원격 작동 로봇 시스템 보조 경피적 경질-경천골 나사 고정 기술
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.
Protocol
Representative Results
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 포함합?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
없음.
Materials
| 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 |
Referências
- Bargar, W. L., Bauer, A., Börner, M. Primary and revision total hip replacement using the Robodoc system. Clinical Orthopaedics and Related Research. (354), 82-91 (1998).
- Jacofsky, D. J., Allen, M. Robotics in arthroplasty: A comprehensive review. Journal of Arthroplasty. 31 (10), 2353-2363 (2016).
- Perfetti, D. C., Kisinde, S., Rogers-LaVanne, M. P., Satin, A. M., Lieberman, I. H. Robotic spine surgery: Past, present and future. Spine. 47 (13), 909-921 (2022).
- Long, T., et al. Comparative study of percutaneous sacroiliac screw with or without TiRobot assistance for treating pelvic posterior ring fractures. Orthopaedic Surgery. 11 (3), 386-396 (2019).
- Duan, S. J., et al. Robot-assisted percutaneous cannulated screw fixation of femoral neck fractures: Preliminary clinical results. Orthopaedic Surgery. 11 (1), 34-41 (2019).
- Lei, H., Sheng, L., Manyi, W., Junqiang, W., Wenyong, L. A biplanar robot navigation system for the distal locking of intramedullary nails. International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. 6 (1), 61-65 (2010).
- Oszwald, M., et al. Robotized access to the medullary cavity for intramedullary nailing of the femur. Technology and Health Care. 18 (3), 173-180 (2010).
- Hung, S. S., Lee, M. Y. Functional assessment of a surgical robot for reduction of lower limb fractures. International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. 6 (4), 413-421 (2010).
- Dagnino, G., et al. Image-guided surgical robotic system for percutaneous reduction of joint fractures. Annual Review of Biomedical Engineering. 45 (11), 2648-2662 (2017).
- Garcia, P., et al. Trauma Pod: A semi-automated telerobotic surgical system. International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. 5 (2), 136-146 (2009).
- Gaensslen, A., Müller, M., Nerlich, M. . Acetabular Fractures: Diagnosis, Indications, Treatment Strategies. , (2017).
- LBR Med: A collaborative robot for medical applications. KUKA Available from: https://www.kuka.com/en-cn/industries/health-care/kuka-medical-robotics/lbr-med (2023)
- Gras, F., et al. 2D-fluoroscopic navigated percutaneous screw fixation of pelvic ring injuries–A case series. BMC Musculoskeletal Disorders. 11, 153 (2010).
- Innocenti, B., Bori, E. Robotics in orthopaedic surgery: Why, what and how. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery. 141 (12), 2035-2042 (2021).
- Chen, A. F., Kazarian, G. S., Jessop, G. W., Makhdom, A. Robotic technology in orthopaedic surgery. Journal of Bone and Joint Surgery. 100 (22), 1984-1992 (2018).
- D’Souza, M., et al. Robotic-assisted spine surgery: History, efficacy, cost, and future trends. Robotic surgery. 6, 9-23 (2019).
- Dagnino, G., et al. Navigation system for robot-assisted intra-articular lower-limb fracture surgery. International Journal for Computer Assisted Radiology and Surgery. 11 (10), 1831-1843 (2016).
- Füchtmeier, B., et al. Reduction of femoral shaft fractures in vitro by a new developed reduction robot system ‘RepoRobo. Injury. 35, 113-119 (2004).
- Schuijt, H. J., Hundersmarck, D., Smeeing, D. P. J., vander Velde, D., Weaver, M. J. Robot-assisted fracture fixation in orthopaedic trauma surgery: A systematic review. OTA International. 4 (4), 153 (2021).
- Wang, J. Q., et al. Percutaneous sacroiliac screw placement: A prospective randomized comparison of robot-assisted navigation procedures with a conventional technique. Chinese Medical Journal. 130 (21), 2527-2534 (2017).
- Zhu, Z. D., et al. TiRobot-assisted percutaneous cannulated screw fixation in the treatment of femoral neck fractures: A minimum 2-year follow-up of 50 patients. Orthopaedic Surgery. 13 (1), 244-252 (2021).
- Gardner, M. J., Routt, M. L. Transiliac-transsacral screws for posterior pelvic stabilization. Journal of Orthopaedic Trauma. 25 (6), 378-384 (2011).
- Verhey, J. T., Haglin, J. M., Verhey, E. M., Hartigan, D. E. Virtual, augmented, and mixed reality applications in orthopedic surgery. International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. 16 (2), 2067 (2020).
