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Bioengineering

Un système de navigation robotisé Spine pour le placement de vis de Pedicle

Published: May 11, 2020 doi: 10.3791/60924
Automatic Translation
1,2,3, 4, 1,4, 1,4, 4, 1, 2, 2
1Institute of Biomedical Engineering, National Taiwan University, 2Department of Orthopedic Surgery, National Taiwan University Hospital, Hsin-Chu Branch, 3Department of Orthopedic Surgery, National Taiwan University Hospital, Hsin-Chu Biomedical Park Branch, 4Point Robotics MedTech Inc.

Summary

Cet article présente une technique chirurgicale standardisée pour le placement de vis pédicle assistée par robot en utilisant des systèmes de navigation robotisés. Nous présentons un protocole étape par étape et décrivons le flux de travail et les précautions de cette procédure.

Abstract

L’implantation de vis de Pédicle a d’excellents effets de traitement et est souvent employée par des chirurgiens dans la chirurgie spinale de fusion. Cependant, en raison de la complexité de l’anatomie humaine du corps, cette procédure chirurgicale est difficile et difficile, particulièrement dans la chirurgie mini-invasive ou les patients présentant des anomalies congénitales et la déformation de kyphoscoliosis. En plus des facteurs susmentionnés, l’expérience chirurgicale et la technique du chirurgien affectent également les taux de récupération et les complications des patients après l’opération chirurgicale. Par conséquent, l’exécution avec précision de l’implantation de vis de pédicle a est un sujet constant de préoccupation commune pour des chirurgiens et des patients. Ces dernières années, avec le développement technologique, les systèmes de navigation assistés par robot sont progressivement adoptés. Ces systèmes de navigation assistés par robot fournissent aux chirurgiens une planification préopératoire complète avant la chirurgie. Le système fournit des images reconstruites en 3D de chaque vertèbre, permettant aux chirurgiens de comprendre plus rapidement les caractéristiques physiologiques du patient. Il fournit également des images 2D des plans sagittal, coronal, axial et oblique afin que les chirurgiens puissent effectuer avec précision le plan de placement de vis pédicle.

Des études antérieures ont démontré l’efficacité des systèmes de navigation assistés par robot pour les procédures d’implantation de vis pédicélées, y compris l’exactitude et les évaluations de sécurité. Ce protocole étape par étape vise à esquisser une note de technique chirurgicale normalisée pour le placement de vis pédicle assistée par robot.

Introduction

Dans le domaine de la chirurgie spinale, la chirurgie de fusion spinale est une procédure chirurgicale fondamentale, particulièrement la fixation postérieure de vis de pédicle, qui peut fournir le soutien de trois colonnes des vertèbres et augmenter la force de la biomécanique ; ainsi, il est devenu l’une des procédures chirurgicales les plus couramment utilisées1. Dans beaucoup d’études tôt, l’effet clinique de l’implantation postérieure de vis de pédicle a été confirmé, et il a été employé largement dans la chirurgie pour beaucoup de désordres différents de spinale, tels que des conditions dégénératives, traumatiques, et compliquées de spinale2.

Cependant, bien que la chirurgie postérieure de fusion lombaire spinale puisse réaliser d’excellents effets de traitement, elle est toujours risquée en raison de l’anatomie humaine du corps. Il existe de nombreuses structures tissulaires vitales près du pédicle, comme le système nerveux central, les racines nerveuses et les vaisseaux sanguins principaux. Les dommages de ces tissus pendant la procédure chirurgicale peuvent causer des complications graves, telles que des dommages vasculaires, des déficits neurologiques, ou desserrer la vis2,3.2 En outre, les chirurgiens et le personnel sont exposés à des radiations supplémentaires, en particulier dans le cas de procédures spinales mini-invasives4. Les chirurgiens peuvent éprouver la fatigue et les tremblements de main après de longues et fastidieuses procédures de chirurgie spinale, telles que les placements de vis, l’ostéotomie, et la décompression nerveuse5.

Le taux insatisfaisant de la procédure de placement de vis de pédicle a nécessité la proposition pour qu’un système de navigation robotisé-assistée soit appliqué dans les chirurgies spinales pour améliorer la précision de chirurgie et la sûreté des patients. Plusieurs études sur les systèmes de navigation assistés par robot ont démontré des améliorations dans la sécurité, la précision et la précision du placement de vis pédicle, ainsi que la diminution de l’exposition aux rayonnements et les temps opératoires6,7,8,9,10. Cependant, la planification approfondie de la trajectoire de vis, la planification préopératoire avec des images, le système robotique complet avec dispositif de fixation, et le logiciel de commande de robot doivent encore être abordés pour atteindre cet objectif. Cette étude se concentre sur la description de la structure robotique et le flux de travail d’un système de navigation auto-développé (c.-à-d. le système de navigation de la colonne vertébrale point (PSNS)) pour les chirurgies de placement de vis pédicle assistées par robot.

Description du système et protocole chirurgical
Le PSNS comprend un poste de travail de navigation qui comprend ce qui suit. (1) Il existe un logiciel d’interface utilisateur responsable de la lecture d’images par la reconstruction tridimensionnelle (3D), la planification préopératoire, le calcul des relations cinématiques spatiales et l’enregistrement. (2) Le PSNS utilise des systèmes de guidage optique infrarouge pour suivre la position spatiale des robots chirurgicaux et des patients. Le système de guidage optique infrarouge contient les composants suivants : (i) un tracker optique qui émet activement la lumière infrarouge et effectue un positionnement stéréo à travers une double caméra(figure 1); (ii) une sphère de marqueur dont la surface a un revêtement réfléchissant avec des propriétés réfléchissantes pour le suivi précis des outils; et (iii) un outil avec un cadre de référence dynamique (DRF) qui comprend une base et quatre sphères de marqueur. Pour éviter la défaillance d’identification du système de suivi, chaque appareil a une conception DRF unique et ne peut pas être partagé les uns avec les autres. Le DRF utilisé comprend un cadre de base (BF) fixé à la base de la pièce à main pour confirmer la position de la pièce à main, un cadre d’effeteur final (EF) attaché à l’extrémité de la pièce à main pour confirmer la position de la pièce à main, un cadre fiducial (FF) ancré sur l’os du patient pour confirmer la position du patient, et une sonde dont la pointe est utilisée pour confirmer la position de la cible dans l’espace 3D. (3) Il y a une pièce à main comprenant une plate-forme Stewart de six degrés de liberté (DOF), avec une extrémité du robot équipée d’un outil d’opération utilisé pour forer la voie de vis. La pièce à main est un système de navigation robotisé qui aide les chirurgiens à placer des implants précis, comme les vis pédicle, ou le positionnement d’outils chirurgicaux pendant la chirurgie de la colonne vertébrale. Le mouvement de la cible chirurgicale est suivi car le robot compense automatiquement la cible correcte. Le robot est conçu comme un système semi-actif qui offre des conseils d’outils chirurgicaux; cependant, la chirurgie réelle est effectuée par des chirurgiens. Le principe d’exploitation et l’équipement sont illustrés dans la figure 2.

PSNS est indiqué pour les procédures, y compris, mais non limité aux procédures d’échantillonnage suivantes: (i) ouvert, mini-invasif, ou la chirurgie de la colonne vertébrale percutanée; (ii) le site de chirurgie spinale pour les vertèbres thoraciques, lombaires ou sacrées; (iii) fusion spinale postérieure pour le trauma, la maladie dégénérative de sténose, l’instabilité, la spondylolisthèse, le disque herniated, la tumeur, l’infection, ou la correction spinale de déformation ; iv) le placement d’appareils temporaires ou permanents, tels que des fils ou des aiguilles, lors de l’exécution de la vertébroplastie, ou de la discectomie lombaire endoscopique percutanée transforaminale ou interlaminar; et (iv) l’excision de tumeur d’os, y compris l’ablation de l’ostéome ostéoïde ou de la biopsie de tumeur, dans laquelle le robot a dirigé des aiguilles ou des fil de guidage à un endroit vertébral donné. Cette procédure est contre-indiquée pour ceux avec une incapacité à tolérer l’anesthésie, la procédure chirurgicale, ou quand les images de navigation satisfaisantes n’ont pas été acquises.

Notez que le personnel d’opération, y compris les neurochirurgiens et les chirurgiens orthopédiques, doit être autorisé et formé aux cours de guidage. Toutes les procédures pour l’exploitation du robot pendant la chirurgie doivent suivre les procédures normalisées recommandées pour éviter de causer des dommages au patient ou au chirurgien. Les chirurgiens doivent posséder l’expérience chirurgicale conventionnelle pour s’assurer qu’il est possible de revenir aux instruments chirurgicaux conventionnels et de terminer la chirurgie quand il est déterminé que la navigation est inexacte, basée sur les connaissances anatomiques des chirurgiens.

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Protocol

Toutes les procédures suivies étaient conformes aux normes éthiques du Comité d’éthique de la recherche de l’Hôpital universitaire national de Taiwan (NTUH) et de la Déclaration d’Helsinki de 1975 (dans sa version la plus récente modifiée). Le consentement éclairé doit être obtenu de tous les patients si d’autres essais cliniques sont préparés.

REMARQUE : La procédure d’anesthésie peut être classée en trois étapes : évaluation préopératoire du patient, gestion peropératoire, et gestion postopératoire. Au cours de l’évaluation préopératoire, toutes les données des patients, y compris l’histoire approfondie et l’examen physique, devraient être recueillies et le personnel devrait reconnaître les comorbidités des patients et la façon dont ils se rapportent aux soins anesthésiques du patient. Un examen approfondi des voies respiratoires doit être effectué, et le personnel doit être au courant des options anesthésiques pour formuler un plan de soins anesthésiques de base. Pendant la prise en charge intraopératoire, l’anesthésiste devrait vérifier les fonctions de base de la machine d’anesthésie, et appliquer des moniteurs physiologiques de base recommandés par l’American Society of Anesthesiologists, qui comprennent un oxymètre de pouls, une électrocardiographie, un dispositif de pression artérielle non invasive, et un moniteur de température, des options de gestion des voies respiratoires, la pharmacologie des agents d’inductions, et des indications pendant une induction anesthétique. Les événements intraopératoires, tels que l’hypotension, l’hypertension, l’hypoxie et l’oligurie, doivent être reconnus, évalués et gérés. De plus, le personnel doit reconnaître quand le patient satisfait aux critères d’extubation.

1. Réglage et planification préopératoires

REMARQUE : Pendant la chirurgie, les rideaux chirurgicaux stériles devraient être employés pour empêcher le contact avec des surfaces non préparées et pour maintenir la stérilité chirurgicale de site des surfaces, de l’équipement, et de l’environnement du patient. Pour réduire le risque de transmission d’agents pathogènes aux patients et à l’équipe chirurgicale, les robes chirurgicales stériles devraient être portées sur les combinaisons de gommage par l’équipe d’opération pendant la chirurgie.

  1. Enlever tous les composants qui peuvent affecter la fluoroscopie du site chirurgical; cela dépend du plan chirurgical selon chaque patient.
  2. Placez le patient dans une position encline après avoir administré l’anesthésie et préparez-vous selon les besoins chirurgicaux.
    REMARQUE : Toutes les procédures d’anesthésie doivent être effectuées sous la supervision d’un anesthésiste et chaque plan doit être ajusté en fonction de chaque patient.
  3. Nettoyer et stériliser le site chirurgical du patient.
  4. Couvrez le site OP au site chirurgical du patient.
  5. Placez le drapé chirurgical stérile sur le patient, sauf au site chirurgical.
  6. Ancrer le FF au patient; les utilisateurs peuvent choisir l’une des deux méthodes suivantes en fonction de leurs besoins.
    1. Ancrage à l’os iliaque (site chirurgical applicable : L5 ou S1).
      1. Placez deux fils percutanés (1,5 mm) sur la crête iliaque postérieure et vérifiez le point d’entrée sous la fluoroscopie. Répétez l’étape si le chirurgien a une préoccupation au sujet du point d’entrée. Marquez le point d’entrée à l’aide d’un stylo marqueur.
      2. Insérez la première épingle percutanée (5 mm, L et 140 mm) dans la crête iliaque postérieure du patient à l’aide d’une perceuse de puissance (1000 tr/min).
      3. Placez le FF avec la première broche percutanée. Ajuster le FF jusqu’à ce qu’il soit reconnu par la caméra de suivi optique. Fixez le FF à la première broche percutanée à l’aide d’un tournevis.
      4. Insérer la deuxième broche percutanée (5 mm, L et 140 mm) ainsi qu’un trou sur le FF à l’aide d’une perceuse de puissance (1000 tr/min). Fixer la vis sur le FF à la deuxième broche percutanée à l’aide de tournevis.
        REMARQUE : Selon le manuel du système de suivi optique, la sphère de marqueur peut être identifiée à moins de 3 m du tracker optique.
    2. Ancrer au processus épineux vertébraux actuel ou adjacent avec un emplacement chirurgical applicable de pince : vertèbres thoraciques, lombaires, ou sacrées.
      1. Placez un fil (1,5 mm) sur le dos du patient comme référence sous la fluoroscopie. Vérifiez le champ chirurgical sous la fluoroscopie. Répétez l’étape si le chirurgien a une préoccupation au sujet du domaine chirurgical. Marquez le champ chirurgical à l’aide d’un stylo marqueur.
      2. Incisez le tissu cutané sur le champ chirurgical à l’aide d’un scalpel chirurgical. Fixez le FF au processus épineux à l’aide d’un tournevis. En raison de la différence de densité minérale osseuse, demandez au chirurgien de déterminer si le FF est ancré sur le processus épineux fermement.
  7. Vérifiez si l’équipement et les composants de PSNS ont été préparés, y compris la pièce à main, le système de suivi optique, le poste de travail robotique et la boîte à outils de navigation (c.-à-d. sonde)(figure 3 et figure 4).
    REMARQUE : Évitez d’interférer avec le personnel chirurgical; Évitez de bloquer la caméra de suivi optique; Assurez-vous que le tracker est stable et reconnu par le système de suivi optique; Stérilisez la boîte à outils de navigation et placez-la sur la table d’opération.

2. Étiquetage et enregistrement spatiaux

  1. Transférez les images préopératoires du patient en CT au système par DVD ou USB et recadrez la taille de l’image pour ajuster l’orientation en fonction des besoins chirurgicaux. Le système fournit des images guidées chirurgicales virtuelles, y compris des plans sagitaux, coronal, axial et obliques, et des reconstructions 3D personnalisées pour chaque vertèbre.
  2. Comme le logiciel PSNS fournit l’interface d’étiquetage, demandez au chirurgien d’étiqueter chaque vertèbre avec la vue antérieure-postérieure et la vue latérale, différenciant le disque intervertébréral pour les étapes suivantes à identifier.
  3. Sélectionnez la longueur optimale de vis et les dimensions d’implant en fonction du logiciel de l’appareil.
  4. Planifiez le positionnement optimal et la trajectoire de la vis en fonction de la reconstruction d’image 3D et multi-planaire de la tomodensitométrie préopératoire.
  5. Confirmez si toutes les vis prévues sont correctes et appropriées.
  6. Entrez l’interface de surveillance DRF dans le logiciel PSNS qui présente plusieurs vues planaires (y compris le volume 3D et trois plans transversaux sur le côté). Tous les DF doivent être à l’intérieur de la zone de vision du système de suivi optique (selon les instructions de l’utilisateur, la meilleure plage de reconnaissance recommandée est la gamme B.) Lorsque la flèche vectorielle DRF indiquant le tracker est affichée sur l’interface utilisateur, elle est reconnue de façon stable par le système de suivi(figure 5).
  7. Effectuez une dissection subperiosteal bilatéralement le long du processus épineux, les laminaes à l’extrémité des processus transversaux de tous les niveaux. Retirez les capsules articulaires de facette pour exposer les articulations. L’utilisation de rétracteurs auto-retenus aide à l’exposition aux vertèbres en tenant la musculature sur le côté.
  8. Effectuer des procédures d’enregistrement, y compris l’enregistrement historique et l’appariement de surface. Suivez la séquence ci-dessous pour assurer la justesse du résultat d’enregistrement.
    1. Enregistrement historique
      1. Sélectionnez au moins quatre points de fonctionnalité non-coplanaires (tels que le processus épineux, le laminar, et le processus transversal) sur les images préopératoires du patient de reconstruction 3D CT.
      2. Utilisez la pointe de la sonde pour rester en contact avec le premier point de fonction sélectionné dans l’étape 2.8.1.1 dans la zone chirurgicale réelle.
      3. Appuyez sur le bouton de sélection de la sonde sur l’interface logicielle pour confirmer le point d’accès.
      4. Les étapes répétées 2.8.1.2-2.8.1.3 jusqu’à ce que les quatre points de fonctionnalité sélectionnés dans l’étape 2.8.1.1 soient confirmés.
      5. Appuyez sur le bouton de calcul sur l’interface logicielle; le système calculera le résultat de l’enregistrement historique et le présentera dans l’interface logicielle.
      6. Les critères d’acceptation de l’exactitude de l’inscription doivent répondre aux besoins des indications cliniques (lt;5 mm). Si le résultat n’est pas satisfaisant, répétez les étapes 2.8.1.1-2.8.1.5 jusqu’à ce que le résultat d’inscription réponde aux critères d’acceptation.
        REMARQUE : Assurez-vous que la validité de l’utilisation de la sonde pour obtenir l’information de position de la surface de l’os, comme le nettoyage du tissu mou sur la surface de l’os et en évitant le balancement de la pointe de la sonde lors de la collecte des points.
    2. Correspondance de surface
      1. Utilisez la pointe de la sonde pour contacter continuellement n’importe quel point sur la surface osseuse dans la zone chirurgicale réelle.
      2. Appuyez sur le bouton de sélection de la sonde sur l’interface logicielle pour confirmer le point d’accès
      3. Déplacez la sonde (faites la sonde différente du point de sélection précédent), et répétez les étapes 2.8.2.1-2.8.2.2 jusqu’à ce qu’au moins 50 points de choix soient terminés.
      4. Appuyez sur le bouton de calcul sur l’interface logicielle; le système calculera le résultat correspondant à la surface et le présentera sur l’interface logicielle.
      5. Les critères d’acceptation de l’exactitude de l’inscription doivent répondre aux besoins des indications cliniques (0,5 mm). Si le résultat n’est pas satisfaisant, répétez les étapes 2.8.2.1-2.8.2.4 jusqu’à ce que les résultats d’inscription répondent aux critères d’acceptation.
  9. Utilisez la sonde pour sélectionner des repères anatomiques évidents (tels que le processus épineux, les processus transversaux, l’articulation de la facette) de la zone chirurgicale réelle pour confirmation une fois que le résultat d’enregistrement est accepté (figure 6).
    REMARQUE : La réflexion et la réception appropriées de la lumière infrarouge doivent être maintenues pendant la chirurgie. Si le système de suivi optique ne peut pas reconnaître les marqueurs, l’interface logicielle affichera un rappel de lumière rouge. La caméra doit être ajustée de telle sorte que le champ chirurgical est au centre de la plage de détection de la caméra, et le tracker doit être protégé de la lumière et du sang.

3. Assemblage et mouvement du robot

  1. Couvrir la pièce à main de rideaux de stérilisation et installer les instruments chirurgicaux sur le robot (p. ex. trocar (5 mm) et k-pin (1,8 mm)
  2. Ajuster l’angle et la position de la pièce à main dans l’espace selon les instructions suivantes (étapes 3.2.1-3.2.2) de sorte que la pièce à main est dans la plage de compensation (à une distance d’un centimètre et un angle inclus de 4 degrés de la trajectoire prévue).
    1. Ajustement de l’angle : Tournez l’angle de la pièce à main dans l’espace de sorte que les deux cercles représentant l’angle de la pièce coïncident sur l’interface logicielle.
    2. Ajustement de position : déplacer horizontalement et verticalement la position de la pièce dans l’espace, de sorte que les points représentant la position de la pièce à main sur l’interface logicielle soient alignés avec les points d’entrée de la trajectoire prévue.
      REMARQUE : Lorsque les étapes 3.2.1 et 3.2.2 sont terminées en même temps, la pièce à main active automatiquement la fonction de compensation active pour maintenir l’angle et la position de l’instrument pour se conformer à la trajectoire pré-planifiée(figure 7).
  3. Déterminez l’état de fonctionnement du robot en jugeant la couleur du marqueur du robot affichée sur l’interface utilisateur. S’il est vert, il peut être actionné, s’il est rouge, il ne peut pas être actionné.
    REMARQUE : Si la pièce à main entre en contact avec le patient ou les obstacles environnants, un bouton d’arrêt d’urgence situé au-dessus du poste de travail de navigation peut être appuyé par le chirurgien ou le technicien. L’entretien régulier du robot doit être effectué. La plate-forme doit être recalibrée pour les paramètres de cinématique après 250 utilisations. La trocar et le k-pin doivent être jetés après une seule utilisation.

4. Préparation de Pédicle et insertion de vis

  1. Activez la fonction de forage de la pièce à main et forez les instruments montés sur l’extrémité avant (y compris la broche K : 1,8 mm et trocar : 5 mm) dans le corps du patient le long du chemin prévu.
  2. Utilisez le c-arm pour confirmer la position de k-pin et trocar.
  3. Si les positions de k-pin et de trocar ne sont pas correctes sous la fluoroscopie, retirez le k-pin et le trocar. Ensuite, à l’aide de la pièce à main, percer à nouveau dans le pédicle jusqu’à ce que le k-pin et le trocar insérer dans des positions sujettes sous la fluoroscopie (se référer à 4.3.1-4.3.2).
    1. Sous la vue AP, déterminez si l’instrument est situé dans la zone ovale formée par le pédicle dans l’image de perspective.
    2. Sous la vue de LAT, déterminez si l’instrument se trouve dans la plage du pédicle et de la vertèbre.
  4. Remplacez K-pin et trocar par des fil de guidage (1,5 mm, L et 400 mm) une fois que les positions sont appropriées.
  5. Insérez la vis pédicle à travers les guides.
  6. Répétez les étapes 4.1-4.4 pour compléter tous les chemins de planification chirurgicale.
    REMARQUE : En ce qui concerne la prise en charge postopératoire, les patients doivent être surveillés dans l’unité de rétablissement post-anesthésie (PACU) et les options d’analgésie postopératoire doivent être sélectionnées. Les événements PACU de base, tels que nausées, douleur, hypotension, hypertension, et hypoxie, devraient être évalués. De plus, le personnel doit reconnaître quand le patient satisfait aux critères de sortie de l’UIP.

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Representative Results

La sécurité et la précision des placements de vis pédicle assistés par robot ont été abordées dans plusieurs études6,11. Nous assortissons les vertèbres avec des images de planification préopératoires dans un système de suivi optique dans la méthode proposée. Après avoir déterminé le chemin chirurgical prévu, cette information a été transférée à la pièce de main par l’unité de commande de pièce à main. Le système de navigation intègre les informations de suivi et les affiche sur le moniteur pendant la chirurgie. En outre, l’écran affiche le chemin d’admission sur la colonne vertébrale et les positions des instruments.

Dans notre étude précédente12, un faible taux global de malposition de vis de 1,7% à partir d’un total de 59 vis ont été placés sur 30 vertèbres porcines par le PSNS a été démontré (figure 8). Les procédures chirurgicales se sont déroulées en douceur tout en utilisant le PSNS et ces 59 vis pédicle ont été évaluées par des balayages postopératoires de CT. 51 vis (86,4%) est tombé dans le groupe A, 7 vis (11,9%) est tombé dans le groupe B, et 1 vis (1,7%) est tombé dans le groupe E selon le classement Gertzbein-Robbins12. Aucune perforation ou blessure du canal spinal à d’autres navires importants n’a été trouvée et toutes les vis de pédicle ont été insérées dans la zone de sécurité. Nous avons enregistré les données de position de pointe à une fréquence de 60 Hz et une courbe de régression linéaire a été calculée avec le système de suivi optique pendant la chirurgie. Les différences, y compris l’angle, la distance la plus courte, et le point d’entrée entre la position réelle de vis pédicle et le chemin de planification préopératoire ont également été enregistrés12.

Figure 1
Figure 1 : Principe de fonctionnement du système de suivi optique13. Le tracker optique émettra activement la lumière infrarouge et effectuera un positionnement stéréo à travers une double caméra. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : Principes de travail du système de navigation de la colonne vertébrale. Le processus d’application du système comprend le contrôle du robot, l’interface utilisateur et la détection optique S’il vous plaît cliquez ici pour afficher une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3 : Système de navigation de la colonne vertébrale, y compris la pièce à main, le système de suivi optique, le poste de travail robotique et la boîte à outils de navigation. (c.-à-d. sonde) S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4 : Diagramme schématique de la configuration de la salle d’opération, les utilisateurs doivent se référer au diagramme schématique pour configurer le PSNS dans la salle d’opération. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5
Figure 5 : Interface de surveillance DRF dans le logiciel. Les utilisateurs peuvent confirmer l’état actuel de tous les DF en fonction de l’affichage sur l’interface. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 6
Figure 6 : Interface de vérification de précision d’enregistrement dans le logiciel. Utilisez la sonde pour sélectionner une fonctionnalité anatomique spécifique (comme le processus épineux, les processus transversaux, l’articulation de la facette) dans la zone chirurgicale réelle, et le système calculera la distance de la pointe de la sonde à la fonction anatomique comme référence pour la précision. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 7
Figure 7 : Interface de navigation dans le logiciel. À l’aide d’un modèle osseux reconstruit en 3D et d’une vis pédicle virtualisée pour fournir des conseils pour le chemin chirurgical. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 8
Figure 8 : Tomodensitométrie postopératoire évaluée selon la classification Gertzbein et Robbins avec un exemple de grade A (a), de catégorie B (b) et de grade E (c)14. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

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Discussion

Depuis 1990, il y a eu des développements rapides dans les applications chirurgicales impliquant l’utilisation de robots. Les technologies robotiques disponibles ont été optimisées, ce qui a permis d’améliorer la précision, de surmonter les tremblements dans les mains humaines et de réduire les temps d’appariement et d’enregistrement des systèmes de navigation15. Les avantages de l’assistance robot chirurgicale comprennent : (1) la normalisation immédiate sans long processus d’apprentissage; (2) les chirurgiens peuvent suivre avec précision le plan préopératoire, qui est superposé sur une image CT à travers l’interface utilisateur; (3) réduction de l’exposition aux radiations aux chirurgiens et au personnel d’exploitation; et (4) une précision améliorée, surtout lorsqu’elle fait face à une anatomie complexe ou à une chirurgie de révision compliquée.

Malgré l’utilisation largement acceptée des vis pédicle, les techniques de placement de pédicle à main levée dépendent en grande partie des repères anatomiques, des guides d’image et de l’expérience des chirurgiens. Même avec les chirurgiens expérimentés, les taux de malposition d’implant sont dans la gamme de 5.1-31%, comme décrit dans les études d’examen multiples3,16. Beaucoup de chirurgiens acceptent des déviations entre 2 et 3 mm tout en évaluant l’exactitude des positions de vis, car ce taux de déviation devient rarement symptomatique. Lonstein et coll. ont indiqué que 5,1 % des 4 790 vis ont percé l’os cortical dans leur étude de méta-analyse, et environ 0,2 % d’entre elles ont causé des symptômes neurologiques17. En outre, même les déviations mineures de vis peuvent entraîner des symptômes et les chirurgiens peuvent être hésitants à opérer à nouveau. Par conséquent, une grande variété de systèmes offrant des conseils d’image spinale tels que la navigation électromagnétique, la fluoroscopie 3D intra-opératoire et la navigation de CT, les cadres de référence percutanés, et la chirurgie robotique-guidée sont en recherche ou dans l’utilisation clinique. Ces technologies permettent aux chirurgiens de déterminer des plans précis d’exécution préopératoire et intra-opératoire, y compris la longueur et le diamètre de la vis pédicle, même en présence de malformations graves et de l’absence de repères anatomiques.

L’utilisation de placements de vis pédicle assistés par robot est encourageante en raison de sa précision allant jusqu’à 98,3%12. Malgré la grande précision globale du placement de vis pédicle sous PSNS, le système robotisé n’a pas enregistré adéquatement 10 à 20 % des conditions lors de nos essais. Dans des conditions telles que le degré élevé de courbure, l’obésité, l’ostéoporose, le relâchement du matériel précédemment placé pendant la chirurgie de révision, l’imagerie fluoroscopic intra-opératoire de mauvaise qualité, les limitations physiques de l’exténuabilité de la pièce à main, la défaillance de l’appareil, le mouvement mécanique, et les problèmes techniques, peuvent entraîner des difficultés avec l’enregistrement et peuvent exiger le retour à un placement libre de vis pédicle. Les chirurgiens de la colonne vertébrale devraient posséder l’expérience chirurgicale traditionnelle pour déterminer si le système de navigation fonctionne de façon appropriée et être en mesure de passer à la chirurgie traditionnelle en cas d’échec du système robotique. En outre, actuellement, PSNS est indiqué pour l’implantation de vis de pédicle de thoracolumbar, et la précision de ce système est de 2 mm. En chirurgie clinique, la tolérance d’erreur de l’implantation cervicale de vis de pédicle est approximative 0.2-0.5 mm ; ainsi, ce système n’est pas approprié pour la chirurgie cervicale à l’heure actuelle.

PSNS comprenant une pièce à main peut être utilisé en combinaison avec des outils chirurgicaux pour percer directement dans la vertèbre. L’empreinte de l’appareil est petite et occupe peu d’espace dans la salle d’opération. Ces caractéristiques sont différentes des autres systèmes robotiques de chirurgie spinale de navigation, rendant la chirurgie de navigation spinale plus flexible et commode pour des chirurgiens. Le PSNS se compose de l’enregistrement des images et de l’appariement, de la technologie robotique et de navigation, et de la fabrication précise d’équipements. Le système repose sur ces composants travaillant ensemble de manière appropriée que les erreurs peuvent se produire si l’un de ces composants échoue. Le positionnement spatial de l’anatomie au site chirurgical sera relativement fixé après l’acquisition des images. Des facteurs tels que la perturbation excessivement molle des tissus, la décompression ou l’ostéotomie, les longues chirurgies du segment sur 3 vertèbres, ou la quantité de volume respiratoire de marée peuvent causer des déviations de navigation. Si le chirurgien soupçonne une déviation de navigation, la sonde peut être utilisée pour sélectionner les repères anatomiques pour confirmation (p. ex., processus épineux ou articulations de la facette). Si la position est correcte, l’opération peut continuer. Toutefois, si la position est incorrecte, certaines causes et solutions possibles sont les suivantes : (1) Le cadre dynamique de référence-fiducial est déplacé pendant l’opération. Le chirurgien doit restreindre à nouveau le cadre et l’enregistrement de référence dynamique. (2) Il y a déplacement relatif entre les structures anatomiques, comme après correction de déformation, provoquée par l’opération. Le chirurgien devrait re-scanner la fluoroscopie pour obtenir de nouvelles images pour la chirurgie. Selon des recherches publiées précédemment, les systèmes de navigation assistés par robot peuvent réduire le temps pris pour chaque insertion de vis pédicle; cependant, le temps opératoire augmente en raison de la configuration du robot et l’enregistrement10.

Plusieurs limitations de la chirurgie assistée par robot existent toujours, telles que des problèmes d’enregistrement, y compris la difficulté d’accès historique, l’incompatibilité dans la chirurgie et le temps mini-invasives, les patients étant exposés à des radiations supplémentaires, skiage d’outils en raison du manque de rétroaction intraopératoire vivante, impact sur la formation traditionnelle de la colonne vertébrale, la dépendance à la technologie, et les coûts élevés. PSNS a certaines limites: premièrement, le chirurgien doit passer du temps pour apprendre le système PSNS à fond; deuxièmement, il est lourd pour les chirurgiens de le tenir. Notre équipe se concentrera sur la facilité de la courbe d’apprentissage de l’utilisateur et fournira un bras de soutien pour réduire le poids de la pièce à main. Néanmoins, nous croyons qu’il existe des développements continus dans les systèmes de navigation assistés par la robotique, qui ont le potentiel d’améliorer les résultats chirurgicaux.

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Disclosures

Point Robotics MedTech Inc a employé les auteurs Xiu-Yun Xiao, Chih-Wei Chen, Hao-Kai Chou et Chen-Yu Sung. Cette étude a été partiellement soutenue par Point Robotics MedTech Inc., qui a fourni le système robotisé. Les auteurs déclarent que le système de navigation de la colonne vertébrale point (PSNS) évalué dans cette étude est un produit en développement.

Acknowledgments

Cette étude a été partiellement soutenue par Point Robotics Medtech Incorporation, qui a fourni le système robotisé. Le bailleur de fonds a fourni un soutien sous forme de salaires pour X.Y. Xiao, C.W. Chen, H.K. Chou et C.Y. Sung, mais n’a pas joué un rôle supplémentaire dans la conception de l’étude, la collecte et l’analyse des données, la décision de publier ou la préparation du manuscrit.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Dynamic reference frames POINT
FF tool kit:
1.Connecting Rod
2.Combination clamps
3.Multi-pin clamps
4.Schanz screw
5.Spinous process clamp
6.Open wrench
7.Hexagonal wrench		 POINT
Handpiece POINT
Handpiece holder POINT
Handpiece stand POINT
K-pin POINT
Optical tracker NDI
Passive spheres NDI
Probe POINT
Sterile box POINT
Sterile drape POINT
Trocar POINT
Workstation cart POINT

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References

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Bioingénierie Numéro 159 Précision robotique chirurgicale système de navigation de la colonne vertébrale vis pédicle colonne vertébrale navigation assistée par ordinateur
Un système de navigation robotisé Spine pour le placement de vis de Pedicle
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Chen, H. Y., Xiao, X. Y., Chen, C.… More

Chen, H. Y., Xiao, X. Y., Chen, C. W., Chou, H. K., Sung, C. Y., Lin, F. H., Chen, P. Q., Wong, T. h. A Spine Robotic-Assisted Navigation System for Pedicle Screw Placement. J. Vis. Exp. (159), e60924, doi:10.3791/60924 (2020).

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