Bewertung des Vorpositionierungsrahmens für die robotergesteuerte Entfernung von Akustikusneurinomen (PPF)

Die Mastoidektomie ist ein üblicher otologischer chirurgischer Eingriff, bei dem der Mastoidanteil des Schläfenbeins ganz oder teilweise mit einem chirurgischen Bohrer entfernt wird. Das Verfahren wird zur Behandlung von Krankheiten und Infektionen wie Mastoiditis und Cholesteatom durchgeführt und wird auch als ein Schritt anderer Operationen durchgeführt, wie z. Die Ermittler arbeiten an einem neuen medizinischen Gerät, das speziell das TANR-Verfahren unterstützen soll. Der Fokus dieser Studie liegt auf einer Komponente dieses Geräts, dem Pre-Positioning Frame (PPF).

Eine TANR-Operation wird durchgeführt, um gutartige Tumore am Hörnerv zu entfernen, die schwere Hör- und Gleichgewichtsprobleme verursachen können, wenn sie nicht entfernt werden. Der derzeitige Behandlungsstandard ist eine Mastoidektomie, gefolgt von einer Labyrinthektomie (Exzision des Labyrinths des Innenohrs), um Zugang zur Schädelbasis zu erhalten, insbesondere zum inneren Gehörgang (IAC), wo sich Tumore befinden.

Mehrere kritische anatomische Strukturen sind in den Mastoidknochen eingebettet, darunter der Gesichtsnerv, der die Bewegung des Gesichts steuert, große Blutgefäße wie die Halsschlagader und die intrakranielle Fortsetzung der Jugularvene und das Tegmen, das die Grenze zwischen dem Mastoid darstellt und das Gehirn. Chirurgen sind speziell darauf trainiert, diese Strukturen beim Bohren zu erkennen und zu vermeiden. Das Bohren für eine TANR-Operation dauert aufgrund des langsamen Vorschubs des Bohrers durch harten Knochen im Labyrinthbereich oft mehrere Stunden. Nach dieser Bohrung beginnt der heikelste und kritischste Teil der Operation, nämlich die Entfernung des Akustikusneurinoms. Die Forscher gehen davon aus, dass ein Roboter, der von präoperativen Bildern geleitet wird, die Bohrungen für die TANR-Operation durchführen kann, während sichere Ränder um die kritischen Strukturen erhalten bleiben, sodass sich die Chirurgen auf die heikle Endphase der TANR-Operation konzentrieren können.

Für orthopädische Bohrverfahren wie Gelenkarthroplastik und Oberflächenerneuerung stehen mehrere Robotersysteme zur Verfügung. Zu diesen Systemen gehört das RIO-System (Stryker Mako, Ft. Lauderdale, FL, USA), das ROBODOC Surgical System (Think Surgical Corp., Fremont, CA, USA) und das CASPAR (URS Ortho GMBH & Co. KG, Rastatt, Deutschland). Diese Systeme haben sich jedoch als nicht genau genug erwiesen, um eine TANR-Operation sicher durchzuführen, und verlassen sich auf teure Bildführungssysteme, um die Position des Patienten relativ zum Roboter kontinuierlich zu verfolgen, um sicherzustellen, dass der robotergeführte Bohrer innerhalb sicherer Grenzen bleibt.

Die Forscher haben zuvor einen kleinen, leichten Roboter entwickelt, der am Kopfknochen eines Patienten befestigt werden kann und die erforderliche Genauigkeit für TANR-Operationen ohne ein teures Bildführungssystem bietet.

Um ein vollständiges Mastoidektomievolumen für die TANR-Operation zu erreichen, muss unser Roboter relativ zur Schläfenbeinanatomie eines Patienten korrekt positioniert werden. Die Forscher gehen davon aus, dass eine starre Vorrichtung, die die Forscher als Vorpositionierungsrahmen (PPF) bezeichnen, unseren Roboter korrekt positionieren kann, um die Bohrung für die TANR-Operation an der Patientenpopulation abzuschließen. Das Ziel dieser Studie ist es, den ersten Schritt bei der Implementierung dieses Systems zu untersuchen, indem ein PPF an einem Patienten angebracht wird, der sich einer Standard-TANR-Operation unterzieht, um die Zeit, die für diesen Schritt benötigt wird, besser zu verstehen und den chirurgischen Arbeitsablauf zu optimieren.

Das PPF wird direkt am Kopf des Teilnehmers hinter dem Ohr befestigt, wobei Knochenschrauben verwendet werden, die von Schädelrekonstruktionshardware übernommen wurden. Diese Knochenschrauben werden typischerweise in diesem Bereich des Schädels verwendet und mit einer ähnlichen Eindringtiefe von 3,5 mm platziert. Der Sicherheitsabstand von der Spitze der Schraube zur inneren Schädeloberfläche beträgt 0,25 mm. In einer zukünftigen Studie würde der Roboter dann an Bezugsmarkierungen auf der oberen Oberfläche des PPF befestigen. Unser aktuelles PPF-Design enthält Daten aus zehn Roboterbohrexperimenten. Sechs Versuche wurden an exzidierten Schläfenbeinen und vier an ganzen Kadaverköpfen durchgeführt. Unter Verwendung der Ergebnisse aus diesen Experimenten verbesserten die Forscher die Form des PPF, um den Bereich der geplanten TANR-Mastoidektomievolumina optimal zu erreichen, und verbesserten auch die Beine des PPF, um eine schnelle und sichere Implantation von Knochenschrauben zu erleichtern.

Der chirurgische Arbeitsablauf, den die Prüfärzte für eine vollständige robotische Mastoidektomie planen, wird hier aus Gründen des Kontexts beschrieben, aber um es deutlich zu machen, werden die Schritte 7, 8 und 10 in der vorgeschlagenen Studie nicht durchgeführt.

1. Vor der Operation segmentiert ein Chirurg manuell ein Mastoidektomievolumen in einem präoperativen CT-Bild unter Verwendung einer zu diesem Zweck erstellten Untersuchungssoftware.
2. Während der Operation wird der PPF mit selbstbohrenden Knochenschrauben am Schläfenbein verankert.
3. Mit einem tragbaren CT-Scanner wird ein intraoperativer CT-Scan des Kopfes des Teilnehmers mit angebrachtem PPF erfasst.
4. Das intraoperative CT-Bild wird zum präoperativen CT registriert und die präoperativen Segmentierungen werden unter Verwendung der Registrierung zum intraoperativen CT transformiert.
5. Bezugsmarkierungen auf dem PPF werden im intraoperativen CT-Bild lokalisiert, wodurch die präoperativen Segmentierungsdaten in den intraoperativen CT-Bildraum transformiert werden können.
6. Die Bewegung des Roboters wird automatisch mithilfe einer Untersuchungs-Mastoidektomie-Planungssoftware geplant.
7. (Der Roboter wird an den Bezugsmarkierungen auf dem PPF befestigt und aktiviert, um die Bohrbahn auszuführen. Der Chirurg behält die Kontrolle über den Roboter und kann bei Bedarf anhalten oder seine Geschwindigkeit ändern).
8. (Der Roboter wird nach Beendigung des Bohrens aus dem PPF entfernt).
9. Das PPF wird durch Lösen der Knochenschrauben vom Teilnehmer entfernt.
10. (Der Chirurg führt die manuellen chirurgischen Maßnahmen durch, die auf die Mastoidektomie-Bohrung folgen, wie z. B. die Entfernung von IAC-Tumoren.) Die Forscher planen, das verbesserte PPF-Design klinisch zu validieren, indem sie die oben genannten Schritte (mit Ausnahme der Schritte 7, 8 und 10) an zehn Teilnehmern durchführen. Beachten Sie, dass das PPF direkt nach Schritt 5 entfernt wird, wenn das CT-Bild registriert wurde. Unter Verwendung einer zuvor entwickelten Roboter-Mastoidektomie-Planungssoftware (Schritt 6) berechnen die Ermittler den Prozentsatz jeder TANR-Mastoidektomie, der für eine angeschlossene PPF-Konfiguration erreichbar ist. Schritt 6 wird durchgeführt, sobald die Bilder aufgenommen wurden, und hat keinen Einfluss auf das klinische Verfahren.