一种远程操作机器人系统辅助经皮经髂骶螺钉固定技术
Summary
远程手术机器人系统辅助经皮经髂-经骶螺钉固定是一种可行的技术。由于机械臂具有出色的移动自由度和稳定性，因此可以高精度地实现螺杆通道。
Abstract
经髂骨-骶部螺钉固定在临床实践中具有挑战性，因为螺钉需要突破六层皮质骨。经髂骨螺钉提供更长的杠杆臂，以承受垂直垂直剪切力。然而，螺杆通道太长，微小的差异会导致医源性神经血管损伤。医疗机器人的发展提高了手术的精度。本协议描述了如何使用新的远程操作机器人系统来执行经髂骨-经骶骨螺钉固定。机器人被远程操作以定位入口点并调整套筒的方向。使用术后计算机断层扫描（CT）评估螺钉位置。所有螺钉均已安全植入，如术中透视检查所证实的那样。术后CT证实所有螺钉都在松质骨中。该系统将医生的主动性与机器人的稳定性相结合。可以远程控制此过程。与传统方法相比，机器人辅助手术具有更高的位置保持能力。与主动机器人系统相比，外科医生可以完全控制手术。机器人系统与手术室系统完全兼容，不需要额外的设备。
Introduction
骨科手术中使用的第一个机器人应用是1992年采用的ROBODOC系统1。从那时起，机器人辅助手术系统迅速发展。机器人辅助手术通过增强外科医生恢复肢体对齐和关节生理运动学的能力来改善关节成形术2.在脊柱手术中，使用机器人放置椎弓根螺钉是安全准确的;它还减少了外科医生的辐射暴露3。然而，由于创伤性骨科疾病的异质性，对机器人辅助手术的研究受到限制。现有骨科创伤机器人手术研究主要集中在骨盆环骨折的机器人辅助骶髂关节螺钉和耻骨螺钉固定4，股骨颈空心螺钉固定5，髓内钉的入口点和远端锁定螺栓6，7，经皮骨折复位8，9，以及军事领域重伤患者的治疗10。
经皮螺钉技术可以使用 2D 和 3D 导航支持进行。骶髂螺钉、前柱、后柱螺钉、髋臼上螺钉和魔术螺钉是盆腔和髋臼护理最常见的经皮技术11.经皮经髂-经骶螺钉技术对外科医生来说仍然具有挑战性。该手术需要了解骨盆解剖结构和 X 射线透视、准确定位和长期手部稳定性。遥控机器人系统可以很好地满足这些要求。本研究利用远程操作机器人系统完成骨盆环骨折的经皮经髂骨-骶骨螺钉固定。该协议的详细信息和工作流程如下所示。
机器人系统
主从骨定位引导系统（MSOPGS）主要由三部分组成：具有七自由度（DOF）的手术机器人（从机械手），具有力反馈的主机械手和控制台。该系统有四种操作模式：手动牵引、主从操作、远程运动中心 （ROM） 和紧急。 图 1 显示了 MSOPPG;其主要组成部分简要说明如下。
手术机器人（见 材料表）是一个七自由度机械手，经过预先认证，可集成到医疗产品中12。机器人具有力反馈传感器，可以检测力的变化。机械臂可以手动或远程操作。扭矩传感器安装在尖端并映射到“主机械手”，从而实现实时力反馈。机械臂上的最大负载足以抵抗软组织力并减少手术器械的颤动。机器人连接到移动平台，以获得可操作的工作场所并确保稳定性。底座连接到“主机械手”和操作系统，可以处理来自操作系统的指令。
“主机械手”专为医疗保健行业设计，用于精确控制机器人。该器件提供七个有源自由度，包括高精度力反馈抓取功能。它的末端执行器涵盖了人手的自然运动范围。采用增量控制策略实现对机械臂的直观控制。
该操作系统提供四种控制机械臂的方法：手动牵引、主从操作模式、远程运动中心 （RCM） 和紧急情况。操作系统将外科医生和机器人连接起来，并提供安全警报。手动牵引模式允许机械手在特定的工作范围内自由拖动。机器人在停止5秒后自动锁定。在主从模式下，外科医生可以使用“主机械手”来控制机械臂的运动。RCM 模式允许手术器械围绕器械末端旋转。RCM 模式最适合在通道的轴向透视视图上重新定向，例如髋臼上通道的放射影像泪滴征和经髂-经骶骨通路的真实骶视图。机械手可用于任何位置的紧急制动。 图 2 显示了系统的工作流程。
Protocol
Representative Results
Discussion
无论机器人的类型如何，机器人在骨科中的核心应用都为外科医生提供了提高手术准确性的先进工具。然而，手术机器人的出现并不能替代医生。进行机器人手术的外科医生可能在手术室，也可能不在手术室。手术机器人一般包括计算机控制系统、负责手术的机械臂和负责跟踪的导航系统。根据机器人和外科医生的交互方式，机器人系统分为三类，包括半主动、被动和主动系统14</sup…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
没有。
Materials
| 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 |
References
- Bargar, W. L., Bauer, A., Börner, M. Primary and revision total hip replacement using the Robodoc system. Clinical Orthopaedics and Related Research. (354), 82-91 (1998).
- Jacofsky, D. J., Allen, M. Robotics in arthroplasty: A comprehensive review. Journal of Arthroplasty. 31 (10), 2353-2363 (2016).
- Perfetti, D. C., Kisinde, S., Rogers-LaVanne, M. P., Satin, A. M., Lieberman, I. H. Robotic spine surgery: Past, present and future. Spine. 47 (13), 909-921 (2022).
- Long, T., et al. Comparative study of percutaneous sacroiliac screw with or without TiRobot assistance for treating pelvic posterior ring fractures. Orthopaedic Surgery. 11 (3), 386-396 (2019).
- Duan, S. J., et al. Robot-assisted percutaneous cannulated screw fixation of femoral neck fractures: Preliminary clinical results. Orthopaedic Surgery. 11 (1), 34-41 (2019).
- Lei, H., Sheng, L., Manyi, W., Junqiang, W., Wenyong, L. A biplanar robot navigation system for the distal locking of intramedullary nails. International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. 6 (1), 61-65 (2010).
- Oszwald, M., et al. Robotized access to the medullary cavity for intramedullary nailing of the femur. Technology and Health Care. 18 (3), 173-180 (2010).
- Hung, S. S., Lee, M. Y. Functional assessment of a surgical robot for reduction of lower limb fractures. International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. 6 (4), 413-421 (2010).
- Dagnino, G., et al. Image-guided surgical robotic system for percutaneous reduction of joint fractures. Annual Review of Biomedical Engineering. 45 (11), 2648-2662 (2017).
- Garcia, P., et al. Trauma Pod: A semi-automated telerobotic surgical system. International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. 5 (2), 136-146 (2009).
- Gaensslen, A., Müller, M., Nerlich, M. . Acetabular Fractures: Diagnosis, Indications, Treatment Strategies. , (2017).
- LBR Med: A collaborative robot for medical applications. KUKA Available from: https://www.kuka.com/en-cn/industries/health-care/kuka-medical-robotics/lbr-med (2023)
- Gras, F., et al. 2D-fluoroscopic navigated percutaneous screw fixation of pelvic ring injuries–A case series. BMC Musculoskeletal Disorders. 11, 153 (2010).
- Innocenti, B., Bori, E. Robotics in orthopaedic surgery: Why, what and how. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery. 141 (12), 2035-2042 (2021).
- Chen, A. F., Kazarian, G. S., Jessop, G. W., Makhdom, A. Robotic technology in orthopaedic surgery. Journal of Bone and Joint Surgery. 100 (22), 1984-1992 (2018).
- D’Souza, M., et al. Robotic-assisted spine surgery: History, efficacy, cost, and future trends. Robotic surgery. 6, 9-23 (2019).
- Dagnino, G., et al. Navigation system for robot-assisted intra-articular lower-limb fracture surgery. International Journal for Computer Assisted Radiology and Surgery. 11 (10), 1831-1843 (2016).
- Füchtmeier, B., et al. Reduction of femoral shaft fractures in vitro by a new developed reduction robot system ‘RepoRobo. Injury. 35, 113-119 (2004).
- Schuijt, H. J., Hundersmarck, D., Smeeing, D. P. J., vander Velde, D., Weaver, M. J. Robot-assisted fracture fixation in orthopaedic trauma surgery: A systematic review. OTA International. 4 (4), 153 (2021).
- Wang, J. Q., et al. Percutaneous sacroiliac screw placement: A prospective randomized comparison of robot-assisted navigation procedures with a conventional technique. Chinese Medical Journal. 130 (21), 2527-2534 (2017).
- Zhu, Z. D., et al. TiRobot-assisted percutaneous cannulated screw fixation in the treatment of femoral neck fractures: A minimum 2-year follow-up of 50 patients. Orthopaedic Surgery. 13 (1), 244-252 (2021).
- Gardner, M. J., Routt, M. L. Transiliac-transsacral screws for posterior pelvic stabilization. Journal of Orthopaedic Trauma. 25 (6), 378-384 (2011).
- Verhey, J. T., Haglin, J. M., Verhey, E. M., Hartigan, D. E. Virtual, augmented, and mixed reality applications in orthopedic surgery. International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. 16 (2), 2067 (2020).
