Een Spine Robotic-Assisted Navigatiesysteem voor Pedicle Schroef Plaatsing
Summary
Dit artikel presenteert een gestandaardiseerde chirurgische techniek voor robot-ondersteunde pedicle schroef plaatsing met behulp van robot-ondersteunde navigatiesystemen. We presenteren een stapsgewijs protocol en beschrijven de workflow en voorzorgsmaatregelen van deze procedure.
Abstract
Pedicle schroef implantatie heeft uitstekende behandeling effecten en wordt vaak gebruikt door chirurgen in spinale fusie chirurgie. Echter, vanwege de complexiteit van de anatomie van het menselijk lichaam, deze chirurgische ingreep is moeilijk en uitdagend, vooral in minimaal invasieve chirurgie of patiënten met aangeboren afwijkingen en kyfoscoliose misvorming. Naast de bovengenoemde factoren hebben de chirurgische ervaring en techniek van de chirurg ook invloed op de herstelpercentages en complicaties van de patiënten na de chirurgische ingreep. Daarom, nauwkeurig presterende pedicle schroef implantatie heeft is een constant onderwerp van gemeenschappelijk belang voor chirurgen en patiënten. In de afgelopen jaren, met de technologische ontwikkeling, robot-ondersteunde navigatiesystemen zijn geleidelijk aan overgenomen. Deze robot-ondersteunde navigatiesystemen bieden chirurgen met volledige preoperatieve planning voor de operatie. Het systeem biedt 3D gereconstrueerde beelden van elke wervel, waardoor chirurgen de fysiologische kenmerken van de patiënt sneller kunnen begrijpen. Het biedt ook 2D-beelden van sagittale, coronale, axiale en schuine vlakken, zodat chirurgen nauwkeurig kunnen uitvoeren pedicle schroef plaatsing plan.
Eerdere studies hebben aangetoond dat de effectiviteit van robot-ondersteunde navigatiesystemen voor pedicle schroef implantatie procedures, met inbegrip van nauwkeurigheid en veiligheidsbeoordelingen. Dit stapsgewijze protocol is bedoeld om een gestandaardiseerde chirurgische techniek nota voor robot-ondersteunde pedicle schroef plaatsing schetsen.
Introduction
Op het gebied van spinale chirurgie, spinale fusie chirurgie is een fundamentele chirurgische procedure, met name achterste pedicle schroeffixatie, die drie-kolom ondersteuning van de wervels kan bieden en de sterkte van de biomechanica te verbeteren; zo is het uitgegroeid tot een van de meest gebruikte chirurgische ingrepen1. In veel vroege studies, het klinische effect van achterste pediculaire schroef implantatie is bevestigd, en het is op grote schaal gebruikt in een operatie voor veel verschillende spinale aandoeningen, zoals degeneratieve, traumatische, en gecompliceerde spinale aandoeningen2.
Echter, hoewel de achterste lumbale spinale fusie operatie kan bereiken uitstekende behandeling effecten, het is nog steeds riskant als gevolg van het menselijk lichaam anatomie. Er zijn veel vitale weefselstructuren dicht bij de pedicula, zoals het centrale zenuwstelsel, zenuwwortels, en de belangrijkste bloedvaten. De schade van deze weefsels tijdens de chirurgische ingreep kan ernstige complicaties veroorzaken, zoals vasculaire verwondingen, neurologische tekorten of schroefloslating2,3. Bovendien worden de chirurgen en het personeel blootgesteld aan extra straling, met name in het geval van minimaal invasieve spinale procedures4. Chirurgen kunnen vermoeidheid en handtrillingen ervaren na langdurige en vervelende spinale operaties, zoals schroefplaatsingen, botosteotomie en zenuwdecompressie5.
De onbevredigende snelheid van de pedicle schroef plaatsing procedure noodzakelijk het voorstel voor een robot-ondersteunde navigatiesysteem worden toegepast in spinale operaties om de nauwkeurigheid van de operatie en de veiligheid van patiënten te verbeteren. Verschillende studies over robotondersteunde navigatiesystemen hebben verbeteringen aangetoond in de veiligheid, nauwkeurigheid en precisie van de plaatsing van pedicleschroeven, evenals verminderde blootstelling aan straling en operatieve tijden6,7,8,9,10. Echter, grondige schroef traject planning, pre-operatieve planning met beelden, uitgebreide robotsysteem met fixatie apparaat, en robot controle software nog steeds moeten worden aangepakt om dit doel te bereiken. Deze studie richt zich op de beschrijving van de robotstructuur en de workflow van een zelfontwikkeld navigatiesysteem (d.w.z. het Point spine navigatiesysteem (PSNS)) voor robotondersteunde pedicle-schroefplaatsingsoperaties.
Systeembeschrijving en chirurgisch protocol
De PSNS bestaat uit een navigatiewerkstation met het volgende. (1) Er is een user interface software die verantwoordelijk is voor het lezen van afbeeldingen door middel van driedimensionale (3D) reconstructie, pre-operatieve planning, ruimtelijke kinematische relatie berekening, en registratie. (2) De PSNS maakt gebruik van infrarood optische geleidingssystemen om de ruimtelijke positie van chirurgische robots en patiënten te volgen. Het infrarood optische geleidingssysteem bevat de volgende componenten: (i) een optische tracker die actief infrarood licht uitzendt en stereopositionering uitvoert via een dubbele camera (Figuur 1); ii) een markeringsbol waarvan het oppervlak een reflecterende coating heeft met reflecterende eigenschappen voor nauwkeurige gereedschapstracking; en iii) een gereedschap met een dynamisch referentiekader (DRF) dat bestaat uit een basis en vier markeringsbollen. Om de identificatiefout van het volgsysteem te voorkomen, heeft elk apparaat een uniek DRF-ontwerp en kan het niet met elkaar worden gedeeld. De GEBRUIKTE DRF omvat een basisframe (BF) dat aan de basis van het handstuk is bevestigd om de positie van het handstuk te bevestigen, een end-effectorframe (EF) dat aan het einde van het handstuk is bevestigd om de positie van het handstuk te bevestigen, een fiducial frame (FF) verankerd op het bot van de patiënt om de positie van de patiënt te bevestigen, en een sonde waarvan de tip wordt gebruikt om de doelpositie in de 3D-ruimte te bevestigen. (3) Er is een handstuk bestaande uit een zes graden van vrijheid (DOF) Stewart platform, met een uiteinde van de robot uitgerust met een operatie gereedschap dat wordt gebruikt voor het boren van de schroef pad. Het handstuk is een robot-ondersteunde navigatiesysteem dat chirurgen helpt in de richting van de nauwkeurige plaatsing van implantaten, zoals pedicle schroeven, of positionering van chirurgische hulpmiddelen tijdens spinale chirurgie. De beweging van het chirurgische doel wordt bijgehouden als de robot automatisch compenseert voor het juiste doel. De robot is ontworpen als een semi-actief systeem dat chirurgische gereedschapsbegeleiding biedt; echter, de eigenlijke operatie wordt uitgevoerd door chirurgen. Het werkingsprincipe en de uitrusting worden geïllustreerd in figuur 2.
PSNS is geïndiceerd voor procedures, waaronder maar niet beperkt tot de volgende monsterprocedures: i) open, minimaal invasieve of percutane spinale chirurgie; ii) plaats van spinale chirurgie voor thoracale, lenden- of sacrale wervels; iii) achterste spinale fusie voor trauma, degeneratieve stenoseziekte, instabiliteit, spondylolisthesis, hernia, tumor, infectie of spinale misvormingcorrectie; iv) plaatsing van tijdelijke of permanente inrichtingen, zoals k-draden of naalden, tijdens het uitvoeren van vertebroplastie, of transforaminal of interlaminaire peregijnige endoscopische lumbale lumineumie; en (iv) bottumorexcisie, met inbegrip van de ablatie van osteoïde osteoma of tumorbiopsie, waarbij de robot naalden of geleidedraden naar een bepaalde wervellocatie leidde. Deze procedure is contra-geïndiceerd voor mensen met een onvermogen om anesthesie, chirurgische ingreep te tolereren, of wanneer bevredigende navigatiebeelden niet zijn verworven.
Houd er rekening mee dat het operatiepersoneel, waaronder neurochirurgen en orthopedisch chirurgen, een vergunning moet hebben en getraind moet zijn in het begeleiden van cursussen. Alle procedures voor het bedienen van de robot tijdens de operatie moeten de aanbevolen gestandaardiseerde procedures volgen om schade aan de patiënt of chirurg te voorkomen. Chirurgen moeten beschikken over conventionele chirurgische ervaring om ervoor te zorgen dat het mogelijk is om terug te schakelen naar conventionele chirurgische instrumenten en de operatie te voltooien wanneer wordt vastgesteld dat de navigatie onjuist is, op basis van anatomische kennis van de chirurgen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sinds 1990 zijn er snelle ontwikkelingen in chirurgische toepassingen waarbij robots worden gebruikt. De beschikbare robottechnologieën zijn geoptimaliseerd, wat resulteert in een verbeterde nauwkeurigheid, het overwinnen van de tremor in menselijke handen, en verminderde matching en registratietijden van navigatiesystemen15. De voordelen van chirurgische robothulp zijn: (1) onmiddellijke standaardisatie zonder lange leerprocessen; (2) chirurgen kunnen precies het preoperatieve plan volgen, dat v…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd gedeeltelijk ondersteund door Point Robotics Medtech Incorporation, die het robotsysteem leverde. De financier verleende steun in de vorm van salarissen voor X.Y. Xiao, C.W. Chen, H.K. Chou, en C.Y. Sung, maar had geen extra rol in het studieontwerp, het verzamelen en analyseren van gegevens, besluit om te publiceren, of voorbereiding van het manuscript.
Materials
| Dynamic reference frames | POINT | ||
| 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 |
POINT | ||
| Handpiece | POINT | ||
| Handpiece holder | POINT | ||
| Handpiece stand | POINT | ||
| K-pin | POINT | ||
| Optical tracker | NDI | ||
| Passive spheres | NDI | ||
| Probe | POINT | ||
| Sterile box | POINT | ||
| Sterile drape | POINT | ||
| Trocar | POINT | ||
| Workstation cart | POINT |
References
- Verma, K., Boniello, A., Rihn, J. Emerging techniques for posterior fixation of the lumbar spine. Journal of the American Academy of Orthopaedic Surgery. 24 (6), 357-364 (2016).
- Gaines, R. W. The use of pedicle-screw internal fixation for the operative treatment of spinal disorders. The Journal of Bone and Joint Surgery-American. 82 (10), 1458-1476 (2000).
- Dede, O., Ward, W., Bosch, P., Bowles, A., Roach, J. Using the freehand pedicle screw placement technique in adolescent idiopathic scoliosis surgery: what is the incidence of neurological symptoms secondary to misplaced screws. Spine. 39 (4), 286-290 (2014).
- Costa, F. Erratum: Radiation exposure in spine surgery using an image-guided system based on intraoperative cone-beam computed tomography: analysis of 107 consecutive cases. Journal of Neurosurgery: Spine SPI. 26 (4), 542 (2017).
- Stuer, C., et al. Robotic technology in spine surgery: Current applications and future developments. Intraoperative Imaging. 109, 241-245 (2011).
- Devito, D. P., et al. Clinical acceptance and accuracy assessment of spinal implants guided with SpineAssist surgical robot: retrospective study. Spine. 35 (24), 2109-2115 (2010).
- Fan, Y., et al. Radiological and clinical differences among three assisted technologies in pedicle screw fixation of adult degenerative scoliosis. Scientific Reports. 8 (1), 890 (2018).
- Kantelhardt, S. R., et al. Perioperative course and accuracy of screw positioning in conventional, open robotic-guided and percutaneous robotic-guided, pedicle screw placement. European Spine Joutnal. 20 (6), 860-868 (2011).
- Verma, R., Krishnan, S., Haendlmayer, K., Mohsen, A. Functional outcome of computer-assisted spinal pedicle screw placement: a systematic review and meta-analysis of 23 studies including 5,992 pedicle screws. European Spine Journal. 19 (3), 370-375 (2010).
- Ghasem, A., Sharma, A., Greif, D., Alam, M., Maaieh, M. The Arrival of Robotics in Spine Surgery: A Review of the Literature. Spine. 43 (23), 1670-1677 (2018).
- Roser, F., Tatagiba, M., Maier, G. Spinal robotics: current applications and future perspectives. Neurosurgery. 72 (1), 12-18 (2013).
- Chen, H. Y., et al. Results of using robotic-assisted navigational system in pedicle screw placement. PLoS One. 14 (8), 0220851 (2019).
- . NDI Medical Available from: https://www.ndigital.com/medical/products/polaris-vega (2020)
- Gertzbein, S. D., Robbins, S. E. Accuracy of pedicular screw placement in vivo. Spine. 15 (1), 11-14 (1990).
- Kim, T. T., Johnson, J. P., Pashman, R., Drazin, D. Minimally Invasive Spinal Surgery with Intraoperative Image-Guided Navigation. Biomed Research International. 2016, 5716235 (2016).
- Bailey, S. I., et al. The BWM spinal fixator system. 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. Spine. 21 (17), 2006-2015 (1996).
- Lonstein, J. E., et al. Complications associated with pedicle screws. The Journal of Bone and Joint Surgery-American Volume. 81 (11), 1519-1528 (1999).
