Een teleoperated robotic system-assisted percutane transiliac-transsacrale schroeffixatietechniek
Summary
Teleoperated robotic system-assisted percutane transiliac-transsacrale schroeffixatie is een haalbare techniek. Schroefkanalen kunnen met hoge nauwkeurigheid worden geïmplementeerd dankzij de uitstekende bewegingsvrijheid en stabiliteit van de robotarmen.
Abstract
Transiliac-transsacrale schroeffixatie is een uitdaging in de klinische praktijk omdat de schroeven door zes lagen corticale bot moeten breken. Transiliac-transsacrale schroeven zorgen voor een langere hefboomarm om de loodrechte verticale schuifkrachten te weerstaan. Het schroefkanaal is echter zo lang dat een kleine discrepantie kan leiden tot iatrogene neurovasculaire verwondingen. De ontwikkeling van medische robots heeft de precisie van chirurgie verbeterd. Het huidige protocol beschrijft hoe een nieuw teleoperationeel robotsysteem kan worden gebruikt om transiliac-transacrale schroeffixatie uit te voeren. De robot werd op afstand bediend om het instappunt te positioneren en de oriëntatie van de sleeve aan te passen. De schroefposities werden geëvalueerd met behulp van postoperatieve computertomografie (CT). Alle schroeven werden veilig geïmplanteerd, zoals bevestigd met behulp van intraoperatieve fluoroscopie. Postoperatieve CT bevestigde dat alle schroeven in het annulaire bot zaten. Dit systeem combineert het initiatief van de arts met de stabiliteit van de robot. De afstandsbediening van deze procedure is mogelijk. Robot-geassisteerde chirurgie heeft een hogere positieretentiecapaciteit in vergelijking met conventionele methoden. In tegenstelling tot actieve robotsystemen hebben chirurgen volledige controle over de operatie. Het robotsysteem is volledig compatibel met besturingssystemen en vereist geen extra apparatuur.
Introduction
De eerste robottoepassing die werd gebruikt in orthopedische chirurgie was het ROBODOC-systeem dat in 1992 werd gebruikt1. Sindsdien hebben robotondersteunde chirurgische systemen zich snel ontwikkeld. Robot-geassisteerde chirurgie verbetert de artroplastiek door het vermogen van de chirurg te verbeteren om de uitlijning van de ledemaat en de fysiologische kinematica van het gewricht te herstellen2. Bij spinale chirurgie is de plaatsing van pedikelschroeven met behulp van een robot veilig en nauwkeurig; het vermindert ook de stralingsblootstelling van de chirurg3. Studies over robot-geassisteerde chirurgie zijn echter beperkt vanwege de heterogeniteit van traumatische orthopedische ziekten. Het bestaande onderzoek naar robotchirurgie voor orthopedisch trauma richt zich voornamelijk op robotondersteunde sacro-iliacale gewrichtsschroeven en schaamschroeffixatie van bekkenringfracturen4, cannulated schroeffixatie van de femurhals5, ingangspunt en distale vergrendelingsbouten in intramedullaire nagels 6,7, percutane fractuurreductie 8,9 en de behandeling van ernstig gewonde patiënten in het militaire veld10.
De percutane schroeftechniek kan worden uitgevoerd met behulp van 2D- en 3D-navigatieondersteuning. De sacro-iliacale, voorste kolom, achterste kolom, supraacetabulaire en magische schroeven zijn de meest voorkomende percutane technieken voor bekken- en acetabulaire facturen11. De percutane transiliacale-transsacrale schroeftechniek blijft een uitdaging voor chirurgen. Een goed begrip van de bekkenanatomie en röntgenfluoroscopie, nauwkeurige positionering en langdurige handstabiliteit zijn vereist voor deze procedure. Het teleoperatieve robotsysteem kan goed aan deze eisen voldoen. Deze studie maakt gebruik van een teleoperationeel robotsysteem om percutane transiliac-transsacrale schroeffixatie voor bekkenringfracturen te voltooien. De details en workflow van dit protocol worden hieronder weergegeven.
Robotisch systeem
Het Master-Slave Orthopaedic Positioning and Guidance System (MSOPGS) bestaat voornamelijk uit drie delen: de chirurgische Robot (Slave Manipulator) met zeven vrijheidsgraden (DOF), de Master Manipulator met force feedback en de console. Het systeem heeft vier bedrijfsmodi: handmatige tractie, master-slave-bediening, remote center of motion (ROM) en noodgeval. Figuur 1 toont de MSOPPGS; de belangrijkste componenten worden hieronder kort beschreven.
De chirurgische robot (zie Materiaaltabel) is een zeven DOF manipulator die vooraf gecertificeerd is voor integratie in medische producten12. De robot heeft force-feedback sensoren die veranderingen in kracht kunnen detecteren. De robotarm kan handmatig of op afstand worden bediend. Een koppelsensor wordt aan de punt geïnstalleerd en toegewezen aan de “Master Manipulator”, waardoor real-time force feedback mogelijk is. De maximale belasting van de robotarm is voldoende om de krachten van zacht weefsel te weerstaan en het fladderen van de chirurgische instrumenten te verminderen. De robot is gekoppeld aan een mobiel platform om een operationele werkplek te verwerven en stabiliteit te garanderen. De basis is verbonden met de “Master Manipulator” en het besturingssysteem en kan instructies van het besturingssysteem verwerken.
De “Master Manipulator” is ontworpen voor de gezondheidszorg om de robot nauwkeurig te besturen. Dit apparaat biedt zeven actieve DOF, waaronder zeer nauwkeurige force-feedback grijpmogelijkheden. De eindeffector dekt het natuurlijke bewegingsbereik van de menselijke hand. Een incrementele besturingsstrategie wordt gebruikt om intuïtieve besturing van de robotarm te bereiken.
Het besturingssysteem biedt vier methoden voor het besturen van de robotarm: handmatige tractie, master-slave-bedieningsmodus, remote center of motion (RCM) en noodgeval. Het operatiesysteem verbindt de chirurg en robot en zorgt voor veiligheidsalarmen. Met de handmatige tractiemodus kan de manipulator vrij binnen een specifiek werkbereik worden gesleept. De robot wordt automatisch vergrendeld nadat hij 5 s is gestopt. In de master-slave-modus kan de chirurg de “Master Manipulator” gebruiken om de beweging van de robotarm te regelen. De RCM-modus maakt het mogelijk om het chirurgische instrument rond het uiteinde van het instrument te draaien. De RCM-modus is het meest geschikt voor heroriëntatie op het axiale fluoroscopiebeeld van het kanaal, zoals het radiografische druppelteken van het supraacetabulaire kanaal en het ware sacrale beeld van de transiliacale-transsacrale osseeuze route. De manipulator kan worden gebruikt voor noodremmen op elke positie. Figuur 2 toont de workflow van het systeem.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ongeacht het type robot, de kerntoepassing van robots in de orthopedie biedt een geavanceerd hulpmiddel voor chirurgen om de nauwkeurigheid van operaties te verbeteren. De opkomst van chirurgische robots is echter geen vervanging voor artsen. Chirurgen die robotchirurgie uitvoeren, kunnen al dan niet in de operatiekamer zijn. Chirurgische robots omvatten over het algemeen een computerbesturingssysteem, een robotarm die verantwoordelijk is voor de operatie en een navigatiesysteem dat verantwoordelijk is voor tracking. Er …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Geen.
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 |
References
- 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).
