Телеуправляемая роботизированная система с помощью чрескожной трансилиакально-транссакральной фиксации винтов
Summary
Телеуправляемая роботизированная система чрескожной транслиачно-транссакральной фиксации винтов является осуществимой техникой. Винтовые каналы могут быть реализованы с высокой точностью благодаря отличной свободе движения и стабильности роботизированных рук.
Abstract
Транслиакально-транссакральная винтовая фиксация является сложной задачей в клинической практике, так как винты должны пробивать шесть слоев кортикальной кости. Трансилиакально-транссакральные винты обеспечивают более длинный рычаг рычага, чтобы выдерживать перпендикулярные вертикальные силы сдвига. Однако винтовой канал настолько длинный, что незначительное несоответствие может привести к ятрогенным нейрососудистым повреждениям. Разработка медицинских роботов повысила точность хирургии. Настоящий протокол описывает, как использовать новую телеуправляемую роботизированную систему для выполнения транслиакально-трансакральной винтовой фиксации. Робот управлялся дистанционно, чтобы позиционировать точку входа и регулировать ориентацию рукава. Положения винтов оценивали с помощью послеоперационной компьютерной томографии (КТ). Все винты были безопасно имплантированы, что было подтверждено с помощью интраоперационной рентгеноскопии. Послеоперационная КТ подтвердила, что все винты находились в канцелярной кости. Эта система сочетает в себе инициативу врача со стабильностью робота. Возможно дистанционное управление этой процедурой. Роботизированная хирургия имеет более высокую способность удерживать позицию по сравнению с обычными методами. В отличие от активных роботизированных систем, хирурги имеют полный контроль над операцией. Роботизированная система полностью совместима с системами операционной и не требует дополнительного оборудования.
Introduction
Первым роботизированным приложением, используемым в ортопедической хирургии, была система ROBODOC, используемая в 1992году 1. С тех пор роботизированные хирургические системы быстро развивались. Роботизированная хирургия улучшает артропластику, повышая способность хирурга восстанавливать выравнивание конечности и физиологическую кинематику сустава2. В спинальной хирургии размещение винтов ножки с помощью робота безопасно и точно; это также уменьшает лучевую нагрузку хирурга3. Однако исследования по роботизированной хирургии были ограничены из-за неоднородности травматических ортопедических заболеваний. Существующие исследования в области роботизированной хирургии ортопедической травмы в основном сосредоточены на роботизированных винтах крестцово-подвздошного сустава и лобково-винтовой фиксации переломов тазового кольца4, канюляционной винтовой фиксации шейки бедра5, болтах точки входа и дистальной блокировке при интрамедуллярном гвозде 6,7, уменьшении чрескожных переломов 8,9 и лечении тяжелораненых пациентов в военной области10.
Чрескожная винтовая техника может быть выполнена с использованием 2D и 3D навигационной поддержки. Крестцово-подвздошный, передний столб, задний столб, надлетабулярный и магические винты являются наиболее распространенными чрескожными методами для тазовых и вертлужных вертлужных фактур11. Чрескожная транслиакально-транссакральная винтовая техника остается сложной для хирургов. Для этой процедуры требуется понимание анатомии таза и рентгеноскопии, точное позиционирование и долгосрочная стабильность руки. Телеуправляемая роботизированная система может хорошо соответствовать этим требованиям. В этом исследовании используется телеуправляемая роботизированная система для завершения чрескожной транслиакально-транссакральной фиксации винтов при переломах тазового кольца. Подробная информация и рабочий процесс этого протокола представлены ниже.
Роботизированная система
Ортопедическая система позиционирования и наведения Master-Slave (MSOPGS) в основном состоит из трех частей: хирургического робота (Slave Manipulator) с семью степенями свободы (DOF), Master Manipulator с силовой обратной связью и консоли. Система имеет четыре режима работы: ручная тяга, управление ведущий-ведомый, дистанционный центр движения (ПЗУ) и аварийный. На рисунке 1 показаны MSOPPGS; его основные компоненты кратко описаны ниже.
Хирургический робот (см. Таблицу материалов) представляет собой манипулятор из семи DOF, который предварительно сертифицирован для интеграции в медицинские изделия12. Робот имеет датчики обратной связи по силе, которые могут обнаруживать изменения в силе. Роботизированная рука может управляться вручную или удаленно. Датчик крутящего момента устанавливается на наконечнике и сопоставляется с «Мастер-манипулятором», обеспечивая обратную связь по силе в режиме реального времени. Максимальная нагрузка на роботизированную руку достаточна, чтобы противостоять силам мягких тканей и уменьшить трепетание хирургических инструментов. Робот прикреплен к мобильной платформе для приобретения рабочего места и обеспечения стабильности. База подключена к «Мастер-манипулятору» и оперативной системе и может обрабатывать инструкции от операционной системы.
«Мастер-манипулятор» предназначен для отраслей здравоохранения, чтобы точно управлять роботом. Это устройство предлагает семь активных DOF, включая высокоточные возможности захвата с обратной связью по силе. Его концевой эффектор охватывает естественный диапазон движения человеческой руки. Инкрементная стратегия управления используется для достижения интуитивно понятного управления роботизированной рукой.
Оперативная система предоставляет четыре метода управления роботизированной рукой: ручная тяга, режим работы ведущий-ведомый, дистанционный центр движения (RCM) и аварийный. Оперативная система связывает хирурга и робота и обеспечивает сигнализацию безопасности. Ручной режим тяги позволяет свободно перетаскивать манипулятор в пределах определенного рабочего диапазона. Робот автоматически блокируется после остановки на 5 с. В режиме «хозяин-ведомый» хирург может использовать «Мастер-манипулятор» для управления движением роботизированной руки. Режим RCM позволяет хирургическому инструменту поворачиваться вокруг конца инструмента. Режим RCM лучше всего подходит для переориентации на осевой рентгеноскопический вид канала, такой как рентгенографический каплевидный знак надтацетабулярного канала и истинный крестцовый вид транслиачно-транссакрального костного пути. Манипулятор можно использовать для экстренного торможения в любом положении. На рисунке 2 показан рабочий процесс системы.
Protocol
Representative Results
Discussion
Независимо от типа робота, основное применение роботов в ортопедии предоставляет хирургам передовой инструмент для повышения точности операции. Однако появление хирургических роботов не является заменой врачам. Хирурги, выполняющие роботизированную хирургию, могут находиться или н?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Никакой.
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).
