Summary
遠隔操作ロボットシステム支援経皮経腸骨-経仙骨スクリュー固定は実行可能な技術です。スクリューチャネルは、ロボットアームの優れた動きの自由度と安定性により、高精度で実装できます。
Abstract
経腸骨-経仙骨スクリュー固定は、スクリューが皮質骨の6層を突破する必要があるため、臨床診療では困難です。経腸骨-経仙ネジは、垂直垂直せん断力に耐えるために長いレバーアームを提供します。ただし、スクリューチャネルは非常に長いため、わずかな不一致が医原性神経血管損傷につながる可能性があります。医療用ロボットの開発により、手術の精度が向上しました。本プロトコルは、新しい遠隔操作ロボットシステムを使用して、経腸骨-経仙骨スクリュー固定を実行する方法を説明しています。ロボットはリモートで操作して、エントリポイントを配置し、スリーブの向きを調整しました。スクリュー位置は術後コンピュータ断層撮影(CT)を用いて評価した。術中透視法で確認したように、すべてのネジは安全に埋め込まれました。術後CTで全てのネジが海綿骨にあることを確認した.このシステムは、医師のイニシアチブとロボットの安定性を兼ね備えています。この手順のリモートコントロールが可能です。ロボット支援手術は、従来の方法と比較して高い位置保持能力を持っています。アクティブなロボットシステムとは対照的に、外科医は手術を完全に制御できます。ロボットシステムは手術室システムと完全に互換性があり、追加の機器を必要としません。
Introduction
整形外科手術で利用された最初のロボットアプリケーションは、1992年に採用されたROBODOCシステムでした1。それ以来、ロボット支援手術システムは急速に発展してきました。ロボット支援手術は、手足のアライメントと関節の生理学的運動学を回復する外科医の能力を高めることにより、関節形成術を改善します2。脊椎手術では、ロボットを使用した椎弓根スクリューの配置は安全で正確です。また、外科医の放射線被曝も減少します3。しかし、ロボット支援手術に関する研究は、外傷性整形外科疾患の不均一性のために限られていました。整形外科外傷に対するロボット手術に関する既存の研究は、主にロボット支援仙腸関節スクリューと骨盤リング骨折の恥骨スクリュー固定4、大腿骨頸部5のカニューレスクリュー固定、髄内釘6,7のエントリーポイントと遠位ロックボルト、経皮的骨折の減少8,9、および軍事分野における重傷患者の治療に焦点を当てています10。
経皮スクリュー技術は、2Dおよび3Dナビゲーションサポートを使用して実行できます。仙腸、前柱、後柱、寛骨臼上、および魔法のネジは、骨盤および寛骨臼のファクチャーの最も一般的な経皮的技術です11。経皮的経腸骨-経仙骨スクリュー技術は、外科医にとって依然として困難です。この手順には、骨盤の解剖学的構造とX線透視法の理解、正確な位置決め、および長期的な手の安定性が必要です。遠隔操作ロボットシステムは、これらの要件を十分に満たすことができます。この研究では、遠隔操作ロボットシステムを利用して、骨盤輪骨折に対する経皮的経腸骨-経仙骨スクリュー固定を完了します。このプロトコルの詳細とワークフローを以下に示します。
ロボットシステム
マスタースレーブ整形外科位置決めおよびガイダンスシステム(MSOPGS)は、主に7自由度(DOF)の手術ロボット(スレーブマニピュレータ)、フォースフィードバックを備えたマスターマニピュレータ、およびコンソールの3つの部分で構成されています。このシステムには、手動牽引、マスター/スレーブ操作、リモートモーションセンター(ROM)、および緊急時の4つの動作モードがあります。 図 1 に MSOPPG を示します。その主な構成要素を以下に簡単に説明します。
手術ロボット( 材料表を参照)は、医療製品への統合が事前に認定された7自由度マニピュレータです12。ロボットには、力の変化を検出できるフォースフィードバックセンサーがあります。ロボットアームは手動またはリモートで操作できます。先端にトルクセンサーを取り付けて「マスターマニピュレーター」にマッピングし、リアルタイムの力フィードバックを可能にします。ロボットアームの最大荷重は、軟部組織の力に抵抗し、手術器具の羽ばたきを減らすのに十分です。ロボットはモバイルプラットフォームに接続され、運用作業場を取得し、安定性を確保します。ベースは「マスターマニピュレータ」と操作システムに接続されており、操作システムからの指示を処理することができます。
「マスターマニピュレータ」は、ヘルスケア業界向けに設計されており、ロボットを正確に制御できます。このデバイスは、高精度のフォースフィードバック把持機能を含む7つのアクティブDOFを提供します。そのエンドエフェクタは、人間の手の自然な可動域をカバーします。インクリメンタル制御戦略は、ロボットアームの直感的な制御を実現するために使用されます。
操作システムは、手動牽引、マスタースレーブ操作モード、リモートモーションセンター(RCM)、および緊急の4つのロボットアームを制御する方法を提供します。手術システムは外科医とロボットをリンクし、安全アラームを提供します。手動トラクションモードでは、マニピュレータを特定の動作範囲内で自由にドラッグできます。ロボットは5秒間停止すると自動的にロックされます。マスタースレーブモードでは、外科医は「マスターマニピュレータ」を使用してロボットアームの動きを制御できます。RCMモードでは、手術器具が器具の端を中心に回転することができます。RCMモードは、寛骨臼上チャネルのX線写真のティアドロップサインや経腸骨-経仙骨骨経路の真の仙骨ビューなど、チャネルの軸方向透視ビューでの向きを変えるのに最適です。マニピュレータは、任意の位置での緊急ブレーキに使用できます。 図 2 に、システムのワークフローを示します。
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Protocol
このロボット技術の適用は、華中科技大学同済医科大学同済病院の倫理委員会によって承認され、2013年に改訂された1975年のヘルシンキ宣言に準拠しています。
1.術前計画
- 大腿骨に2本のシャンツピンを挿入することにより、透視プレートベース( 材料の表を参照)を使用して死体骨盤を仰臥位に固定します。仰臥位では、後上腸骨棘の両方を厚板と腰椎の両方に同時に床に平行に置きます。
注:寄贈された死体は、華中科技大学同済医科大学解剖学研究部によって防腐処理されました。骨盤標本は、腰椎5椎骨のレベルおよび大腿骨の小転子より下での切断によって得られた。骨盤腔内の臓器を切除した。筋肉、関節包、靭帯構造は無傷のままでした。 - スパイラルCTを使用して、L5椎骨の上端から遠位大腿骨転子までの骨盤の画像を取得します( 資料表を参照)。ワークステーションを使用してすべての死体のコンピュータ断層撮影(CT)画像を処理し、DICOM形式で保存します。
注:CTパラメータ:スライス厚さ0.5mm、電流63mA、電圧140kV。 - CTスキャンデータをDICOM形式でこのシステムの術前計画ソフトウェア( 材料表を参照)にインポートして、骨盤の軸方向、冠状、矢状画像を取得します。
注:DICOMファイルにはCTスキャンからの情報が含まれており、再構築された画像は自動インポートによって取得できます。 - ソフトウェアのMedCADモジュールを使用して円柱を作成し、直径と長さを入力して円柱のサイズを定義します。S1またはS2椎体に置き、軸画像と冠状画像で円柱正中線の向きを調整します。各画像で円柱のエッジと皮質骨の関係を確認してください。
注意: 海綿骨内のシリンダー全体(皮質骨との接触を除く)は、S1またはS2に対応するスクリューチャネルがあると見なされます。シリンダーの中央線の長さはネジの長さです。
2.手術設定
- 骨盤を仰臥位の透視手術台に固定します(図1)。
- ロボット( 材料表を参照)を同側を手術台に対して45°で配置し、Cアームを反対側の手術台に垂直にします。Cアームのモニターは、外科医が手術室を観察できるように手術室に面している必要があります(図1)。
- MSOPGSとスレーブマニピュレータのワークステーションを手術室の外に置きます。外科医は、スレーブマニピュレーターで遠隔操作しながら、手術野とCアームモニターを観察できる必要があります(図1)。
3.外科的処置
注: システムを起動して検査すると、マニピュレータは自動的に動作状態に展開されます。
- グリッドポジションメーカーを同側を粘着テープで固定します。仙骨の真の側面図上のグリッド位置マーカーでターゲット領域を選択します。コンソールの手動トラクションモードが選択され、開始されていることを確認します。ロボットアームをS1またはS2の経腸骨-経仙骨ネジエントリポイントの一般領域にドラッグします(図3A、B)。
注:ターゲット領域は、仙骨、仙骨神経管、および脊柱管の前縁で囲まれています。 - 仙骨の真の側面図を視覚化し、マスターマニピュレータを操作し、マスタースレーブ動作モードでガイドワイヤ入力領域に配置されるように遠位スリーブの先端を調整します(図3C)。
- RCMモードを選択した後、側面仙骨ビューのためにCアーム透視を続行します。ガイドワイヤスリーブの中心を同心円に調整して、ネジチャネルと一致します(図3D)。
- ロボットアームをロックし、電気ドリルを使用して反対側の腸骨にガイドワイヤー(2.5 mm Kワイヤー、 材料表を参照)を挿入します。次に、手動牽引モードでロボットを取り外します(図3E)。
注意: この手順では、透視検査は実行しないでください。 - Cアームを入口角と出口角(骨盤が異なれば角度も異なります)に回して、ガイドワイヤーが前仙骨皮質と後仙骨皮質と仙骨神経管を突破したか、接触したかを判断します(図3F、G)。
- ガイドワイヤーに沿って7.3mmの半ねじネジ( 材料表を参照)を反対側の腸骨皮質に挿入します。
- 骨盤の入口と出口のビューと側面図のネジの位置を評価します(図4)。
4.術後評価
- 手順 1.2-1.3 を実行します。
注:CTパラメータ:スライス厚さ0.5mm、電流63mA、電圧140kV。 - 各軸方向、冠状状、および矢状画像のネジの位置を確認してください。
注:ネジの位置は、Grasの方法を使用して評価されました。具体的には、海綿骨のネジはグレードI、皮質骨に接触するネジはグレードII、皮質骨を貫通するネジはグレードIIIです。グレードIIIはネジの置き忘れを表し、血管および神経損傷のリスクを示します13。
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Representative Results
上級整形外科医は、説明されている手順を使用して手術を完了しました。すべてのネジ(S1に3本、S2に2本)が固定されました。5本のネジをそれぞれ挿入するのにかかった時間(最初のX線透視からネジの挿入まで)は、それぞれ32分、28分、26分、20分、および23分でした。各スクリューの透視時間は約5分であった。すべてのネジは術中の透視画像の正しい位置にあったが、いくつかの記事では、スクリューの配置を評価するための術後CTスキャンの必要性が強調されている。術後のCTスキャンでは皮質骨にネジが貫通していませんでした。すべてのネジは完全に海綿骨にありました(図4)。
図1:手術環境のセットアップ。 ロボットアームは、手術台に対して斜めに患側に配置され、ベースによってロックされます。Cアームは骨盤の健康な側に配置され、画像ディスプレイは外科医に面しています。遠隔操作用のコントローラーは手術室の外にあります。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:MSOPGSの臨床ワークフロー。 外科的処置を選択した後、ロボットの配置指示に従う必要があります。ラフガイダンスモードとは、外科医が手動牽引モードまたはマスタースレーブモードを使用して、手術器具を目的の位置に移動することを意味します。次に、RCMモードまたはジョイスティック操作モードでスリーブの方向を調整します。つまり、ラフモードはエントリポイントの選択に使用され、精密モードはガイドワイヤーの方向を調整するために使用されます。斜め仙腸スタイルのネジに使用されるジョイスティック操作モードは、本文では言及されていません。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:外科的処置。 (A)手術前にグリッドを使用してターゲット領域を特定します。(B)ロボットアームをターゲットエリアにドラッグします。(C)マスタースレーブ動作モードでは、ガイドワイヤースリーブが目的のエントリポイントになるように、ロボットアームがより正確に配置されます。(D)ガイドワイヤースリーブの遠位端を中心に、スリーブが同心円として表示されるまで移動します。(E-G)ガイドワイヤーに穴を開けた後、ガイドワイヤーの理想的な位置が骨盤の入口と出口の画像で確認されます。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:コンピュータ断層撮影による再建とX線により、スクリューが完全に海綿骨内にあることを確認しました。 (A)正中線部位の矢状CT再構成画像は、スクリューがS1に位置していることを示唆しています。(B)スクリューは、再スライス軸CT再構成画像上の仙骨管に入りませんでした。(C)スクリューは、再スライスコロナCT再構成画像上で安全です。(D)ネジは、仙骨の真の側面図で完全に骨内にあります。(E,F)スクリューは、入口と出口の画像の前部と後部の仙骨皮質と仙骨神経管から安全な距離にあります。スケールバー(A-C):2センチメートル。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
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Discussion
ロボットの種類に関係なく、整形外科におけるロボットのコアアプリケーションは、外科医が手術の精度を向上させるための高度なツールを提供します。しかし、手術ロボットの出現は医師に代わるものではありません。ロボット手術を行う外科医は、手術室にいる場合といない場合があります。外科用ロボットは、一般に、コンピュータ制御システム、操作を担当するロボットアーム、および追跡を担当するナビゲーションシステムを含む。ロボットシステムには、ロボットと外科医がどのように相互作用するかに応じて、セミアクティブ、パッシブ、アクティブシステム14の3つのカテゴリがあります。ロボット支援は、主に関節形成術と脊椎計装術に限定され、手術の精度を向上させます2,15,16。外傷整形外科でのロボットの使用は比較的まれです。トラウマポッド10は戦場で重傷を負った患者の命を救い、ロボット支援骨折手術(RAFS)17とRepoRobo18は大腿骨骨折の縮小に役立ちます。TiRobotは、インテリジェントなアルゴリズムを使用して術前の画像に基づいてスクリュー軌道を計画する半自動ロボットシステムです。3Dイメージングと光学追跡を使用して19,20をナビゲートします。システムは、術前の計画とナビゲーションのみを実行でき、他の外科的タスクを実行することはできません。同様に、TiRobotシステムは、大腿骨頸部骨折手術21中のスクリュー位置を決定する役割を果たす。ツールとして、MSOPGSは医師のスキルと知識を組み合わせて、手術をより正確で低侵襲にします。
経腸骨 - 経仙骨ネジは、皮質骨22の6つの層を突破する。スクリューチャネルは非常に長いため、わずかな不一致が医原性神経血管損傷を引き起こす可能性があります。フリーハンド技術に関連する最も重要な課題は、出口ビューと入口ビューでガイドワイヤの方向を調整することです。ガイドワイヤーは、皮質または軟骨下骨を突き破るとたわみます。ロボット支援手術は、次の理由から、従来の外科的処置よりも正確です。第一に、外科医の手の動きの振幅は、1対1で手術器具に伝達されない。スケーリング効果は、手術器具の動きの振幅を減らし、より細かい動きを容易にします。第二に、ロボットはずれることなくその位置を維持することができます。しかしながら、軟組織が手術器具の移動中に外傷を受けるかどうかは不明である。軟部組織への過度の張力を避けるために、フィードバック閾値が必要です。さらに、外科医は処置全体を通して放射線被曝の危険を回避することができる。
新しいテクノロジーは常に学習曲線に関連付けられています。この研究では、最初の3本のネジを固定するのにかかった時間と比較して、最後の2本のネジの操作時間が大幅に短縮されました。遠隔操作ロジックは、外科医が手術器具とマスターマニピュレーターの間に脳内の接続を作成するのに役立ちます。医師は、透視下でフリーハンド技術を使用して仙腸骨ネジを配置することに熟練している必要があります。私たちの技術では、システムの操作の難しさを軽減するために直感的な制御戦略が使用されました。マスターマニピュレータと手術器具の端は同じ作業空間にありませんが、手術器具の端はマスターマニピュレータで適切に動くことができます。最も重要なステップであるRCMは、ガイドワイヤの方向の調整を大幅に簡素化します。RCM モードでは、エントリ ポイントが決定されていれば、回転中にエントリ ポイントが変位しないようにします。外科医はマスターマニピュレータを操作し、手術器具は頂点がネジ挿入点である円錐状の空間を移動します。
ほとんどの手順では外側仙骨画像が使用されるため、患者は手術中ずっと同じ位置を維持する必要があります。死体研究では、骨盤は手術台に固定されています。患者の体幹は、実際の手術現場でハーネスを使用して手術台に固定することができます。しかし、患者は死体よりも重く、簡単には動きません。ロボットと患者は、システムの2つの無関係な部分です。プロジェクトの開発により、ロボットと患者は追跡システムを使用してリアルタイムの同期システムを形成し、ロボットと患者の相対的な位置を一定に保つことができます。
このロボットシステムは、待ち時間が短く、現在の手術システムとの互換性があるため、将来的に遠隔医療の重要な部分になると期待されています。整形外科的外傷を有する患者は、特に骨盤および寛骨臼骨折の場合、損傷と手術の間に特定の時間枠を有する。このような場合、循環の安定性を確保し、他の全身損傷を防ぐことが極めて重要です。中央病院の医師は、遠隔医療システムを使用して術前の準備をガイドし、MSOPGSを介して完全な遠隔手術を行うことができます。さらに、このシステムは、2Dまたは3Dナビゲーション、仮想現実(VR)、拡張現実(AR)、および複合現実(MR)テクノロジーを組み合わせています。リアリティテクノロジーは整形外科手術に大きな可能性を秘めています。いつでも患者データを検証し、手術計画を進め、介入の精度を向上させる機能により、医療の質と患者の転帰が向上します23。術前の画像データは、患者の表面に対して空間的に正しい位置合わせで提示されたさらなる視覚データと組み合わせることができる。AR/MRでのマルチモーダル画像統合は、画像再構成を実際の解剖学的構造と重ね合わせることにより、外科医に術中の透視法を提供し、それによって放射線を再利用する必要がなくなります。
この研究にはいくつかの制限があります。使用した骨盤のサンプルサイズは小さかった。実際の手術状況を完全にシミュレートしようとしましたが、死体研究と実際の手術状況には大きな違いがあります。このシステムは、臨床応用に向けてさらに洗練する必要があります。
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Disclosures
著者は、競合する利益がないことを宣言します。
Acknowledgments
何一つ。
Materials
| 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 |
References
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