Name: a spine robotic-assisted navigation system for pedicle screw placement
Uploaded: 2020-05-11T13:00:00
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这项研究得到了点机器人医疗技术公司部分支持，该公司提供了机器人系统。资助人以工资形式为肖晓、陈晓、周美青和宋明提供工资支持，但在研究设计、数据收集和分析、出版决定或编写稿件方面没有任何额外作用。

所有程序均符合国立台湾大学医院（NTUH）研究伦理委员会（REC）和1975年《赫尔辛基宣言》（最近修订本）的道德标准。如果准备了进一步的临床试验，则必须获得所有患者的知情同意。
注：麻醉程序可分为三个步骤：患者术前评估、术中管理和术后管理。在术前评估期间，应收集所有患者数据，包括彻底的病史和体格检查，工作人员应识别患者合并症及其与患者麻醉护理的...

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A preliminary report of a 2-year prospective, international multicenter study in a range of indications requiring surgical intervention for bone grafting and pedicle screw fixation.</a> Spine. 21 (17), 2006-2015 (1996).</li><li>Lonstein, J. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Complications+associated+with+pedicle+screws.">Complications associated with pedicle screws.</a> The Journal of Bone and Joint Surgery-American Volume. 81 (11), 1519-1528 (1999).</li></ol>

自1990年以来，涉及使用机器人的外科应用发展迅速。现有的机器人技术得到了优化，提高了精度，克服了人手的震颤，减少了导航系统15的匹配和注册时间。手术机器人辅助的好处包括：（1） 无需冗长的学习过程立即标准化;（2）外科医生可以通过用户界面精确遵循手术前计划，该计划叠加在基于CT的图像上;（三）减少外科医生和手术人员的辐射暴露;（4） 提高准确性，特别是...

在脊柱外科领域，脊柱融合手术是一种基础性的外科手术，特别是后足骨螺钉固定，可提供椎骨的三柱支撑，增强生物力学的强度;因此，它已成为最常用的外科手术之一。在许多早期研究中，后足脑螺杆植入的临床效果已经得到确认，并被广泛用于许多不同的脊柱疾病，如退行性、创伤性、复杂的脊柱疾病2。
然而，虽然后腰椎融合手术可以取得优异的治疗效果，但由于人体解剖，仍有风险。有许多重要的组织结构靠近足部，如中枢神经系统，神经根，和主要血管。这些组织在外科手术过程中的损伤可能导致严重的并发症，如血管损伤、神经缺陷或螺钉松动22，3。此外，外科医生和工作人员暴露于额外的辐射，特别是在微创脊柱手术4的情况下。外科医生在漫长而繁琐的脊柱手术程序（如螺钉放置、骨切除术和神经减压5）后，可能会经历疲劳和手部震颤。
由于脚踏螺杆放置程序不尽如人意，因此有必要在脊柱手术中应用机器人辅助导航系统，以提高手术准确性和患者安全性。对机器人辅助导航系统的几项研究显示，在脚踏螺杆放置的安全性、精度和精度方面有所改进，以及减少辐射暴露和操作时间66、7、8、9、10。7,8,9,10然而，要实现这一目标，还需要进行彻底的螺杆轨迹规划、图像的术前规划、带固定装置的综合机器人系统和机器人控制软件。本研究重点介绍了机器人结构，以及用于机器人辅助脚杆放置手术的自行开发的导航系统（即点脊柱导航系统（PSNS））的工作流程。
系统描述和手术程序 PSNS 包括一个导航工作站，其中包括以下内容。（1） 通过三维（3D）重建、术前规划、空间运动关系计算和注册，提供负责图像读取的用户界面软件。（2）PSNS使用红外光学制导系统跟踪手术机器人和患者的空间位置。红外光学制导系统包含以下组件：（i） 主动发射红外光并通过双摄像头进行立体定位的光学跟踪器（图1）;（二） 表面具有反射性涂层的标记球体，用于精确工具跟踪;和 （iii） 具有动态参考框架 （DRF） 的工具，该工具包含一个基体和四个标记球体。为了避免跟踪系统的识别失败，每个设备都有独特的 DRF 设计，不能相互共享。使用的 DRF 包括连接到手架底座以确认手垫位置的基架 （BF），连接到手件末端以确认手持件位置的末端执行器框架 （EF），固定在患者骨骼上以确认患者位置的基准框架 （FF）以及用于确认 3D 空间中目标位置的探头。（3） 有一个手工包括六自由度 （DOF） 斯图尔特平台，机器人的一端配有用于钻孔螺钉路径的操作工具。该手具是一个机器人辅助导航系统，帮助外科医生准确放置植入物，如脚踏螺钉，或在脊柱手术期间定位手术工具。当机器人自动补偿正确的目标时，手术目标的移动被跟踪。机器人被设计成一个半主动系统，提供手术工具指导;然而，实际手术是由外科医生进行的。操作原理和设备如图2所示。
PSNS 表示用于以下手术，包括但不限于以下样本程序：（i） 开放、微创或皮下脊柱手术;（二） 开放、微创或皮下脊柱手术;（二） 开放、微创或皮内脊柱手术;（二） 开放、微创或皮内脊柱手术;（二） 开放、微创或皮内脊柱手术;（二） 开放、微创或皮内脊柱手术;（三） 开放、微创或皮内脊柱手术;（（二） 胸椎、腰椎或骨椎的脊柱手术部位;（三） 创伤、退行性狭窄疾病、不稳定、脊柱病变、椎间盘、肿瘤、感染或脊柱畸形矫正的后脊柱融合;（四） 在进行椎间盘整时放置临时或永久性装置，如k线或针，或进行跨脑内膜或内膜内镜腰椎间膜切除术;和 （iv） 骨肿瘤切除，包括骨质骨瘤或肿瘤活检的消融，机器人引导针头或引导线到给定的椎部位置。对于无法耐受麻醉、外科手术或未获取令人满意的导航图像的患者，此过程是禁忌的。
请注意，手术人员，包括神经外科医生和整形外科医生，必须获得指导课程的许可和培训。手术过程中操作机器人的所有程序都需要遵循建议的标准化程序，以避免对患者或外科医生造成伤害。外科医生必须拥有传统的手术经验，以确保可以切换回传统的手术仪器，并在根据外科医生的解剖学知识确定导航不准确时完成手术。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Dynamic reference frames</td>
			<td>POINT</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>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</td>
			<td>POINT</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Handpiece</td>
			<td>POINT</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Handpiece holder</td>
			<td>POINT</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Handpiece stand</td>
			<td>POINT</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>K-pin</td>
			<td>POINT</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical tracker</td>
			<td>NDI</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Passive spheres</td>
			<td>NDI</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Probe</td>
			<td>POINT</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sterile box</td>
			<td>POINT</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sterile drape</td>
			<td>POINT</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trocar</td>
			<td>POINT</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Workstation cart</td>
			<td>POINT</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a spine robotic-assisted navigation system for pedicle screw placement

皮头螺杆植入具有优异的治疗效果，常被外科医生用于脊柱融合手术。然而，由于人体解剖学的复杂性，这种外科手术是困难和具有挑战性的，特别是在微创手术或先天性异常和脊柱侧弯畸形患者。除了上述因素外，外科医生的手术经验和技术还影响手术后患者的恢复率和并发症。因此，准确进行脚踏螺杆植入是外科医生和患者共同关心的一个话题。近年来，随着技术的发展，机器人辅助导航系统逐渐被采用。这些机器人辅助导航系统为外科医生在手术前提供完整的术前计划。该系统提供每个椎骨的3D重建图像，使外科医生能够更快地了解病人的生理特征。它还提供下垂、冠冕、轴向和倾斜平面的 2D 图像，以便外科医生能够准确执行脚踏螺杆放置计划。
先前的研究已经证明了机器人辅助导航系统对脚踏螺杆植入程序的有效性，包括准确性和安全评估。此分步协议旨在概述机器人辅助脚轮螺钉放置的标准化手术技术说明。

机器人辅助脚踏螺杆放置的安全性和准确性已在几项研究66，1111中得到解决。在该方法的光学跟踪系统下，我们将椎骨与术前规划图像进行匹配。在确定计划手术路径后，此信息通过手部控制单元传输到手持设备。导航系统集成了跟踪信息，并在手术期间将其显示在监视器上。此外，屏幕显示脊柱上的入场路径和仪器的位置。
在之...

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A Spine Robotic-Assisted Navigation System for Pedicle Screw Placement

本文介绍了一种使用机器人辅助导航系统进行机器人辅助脚踏螺杆放置的标准化手术技术。我们提出了一个分步协议，并描述了此过程的工作流和预防措施。

用于脚踏螺钉放置的脊柱机器人辅助导航系统

Pedicle screw implantation has excellent treatment effects and is often used by surgeons in spinal fusion surgery. However, due to the complexity of human ...

这种机器人辅助导航系统非常有效、准确、安全。它提供了一个友好的用户界面和自动补偿手件的皮球螺丝更换。该系统的点式手持机具有并行平台架构，具有负载能力强、定位速度快、便携性强、占地面积小、弯曲性高等优点。该系统可用于进行微创手术、复杂的基菲德脊柱侧弯畸形和其他具有挑战性的病例。我们计划在其他外科手术（如神经减压）中使用机器人系统。与传统的手术方法不同，该系统使用独特的技术，允许在应用程序界面内可视化手术目标和手术步骤。与我展示这个程序的将是点机器人工程师陈钦伟和肖秀云。麻醉和拖拉后，将一根皮片线放在后腹骨尖顶上，将框架固定在锯骨的腹腔骨上，并在荧光镜下检查入口点。用墨迹标记入口点。使用功率钻设置为每分钟1000转，将第一个皮钉插入患者的后腹腔顶。使用销锚定基准帧并调整帧，直到光学跟踪摄像机识别它。当框架就位时，使用螺丝刀将框架固定在销上，并使用钻头插入第二个皮销，从而用第二个销进一步固定框架。用墨水标记手术场，并使用手术手术刀沿着标记进行皮肤切口。然后，使用螺丝刀将框架固定在感兴趣的脊柱过程上，让外科医生确认框架已牢固固定。对于空间标记和注册，请向具有多个平面视图的点脊柱导航系统软件输入动态参考帧监视接口。所有动态参考帧应位于光学跟踪系统视觉区域内。当显示动态参考帧矢量箭头时，跟踪系统已稳定识别跟踪器。为确保正确注册，请在患者术前三D重建CT图像上至少选择四个非平面特征点。使用探针尖端与实际手术区域内的第一个特征点保持接触。然后按"探针选择"以确认接入点。确认所有特征点后，按"计算"系统将计算地标注册结果，并在软件界面中显示。当注册精度的验收标准满足临床适应症的需要时，使用探针尖端。持续接触实际手术区域骨面上的任何点，然后按"探针选择"按钮确认接入点。当确认至少50个图片点时，按计算'系统将计算表面匹配结果，并呈现在软件界面上。一旦接受注册结果，使用探针选择实际手术区域的明显解剖地标进行确认。要组装机器人，请将手提机定角在空间中，使表示手提机角度的两个圆圈在软件界面中重合。然后，水平和垂直调整手提机的位置，以便表示手持件在软件界面中的位置的点与计划路径的入口点对齐。我们建议在尝试手术之前熟悉用户界面的第一人称方向以及手持机器人的移动。要准备脚轮，请激活手提车的钻孔功能，然后沿计划路径在前端钻取安装在前端的仪器。使用 C 臂确认 K 针和小车的位置，并使用前/后视图确定仪器是否位于透视图像中由柱形成的椭圆形区域。然后，在横向视图下，确定仪器是否在卵石柱和椎骨的范围内。当 K 针和小车位置适合该步骤时，用导向线更换它们，并通过导线插入脚轮螺钉。在先前的研究中，通过点脊柱导航系统，在34个见脊椎上放置的总共59颗螺钉中，低整体螺丝的不良率为1.7%。未观察到脊柱管穿孔或伤害任何其他主要船只，所有石柱螺钉都放置在安全区内。由于机器人的精度高，机器人不仅可以钻，还可以进行软组织操作，许多外科手术都可以安全地进行。我们的团队目前专注于使用户学习曲线更容易，并提供支撑臂，以减轻手提件的重量。

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