Blog

Jun 19, 2024

Validierung eines chirurgischen Bohrers mit haptischer Schnittstelle in der Wirbelsäulenchirurgie

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 598 (2023) Diesen Artikel zitieren 1261 Zugriffe 1 Zitate 10 Altmetric Metrics Details Echte Haptik ist eine Technologie, die das Gefühl von Kraft und Kraft reproduziert

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 598 (2023) Diesen Artikel zitieren

1261 Zugriffe

1 Zitate

10 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Echte Haptik ist eine Technologie, die das Gefühl von Kraft und Berührung reproduziert, indem sie Kontaktinformationen mit realen Objekten überträgt, indem sie menschliche Bewegungen und das Gefühl der Objekte in Daten umwandelt. In den letzten Jahren wurde die echte Haptik-Technologie in mehreren chirurgischen Geräten installiert. Mit einem speziell angefertigten chirurgischen Bohrer wurde in die hintere Lamina gebohrt, um die für die Penetrationserkennung erforderliche Zeit und die Distanz zu überprüfen, die der Bohrer nach der Penetration vorgeschoben wurde. Ein Chirurg operierte mit dem Bohrer und die gleichen Aspekte wurden gemessen und überprüft. Alle Experimente wurden an weiblichen Miniaturschweinen im Alter von 9 Monaten mit einem mittleren Körpergewicht von 23,6 kg (Bereich 9–10 Monate und 22,5–25,8 kg, n = 12) durchgeführt. Es gab statistisch signifikante Unterschiede in der durchschnittlichen Reaktionszeit und der nach der Penetration zurückgelegten Distanz zwischen einer Handbohrmaschine und der Bohrmaschine mit Penetrationserkennungsfunktion (p < 0,001). Die Reaktionszeit zur Erkennung der Penetration und der Abstand nach der Penetration waren im Vergleich zu denen des chirurgischen Handbohrers ohne Penetrationserkennungsfunktion beide deutlich verbessert, mit mittleren Unterschieden von 0,049 ± 0,019 s [95 %-KI 0,012, 0,086 s] und 2,511 ± 0,537 mm [95 %-KI 1,505, 3,516 mm]. In dieser Studie haben wir erfolgreich einen Leistungsbewertungstest eines maßgeschneiderten chirurgischen Bohrers mit haptischer Schnittstelle durchgeführt. Ein Prototyp eines Hochgeschwindigkeitsbohrers mit haptischer Schnittstelle erfasste genau das Eindringen in die hintere Lamina des Schweins.

Zur Behandlung verschiedener Erkrankungen des Bewegungsapparates werden bei Wirbelsäulenoperationen Bohrungen in den Knochen in der Nähe der Spinalnerven und Gefäßorgane durchgeführt. Dies ist ein äußerst anspruchsvoller Eingriff, da hartes Gewebe in der Nähe von sehr empfindlichem Weichgewebe manipuliert wird. Dadurch kommt es bei Wirbelsäulenoperationen mit einer gewissen Häufigkeit zu intraoperativen Komplikationen. Das Knochenbohren wird in der Regel mit einem Hochgeschwindigkeitsbohrer durchgeführt, und während der Operation können schwere Komplikationen wie Durarisse und Rückenmarksverletzungen auftreten. Neurologische Komplikationen sind verheerend und können die Lebensqualität eines Patienten aufgrund des Verlusts der motorischen Funktion erheblich beeinträchtigen, die Funktionsfähigkeit des Patienten einschränken und unerträgliche neurologische Schmerzen verursachen. Es sollten alle Anstrengungen unternommen werden, um das Auftreten solcher Komplikationen zu verhindern.

Frühere Berichte haben gezeigt, dass die Komplikationsrate bei Wirbelsäulenoperationen relativ hoch ist und zwischen 1 und 17 % liegt1,2,3,4,5,6. Von diesen chirurgischen Komplikationen wurde berichtet, dass Durarisse in 2–13 % der Fälle auftreten. Die meisten Duralrisse werden durch Knochenbohrungen während der Dekompression des Rückenmarks verursacht7. Es wurde auch berichtet, dass die Häufigkeit intraoperativer Komplikationen, wie z. B. Nervenverletzungen, umgekehrt mit der Anzahl der Jahre chirurgischer Erfahrung des Chirurgen zusammenhängt. Imajo et al. fanden heraus, dass Wirbelsäulenchirurgen mit weniger als 5 Jahren chirurgischer Erfahrung die höchste Häufigkeit von Komplikationen hatten1. Es ist allgemein anerkannt, dass sich der Chirurg in der Wirbelsäulenchirurgie beim Knochenbohren mit einem Hochgeschwindigkeitsbohrer auf das Gefühl des Bohrers verlässt, um festzustellen, ob der Knochen durchdrungen wurde. Daher geht man davon aus, dass die Anzahl der Jahre chirurgischer Erfahrung einen Einfluss auf die Fähigkeit des Chirurgen hat, eine Knochenpenetration zu erkennen, und dass sich dies direkt auf die Häufigkeit von Komplikationen auswirkt.

Im Gegensatz dazu haben Imajo et al. beschrieb die Ergebnisse einer Umfrage zu Komplikationen bei Wirbelsäulenoperationen und kam zu dem Schluss, dass die Inzidenz intraoperativer Duraverletzungen bei Wirbelsäulenchirurgen mit weniger als 10 Jahren Erfahrung und solchen mit mehr als 10 Jahren Erfahrung ähnlich war1. Mit anderen Worten: Obwohl die Anzahl der Jahre Erfahrung in der Wirbelsäulenchirurgie aufgrund der Art des Eingriffs in gewissem Maße die Komplikationsrate beeinflusst, kommt es unabhängig von der Anzahl der Jahre Erfahrung immer noch zu Duralrissen und neurologischen Verletzungen.

In den letzten Jahren wurde die echte Haptik-Technologie, die in verschiedenen Bereichen eingesetzt wird, in Hochgeschwindigkeitsbohrmaschinen eingebaut, um eine chirurgische Methode mit größerer Sicherheit zu etablieren8,9. Echte Haptik ist eine Technologie, die das Gefühl von Kraft und Berührung reproduziert, indem sie Kontaktinformationen mit realen Objekten und der Umgebung in beide Richtungen überträgt, indem sie menschliche Bewegungen und das Gefühl der Objekte in Daten umwandelt. Durch die Umwandlung von Bewegungen und Texturen in Daten ist es möglich, Kraft-Tastempfindungsdaten in Maschinen zu programmieren, den Grad der Kraft anzupassen und Kraft-Tastempfindungen über eine lange Distanz zu übertragen9. Insbesondere durch die Überwachung der Bohrkraft in Echtzeit beim Einsatz des Bohrers ist es möglich, das Eindringen zu erkennen, den Bohrer automatisch zu stoppen und mit der Operation fortzufahren, während gleichzeitig detaillierte Informationen wie die Knochenhärte und die Identität der Bohrschicht erhalten werden . Darüber hinaus glauben wir, dass diese Daten durch die Extraktion intraoperativer Bohrempfindungs- und Bewegungsdaten zur Entwicklung eines Trainingssimulators genutzt werden können, der ein realistisches Kraft- und Berührungsempfinden reproduziert und eine Assistenzfunktion hinzufügt, die auf den Bewegungen eines erfahrenen Chirurgen basiert.

Wir stellten die Hypothese auf, dass ein Prototyp eines Hochgeschwindigkeitsbohrers mit einer haptischen Schnittstelle das Eindringen in die hintere Lamina des Schweins genauer und reproduzierbarer erkennen könnte, als es erfahrene Wirbelsäulenchirurgen erkennen könnten (Abb. 1A, B). In dieser Studie wurden die Sicherheit, Wirksamkeit und Reproduzierbarkeit des zuvor beschriebenen Prototyps eines Hochgeschwindigkeitsbohrers mit haptischer Schnittstelle anhand einer Schweinewirbelsäule bewertet, die histologisch der menschlichen Knochenstruktur ähnelt und eine ähnliche Festigkeit aufweist. Es wurden Experimente zur Bestätigung der Kraft-taktilen Übertragung unter bilateraler Kontrolle und zur Penetrationsdetektion durchgeführt.

Maßgeschneiderter chirurgischer Bohrer. (A) Klinisches Bild des maßgeschneiderten chirurgischen Bohrers. (B) Schematische Ansicht des maßgeschneiderten chirurgischen Bohrers. (C) Beschreibung der Steuereinheit des maßgeschneiderten chirurgischen Bohrers. (D) Schematische Darstellung der Schaltbewegung. (E) Schematische Darstellung der bilateralen Bewegung. (F) Schematische Darstellung der automatischen Stoppfunktion nach Erkennung des Eindringens.

Die Details des Haptikbohrers werden an anderer Stelle gezeigt10. Die maßgeschneiderte Bohrmaschine verfügt über eine integrierte Master-Slave-Struktur und wird von einem Linearmotor mit zwei optischen Encodern und einem Rotationsmotor mit einem Rotationsencoder angetrieben10. Eine schematische Zeichnung des Prototyps ist in Abb. 1C dargestellt. Der Rotationsmotor ist als Beweger des Linearmotors auf der Slave-Seite auf dem Wellenteil montiert. Der andere Linearmotor ist als Masterseite mit dem Schalterteil verbunden. Die maximale Drehzahl des Rotationsmotors beträgt 60.800 U/min. Auf den Rotationsmotor wird eine proportionale Geschwindigkeitssteuerung angewendet, die auf einer robusten Beschleunigungssteuerung durch einen Störungsbeobachter basiert. Der Drehmotor wird gedreht, während der Chirurg den Schalter nach unten drückt (Abb. 1D). Linear-Encoder messen die Positionsänderung des Bewegungsteils des Linearmotors. Die Reaktionskraft wird von einem Störungsbeobachter geschätzt. Die beiden Linearmotoren werden durch echte Haptik gesteuert, um sich synchron parallel zur Drehachse des Rotationsmotors zu bewegen, der zum Schneiden der Umgebung mit den Bohrern verwendet wird (Abb. 1E). Darüber hinaus ist die vom Chirurgen auf das Masterteil ausgeübte Aktionskraft auf die vom Schneidobjekt auf das Slaveteil ausgeübte Reaktionskraft abgestimmt. Dadurch kann die haptische Empfindung zwischen Masterteil und Slaveteil10 übertragen werden. Wenn der speziell angefertigte chirurgische Bohrer eine Penetration erkennt, wird darüber hinaus eine Positionssteuerung auf den Linearmotor auf der Slave-Seite angewendet, um den Bohrer einzuziehen, während der Drehmotor automatisch gestoppt wird (Abb. 1F).

Der maßgeschneiderte chirurgische Bohrer wird auf der Grundlage einer robusten Beschleunigungssteuerung mit einem Störungsbeobachter (DOB) gesteuert. Das Blockdiagramm des DOB ist in Abb. 2A dargestellt. \({\ddot{x}}_{ref}\), Kt, M, n, \({F}_{dis}\), \({\widehat{F}}_{dis}\), und \({g}_{d}\) sind die Beschleunigungsreferenz, die Kraftkonstante, die Motormasse, der Nennwert, die Störkraft aus der Umgebung, die geschätzte Störkraft bzw. die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters. Die Störung durch die Umgebung wird durch Vergleich zwischen dem Befehlswert und dem Antwortwert abgeschätzt. Diese Kompensation macht die bilaterale, Positions- und Geschwindigkeitsregelung robust. Zusätzlich wird ein Tiefpassfilter angewendet, um Rauschen zu entfernen.

Blockdiagramm. (A) Blockdiagramm des Störungsbeobachters. (B) Blockdiagramm der Geschwindigkeitsregelung. (C) Blockdiagramm der bilateralen Steuerung.

Der Rotationsmotor wird durch Geschwindigkeitsregelung gesteuert. Abbildung 2B zeigt das Blockdiagramm der Geschwindigkeitsregelung. \({\dot{x}}_{r,cmd}\), \({C}_{v}(s)\) und \({\dot{x}}_{r,res}\ ) sind der Geschwindigkeitsbefehl des Rotationsmotors, der Geschwindigkeitsregler bzw. die Geschwindigkeitsreaktion des Rotationsmotors. Der Drehmotor wird gedreht, während der Chirurg den Schalter drückt. Im Gegensatz dazu wird der Drehmotor gestoppt, wenn der Schalter nicht gedrückt wird oder der Bohrer ein Eindringen erkennt. Wenn die Drehzahl also auf 30.000 U/min eingestellt ist, ist der Geschwindigkeitsbefehl \({\dot{x}}_{r,cmd}\) \(\mathrm{rad}/\mathrm{s}\) definiert als (1).

Die beiden Linearmotoren werden bilateral gesteuert, um die Übertragung des haptischen Gefühls zu ermöglichen. Das Blockdiagramm der bilateralen Steuerung ist in Abb. 2C dargestellt. m, s, Cp(s) und Cf(s) sind jeweils der Master-Teil, der Slave-Teil, der Positionsregler und der Kraftregler. \({x}_{m}\) und \({x}_{s}\) sind die Maße des Linearencoders. Bei der bilateralen Steuerung werden zwei Gleichungen realisiert:

Diese Gleichungen stellen das Gesetz von Aktion und Reaktion dar. Somit wird die haptische Wahrnehmung zwischen den beiden Linearmotoren durch beidseitige Ansteuerung realisiert.

Zur Erkennung des Eindringens wird der Differenzwert der Position und der Reaktionskraft verwendet11. Im Bohrzustand wird die Reaktionskraft des Schneidobjekts auf das Slave-Teil ausgeübt. Wenn der Bohrer dagegen in das Objekt eindringt, verringert sich die Reaktionskraft. Zusätzlich erhöht sich die Geschwindigkeit des Slave-Teils aufgrund der Verringerung der Reaktionskraft. Daher werden durch das Eindringen große Positionsverschiebungen und Reaktionskräfte erzeugt. Somit erkennt der Bohrer die Penetration, wenn Gl. (4) und (5) sind erfüllt.

\({\dot{x}}_{s,pene}\) und \({\dot{F}}_{s,pene}\) sind die Geschwindigkeit und der Differenzwert der Reaktionskraft des Slave-Teils , jeweils. \({\dot{x}}_{threshold}\) und \({\dot{F}}_{threshold}\) sind Schwellenwerte. \({\dot{x}}_{s,pene}\) und \({\dot{F}}_{s,pene}\) werden durch die Gleichungen geschätzt. (6) und (7).

\({g}_{pene}\) ist die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters.

Wenn der speziell angefertigte chirurgische Bohrer eine Penetration erkennt, wird der Linearmotor auf der Slave-Seite mit einer Positionssteuerung versehen, um den Bohrer einzuziehen. Zusätzlich wird der Drehmotor automatisch gestoppt.

Nach Prüfung und Genehmigung durch das Bewertungskomitee für experimentelle Tierethik der Keio University School of Medicine wurden alle Experimente an weiblichen Miniaturschweinen im Alter von etwa 9 Monaten und einem durchschnittlichen Körpergewicht von 23,6 kg (Bereich 9–10 Monate und 22,5–25,8 kg) durchgeführt kg, n = 12). Alle Tiere wurden im Labor (Kagoshima Miniature Swine Research Center, Kagoshima, Japan) gekauft und gemäß den von der Ethikkommission (Nr. 18047) genehmigten Regeln gehalten und behandelt. Alle Experimente wurden in Übereinstimmung mit allen relevanten Richtlinien und Vorschriften durchgeführt. Diese Studie folgt den Empfehlungen in den ARRIVE-Leitlinien.

Den operierten Miniaturschweinen wurde eine Prämedikation mit Midazolam (Dormicum, 0,1 ml/kg, Hoffmann-La Roche AG, Schweiz) subkutan verabreicht. Anschließend wurden Inhalationsanästhetika und Isofluran (Isiflu, Dainipon-sumitomo, Osaka, Japan) verwendet, wobei nach der orotrachealen Intubation eine Flussrate von 2 % beibehalten wurde. Alle Schweine wurden unmittelbar nach der Operation durch eine Überdosis Isofluran getötet. Nach Einsetzen der Anästhesie wurde von einem von drei staatlich geprüften Wirbelsäulenchirurgen eine Standarddissektion der Mittellinie mittels Elektrokauterisation durchgeführt und die Lamina der Brustwirbel und Lendenwirbel wurden sorgfältig freigelegt.

Der Versuchsaufbau ist in Abb. 3A,B dargestellt. Der speziell angefertigte chirurgische Bohrer wurde über einen Pfosten direkt über dem Operationstisch platziert (Abb. 3A, B). Dann wurde der gesamte Rücken des Miniaturschweins präpariert und die Brust- und Lendenwirbel auf dem Tisch freigelegt. Der speziell angefertigte chirurgische Bohrer wurde senkrecht zur Lamina des Miniaturschweins abgesenkt, bis die Spitze des Bohrers bis zur Lamina vordrang. Die Berührung der Spitze mit der Lamina wurde durch direkte Visualisierung bestätigt. Als nächstes wurde die Kraft-Tastempfindungsübertragung unter bilateraler Kontrolle bestätigt und die Experimente durchgeführt. Der Geschwindigkeitsbefehl des Rotationsmotors \({\dot{x}}_{r,cmd}\) wurde auf 30.000 U/min eingestellt. Die Slave-Geschwindigkeit (Bohrerschnittgeschwindigkeit) wurde auf 0,25 mm/s eingestellt. In allen Experimenten wurde ein Stahlfräser mit einem Durchmesser von 5,0 mm verwendet (Referenznr. 5820-010-240, TPS Elite Round Fluted Aggressive, Stryker Instruments MI, USA). Jeder Grat wurde nur einmal verwendet und dann entsorgt.

Schematische Darstellung eines maßgefertigten OP-Tisches für die Tierversuche. (A) Der maßgeschneiderte chirurgische Bohrer wurde über einen Pfosten direkt über dem Operationstisch platziert. (B) Intraoperative Sicht auf den Tierversuch.

Zunächst wurde der speziell angefertigte chirurgische Bohrer zum Bohren der hinteren Lamina ohne Penetrationserkennungsfunktion verwendet. Nachdem das Eindringen erkannt wurde, wurde der Schwellenwert als Kontrolle festgelegt, wobei − 7 N/s \({\dot{F}}_{threshold}\) und 2 mm/s \({\dot{x}} war. _{Schwelle}\).

Die für die Penetrationserkennung erforderliche Zeit wurde als die Zeit vom Beginn der Abnahme der Reaktionskraft des Slaves bis zum Überschreiten von − 7 N/s und \({\dot{F}}_{s,pene}\) definiert. ({\dot{x}}_{s,pene}\) überschritt 2 mm/s.

Danach wurde die Penetrationserkennungsfunktion aktiviert und die Messergebnisse des Bohrens der hinteren Laminae wurden verwendet, um Folgendes zu überprüfen:

Die für die Penetrationserkennung erforderliche Zeit.

Die Distanz, die der Bohrer nach dem Eindringen zurückgelegt hat.

Die Distanz, die der Bohrer nach dem Eindringen vorgeschoben hat, wurde als die Distanz definiert, die der Slave vorgeschoben hat, bevor das Gerät das Eindringen erkannte und mit dem Zurückziehen des Bohrers begann (Abb. 4A, B).

Position und Kraft-Zeit-Wellenform der Master- und Slave-Einheiten auf dem haptischen Bohrer. (A) Die Distanz, die der Bohrer nach dem Eindringen vorgeschoben hat, wurde als die Distanz definiert, die der Slave vorgeschoben hat, bevor das Gerät das Eindringen erkannte und mit dem Zurückziehen des Bohrers begann. (B) Dies ist eine vergrößerte Ansicht der Wellenform, insbesondere während der Penetration. Die horizontale Achse zeigt die Zeit und die vertikale Achse zeigt die Reaktionskraft. Die Wellenformen werden vergrößert, um die Veränderungen der Wellenformen während der Penetration hervorzuheben. ① Zeigt die für die Eindringerkennung benötigte Zeit an. ② Zeigt die Distanz an, die der Bohrer nach dem Eindringen zurückgelegt hat. (C,D) Die nach der Penetration zurückgelegte Distanz wurde als die Distanz definiert, die von „der Position, an der der Bohrer begann, sich schnell vorwärts zu bewegen“ bis zum „Höhepunkt der Bohrer-(Slave-)Position“ zurückgelegt wurde, d. h. die Distanz, die bis zum Chirurgen zurückgelegt wurde erkannte das Eindringen und begann, den Bohrkörper zurückzuziehen. ① zeigt die benötigte Zeit zur Penetrationserkennung. ② zeigt die Distanz, die der Bohrer nach dem Eindringen zurückgelegt hat.

Als nächstes bediente der Chirurg den Bohrer ohne Penetrationserkennungsfunktion und überprüfte Folgendes:

Die für die Penetrationserkennung erforderliche Zeit.

Die Distanz, die der Bohrer nach dem Eindringen zurückgelegt hat.

Die Zeit, bis der Chirurg die Penetrationserkennung erkannte, wurde als Reaktionszeit festgelegt, die definiert wurde als „der Zeitpunkt, als die Bohrerposition begann, sich schnell vorwärts zu bewegen“ bis „der Zeitpunkt, als der Bohrer aufhörte, sich vorwärts zu bewegen (der Zeitpunkt, als die Geschwindigkeit betrug). negativ verschoben)“, d. h. die Zeit, die der Chirurg benötigt, um die Penetration zu erkennen und mit dem Zurückziehen des Bohrerkörpers zu beginnen. Die Teilnehmer wurden angewiesen, den Meister in die entgegengesetzte Eindringrichtung zu bewegen (den Bohrer zurückzuziehen).

Die nach der Penetration zurückgelegte Distanz wurde als die Distanz definiert, die von „der Position, an der der Bohrer begann, sich schnell vorwärts zu bewegen“ bis zum „Höhepunkt der Bohrer-(Slave-)Position“ zurückgelegt wurde, d. h. die zurückgelegte Distanz, bis der Chirurg die Penetration bemerkte und begann um den Bohrerkörper zurückzuziehen (Abb. 4C,D).

Schließlich verwendete der Chirurg den haptischen Bohrer mit Penetrationserkennungsfunktion und die gleichen Punkte wurden gemessen und überprüft.

Um anschließend zu beurteilen, ob der haptische Bohrer das Eindringen der Lamina in einer tatsächlichen Operationsumgebung erkennen kann, bediente der Chirurg den haptischen Bohrer mit einer horizontalen Bewegung, ähnlich wie beim tatsächlichen chirurgischen Eingriff (siehe Zusatzvideo S1).

Der Chirurg operierte:

Der Bohrer verwendet die horizontalen Positionsinformationen.

Der Bohrer wird diagonal zur Wirbelsäule befestigt.

Um eine genaue Penetrationserkennung entsprechend der Form der Wirbelsäule zu überprüfen, wurde die horizontale Position in 2-mm-Schritte unterteilt und die Penetrationserkennung wurde in jedem Abschnitt durchgeführt (Abb. 5A, B). Darüber hinaus betätigte der Chirurg den haptischen Bohrer horizontal, der diagonal zur Wirbelsäule angebracht war (Abb. 5C, D).

Schematische Darstellung des chirurgischen Bohrers mit haptischer Schnittstelle unter Nutzung horizontaler Positionsinformationen. (A) Maßgeschneiderter Operationstisch für den Haptikbohrer in horizontaler Richtung. (B) Die horizontale Position wurde in 2-mm-Schritte unterteilt, und in jedem Abschnitt wurde eine Penetrationserkennung durchgeführt. Der Bohrer hörte 2 mm nach dem Eindringen auf, sich vorwärts zu bewegen. (C) Der Chirurg bediente horizontal den haptischen Bohrer, der diagonal zur Wirbelsäule installiert war. (D) Positionswellenform des haptischen Bohrers unter Verwendung horizontaler Positionsinformationen. Die Farbe der Wellenform ändert sich im Laufe der Zeit von Schwarz zu Gelb.

Während der Experimente wurde der Haptikbohrer fest auf einem Pfosten auf dem Operationstisch platziert, um jegliche Auswirkungen von Vibrationen zu verhindern. Alle Experimente wurden von drei staatlich geprüften leitenden Wirbelsäulenchirurgen durchgeführt. Alle Bohrungen wurden von jedem der drei Teilnehmer dreimal durchgeführt.

Wir haben die Gesamtstatistik berechnet, einschließlich der Mittelwerte und Standardabweichungen für kontinuierliche Variablen sowie der Häufigkeiten und Prozentsätze für kategoriale Variablen. Der mittlere Unterschied zwischen den oben genannten Gruppen wurde mit einem 95 %-Konfidenzintervall (KI) berechnet. Ein p-Wert von weniger als 0,05 mit einem KI von 95 % wurde als statistisch signifikant angesehen. Ein p-Wert von weniger als 0,05 wurde als statistisch signifikant angesehen. Die Daten wurden mit dem Statistical Package for the Social Sciences (SPSS Statistics Version 27.0, IBM Corp., Armonk, NY) analysiert.

Die durchschnittliche Zeit zur Erkennung des Eindringens von Lamina durch den Bohrer mit der Funktion zur Erkennung des Eindringens betrug 0,015 ± 0,005 s (Bereich 0,01–0,02 s), und die Wegstrecke nach dem Eindringen betrug 0,11 ± 0,063 mm (Bereich 0,03–0,22 mm, Tabelle 1). , Abb. 6). Insbesondere der extrem kleine Bereich der Erfassungszeit und -entfernung in jedem Experiment zeigt die hohe Reproduzierbarkeit des maßgeschneiderten Bohrers. Darüber hinaus zeigt die hervorragende Korrelation zwischen der Zeit bis zur Erkennung des Eindringens und der zurückgelegten Wegstrecke nach dem Eindringen die Genauigkeit des Geräts in dieser Tierversuchsumgebung (r = 0,996, p < 0,001).

Zeit-Distanz-Diagramm des chirurgischen Bohrers mit haptischer Schnittstelle und der Penetrationserkennungsfunktion und des handgehaltenen chirurgischen Bohrers mit und ohne Penetrationserkennungsfunktion. Die durchschnittliche Reaktionszeit zur Erkennung der Penetration und der Abstand nach der Penetration wurden beide erheblich verbessert, wenn ein chirurgischer Bohrer mit haptischer Schnittstelle und Penetrationserkennungsfunktion verwendet wurde. Die in jedem Experiment verwendeten Bohrparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Drei Wirbelsäulenchirurgen bohrten jeweils dreimal in die hinteren Laminae, bis sie eine Penetration durch den speziell angefertigten haptischen Bohrer ohne Penetrationserkennungsfunktion bemerkten. Die durchschnittliche Reaktionszeit betrug 0,226 ± 0,181 s (Bereich 0,10–0,76 s) und die zurückgelegte Distanz nach dem Eindringen betrug 3,52 ± 1,770 mm (1,96–7,12 mm, Abb. 6). Bei der durchschnittlichen Reaktionszeit oder der zurückgelegten Distanz nach der Penetration konnte zwischen den Teilnehmern kein Unterschied beobachtet werden (Abb. 6).

Es gab keine Korrelation zwischen der Erkennungszeit und der Entfernung, was darauf hindeutet, dass das Knochenbohren mit einer Handbohrmaschine weniger reproduzierbar war (r = 0,045, p = 0,909). Diese Ergebnisse zeigten deutlich, dass es selbst in der Hand eines erfahrenen Chirurgen schwierig ist, die Durchdringung der Lamina frühzeitig zu erkennen und den Bohrer unmittelbar nach dem Erkennen der Durchdringung der Lamina während der Operation anzuhalten.

Es gab statistisch signifikante Unterschiede sowohl bei der durchschnittlichen Reaktionszeit als auch bei der nach dem Eindringen zurückgelegten Distanz zwischen der Handbohrmaschine und der Bohrmaschine mit der Funktion zur Erkennung der Penetration (p < 0,001). Die Penetrationserkennungszeit des Geräts war etwa ein Zehntel so schnell wie die der Handbohrmaschine, und der mittlere Unterschied betrug 0,154 ± 0,024 s [95 %-KI 0,099, 0,209 s] und 2,862 ± 0,741 mm [95 %-KI 1,211, 4,514 mm].

In ähnlicher Weise bohrten drei Wirbelsäulenchirurgen jeweils dreimal die hinteren Laminae, bis sie die Penetration durch den speziell angefertigten haptischen Bohrer mit der Penetrationserkennungsfunktion erkannten. Die durchschnittliche Reaktionszeit betrug 0,020 ± 0,012 s (Bereich 0,01–0,04 s) und die zurückgelegte Strecke nach dem Eindringen betrug 0,541 ± 0,351 mm (Bereich 0,06–1,40 mm, Abb. 6). Die Reaktionszeit zur Erkennung der Penetration und der Abstand nach der Penetration waren im Vergleich zu denen des chirurgischen Handbohrers ohne Penetrationserkennungsfunktion beide deutlich verbessert, mit mittleren Unterschieden von 0,049 ± 0,019 s [95 %-KI 0,012, 0,086 s] und 2,511 ± 0,537 mm [95 %-KI 1,505 bzw. 3,516 mm].

Drei Wirbelsäulenchirurgen bohrten jeweils viermal die hinteren Laminae. Anhand der horizontalen Positionsinformationen wurde der automatische Stopp eingestellt, wenn der Bohrer nach der Eindringerkennung 2 mm zurückgelegt wurde (Abb. 5B). Die nach der Penetrationserkennung zurückgelegte Distanz betrug in 10 Fällen 2 mm, und es kam zweimal zu einer Übererkennung. Der durchschnittliche Abstand nach dem Eindringen betrug unter Verwendung der horizontalen Positionsinformationen − 0,429 ± 0,202 mm (Bereich − 1 bis 0 mm). Es gab keinen signifikanten Unterschied zwischen der zurückgelegten Distanz nach der Penetration in horizontaler und vertikaler Richtung, mit einem mittleren Unterschied von 0,967 ± 0,269 mm [95 %-KI 0,382, 1,552 mm]. Dies bestätigte die Genauigkeit der Eindringerkennung, wenn der Bohrer in horizontaler Richtung betrieben wurde.

In dieser Studie haben wir erfolgreich einen Leistungsbewertungstest eines maßgeschneiderten chirurgischen Bohrers mit haptischer Schnittstelle an Miniaturschweinen durchgeführt. Die Reaktionszeit, bis Wirbelsäulenchirurgen die Penetration durch den maßgeschneiderten haptischen Bohrer ohne Penetrationserkennungsfunktion erkannten, betrug 0,10–0,22 s. Im Gegensatz dazu betrug die Zeit zur Erkennung des Eindringens der Schicht auf den Bohrer mit der Funktion zur Erkennung des Eindringens 0,01–0,02 s mit einem extrem kleinen Fehlerbereich von 0,005 s. Wir haben quantitativ nachgewiesen, dass durch die Integration haptischer Technologie in Wirbelsäulenbohrer mit Penetrationserkennungsfunktion ein viel schnellerer automatischer Stopp eines chirurgischen Bohrers erreicht werden kann. Darüber hinaus war die zurückgelegte Distanz nach der Penetration mit der Penetrationserkennungsfunktion deutlich kürzer als die der Handbohrmaschine, und das bei hervorragender Reproduzierbarkeit. Daher waren wir der Ansicht, dass die Sicherheit des Haptikbohrers nachgewiesen ist. Wir haben auch gezeigt, dass es möglich ist, ein Simulatormodell mit Bewegungsdaten wie Reaktionskraft, Verfahrweg, Verfahrgeschwindigkeit, Schnittdrehmoment und Drehzahl des Bohrers zu erstellen. Daher haben wir gezeigt, dass das Differenzsignal der abrupten Änderungen der Reaktionskraft und der Bohrgeschwindigkeit für die Verbesserung der Genauigkeit der Erkennungsfunktion und der automatischen Stoppfunktion von Bedeutung ist. Wir haben die Vielseitigkeit echter Haptiktechnologie demonstriert, indem wir einen Prototyp eines Haptikbohrers evaluiert haben.

In dieser Studie bohrten drei Wirbelsäulenchirurgen die hintere Lamina von Miniaturschweinen. Ihre Berufserfahrung war unterschiedlich und reichte von 2 bis 22 Jahren (2, 7 und 22 Jahre). Die durchschnittliche Reaktionszeit betrug 0,169 ± 0,041 s und die zurückgelegte Strecke nach dem Eindringen betrug 2,982 ± 1,242 mm bei Verwendung einer Handbohrmaschine ohne Funktion zur Erkennung des Eindringens. Darüber hinaus deutete die fehlende Korrelation zwischen Erkennungszeit und Entfernung darauf hin, dass das Knochenbohren mit einer Handbohrmaschine weniger reproduzierbar war. Bei Verwendung des chirurgischen Handbohrers mit Penetrationserkennungsfunktion konnten jedoch sowohl die Reaktionszeit als auch die Distanz nach dem Eindringen verbessert werden. Die durchschnittliche Reaktionszeit zur Erkennung der Penetration und der Abstand nach der Penetration waren beide deutlich kürzer als die des chirurgischen Handbohrers ohne Penetrationserkennungsfunktion, mit mittleren Unterschieden von 0,049 ± 0,019 s bzw. 2,511 ± 0,537 mm. Dieses Ergebnis zeigte deutlich, dass auch bei der Verwendung des Bohrers als Handgerät die Reaktionszeit und der Weg nach dem Eindringen deutlich verkürzt werden können, wenn er mit einer echten Haptik ausgestattet ist.

Interessanterweise zeigte die Analyse der Reaktionszeit und der zurückgelegten Wegstrecke nach der Penetration des handgehaltenen chirurgischen Bohrers mit der Penetrationserkennungsfunktion keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen den Chirurgen hinsichtlich ihrer durchschnittlichen Reaktionszeit und der zurückgelegten Wegstrecke nach der Penetration. Diesem Ergebnis zufolge können Chirurgen unabhängig von ihrer langjährigen Erfahrung die Penetration mit haptischen Bohrern äußerst schnell erkennen. Wie wir im Einleitungsabschnitt beschrieben haben, wurde der Erwerb chirurgischer Erfahrung bisher als sehr wichtig angesehen, um die Möglichkeit neurologischer Komplikationen durch chirurgische Bohrer zu verringern. Ohne jahrelange Erfahrung in der Durchführung von Wirbelsäulenoperationen ist es jedoch schwierig, Erfahrungen in der tatsächlichen Wirbelsäulenchirurgie zu sammeln. Daher wird die Etablierung eines Operationssimulators mit echter Haptik-Technologie für junge Wirbelsäulenchirurgen wichtig sein, um Erfahrungen zu sammeln und neurologische Komplikationen durch chirurgische Bohrungen zu vermeiden.

In mehreren früheren Berichten wurde die Verfügbarkeit haptischer Technologie für chirurgische Simulatoren beschrieben12,13,14. Meyer et al. verglichen die Bohrleistung eines Knochensimulators mit einem haptischen System zwischen der Gruppe der Assistenzärzte und der Gruppe der erfahrenen Chirurgen. Sie kamen zu dem Schluss, dass es keine signifikanten Unterschiede in der Operationszeit oder der Genauigkeit der Operationstechnik gab13. Daher kann der Einsatz eines Wirbelsäulenchirurgie-Simulators mit einem haptischen System für die Wirbelsäulenchirurgie-Ausbildung, die eine steile Lernkurve aufweist, nützlich sein. Frühere Berichte zeigten den Nutzen echter Haptiktechnologie nur für chirurgische Simulatoren. Diese Studie ist der erste Bericht, der die Genauigkeit der Penetrationserkennungsfunktion und der automatischen Stoppfunktion von haptischen Bohrern bei der Durchführung realer chirurgischer Eingriffe belegt.

In dieser Studie haben wir auch die Genauigkeit der Penetrationserkennung nachgewiesen, wenn der Chirurg den Bohrer in horizontaler Richtung betätigte, was dem tatsächlichen chirurgischen Eingriff ähnelt. Es war möglich, die Penetration anhand der Form der Lamina zu erkennen, indem die Position durch Unterteilung in 2-mm-Schritte erkannt wurde. Andererseits können sich die Positionsinformationen der Lamina durch die Abweichung der Wirbelsäule während des Eingriffs verschieben, sodass es zu einer Übererkennung kommen kann; Eine Übererkennung führt jedoch niemals zu einer Schädigung des Rückenmarks. Derzeit planen wir, das Penetrationserkennungssystem um Alarmsysteme zu erweitern. Eine weitere Verfeinerung des Penetrationserkennungssystems wird die Minimierung der Übererkennung von Penetrationen umfassen.

Darüber hinaus wurde auch das Konzept entwickelt, echte haptische Technologie und virtuelle Realität (VR) für die Roboterchirurgie zu nutzen14,15. Die Steuerung dieser Systeme erfolgt über ein haptisches Gerät, das die ausgeübte Bohrkraft in Echtzeit in die Hand des Chirurgen überträgt. Dadurch können Chirurgen Unterschiede im Gewebe erkennen und Operationen dann sicherer und genauer durchführen. Echte haptische Systeme gelten auch als wesentliche Technologie für die Entwicklung der robotergestützten Telechirurgie16.

Wir erkennen die Einschränkung an, dass wir aufgrund begrenzter Ressourcen keine menschlichen Kadaver verwenden konnten. In dieser Studie wurde der Bohrer nur in vertikaler Richtung gegen die Wirbelschicht junger Miniaturschweine eingesetzt. Bei tatsächlichen chirurgischen Eingriffen bewegt der Chirurg den Bohrer jedoch beim Bohren in verschiedenen Richtungen gegen die Wirbelschicht. Weitere Studien zur Verbesserung dieses evolutionären Instruments erfordern möglicherweise die Bewertung der Sicherheit und des Nutzens des chirurgischen Bohrers mit haptischer Schnittstelle bei verschiedenen Knochenerkrankungen, einschließlich osteoporotischem Knochen.

In der vorliegenden Studie gelang es einem Prototyp eines Hochgeschwindigkeitsbohrers mit haptischer Schnittstelle, die Penetration der hinteren Lamina des Schweins genauer und reproduzierbarer zu erfassen als erfahrene Wirbelsäulenchirurgen. Es ist zu erwarten, dass die Integration haptischer Technologie in Wirbelsäulenbohrer zukünftige Anwendungen in der präzisen und sicheren Roboterchirurgie und Telechirurgie finden wird.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

Imajo, Y. et al. Japanische landesweite Umfrage 2011 zu Komplikationen bei Wirbelsäulenoperationen. J. Orthop. Wissenschaft. https://doi.org/10.1007/s00776-014-0656-6 (2015).

Artikel Google Scholar

Cammisa, F. et al. Zufällige Durotomie in der Wirbelsäulenchirurgie. Wirbelsäule https://doi.org/10.1097/00007632-200010150-00019 (2000).

Artikel Google Scholar

Kotilainen, E., Valtonen, S. & Carlson, C. Mikrochirurgische Behandlung von lumbalen Bandscheibenvorfällen: Nachuntersuchung von 237 Patienten. Acta Neurochir. https://doi.org/10.1007/BF02112033 (1993).

Artikel Google Scholar

Rampersaud, Y. et al. Intraoperative unerwünschte Ereignisse und damit verbundene postoperative Komplikationen in der Wirbelsäulenchirurgie: Auswirkungen auf die Verbesserung der Patientensicherheit auf der Grundlage evidenzbasierter Protokolle. Wirbelsäule https://doi.org/10.1097/01.brs.0000220652.39970.c2 (2006).

Artikel Google Scholar

Stolke, D., Sollmann, W. & Seifert, V. Intra- und postoperative Komplikationen bei lumbalen Bandscheibenoperationen. Wirbelsäule https://doi.org/10.1097/00007632-198901000-00011 (1989).

Artikel Google Scholar

Wang, J., Bohlman, H. & Riew, K. Duralrisse als Folge von Operationen an der Lendenwirbelsäule. Management und Ergebnisse nach einer mindestens zweijährigen Nachbeobachtungszeit von 88 Patienten. J. Bone Jt. Surg. Bin. https://doi.org/10.2106/00004623-199812000-00002 (1998).

Artikel Google Scholar

Guerin, P. et al. Zufällige Durotomie während einer Wirbelsäulenoperation: Inzidenz, Behandlung und Komplikationen. Eine retrospektive Rezension. Verletzung https://doi.org/10.1016/j.injury.2010.12.014 (2012).

Artikel Google Scholar

Ohnishi, K., Saito, Y., Fukushima, S., Matsunaga, T. & Nozaki, T. Zukünftige Gesellschaft eröffnet durch echte Haptik. J. Jpn. Soc. Appl. Elektromagn. Mech. 25, 9–16 (2017).

Google Scholar

Ohnishi, K. Echte Haptik und ihre Anwendungen. IEEJ 12, 803–808. https://doi.org/10.1002/tee.22562 (2017).

Artikel Google Scholar

Takuya, M. et al. Multifunktionaler Bohrer mit Linearmotor für haptisches chirurgisches Instrument und Simulator. Im Jahr 2021 IEEE International Conference on Mechatronics (ICM) (2021).

Kobayashi, H. et al. Entwicklung eines orthopädischen Haptikbohrers zur Penetrationserkennung. Im 7. Internationalen IEEJ-Workshop zu Sensorik, Betätigung, Bewegungssteuerung und Optimierung (2021).

Ha-Van, Q., Schwendinger, H., Kim, Y. & Harders, M. Design und Charakterisierung eines angetriebenen Bohrermodells für die orthopädisch-chirurgische Ausbildung. IEEE Trans. Haptik. https://doi.org/10.1109/TOH.2020.2966608 (2020).

Artikel Google Scholar

Meyer, C., Noda, F. & Folsom, C. Hybrid-Chirurgiesimulator: Eine Validierungsstudie zum Schläfenbeinsimulator des Stryker-Chirurgiesimulators (S3). Mil. Med. https://doi.org/10.1093/milmed/usaa178 (2020).

Artikel Google Scholar

Chen, X., Sun, P. & Liao, D. Ein patientenspezifischer haptischer Bohrsimulator basierend auf virtueller Realität für die Zahnimplantatchirurgie. Int. J. Comput. Helfen. Radiol. Surg. https://doi.org/10.1007/s11548-018-1845-0 (2018).

Artikel Google Scholar

Robotersystem für die Wirbelsäulenchirurgie mit Force-Feedback für teleoperiertes Bohren – Rezazadeh – 2019. J. Eng. Wiley Online Libr. https://doi.org/10.1049/joe.2018.9407 (2021).

Matthew, SG, Joseph, DL, Srikanth, ND, Dhruv, KCG & Gregory, DS Robot. Wirbelsäulenchirurgie. https://doi.org/10.21037/atm.2019.07.93 (2019).

Artikel Google Scholar

Referenzen herunterladen

Diese Forschung wurde von AMED unter der Fördernummer JP22he2202014h unterstützt.

Abteilung für orthopädische Chirurgie, Keio University School of Medicine, 35 Shinanomachi, Shinjyuku, Tokio, Japan

Kento Yamanouchi, Yuichiro Mima, Morio Matsumoto, Masaya Nakamura und Mitsuru Yagi

Kanagawa Institute of Industrial Science and Technology, Kawasaki, Japan

Shunya Takano, Takuya Matsunaga und Tomoyuki Shimono

Keio Frontier Research and Education Collaborative Square, Keio University, Tokio, Japan

Kouhei Ohnishi

Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Yokohama National University, 79-5 Tokiwadai, Hodogaya-Ku, Yokohama, 240-8501, Japan

Tomoyuki Shimono

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

KY und MY haben den Hauptmanuskripttext geschrieben. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Tomoyuki Shimono oder Mitsuru Yagi.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Zusatzvideo 1.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Yamanouchi, K., Takano, S., Mima, Y. et al. Validierung eines chirurgischen Bohrers mit haptischer Schnittstelle in der Wirbelsäulenchirurgie. Sci Rep 13, 598 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27467-w

Zitat herunterladen

Eingegangen: 01. Mai 2022

Angenommen: 02. Januar 2023

Veröffentlicht: 12. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27467-w

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.