Робототехническая навигационная система Для размещения pedicle Screw

Резюме

В этой статье представлена стандартизированная хирургическая техника для размещения роботизированного педикл-винта с помощью роботизированных навигационных систем. Мы представляем пошаговой протокол и описываем рабочий процесс и меры предосторожности этой процедуры.

Аннотация

Pedicle винт имплантации имеет отличные эффекты лечения и часто используется хирургами в хирургии синтеза позвоночника. Однако, из-за сложности анатомии человеческого тела, эта хирургическая процедура является сложной и сложной, особенно в минимально инвазивной хирургии или пациентов с врожденными аномалиями и деформацией кифосколиоза. В дополнение к вышеупомянутым факторам, хирургический опыт и техника хирурга также влияют на темпы восстановления и осложнений пациентов после хирургической операции. Таким образом, точное выполнение pedicle винт имплантации имеет постоянную тему общей озабоченности для хирургов и пациентов. В последние годы, с технологическим развитием, робот-помощь навигационные системы постепенно стали приняты на вооружение. Эти роботизированные навигационные системы обеспечивают хирургов с полным предоперационным планированием перед операцией. Система обеспечивает 3D реконструированные изображения каждого позвонка, что позволяет хирургам быстрее понять физиологические характеристики пациента. Он также предоставляет 2D изображения сагиттальных, корональных, осевых и косых плоскостей, так что хирурги могут точно выполнять план размещения pedicle винта.

Предыдущие исследования продемонстрировали эффективность роботизированных навигационных систем для процедур имплантации педикеля винта, включая точность и оценку безопасности. Этот пошаговой протокол направлен на наметить стандартизированную хирургическую технику к сведению для роботизированной при помощи pedicle винт размещения.

Введение

В области хирургии позвоночника, хирургия спинного синтеза является фундаментальной хирургической процедурой, особенно задней педикл винт фиксации, которая может обеспечить трехколонку поддержки позвонков и повышения прочности биомеханики; Таким образом, он стал одним из наиболее часто используемых хирургических процедур¹. Во многих ранних исследованиях, клинический эффект задней pedicle винт имплантации была подтверждена, и он был широко использован в хирургии для многих различных заболеваний позвоночника, таких как дегенеративные, травматические, и сложные условия позвоночника².

Однако, хотя задняя хирургия семенозамения поясничного отдела может достичь превосходных эффектов лечения, это все еще рискованно из-за анатомии человеческого тела. Есть много жизненно важных структур ткани близко к pedicle, таких как центральная нервная система, нервные корни, и основные кровеносные сосуды. Повреждение этих тканей во время хирургической процедуры может вызвать серьезные осложнения, такие как сосудистые травмы, неврологические дефициты, или винт ослабления^22,3. Кроме того, хирурги и персонал подвергаются дополнительному облучению, особенно в случае минимально инвазивных спинальных процедур^4. Хирурги могут испытывать усталость и дрожание рук после длительных и утомительных процедур хирургии позвоночника, таких как винт размещения, остеотомия костей, и декомпрессия нерва^5.

Неудовлетворительная скорость процедуры размещения pedicle винта потребовала предложения о роботизированной навигационной системе, которая будет применяться в операциях на позвоночнике для повышения точности операции и безопасности пациентов. Несколько исследований по роботизированным навигационным системам продемонстрировали улучшение безопасности, точности и точности размещения винта pedicle, а также снижение радиационного облучения и оперативное время^{6,,77,88,9,10}. Тем не менее, тщательное планирование траектории винта, предоперационное планирование с изображениями, комплексная роботизированная система с устройством фиксации, и программное обеспечение для управления роботом все еще должны быть рассмотрены для достижения этой цели. Это исследование фокусируется на описании роботизированной структуры и рабочего процесса саморазвитой навигационной системы (т.е. навигационной системы point spine (PSNS)) для роботизированных операций по размещению винта для педикона.

Описание системы и хирургический протокол
PSNS включает в себя навигационную рабочую станцию, которая включает в себя следующее. (1) Существует пользовательский интерфейс программного обеспечения, ответственного за чтение изображений через трехмерную (3D) реконструкцию, предоперационное планирование, расчет пространственных кинематической связи, и регистрации. (2) PSNS использует инфракрасные оптические системы наведения для отслеживания пространственного положения хирургических роботов и пациентов. Инфракрасная система оптического наведения содержит следующие компоненты: i) оптический трекер, который активно излучает инфракрасный свет и выполняет стереопозиционирование через двойную камеру(рисунок 1); ii) маркерная сфера, поверхность которой имеет отражающее покрытие со светоотражающими свойствами для точного отслеживания инструментов; и iii) инструмент с динамической эталонной рамкой (DRF), которая включает в себя базу и четыре маркерные сферы. Чтобы избежать сбоя идентификации системы слежения, каждое устройство имеет уникальную конструкцию DRF и не может быть совместно с другом. Используемый DRF включает в себя базовую рамку (BF), прикрепленную к основанию ручной клади для подтверждения положения ручной клади, раму конечного эффектора (EF), прикрепленную к концу ручной клади для подтверждения положения ручья, фидуциальную раму (FF), закрепленную на кости пациента для подтверждения положения пациента, и зонд, наконечник которого используется для подтверждения целевого положения в 3D пространстве. (3) Существует handpiece, состоящий из шести степеней свободы (DOF) Стюарт платформы, с одним концом робота оснащен ы операции инструмент, используемый для бурения винта пути. Рука представляет собой роботизированную навигационную систему, которая помогает хирургам в направлении точного размещения имплантатов, таких как pedicle винты, или позиционирование хирургических инструментов во время операции на позвоночнике. Движение хирургической цели отслеживается, так как робот автоматически компенсирует правильную цель. Робот разработан как полуактивная система, которая предлагает хирургическое руководство инструментом; однако, фактическая операция выполняется хирургами. Принцип эксплуатации и оборудование проиллюстрированы на рисунке 2.

PSNS показан для процедур включая но не ограничиваюсто к следующим процедурам образца: i) открытое, минимально инвазивно, или percutaneous хирургия позвоночника; ii) место операции на позвоночнике грудных, поясничных или крестцовых позвонков; iii) стригев стриговый стрим для травм, дегенеративного заболевания стеноза, нестабильности, спондилолистеза, грыжи межпозвоночного диска, опухоли, инфекции или коррекции деформации позвоночника; iv) размещение временных или постоянных устройств, таких как к-провода или иглы, при выполнении вертебропластики, либо трансфораминаальной или межламинарной перкутанической эндоскопической поясничной дисэктомии; и (iv) иссечение костной опухоли, включая абляцию остеоидной остеомы или биопсии опухоли, при которой робот направил иглы или направляющие провода в данное место позвонков. Эта процедура противопоказана для тех, кто не может терпеть анестезию, хирургическую процедуру, или когда удовлетворительные навигационные изображения не были приобретены.

Обратите внимание, что операционный персонал, в том числе нейрохирурги и хирурги-ортопеды, должны быть лицензированы и обучены на руководящих курсах. Все процедуры для работы робота во время операции должны следовать рекомендуемым стандартизированным процедурам, чтобы избежать причинения вреда пациенту или хирургу. Хирурги должны обладать обычным хирургическим опытом, чтобы убедиться, что можно вернуться к обычным хирургическим инструментам и завершить операцию, когда будет установлено, что навигация является неточной, на основе анатомических знаний хирургов.

протокол

Все последующие процедуры соответствовали этическим стандартам Комитета по этике Национального университета Тайваня (NTUH) research Ethics Committee (REC) и Хельсинкской декларации 1975 года (в ее последнем измененном варианте). Информированное согласие должно быть получено от всех пациентов, если подготовлено дальнейшее клиническое исследование.

ПРИМЕЧАНИЕ: Процедура анестезии может быть разделена на три этапа: предоперационная оценка пациента, интраоперационное управление и послеоперационное управление. Во время предоперационной оценки все данные о пациентах, включая тщательную историю и физическое обследование, должны быть собраны, и персонал должен распознавать сопутствующие условия пациента и то, как они связаны с анестезией пациента. Тщательный экзамен дыхательных путей должны быть выполнены, и персонал должен быть в курсе анестезии варианты сформулировать основной план анестезии помощи. Во время интраоперационного управления анестезиолог должен проверить основные функции анестезиолога и применить базовые физиологические мониторы, рекомендованные Американским обществом анестезиологов, которые включают оксиметр пульса, электрокардиографию, неинвазивное устройство кровяного давления и мониторинг температуры, варианты управления воздушными путими, фармакологию инцестификаторов и показания во время одевания. Интраоперационные события, такие как гипотония, гипертония, гипоксия и олигурия, должны быть признаны, оценены и управляемы. Кроме того, персонал должен распознать, когда пациент соответствует критериям экстубации.

1. Предоперационная настройка и планирование

ПРИМЕЧАНИЕ: Во время операции, стерильные хирургические шторы должны быть использованы для предотвращения контакта с неподготовленными поверхностями и для поддержания хирургической стерильности поверхности окружающей среды, оборудования и окружения пациента. Чтобы снизить риск передачи патогена как пациентам, так и хирургической бригаде, стерильные хирургические платья следует носить над костюмами скраба операционной командой во время операции.

1. Удалить все компоненты, которые могут повлиять на флюороскопию из хирургического сайта; это зависит от хирургического плана в зависимости от каждого отдельного пациента.
2. Поместите пациента в лежачное положение после введения анестезии и подготовить в соответствии с хирургическими требованиями.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Все процедуры анестезии должны быть выполнены под наблюдением анестезиолога и каждый план должен быть скорректирован в соответствии с каждым отдельным пациентом.
3. Очистите и стерилизуем хирургическое место пациента.
4. Обложка OP-сайт на хирургическом сайте пациента.
5. Поместите стерильную хирургическую драпировку на пациента, за исключением хирургического участка.
6. Якорь FF к пациенту; пользователи могут выбрать один из следующих двух методов в соответствии с их потребностями.
   1. Прикрепление к подвздошной кости (применимое хирургическое место: L5 или S1).
      1. Поместите два перкутанных провода (No 1,5 мм) на задний подвздошной гребень и проверьте точку входа под флюороскопией. Повторите шаг, если хирург имеет озабоченность по поводу точки входа. Отметьте точку входа с помощью маркерной ручки.
      2. Вставьте первый перкутанный штифт (No 5 мм, L и 140 мм) в задний подвздошной герб пациента с помощью силового сверла (1000 об/мин).
      3. Поместите FF вместе с первым перкутанным контактным. Отрегулируйте FF до тех пор, пока он не распознается оптической камерой слежения. Закрепите FF на первый перкутанный штифт с помощью отвертки.
      4. Вставьте второй перкутанный штифт (No 5 мм, L и 140 мм) вместе с отверстием на FF с помощью силового сверла (1000 об/мин). Закрепите винт на FF ко второму перкутанусу с помощью отвертки.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Согласно руководству системы оптического слежения, маркерная сфера может быть идентифицирована в радиусе 3 м от оптического трекера.
   2. Прикрепление к текущему или смежному позвоночному спинное процессу с зажимом применимо хирургическое место: грудной, поясничный или крестцовый позвонков.
      1. Поместите провод (1,5 мм) на спину пациента в качестве эталона при флюороскопии. Проверьте хирургическое поле под флюороскопией. Повторите шаг, если хирург имеет озабоченность по поводу хирургического поля. Отметьте хирургическое поле с помощью маркерной ручки.
      2. Нарезка ткани кожи на хирургическом поле с помощью хирургического скальпеля. Зафиксите FF к spinous процессу используя отвертку. Из-за разницы минеральной плотности костной ткани, поимеют хирурга определить, прочно ли FF закреплен на спинностком процессе.
7. Проверьте, подготовлено ли оборудование и компоненты PSNS, включая ручную кладь, оптическую систему слежения, роботизированную рабочую станцию и навигационный набор (т.е. зонд)(рисунок 3 и рисунок 4).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Избегайте вмешательства хирургического персонала; Избегайте блокировки оптической камеры слежения; Убедитесь, что трекер стабилен и распознается системой оптического слежения; Стерилизовать навигационный набор инструментов и поместить его на операционный стол.

2. Пространственная маркировка и регистрация

1. Передача предоперационных КТ-изображений пациента в систему через DVD или USB и обрезать размер изображения, чтобы настроить ориентацию на основе хирургических потребностей. Система обеспечивает виртуальные хирургические управляемые изображения, в том числе сагитальные, корональные, осевые и косые плоскости, а также индивидуальные 3D-реконструкции для каждого позвонка.
2. Поскольку программное обеспечение PSNS обеспечивает интерфейс маркировки, попросите хирурга пометить каждый позвонок с передним задним видом и боковой вид, дифференцируя межпозвонковый диск для последующих шагов, которые будут определены.
3. Выберите оптимальную длину винта и размеры имплантата на основе программного обеспечения устройства.
4. Планирование оптимального позиционирования и траектории винта на основе 3D и многоплановой реконструкции изображения предоперационной КТ.
5. Подтвердите, являются ли все запланированные винты правильными и уместными.
6. Введите интерфейс мониторинга DRF в программном обеспечении PSNS, которое представляет несколько планарных представлений (включайте 3D-том и три поперечных плоскости сбоку). Все DRF должны находиться внутри области зрения оптической системы слежения (согласно инструкциям пользователя, рекомендуемый наилучший диапазон распознавания — диапазон B.) Когда стрелка вектора DRF, указывающая на трекер, отображается на пользовательском интерфейсе, она стерливо распознается системой слежения(рисунок 5).
7. Выполните subperiosteal вскрытие на двусторонней основе вдоль спинное процесс, ламина из кончиков поперечных процессов всех уровней. Удалите грань совместных капсул, чтобы разоблачить суставы. Использование самоудержащихся ретракторов помощи в позвонках, удерживая мускулатуры в сторону.
8. Выполняйте процедуры регистрации, включая регистрацию ориентиров и соответствие поверхности. Следуйте последовательности ниже, чтобы обеспечить правильность результатов регистрации.
   1. Регистрация ориентиров
      1. Выберите по крайней мере четыре некопланарные точки (такие как спинной процесс, ламинар и поперечный процесс) на предоперационной 3D-реконструкции КТ-изображений пациента.
      2. Используйте кончик зонда, чтобы поддерживать связь с первой точкой, выбранной в шаге 2.8.1.1 в фактической хирургической области.
      3. Нажмите кнопку выбора зонда на программном интерфейсе, чтобы подтвердить точку доступа.
      4. Повторите шаги 2.8.1.2-2.8.1.3 до тех пор, пока не будут подтверждены четыре точки, выбранные в шаге 2.8.1.1.
      5. Нажмите кнопку расчета на программном интерфейсе; система вычислит результат знаковой регистрации и представит его в программном интерфейсе.
      6. Критерии приема для точности регистрации должны отвечать потребностям клинических показаний (Злт;5 мм). Если результат не является удовлетворительным, повторите шаги 2.8.1.1-2.8.1.5 до тех пор, пока результат регистрации не будет соответствовать критериям приема.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что действительность использования зонда для получения информации о положении костной поверхности, таких как очистка мягких тканей на поверхности кости и избежать оборванных наконечник зонда при сборе точек.
   2. Соответствие поверхности
      1. Используйте наконечник зонда, чтобы постоянно контактировать с любой точкой на поверхности кости в фактической хирургической области.
      2. Нажмите кнопку выбора зонда на программном интерфейсе, чтобы подтвердить точку доступа
      3. Переместите зонд (сделайте зонд отличаемым от предыдущей точки выбора) и повторите шаги 2.8.2.1-2.8.2.2 до тех пор, пока не будет завершено не менее 50 точек выбора.
      4. Нажмите кнопку расчета на программном интерфейсе; система вычислит результат соответствия поверхности и представит его на программном интерфейсе.
      5. Критерии приема для точности регистрации должны отвечать потребностям клинических показаний (0,5 мм). Если результат не является удовлетворительным, повторите шаги 2.8.2.1-2.8.2.4 до тех пор, пока результаты регистрации не будут соответствовать критериям приема.
9. Используйте зонд, чтобы выбрать очевидные анатомические ориентиры (такие как спинной процесс, поперечные процессы, граненое соединение) фактической хирургической области для подтверждения, как только результат регистрации будет принят(рисунок 6).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Соответствующее отражение и прием инфракрасного света должны поддерживаться во время операции. Если оптическая система слежения не может распознать маркеры, в программном интерфейсе будет отображаться напоминание о красном свете. Камера должна быть отрегулирована таким образом, чтобы хирургическое поле находилось в центре диапазона обнаружения камеры, а трекер должен быть защищен от света и крови.

3. Сборка и движение робота

1. Обложка ручной шторы стерилизации и установить хирургические инструменты на робота (например, trocar (No 5 мм) и k-pin (- 1,8 мм)).
2. Отрегулируйте угол и положение ручной клади в пространстве в соответствии со следующими инструкциями (шаги 3.2.1-3.2.2), чтобы ручная часть находилась в пределах диапазона компенсации (в пределах расстояния одного сантиметра и включенного угла 4 градуса от запланированного пути).
   1. Регулировка угла: Поверните угол handpiece в космосе так, что 2 круга представляя угол handpiece совместите на интерфейсе процотвора.
   2. Регулировка положения: горизонтально и вертикально перемещать положение ручной клади в пространстве, так что точки, представляющие положение handpiece на программном интерфейсе, выравниваются с точками входа запланированного пути.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Когда шаги 3.2.1 и 3.2.2 будут завершены в то же время, handpiece автоматически активирует активную функцию компенсации для поддержания угла и положения инструмента, чтобы соответствовать заранее запланированному пути (Рисунок 7).
3. Определите состояние работы робота, оценив цвет маркера робота, отображаемый на uI. Если он зеленый, он может эксплуатироваться, если он красный, он не может быть прооперирован.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Если handpiece приходит в контакт с пациентом или окружающими препонами, то кнопка аварийной остановки расположенной над корпусом рабочей станции навигации может быть отжата хирургом или техником. Необходимо регулярно ею проводить техническое обслуживание робота. Платформа должна быть перекалибрована по параметрам кинематики после 250 применений. Трокар и к-пин должны быть отброшены после однократного использования.

4. Педикл подготовки и винта вставки

1. Активируйте функцию сверла ручной клади и просверлите инструменты, установленные на передней части (в том числе K-pin: 1,8 мм и trocar: 5 мм) в тело пациента по запланированному пути.
2. Используйте c-arm, чтобы подтвердить положение k-pin и trocar.
3. Если позиции k-pin и trocar некорректны при флюороскопии, удалите к-пин и трокар. Затем, используя ручную часть, просверлить в pedicle снова до k-контакт и trocar вставить в склонные позиции под флюороскопии (обратите сью 4.3.1-4.3.2).
   1. Под видом AP определите, находится ли инструмент в овальной области, образованной педикулей в изображении перспективы.
   2. Под видом LAT определите, находится ли прибор в пределах педикяра и позвонка.
4. Замените K-pin и trocar на направляющие провода (No 1,5 мм, L й 400 мм), как только позиции будут подходящими.
5. Вставьте педикюр винт через направляющие провода.
6. Повторите шаги 4.1-4.4 для завершения всех путей хирургического планирования.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Что касается послеоперационного управления, пациенты должны контролироваться в отделении после наркозации (PACU) и послеоперационные варианты обезболивающей должны быть выбраны. Основные события PACU, такие как тошнота, боль, гипотония, гипертония и гипоксия, должны быть оценены. Кроме того, персонал должен распознавать, когда пациент отвечает критериям для выписки PACU.

Результаты

Безопасность и точность роботизированной при помощи pedicle винт размещения были рассмотрены в нескольких исследованиях^6,11. Мы сопоставляем позвонки с предоперационными изображениями планирования в системе оптического слежения в предложенном методе. Пос...

Обсуждение

С 1990 года наблюдается быстрое развитие хирургического применения, связанного с использованием роботов. Доступные роботизированные технологии были оптимизированы, что привело к повышению точности, преодолению толчка в руках человека, а также сокращению времени соответствия и регистр...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Dynamic reference frames	POINT
FF tool kit: 1.Connecting Rod 2.Combination clamps 3.Multi-pin clamps 4.Schanz screw 5.Spinous process clamp 6.Open wrench 7.Hexagonal wrench	POINT
Handpiece	POINT
Handpiece holder	POINT
Handpiece stand	POINT
K-pin	POINT
Optical tracker	NDI
Passive spheres	NDI
Probe	POINT
Sterile box	POINT
Sterile drape	POINT
Trocar	POINT
Workstation cart	POINT