Eine teleoperierte robotergestützte perkutane transiliakral-transsakrale Schraubenfixationstechnik

Zusammenfassung

Die teleoperierte robotergestützte perkutane transiliakral-transsakrale Schraubenfixation ist eine praktikable Technik. Durch die hervorragende Bewegungsfreiheit und Stabilität der Roboterarme können Schraubkanäle mit hoher Genauigkeit realisiert werden.

Zusammenfassung

Die transiliakral-transsakrale Schraubenfixierung ist in der klinischen Praxis eine Herausforderung, da die Schrauben sechs Schichten kortikalen Knochens durchbrechen müssen. Transiliakral-transsakrale Schrauben bieten einen längeren Hebelarm, um den senkrechten vertikalen Scherkräften standzuhalten. Der Schraubenkanal ist jedoch so lang, dass eine geringfügige Abweichung zu iatrogenen neurovaskulären Verletzungen führen kann. Die Entwicklung von Medizinrobotern hat die Präzision der Chirurgie verbessert. Das vorliegende Protokoll beschreibt, wie ein neues teleoperiertes Robotersystem verwendet wird, um eine transiliakral-transakrale Schraubenfixierung durchzuführen. Der Roboter wurde ferngesteuert, um den Eintrittspunkt zu positionieren und die Ausrichtung der Hülse anzupassen. Die Schneckenpositionen wurden mittels postoperativer Computertomographie (CT) beurteilt. Alle Schrauben wurden sicher implantiert, wie durch intraoperative Durchleuchtung bestätigt wurde. Die postoperative CT bestätigte, dass sich alle Schrauben im Spongios-Knochen befanden. Dieses System kombiniert die Initiative des Arztes mit der Stabilität des Roboters. Die Fernsteuerung dieses Verfahrens ist möglich. Die roboterassistierte Chirurgie hat im Vergleich zu herkömmlichen Methoden ein höheres Positionserhaltungsvermögen. Im Gegensatz zu aktiven Robotersystemen hat der Chirurg die volle Kontrolle über die Operation. Das Robotersystem ist voll kompatibel mit OP-Systemen und erfordert keine zusätzliche Ausrüstung.

Einleitung

Die erste Roboteranwendung, die in der orthopädischen Chirurgie eingesetzt wurde, war das ROBODOC-System, das 1992 eingesetzt wurde¹. Seitdem haben sich roboterassistierte Operationssysteme rasant entwickelt. Die roboterassistierte Chirurgie verbessert die Endoprothetik, indem sie die Fähigkeit des Chirurgen verbessert, die Ausrichtung der Extremität und die physiologische Kinematik des Gelenks wiederherzustellen². In der Wirbelsäulenchirurgie ist die Platzierung von Pedikelschrauben mit einem Roboter sicher und genau. Es reduziert auch die Strahlenbelastung des Chirurgen³. Studien zur roboterassistierten Chirurgie sind jedoch aufgrund der Heterogenität traumatischer orthopädischer Erkrankungen begrenzt. Die bestehende Forschung zur robotergestützten Chirurgie bei orthopädischen Traumata konzentriert sich hauptsächlich auf roboterassistierte Iliosakralgelenkschrauben und Schambeinschraubfixierung von Beckenringfrakturen⁴, kanülierte Schraubenfixierung des Oberschenkelhalses⁵, Eintrittspunkt- und distale Verriegelungsbolzen beim intramedullären Nageln ^6,7, perkutane Frakturreduktion ^8,9 und die Behandlung von schwer verwundeten Patienten im militärischen Bereich¹⁰.

Die perkutane Schneckentechnik kann mit 2D- und 3D-Navigationsunterstützung durchgeführt werden. Die Iliosakral-, Vordersäule-, Hintersäule-, Supraacetabular- und Magische Schrauben sind die häufigsten perkutanen Techniken für Becken- und Hüftgelenksfakturen¹¹. Die perkutane transiliakral-transsakrale Schraubentechnik stellt für Chirurgen nach wie vor eine Herausforderung dar. Ein Verständnis der Beckenanatomie und Röntgendurchleuchtung, eine genaue Positionierung und langfristige Handstabilität sind für dieses Verfahren erforderlich. Das teleoperierte Robotersystem kann diese Anforderungen gut erfüllen. In dieser Studie wird ein teleoperiertes Robotersystem verwendet, um die perkutane transiliakral-transsakrale Schraubenfixierung bei Beckenringfrakturen durchzuführen. Die Details und der Arbeitsablauf dieses Protokolls werden im Folgenden dargestellt.

Robotersystem
Das Master-Slave Orthopaedic Positioning and Guidance System (MSOPGS) besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: dem chirurgischen Roboter (Slave Manipulator) mit sieben Freiheitsgraden (DOF), dem Master Manipulator mit Force-Feedback und der Konsole. Das System verfügt über vier Betriebsmodi: manuelle Traktion, Master-Slave-Betrieb, Remote Center of Motion (ROM) und Notfall. Abbildung 1 zeigt die MSOPPGS; Die Hauptkomponenten werden im Folgenden kurz beschrieben.

Der Operationsroboter (siehe Materialtabelle) ist ein Manipulator mit sieben DOF, der für die Integration in Medizinprodukte vorzertifiziert ist¹². Der Roboter verfügt über Force-Feedback-Sensoren, die Kraftänderungen erkennen können. Der Roboterarm kann manuell oder ferngesteuert bedient werden. Ein Drehmomentsensor ist an der Spitze installiert und dem "Master Manipulator" zugeordnet, der eine Kraftrückkopplung in Echtzeit ermöglicht. Die maximale Belastung des Roboterarms reicht aus, um Weichteilkräften zu widerstehen und das Flattern der chirurgischen Instrumente zu reduzieren. Der Roboter ist an einer mobilen Plattform befestigt, um einen funktionsfähigen Arbeitsplatz zu erhalten und Stabilität zu gewährleisten. Die Basis ist mit dem "Master Manipulator" und dem Betriebssystem verbunden und kann Anweisungen aus dem operativen System verarbeiten.

Der "Master Manipulator" wurde für das Gesundheitswesen entwickelt, um den Roboter präzise zu steuern. Dieses Gerät bietet sieben aktive DOF, einschließlich hochpräziser Force-Feedback-Greiffunktionen. Sein Endeffektor deckt den natürlichen Bewegungsumfang der menschlichen Hand ab. Eine inkrementelle Steuerungsstrategie wird verwendet, um eine intuitive Steuerung des Roboterarms zu erreichen.

Das Betriebssystem bietet vier Methoden zur Steuerung des Roboterarms: manuelle Traktion, Master-Slave-Betriebsmodus, Remote Center of Motion (RCM) und Notfall. Das operative System verbindet den Chirurgen und den Roboter und gibt Sicherheitsalarme. Der manuelle Traktionsmodus ermöglicht es, den Manipulator innerhalb eines bestimmten Arbeitsbereichs frei zu ziehen. Der Roboter wird automatisch verriegelt, nachdem er für 5 s gestoppt wurde. Im Master-Slave-Modus kann der Chirurg mit dem "Master Manipulator" die Bewegung des Roboterarms steuern. Der RCM-Modus ermöglicht es dem chirurgischen Instrument, sich um das Ende des Instruments zu drehen. Der RCM-Modus eignet sich am besten für die Neuorientierung auf der axialen Durchleuchtungsansicht des Kanals, wie z. B. das röntgenologisches Tropfenzeichen des supraacetabulären Kanals und die wahre sakrale Ansicht des transiliakral-transsakralen knöchernen Weges. Der Manipulator kann in jeder Position zur Notbremsung eingesetzt werden. Abbildung 2 zeigt den Workflow des Systems.

Protokoll

Die Anwendung dieser Robotertechnik wurde von der Ethikkommission des Tongji-Krankenhauses des Tongji Medical College der Huazhong University of Science and Technology genehmigt und entspricht der Helsinki-Erklärung von 1975 in der 2013 überarbeiteten Fassung.

1. Präoperative Planung

1. Fixieren Sie die Leichenfelle in Rückenlage mit einer Durchleuchtungsplattenbasis (siehe Materialtabelle), indem Sie zwei Schanzstifte durch den Oberschenkelknochen einführen. Legen Sie in Rückenlage sowohl die hinteren oberen Darmbeinstacheln gleichzeitig auf die Planke als auch die Lendenwirbel parallel zum Boden.
   HINWEIS: Die gespendeten Leichen wurden von der Abteilung für Anatomie und Forschung des Tongji Medical College der Huazhong University of Science and Technology einbalsamiert. Die Beckenproben wurden durch Durchtrennung auf Höhe der Lendenwirbel 5 und unterhalb des kleinen Trochanters des Femurs erhalten. Die Organe in der Beckenhöhle wurden entfernt. Die Muskeln, Gelenkkapseln und Bandstrukturen blieben intakt.
2. Erfassen Sie Bilder der Pelze vom oberen Rand der L5-Wirbel bis zum distalen Femurtrochanter mit einem Spiral-CT (siehe Materialtabelle). Verarbeiten Sie die Computertomographie-Bilder (CT) aller Leichen mit der Workstation und speichern Sie sie im DICOM-Format.
   HINWEIS: CT-Parameter: 0,5 mm Schichtdicke, 63 mA Strom, 140 kV Spannung.
3. Importieren Sie die CT-Scandaten im DICOM-Format in die präoperative Planungssoftware (siehe Materialverzeichnis) dieses Systems, um axiale, koronale und sagittale Bilder des Beckens zu erhalten.
   HINWEIS: Die DICOM-Dateien enthalten die Informationen aus dem CT-Scan, und das rekonstruierte Bild kann durch automatischen Import erhalten werden.
4. Erstellen Sie einen Zylinder mit dem MedCAD-Modul der Software und definieren Sie die Größe des Zylinders, indem Sie den Durchmesser und die Länge eingeben. Platzieren Sie es in den S1- oder S2-Wirbelkörper und passen Sie die Ausrichtung der Zylindermittellinie auf den axialen und koronalen Bildern an. Überprüfen Sie die Beziehung zwischen dem Rand des Zylinders und dem kortikalen Knochen in jedem Bild.
   ANMERKUNG: Es wird angenommen, dass der Zylinder, der sich vollständig innerhalb des Spongiosknochens befindet (ohne Kontakt mit dem kortikalen Knochen), einen entsprechenden Schraubenkanal in S1 oder S2 aufweist. Die Länge der Mittellinie des Zylinders ist die Länge der Schraube.

2. Chirurgische Einstellung

1. Befestigen Sie das Becken auf dem fluoroskopischen Operationstisch in Rückenlage (Abbildung 1).
2. Platzieren Sie den Roboter (siehe Materialtabelle) auf der ipsilateralen Seite in einem Winkel von 45° zum Operationstisch, wobei der C-Bogen senkrecht zum Operationstisch auf der kontralateralen Seite steht. Der Monitor des C-Bogens sollte dem Operationssaal zugewandt sein, damit der Chirurg ihn beobachten kann (Abbildung 1).
3. Stellen Sie die Workstation des MSOPGS und des Slave Manipulators außerhalb des Operationssaals auf. Der Chirurg sollte in der Lage sein, das Operationsfeld und den C-Bogen-Monitor zu beobachten, während er mit dem Slave-Manipulator teleoperiert (Abbildung 1).

3. Chirurgischer Eingriff

HINWEIS: Nachdem das System gestartet und inspiziert wurde, wird der Manipulator automatisch in den Arbeitszustand versetzt.

1. Befestigen Sie den Gitterpositionsmacher mit Klebeband auf der ipsilateralen Seite. Wählen Sie den Zielbereich durch eine Rasterpositionsmarkierung auf der echten Seitenansicht des Kreuzbeins aus. Stellen Sie sicher, dass der manuelle Traktionsmodus auf der Konsole ausgewählt und gestartet ist. Ziehen Sie den Roboterarm in den allgemeinen Bereich des transiliakral-transsakralen Schraubeneintrittspunkts S1 oder S2 (Abbildung 3A, B).
   HINWEIS: Der Zielbereich wird von der vorderen Grenze des Kreuzbeins, dem Sakralnervenkanal und dem Spinalkanal umschlossen.
2. Visualisieren Sie die echte seitliche Ansicht des Kreuzbeins, bedienen Sie den Master-Manipulator und stellen Sie die Spitze der distalen Hülse so ein, dass sie sich im Bereich des Führungsdrahteintritts im Master-Slave-Betriebsmodus befindet (Abbildung 3C).
3. Nachdem Sie den RCM-Modus ausgewählt haben, setzen Sie die C-Bogen-Durchleuchtung für die laterale sakrale Ansicht fort. Stellen Sie die Mitte der Führungsdrahthülse in konzentrische Kreise ein, damit sie mit dem Schraubenkanal übereinstimmen (Abbildung 3D).
4. Verriegeln Sie den Roboterarm und führen Sie einen Führungsdraht (2,5 mm K-Draht, siehe Materialtabelle) mit einer elektrischen Bohrmaschine durch das kontralaterale Darmbein. Entfernen Sie dann den Roboter im manuellen Traktionsmodus (Abbildung 3E).
   HINWEIS: Während dieses Schritts sollte keine Durchleuchtung durchgeführt werden.
5. Drehen Sie den C-Bogen zu den Ein- und Auslasswinkeln (verschiedene Pelzen haben unterschiedliche Winkel), um festzustellen, ob der Führungsdraht die vordere und hintere Sakralrinde und den Sakralnervenkanal durchbrochen oder berührt hat (Abbildung 3F, G).
6. Führen Sie eine 7,3-mm-Halbgewindeschraube (siehe Materialtabelle) entlang des Führungsdrahtes zum kontralateralen Beckenkortex ein.
7. Beurteilen Sie die Schraubenposition in der Ansicht des Beckeneinlasses und -auslasses und in der Seitenansicht (Abbildung 4).

4. Postoperative Beurteilung

1. Führen Sie die Schritte 1.2 bis 1.3 aus.
   HINWEIS: CT-Parameter: 0,5 mm Schichtdicke, 63 mA Strom und 140 kV Spannung.
2. Überprüfen Sie die Schraubenposition in jedem axialen, koronalen und sagittalen Bild.
   HINWEIS: Die Schraubenpositionen wurden mit der Gras-Methode bewertet. Insbesondere Schrauben im Spongios-Knochen sind Grad I, Schrauben, die mit dem kortikalen Knochen in Kontakt kommen, sind Grad II und Schrauben, die den kortikalen Knochen durchdringen, sind Grad III. Grad III steht für eine Fehlplatzierung der Schraube und weist auf das Risiko einer Gefäß- und Nervenverletzung^{hin 13}.

Ergebnisse

Ein leitender orthopädischer Chirurg führte die Operation mit dem beschriebenen Verfahren durch. Alle Schrauben (drei in S1 und zwei in S2) waren gesichert. Die Zeit (von der ersten Röntgendurchleuchtung bis zum Einsetzen der Schraube) für das Einsetzen jeder der fünf Schrauben betrug 32 Minuten, 28 Minuten, 26 Minuten, 20 Minuten und 23 Minuten. Die Durchleuchtungszeit für jede Schraube betrug ca. 5 min. Obwohl sich alle Schrauben auf den intraoperativen Durchleuchtungsbildern an der richtigen Stelle befanden, hab...

Diskussion

Unabhängig von der Art des Roboters bietet die Kernanwendung von Robotern in der Orthopädie ein fortschrittliches Werkzeug für Chirurgen, um die Genauigkeit der Operation zu verbessern. Das Aufkommen von Operationsrobotern ist jedoch kein Ersatz für Ärzte. Chirurgen, die Roboteroperationen durchführen, können sich im Operationssaal befinden oder auch nicht. Chirurgische Roboter umfassen im Allgemeinen ein Computersteuerungssystem, einen Roboterarm, der für die Operation verantwortlich ist, und ein Navigationssyst...

Materialien

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