Телеуправляемая роботизированная система с помощью чрескожной трансилиакально-транссакральной фиксации винтов

Резюме

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.

Аннотация

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.

Введение

Первым роботизированным приложением, используемым в ортопедической хирургии, была система ROBODOC, используемая в 1992^{году 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.

протокол

Применение этой роботизированной техники было одобрено комитетом по этике больницы Тунцзи Медицинского колледжа Тунцзи, Университета науки и технологии Хуачжун, и она соответствует Хельсинкской декларации 1975 года, пересмотренной в 2013 году.

1. Предоперационное планирование

1. Зафиксируйте трупные пельвы в положении лежа на спине с помощью флюороскопического основания пластины (см. Таблицу материалов), вставив два штифта Шанца через бедренную кость. В положении лежа на спине поместите оба задних верхних подвздошных шипа одновременно на доску и поясничные позвонки параллельно полу.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Пожертвованные трупы были забальзамированы Департаментом анатомии и исследований Медицинского колледжа Тунцзи, Университета науки и техники Хуачжун. Тазовые образцы были получены путем трансекции на уровне поясничных 5 позвонков и ниже меньшего трохантера бедренной кости. Органы в полости малого таза были удалены. Мышцы, суставные капсулы и связочные структуры остались нетронутыми.
2. Получение изображений пельв от верхнего края позвонков L5 до дистального бедренного трохантера с помощью спиральной КТ (см. Таблицу материалов). Обработайте снимки компьютерной томографии (КТ) всех трупов с помощью рабочей станции и сохраните их в формате DICOM.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Параметры КТ: толщина среза 0,5 мм, ток 63 мА, напряжение 140 кВ.
3. Импортируйте данные КТ в программное обеспечение предоперационного планирования (см. Таблицу материалов) этой системы в формате DICOM для получения осевых, корональных и сагиттальных изображений таза.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Файлы DICOM содержат информацию из компьютерной томографии, а восстановленное изображение может быть получено автоматическим импортом.
4. Создайте цилиндр с помощью модуля MedCAD программного обеспечения и определите размер цилиндра, введя диаметр и длину. Поместите его в тело позвонка S1 или S2 и отрегулируйте ориентацию средней линии цилиндра на осевом и корональном изображениях. Проверьте связь между краем цилиндра и кортикальной костью на каждом изображении.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Считается, что цилиндр, полностью находящийся внутри канцелярной кости (исключая контакт с кортикальной костью), имеет соответствующий винтовой канал в S1 или S2. Длина средней линии цилиндра – это длина винта.

2. Хирургическая установка

1. Зафиксируйте таз на флюороскопическом операционном столе в положении лежа на спине (рисунок 1).
2. Поместите робота (см. Таблицу материалов) на ипсилатеральную сторону под углом 45° к операционному столу с C-образным рычагом перпендикулярно операционному столу на контралатеральной стороне. Монитор С-руки должен быть обращен к операционной, чтобы хирург мог наблюдать за ним (рисунок 1).
3. Разместите рабочее место MSOPGS и Slave Manipulator за пределами операционной. Хирург должен иметь возможность наблюдать за хирургическим полем и монитором C-arm во время телеоперации с помощью раба-манипулятора (рисунок 1).

3. Хирургическая процедура

ПРИМЕЧАНИЕ: После запуска и проверки системы манипулятор автоматически переводится в рабочее состояние.

1. Зафиксируйте устройство позиционирования сетки клейкой лентой на ипсилатеральной стороне. Выделите целевую область с помощью маркера положения сетки на истинном боковом представлении крестца. Убедитесь, что на консоли выбран и запущен режим ручной тяги. Перетащите роботизированную руку в общую область точки входа транслиакально-транссакрального винта S1 или S2 (рисунок 3A, B).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Целевая область закрыта передней границей крестца, крестцовым нервным каналом и спинномозговым каналом.
2. Визуализируйте истинный боковой вид крестца, управляйте мастер-манипулятором и отрегулируйте кончик дистального рукава, чтобы он был расположен в области входа направляющей проволоки в режиме работы Master-Slave (рисунок 3C).
3. После выбора режима RCM продолжите рентгеноскопию C-образного плеча для бокового сакрального вида. Отрегулируйте центр втулки направляющей проволоки в концентрические круги, чтобы он соответствовал винтовому каналу (рисунок 3D).
4. Зафиксируйте роботизированную руку и вставьте направляющую проволоку (2,5 мм K-wire, см. Таблицу материалов) через контралатеральную подвздошную кость с помощью электрической дрели. Затем снимите робота в режиме ручной тяги (рисунок 3E).
   ПРИМЕЧАНИЕ: На этом этапе не следует выполнять рентгеноскопию.
5. Поверните С-образный кронштейн к входному и выходному углам (разные пелвы имеют разные углы), чтобы определить, прорвался ли направляющая проволока или соприкоснулась ли передняя и задняя крестцовая кора и крестцовый нервный канал (рисунок 3F, G).
6. Вставьте полурез 7,3 мм (см. Таблицу материалов) вдоль направляющей проволоки к контралатеральной подвздошной коре.
7. Оцените положение винта на входе и выходе таза и боковом виде (рисунок 4).

4. Послеоперационная оценка

1. Выполните шаги 1.2-1.3.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Параметры КТ: толщина среза 0,5 мм, ток 63 мА и напряжение 140 кВ.
2. Проверьте положение винта на каждом осевом, корональном и сагиттальном изображении.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Положения винтов оценивались с использованием метода Гра. В частности, винты в канцелярной кости относятся к степени I, винты, контактирующие с кортикальной костью, относятся к степени II, а винты, которые проникают в кортикальную кость, относятся к степени III. Степень III представляет собой неправильное размещение винта и указывает на риск повреждения сосудов и нервов¹³.

Результаты

Старший хирург-ортопед завершил операцию, используя описанную процедуру. Все винты (три в S1 и два в S2) были закреплены. Время, затрачиваемое (от первой рентгеноскопии до вставки винта) для вставки каждого из пяти винтов, составляло 32 мин, 28 мин, 26 мин, 20 мин и 23 мин соответственно. Время рент...

Обсуждение

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?...

Материалы

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