Name: a spine robotic-assisted navigation system for pedicle screw placement
Uploaded: 2020-05-11T13:00:00
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Questo studio è stato parzialmente supportato da Point Robotics Medtech Incorporation, che ha fornito il sistema robotizzato. Il funder forniva supporto sotto forma di stipendi per X.Y. Xiao, C.W. Chen, H.K. Chou e C.Y. Sung, ma non aveva alcun ruolo aggiuntivo nella progettazione dello studio, nella raccolta e nell'analisi dei dati, nella decisione di pubblicare o nella preparazione del manoscritto.

Tutte le procedure seguite erano conformi agli standard etici del National Taiwan University Hospital (NTUH) Research Ethics Committee (REC) e della dichiarazione di Helsinki del 1975 (nella sua versione modificata più recentemente). Il consenso informato deve essere ottenuto da tutti i pazienti se è preparato un ulteriore studio clinico.
NOTA: La procedura di anestesia può essere suddivisa in tre fasi: valutazione pre-operatoria del paziente, gestione intraoperatoria e gestione postoperato...

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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>

Dal 1990, ci sono stati rapidi sviluppi nelle applicazioni chirurgiche che coinvolgono l'uso di robot. Le tecnologie robotiche disponibili sono state ottimizzate, con conseguente miglioramento della precisione, superando il tremore nelle mani umane, e riducendo i tempi di corrispondenza e registrazione dei sistemi di navigazione15. I vantaggi dell'assistenza chirurgica ai robot includono: (1) standardizzazione immediata senza lunghi processi di apprendimento; (2) i chirurghi possono seguire con pr...

Nel campo della chirurgia spinale, la chirurgia della fusione spinale è una procedura chirurgica fondamentale, in particolare la fissazione della vite del pedicolo posteriore, che può fornire supporto a tre colonne delle vertebre e migliorare la forza della biomeccanica; così, è diventato una delle procedure chirurgiche più comunemente utilizzate1. In molti studi precoci, l'effetto clinico dell'impianto della vite del pedicolo posteriore è stato confermato, ed è stato ampiamente utilizzato in chirurgia per molti diversi disturbi spinali, come le condizioni spinali degenerative, traumatiche e complicate2.
Tuttavia, anche se la chirurgia della fusione spinale dello mbloro posteriore può ottenere eccellenti effetti di trattamento, è ancora rischiosa a causa dell'anatomia del corpo umano. Ci sono molte strutture del tessuto vitale vicino al pedicolo, come il sistema nervoso centrale, radici nervose, e principali vasi sanguigni. Il danno di questi tessuti durante la procedura chirurgica può causare gravi complicazioni, come lesioni vascolari, deficit neurologici o allentamento delle viti2,3. Inoltre, i chirurghi e il personale sono esposti a radiazioni aggiuntive, in particolare nel caso di procedure spinali minimamente invasive4. I chirurghi possono sperimentare affaticamento e tremori della mano dopo lunghe e noiose procedure di chirurgia spinale, come posizionamenti a vite, osteotomia ossea, e decompressione del nervo5.
Il tasso insoddisfacente della procedura di posizionamento della vite del pedile ha reso necessaria l'applicazione di un sistema di navigazione assistita robotica negli ambulatori spinali per migliorare l'accuratezza dell'intervento chirurgico e la sicurezza dei pazienti. Diversi studi sui sistemi di navigazione assistiti robotici hanno dimostrato miglioramenti nella sicurezza, nella precisione e nella precisione del posizionamento della vite del pedicolo, nonché una minore esposizione alle radiazioni e tempi operativi6,7,8,9,10. Tuttavia, la pianificazione completa della traiettoria delle viti, la pianificazione pre-operatoria con immagini, il sistema robotico completo con dispositivo di fissaggio e il software di controllo robot devono ancora essere affrontati per raggiungere questo obiettivo. Questo studio si concentra sulla descrizione della struttura robotica e sul flusso di lavoro di un sistema di navigazione auto-sviluppato (cioè il sistema di navigazione della colonna vertebrale a punti (PSNS)) per interventi chirurgici di posizionamento della vite del pedicle assistiti da robotici.
Descrizione del sistema e protocollo chirurgico Il PSNS è costituito da una workstation di navigazione che include quanto segue. (1) C'è un software di interfaccia utente responsabile della lettura delle immagini attraverso la ricostruzione tridimensionale (3D), la pianificazione pre-operatoria, il calcolo delle relazioni cinematiche spaziali e la registrazione. (2) Il PSNS utilizza sistemi di guida ottica a infrarossi per monitorare la posizione spaziale di robot chirurgici e pazienti. Il sistema di guida ottica a infrarossi contiene i seguenti componenti: (i) un tracker ottico che emette attivamente la luce infrarossa ed esegue il posizionamento stereo attraverso una doppia telecamera (Figura 1); ii) una sfera marcatore la cui superficie ha un rivestimento riflettente con proprietà riflettenti per il tracciamento preciso degli utensili; e (iii) uno strumento con un piano di riferimento dinamico (DRF) che comprende una base e quattro sfere marcatore. Per evitare il guasto di identificazione del sistema di tracciamento, ogni dispositivo ha un design DRF univoco e non può essere condiviso tra loro. Il DRF utilizzato include un telaio di base (BF) attaccato alla base del manipolo per confermare la posizione del manipolo, un telaio effettore finale (EF) attaccato alla fine del manipolo per confermare la posizione del manipolo, un telaio fiducialo (FF) ancorato sull'osso del paziente per confermare la posizione del paziente e una sonda la cui punta viene utilizzata per confermare la posizione del bersaglio nello spazio 3D. (3) C'è un manipolo che comprende una piattaforma di sei gradi di libertà (DOF) Stewart, con un'estremità del robot dotato di uno strumento operativo utilizzato per la perforazione del percorso della vite. Il manipolo è un sistema di navigazione robotica assistito che aiuta i chirurghi verso il posizionamento accurato di impianti, come viti pedicle o posizionamento di strumenti chirurgici durante la chirurgia spinale. Il movimento del bersaglio chirurgico viene tracciato in quanto il robot compensa automaticamente il bersaglio corretto. Il robot è progettato come un sistema semi-attivo che offre una guida chirurgica degli utensili; tuttavia, l'intervento chirurgico vero e proprio viene eseguito dai chirurghi. Il principio di funzionamento e le attrezzature sono illustrati nella Figura 2.
PSNS è indicato per procedure tra cui, ma non limitato alle seguenti procedure campione: (i) aperto, minimamente invasivo, o chirurgia spinale percutanea; (ii) sito di chirurgia spinale per vertebre toraciche, lombare o sacrali; (iii) fusione spinale posteriore per traumi, malattia degenerativa della stenosi, instabilità, spondylolistesi, ernia del disco, tumore, infezione o correzione della deformità spinale; (iv) collocamento di dispositivi temporanei o permanenti, come k-wire o aghi, durante l'esecuzione della vertebroplastica, o della discectomia lombare endoscopica trasforale o interlaminale; e (iv) escissione tumorale osseo, compresa l'ablazione dell'osteoma osteoide o biopsia tumorale, in cui il robot ha diretto aghi o fili guida in una data posizione vertebrale. Questa procedura è controindicata per coloro che sono ingrado di tollerare l'anestesia, la procedura chirurgica o quando non sono state acquisite immagini di navigazione soddisfacenti.
Si noti che il personale operativo, compresi neurochirurghi e chirurghi ortopedici, deve essere autorizzato e addestrato nei corsi di guida. Tutte le procedure per il funzionamento del robot durante l'intervento chirurgico devono seguire le procedure standardizzate raccomandate per evitare di causare danni al paziente o al chirurgo. I chirurghi devono possedere un'esperienza chirurgica convenzionale per garantire che sia possibile tornare agli strumenti chirurgici convenzionali e completare l'intervento chirurgico quando si determina che la navigazione è imprecisa, sulla base delle conoscenze anatomiche dei chirurghi.

<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

L'impianto della vite del pedile ha eccellenti effetti di trattamento ed è spesso utilizzato dai chirurghi nella chirurgia della fusione spinale. Tuttavia, a causa della complessità dell'anatomia del corpo umano, questa procedura chirurgica è difficile e impegnativa, soprattutto nella chirurgia minimamente invasiva o nei pazienti con anomalie congenite e deformità della cifoscoliosi. Oltre ai fattori di cui sopra, l'esperienza chirurgica e la tecnica del chirurgo influenzano anche i tassi di recupero e le complicazioni dei pazienti dopo l'operazione chirurgica. Pertanto, l'impianto a vite del pedicolo con precisione è un argomento costante di interesse comune per chirurghi e pazienti. Negli ultimi anni, con lo sviluppo tecnologico, i sistemi di navigazione assistita da robot sono diventati gradualmente adottati. Questi sistemi di navigazione assistita da robot forniscono ai chirurghi una pianificazione preoperatoria completa prima dell'intervento chirurgico. Il sistema fornisce immagini ricostruite 3D di ogni vertebra, consentendo ai chirurghi di comprendere più rapidamente le caratteristiche fisiologiche del paziente. Fornisce inoltre immagini 2D di piani sagittali, coronali, assiali e obliqui in modo che i chirurghi possano eseguire con precisione il piano di posizionamento della vite del pedicolo.
Studi precedenti hanno dimostrato l'efficacia dei sistemi di navigazione robotizzati per le procedure di impianto della vite del pedicolo, comprese le valutazioni di accuratezza e sicurezza. Questo protocollo passo-passo ha lo scopo di delineare una nota chirurgica standardizzata per il posizionamento della vite del pedicle assistito da robotici.

La sicurezza e la precisione dei posizionamenti robotici delle viti del pedicolo sono state affrontate in diversi studi6,11. Abbiniamo le vertebre con immagini di pianificazione pre-operatorie sotto un sistema di tracciamento ottico nel metodo proposto. Dopo aver determinato il percorso chirurgico pianificato, queste informazioni sono state trasferite al manipolo attraverso l'unità di controllo del manipolo. Il sistema di navigazione integra le informazioni di t...

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A Spine Robotic-Assisted Navigation System for Pedicle Screw Placement

Questo articolo presenta una tecnica chirurgica standardizzata per il posizionamento della vite del pedicolo assistito robotico utilizzando sistemi di navigazione assistiti dalla robotica. Presentiamo un protocollo passo-passo e descriviamo il flusso di lavoro e le precauzioni di questa procedura.

Un sistema di navigazione assistita robotica spine per il posizionamento delle viti della pedicina

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

Questo sistema di navigazione assistito da robot è molto efficace, accurato e sicuro. Fornisce un'interfaccia utente intuitiva e un manipolo compensato automaticamente per la sostituzione della vite del pedicolo. Il manipolo a punta di questo sistema ha un'architettura a piattaforma parallela, che ha i vantaggi di una forte capacità di carico, velocità di posizionamento rapida, portabilità, ingombro ridotto e alta si curvabilità.Questo sistema può essere utilizzato per eseguire interventi chirurgici mininvasi, complicate deformità della scoliosi cifoide e altri casi impegnativi. Abbiamo in programma di utilizzare il sistema robotico in altre procedure chirurgiche come la decompressione nervosa. A differenza di un metodo chirurgico tradizionale, questo sistema utilizza una tecnologia unica che consente la visualizzazione degli obiettivi chirurgici e delle fasi operative all'interno dell'interfaccia dell'applicazione.A dimostrare la procedura con me saranno Chin-Wei Chen e Xiu-Yun Xiao, ingegneri di Point Robotics. Dopo anestesia e drappeggio, posizionare un filo percutaneo con uno ply di 1,5 millimetri sulla cresta iliaca posteriore per ancorare il telaio fiduciario all'osso iliaco dell'osso della sega e controllare il punto di ingresso sotto fluoroscopia. Contrassegnare il punto di ingresso con l'inchiostro.Utilizzare un trapano elettrico impostato su 1.000 giri al minuto per inserire il primo perno percutaneo nella cresta iliaca posteriore del paziente. Utilizzare il perno per ancorare il fotogramma fiduciario e regolare il fotogramma fino a quando non viene riconosciuto dalla telecamera di tracciamento ottico. Quando il telaio è in posizione, utilizzare un cacciavite per fissare il telaio al perno e utilizzare il trapano per inserire il secondo perno percutaneo, fissando ulteriormente il telaio con il secondo perno.Contrassegnare il campo chirurgico con l'inchiostro e utilizzare un bisturi chirurgico per fare un'incisione cutanea lungo il segno. Quindi, utilizzare un cacciavite per fissare il telaio al processo spinale di interesse e fare in modo che il chirurgo confermi che il telaio è stato saldamente ancorato. Per l'etichettatura e la registrazione spaziale, immettere l'interfaccia di monitoraggio dinamico del frame di riferimento nel software Point Spine Navigation System con più viste planari.Tutti i telai di riferimento dinamici devono essere all'interno dell'area di visione del sistema di tracciamento ottico. Quando viene visualizzata la freccia vettoriale del fotogramma di riferimento dinamico, il tracker è stato riconosciuto stabilmente dal sistema di tracciamento. Per garantire una registrazione corretta, selezionare almeno quattro punti caratteristiche non complanari sulle immagini TC di ricostruzione 3D preoperatorie del paziente.Utilizzare la punta della sonda per rimanere a contatto con il primo punto di funzionalità all'interno dell'area chirurgica effettiva. Quindi premere Selezione probe'per confermare il punto di accesso. Una volta confermati tutti i punti funzionalità, premere Calculation'Il sistema calcolerà il risultato della registrazione del punto di riferimento e lo presenterà nell'interfaccia software.Quando i criteri di accettazione per l'accuratezza della registrazione soddisfano le esigenze delle indicazioni cliniche, utilizzare la punta della sonda. Contattare continuamente qualsiasi punto della superficie ossea nell'area chirurgica effettiva e premere il pulsante Selezione sonda per confermare i punti di accesso. Una volta confermati almeno 50 punti immagine, premere Calculation'Il sistema calcolerà il risultato della corrispondenza della superficie e lo presenterà sull'interfaccia software.Una volta accettato il risultato della registrazione, utilizzare la sonda per selezionare gli evidenti punti di riferimento anatomici dell'area chirurgica effettiva per la conferma. Per assemblare il robot, inclinare il manipolo nello spazio in modo che i due cerchi che rappresentano l'angolo del manipolo coincidano nell'interfaccia software. Quindi, regolare orizzontalmente e verticalmente la posizione del manipolo, in modo che i punti che rappresentano la posizione del manipolo nell'interfaccia software siano allineati con i punti di ingresso del percorso pianificato.Si consiglia di familiarizzare con l'orientamento in prima persona dell'interfaccia utente e il movimento che abbiamo qui del robot portatile prima di tentare un intervento chirurgico. Per preparare il pedicolo, attivare la funzione di perforazione del manipolo e forare gli strumenti montati sull'estremità anteriore lungo il percorso pianificato. Utilizzare il braccio C per confermare la posizione del perno K e del trocar e utilizzare la vista anteriore/posteriore per determinare se lo strumento si trova nell'area ovale formata dal pedicolo nell'immagine prospettica.Quindi, sotto la vista laterale, determinare se lo strumento si trova all'interno dell'intervallo del pedicolo e delle vertebre. Quando le posizioni K-pin e trocar sono appropriate per la procedura, sostituirle con fili guida e inserire le viti del pedicolo attraverso i fili guida. In uno studio precedente, è stato dimostrato un basso tasso complessivo di malposizione della vite dell'1,7% da un totale di 59 viti posizionate su 34 vertebre viste attraverso il sistema di navigazione della colonna vertebrale punto.Non sono state osservate perforazioni del canale spinale o lesioni ad altri recipienti principali e tutte le viti del pedicolo sono state posizionate all'interno della zona di sicurezza. Il robot può, non solo perforare, ma anche eseguire anche manipolazioni dei tessuti molli a causa dell'elevata precisione del robot, molte procedure chirurgiche possono essere eseguite in sicurezza. Il nostro team si sta attualmente concentrando sulla facilitazione della curva di apprendimento dell'utente e sulla fornitura di un braccio di supporto per ridurre il peso del manipolo.

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