一种远程操作机器人系统辅助经皮经髂骶螺钉固定技术

摘要

远程手术机器人系统辅助经皮经髂-经骶螺钉固定是一种可行的技术。由于机械臂具有出色的移动自由度和稳定性，因此可以高精度地实现螺杆通道。

摘要

经髂骨-骶部螺钉固定在临床实践中具有挑战性，因为螺钉需要突破六层皮质骨。经髂骨螺钉提供更长的杠杆臂，以承受垂直垂直剪切力。然而，螺杆通道太长，微小的差异会导致医源性神经血管损伤。医疗机器人的发展提高了手术的精度。本协议描述了如何使用新的远程操作机器人系统来执行经髂骨-经骶骨螺钉固定。机器人被远程操作以定位入口点并调整套筒的方向。使用术后计算机断层扫描（CT）评估螺钉位置。所有螺钉均已安全植入，如术中透视检查所证实的那样。术后CT证实所有螺钉都在松质骨中。该系统将医生的主动性与机器人的稳定性相结合。可以远程控制此过程。与传统方法相比，机器人辅助手术具有更高的位置保持能力。与主动机器人系统相比，外科医生可以完全控制手术。机器人系统与手术室系统完全兼容，不需要额外的设备。

引言

骨科手术中使用的第一个机器人应用是1992年采用的ROBODOC系统¹。从那时起，机器人辅助手术系统迅速发展。机器人辅助手术通过增强外科医生恢复肢体对齐和关节生理运动学的能力来改善关节成形术².在脊柱手术中，使用机器人放置椎弓根螺钉是安全准确的;它还减少了外科医生的^{辐射暴露3}。然而，由于创伤性骨科疾病的异质性，对机器人辅助手术的研究受到限制。现有骨科创伤机器人手术研究主要集中在骨盆环骨折的机器人辅助骶髂关节螺钉和耻骨螺钉^固定4，股骨颈空心螺钉^固定5，髓内钉的入口点和远端锁定螺栓⁶，^7，经皮骨折复位⁸，^9，以及军事领域重伤患者的治疗¹⁰。

经皮螺钉技术可以使用 2D 和 3D 导航支持进行。骶髂螺钉、前柱、后柱螺钉、髋臼上螺钉和魔术螺钉是盆腔和髋臼护理最常见的经皮技术¹¹.经皮经髂-经骶螺钉技术对外科医生来说仍然具有挑战性。该手术需要了解骨盆解剖结构和 X 射线透视、准确定位和长期手部稳定性。遥控机器人系统可以很好地满足这些要求。本研究利用远程操作机器人系统完成骨盆环骨折的经皮经髂骨-骶骨螺钉固定。该协议的详细信息和工作流程如下所示。

机器人系统
主从骨定位引导系统（MSOPGS）主要由三部分组成:具有七自由度（DOF）的手术机器人（从机械手），具有力反馈的主机械手和控制台。该系统有四种操作模式:手动牵引、主从操作、远程运动中心 （ROM） 和紧急。 图 1 显示了 MSOPPG;其主要组成部分简要说明如下。

手术机器人（见 材料表）是一个七自由度机械手，经过预先认证，可集成到医疗产品^中12。机器人具有力反馈传感器，可以检测力的变化。机械臂可以手动或远程操作。扭矩传感器安装在尖端并映射到"主机械手"，从而实现实时力反馈。机械臂上的最大负载足以抵抗软组织力并减少手术器械的颤动。机器人连接到移动平台，以获得可操作的工作场所并确保稳定性。底座连接到"主机械手"和操作系统，可以处理来自操作系统的指令。

"主机械手"专为医疗保健行业设计，用于精确控制机器人。该器件提供七个有源自由度，包括高精度力反馈抓取功能。它的末端执行器涵盖了人手的自然运动范围。采用增量控制策略实现对机械臂的直观控制。

该操作系统提供四种控制机械臂的方法:手动牵引、主从操作模式、远程运动中心 （RCM） 和紧急情况。操作系统将外科医生和机器人连接起来，并提供安全警报。手动牵引模式允许机械手在特定的工作范围内自由拖动。机器人在停止5秒后自动锁定。在主从模式下，外科医生可以使用"主机械手"来控制机械臂的运动。RCM 模式允许手术器械围绕器械末端旋转。RCM 模式最适合在通道的轴向透视视图上重新定向，例如髋臼上通道的放射影像泪滴征和经髂-经骶骨通路的真实骶视图。机械手可用于任何位置的紧急制动。 图 2 显示了系统的工作流程。

研究方案

该机器人技术的应用得到了华中科技大学同济医学院同济医院伦理委员会的批准，符合2013年修订的1975年《赫尔辛基宣言》。

1.术前计划

1. 通过插入两个Schanz针，使用透视板底座（见 材料表）将尸体骨盆固定在仰卧位。在仰卧位，将两个髂后上棘同时放在平板上，腰椎平行于地板。
   注:捐赠的尸体由华中科技大学同济医学院解剖学与研究系进行防腐处理。骨盆标本是在腰椎5椎水平和股骨小转子下方通过横断获得的。盆腔内的器官被切除。肌肉、关节囊和韧带结构保持完整。
2. 使用螺旋CT获取从L5椎骨上边缘到股骨远端转子的骨盆图像（ 材料表）。使用工作站处理所有尸体的计算机断层扫描（CT）图像，并以DICOM格式存储它们。
   注意:CT 参数:0.5 mm 切片厚度，63 mA 电流，140 kV 电压。
3. 将CT扫描数据以DICOM格式导入该系统的术前计划软件（见 材料表），以获得骨盆的轴向，冠状和矢状面图像。
   注意:DICOM文件包含来自CT扫描的信息，重建的图像可以通过自动导入获得。
4. 使用软件的 MedCAD 模块创建一个圆柱体，并通过输入直径和长度来定义圆柱体的大小。将其放入S1或S2椎体中，并在轴向和冠状图像上调整圆柱中线的方向。检查每个图像中圆柱体边缘与皮质骨之间的关系。
   注意:完全在松质骨内的圆柱体（不包括与皮质骨的接触）被认为在 S1 或 S2 中具有相应的螺钉通道。气缸中线的长度是螺钉的长度。

2. 手术环境

1. 将骨盆固定在仰卧位的透视手术台上（图1）。
2. 将机器人（见 材料表）放在同侧，与手术台成45°，C型臂垂直于对侧的手术台。C型臂的监视器应面向手术室，以使外科医生能够观察它（图1）。
3. 将MSOPGS和从属机械手的工作站放在手术室外。外科医生应该能够在使用从属机械手进行远程操作时观察手术区域和 C 型臂监视器（图 1）。

3. 外科手术

注: 系统启动并检查后，机械手将自动部署到工作状态。

1. 用胶带将网格定位器固定在同侧。通过骶骨真实侧视图上的网格位置标记选择目标区域。确保已选择并启动主机上的手动牵引模式。将机械臂拖动到 S1 或 S2 经髂-经骶螺钉入口点的一般区域（图 3A、B）。
   注意:目标区域被骶骨前缘、骶神经管和椎管包围。
2. 可视化骶骨的真实侧视图，操作主机械手，并在主从操作模式下将远端套筒的尖端调整为位于导丝入口区域（图 3C）。
3. 选择 RCM 模式后，继续 C 臂透视以获得骶侧位图。将导丝套的中心调整为同心圆，以与螺钉通道一致（图3D）。
4. 锁定机械臂，并使用电钻将导丝（2.5 mm K 线，见 材料表）插入对侧髂骨。然后，在手动牵引模式下卸下机器人（图 3E）。
   注意:在此步骤中不应进行透视检查。
5. 将C臂转向入口和出口角度（不同的骨盆具有不同的角度），以确定导丝是否突破或接触了前后骶皮层和骶神经管（图3F，G）。
6. 沿导丝将 7.3 mm 半螺纹螺钉（见 材料表）插入对侧髂皮层。
7. 评估骨盆入口和出口视图以及侧视图中的螺钉位置（图4）。

4. 术后评估

1. 执行步骤 1.2-1.3。
   注意:CT 参数:0.5 mm 切片厚度、63 mA 电流和 140 kV 电压。
2. 检查每个轴向、冠状和矢状图像中的螺钉位置。
   注意:螺钉位置是使用格拉斯的方法评估的。具体来说，松质骨中的螺钉为I级，与皮质骨接触的螺钉为II级，穿透皮质骨的螺钉为III级。III级表示螺钉错位，表明有血管和神经损伤的风险¹³.

结果

一位高级整形外科医生使用所述程序完成了手术。所有螺钉（S1 中的三个和 S2 中的两个）都已固定。插入五个螺钉中的每一个所花费的时间（从第一次X射线透视到插入螺钉）分别为32分钟，28分钟，26分钟，20分钟和23分钟。每个螺杆的荧光透视时间约为5分钟。尽管所有螺钉在术中透视图像上都位于正确的位置，但有几篇文章强调了术后CT扫描以评估螺钉放置的必要性。术后CT扫描中没有螺钉穿透?...

讨论

无论机器人的类型如何，机器人在骨科中的核心应用都为外科医生提供了提高手术准确性的先进工具。然而，手术机器人的出现并不能替代医生。进行机器人手术的外科医生可能在手术室，也可能不在手术室。手术机器人一般包括计算机控制系统、负责手术的机械臂和负责跟踪的导航系统。根据机器人和外科医生的交互方式，机器人系统分为三类，包括半主动、被动和主动系统¹⁴

材料

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