar os parafusos sacroilíacos usando a técnica de mão livre sob fluoroscopia. Em nossa técnica, uma estratégia de controle intuitiva foi utilizada para reduzir a dificuldade de operação do sistema. Embora o Manipulador Mestre e a extremidade do instrumento cirúrgico não estejam no mesmo espaço de trabalho, a extremidade do instrumento cirúrgico pode se mover adequadamente com o Manipulador Mestre. O RCM, o passo mais crucial, simplifica muito o ajuste da direção do fio-guia. O modo RCM garante que o ponto de entrada não é deslocado durante a rotação, desde que o ponto de entrada seja determinado. O cirurgião opera o Master Manipulator, e os instrumentos cirúrgicos se movem em um espaço em forma de cone, onde o ápice é o ponto de inserção do parafuso.
Como as imagens sacrais laterais são utilizadas para a maior parte do procedimento, os pacientes devem manter a mesma posição durante toda a cirurgia. Em estudos cadavéricos, a pelve é fixada na mesa cirúrgica. O tronco do paciente pode ser preso à mesa cirúrgica usando um arnês em ambientes cirúrgicos reais. No entanto, os pacientes são mais pesados do que os cadáveres e não se movem tão facilmente. O robô e o paciente são duas partes não relacionadas do sistema. Com o desenvolvimento do projeto, o Robô e o paciente formarão um sistema sincronizado em tempo real usando um sistema de rastreamento, o que significa que as posições relativas do Robô e do paciente podem permanecer constantes.
Espera-se que este sistema robótico se torne uma parte essencial da telemedicina no futuro devido à sua baixa latência e compatibilidade com os sistemas cirúrgicos atuais. Pacientes com trauma ortopédico têm uma janela de tempo específica entre a lesão e a cirurgia, especialmente no caso de fraturas pélvicas e acetabulares. Nesses casos, garantir a estabilidade circulatória e prevenir outras lesões sistêmicas são fundamentais. Os médicos dos hospitais centrais podem usar o sistema de telemedicina para orientar os preparativos pré-operatórios e realizar a cirurgia remota completa através do MSOPGS. Além disso, este sistema combina navegação 2D ou 3D, realidade virtual (VR), realidade aumentada (AR) e tecnologias de realidade mista (MR). A tecnologia da realidade possui um potencial significativo para a cirurgia ortopédica. A capacidade de verificar os dados do paciente a qualquer momento, avançar no plano da operação e melhorar a precisão das intervenções melhora a qualidade dos cuidados de saúde e os resultados dos pacientes23. Os dados de imagem pré-operatórios podem ser combinados com outros dados visuais apresentados em um alinhamento espacialmente correto com a superfície do paciente. A integração multimodal de imagens em RA/RM fornece aos cirurgiões fluoroscopia intraoperatória sobrepondo as reconstruções de imagem com estruturas anatômicas reais, eliminando assim a necessidade de reutilizar radiação.
Este estudo apresenta algumas limitações. O tamanho da amostra para a pelve utilizada foi pequeno. Embora tenhamos tentado simular completamente a circunstância cirúrgica real, existem diferenças significativas entre os estudos cadavéricos e as circunstâncias reais de operação. Este sistema precisa ser ainda mais refinado para aplicações clínicas.
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Disclosures
Os autores declaram que não têm interesses concorrentes.
Acknowledgments
Nenhum.
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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