Published January 22, 2014 | Version v1
Publication Open

A Robot-Assisted Surgical System Using a Force-Image Control Method for Pedicle Screw Insertion

Creators

  • 1. Beijing Jishuitan Hospital
  • 2. Peking University
  • 3. Tsinghua University
  • 4. Shenzhen Institutes of Advanced Technology

Description

To introduce a robot-assisted surgical system for spinal posterior fixation that can automatically recognize the drilling state and stop potential cortical penetration with force and image information and to further evaluate the accuracy and safety of the robot for sheep vertebra pedicle screw placement.The Robotic Spinal Surgery System (RSSS) was composed of an optical tracking system, a navigation and planning system, and a surgical robot equipped with a 6-DOF force/torque sensor. The robot used the image message and force signals to sense the different operation states and to prevent potential cortical penetration in the pedicle screw insertion operation. To evaluate the accuracy and safety of the RSSS, 32 screw insertions were conducted. Furthermore, six trajectories were deliberately planned incorrectly to explore whether the robot could recognize the different drilling states and immediately prevent cortical penetration.All 32 pedicle screws were placed in the pedicle without any broken pedicle walls. Compared with the preoperative planning, the average deviations of the entry points in the axial and sagittal views were 0.50 ± 0.33 and 0.65 ± 0.40 mm, and the average deviations of the angles in the axial and sagittal views were 1.9 ± 0.82° and 1.48 ± 1.2°. The robot successfully recognized the different drilling states and prevented potential cortical penetration. In the deliberately incorrectly planned trajectory experiments, the robot successfully prevented the cortical penetration.These results verified the RSSS's accuracy and safety, which supported its potential use for the spinal surgery.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

لإدخال نظام جراحي بمساعدة الروبوت للتثبيت الخلفي للعمود الفقري يمكن أن يتعرف تلقائيًا على حالة الحفر ويوقف الاختراق القشري المحتمل باستخدام معلومات القوة والصورة وللمزيد من تقييم دقة وسلامة الروبوت لوضع برغي عنق الغنم. تألف نظام جراحة العمود الفقري الآلي (RSSS) من نظام تتبع بصري ونظام ملاحة وتخطيط وروبوت جراحي مجهز بمستشعر قوة/عزم دوران 6 - DOF. استخدم الروبوت رسالة الصورة وإشارات القوة لاستشعار حالات التشغيل المختلفة ومنع الاختراق القشري المحتمل في عملية إدخال برغي السويقة. لتقييم دقة وسلامة RSSS، تم إجراء 32 إدخال لولبي. علاوة على ذلك، تم التخطيط لستة مسارات بشكل غير صحيح لاستكشاف ما إذا كان الروبوت يمكنه التعرف على حالات الحفر المختلفة ومنع الاختراق القشري على الفور. تم وضع جميع مسامير السويقة الـ 32 في السويقة دون أي جدران سويقة مكسورة. بالمقارنة مع التخطيط قبل الجراحة، كان متوسط انحرافات نقاط الدخول في المناظر المحورية والسهمية 0.50 ± 0.33 و 0.65 ± 0.40 مم، وكان متوسط انحرافات الزوايا في المناظر المحورية والسهمية 1.9 ± 0.82درجة و 1.48 ± 1.2درجة. تعرف الروبوت بنجاح على حالات الحفر المختلفة ومنع الاختراق القشري المحتمل. في تجارب المسار المخطط لها بشكل غير صحيح عن عمد، نجح الروبوت في منع الاختراق القشري. تحققت هذه النتائج من دقة وسلامة RSSS، مما دعم استخدامه المحتمل لجراحة العمود الفقري.

Translated Description (French)

Introduire un système chirurgical assisté par robot pour la fixation postérieure de la colonne vertébrale qui peut reconnaître automatiquement l'état de forage et arrêter la pénétration corticale potentielle avec des informations de force et d'image et évaluer davantage la précision et la sécurité du robot pour le placement de la vis pédiculaire de vertèbre de mouton. Le système de chirurgie rachidienne robotisée (RSSS) était composé d'un système de suivi optique, d'un système de navigation et de planification et d'un robot chirurgical équipé d'un capteur de force/couple à 6 degrés de liberté. Le robot a utilisé le message d'image et les signaux de force pour détecter les différents états de fonctionnement et empêcher la pénétration corticale potentielle dans l'opération d'insertion de la vis pédiculaire. Pour évaluer la précision et la sécurité du RSSS, 32 insertions de vis ont été effectuées. En outre, six trajectoires ont été délibérément planifiées de manière incorrecte pour explorer si le robot pouvait reconnaître les différents états de forage et empêcher immédiatement la pénétration corticale. Toutes les 32 vis pédiculaires ont été placées dans le pédicule sans aucune paroi pédiculaire cassée. Par rapport à la planification préopératoire, les écarts moyens des points d'entrée dans les vues axiale et sagittale étaient de 0,50 ± 0,33 et 0,65 ± 0,40 mm, et les écarts moyens des angles dans les vues axiale et sagittale étaient de 1,9 ± 0,82° et 1,48 ± 1,2°. Le robot a reconnu avec succès les différents états de forage et a empêché une pénétration corticale potentielle. Dans les expériences de trajectoire délibérément mal planifiées, le robot a réussi à empêcher la pénétration corticale. Ces résultats ont vérifié la précision et la sécurité du RSSS, ce qui a soutenu son utilisation potentielle pour la chirurgie de la colonne vertébrale.

Translated Description (Spanish)

Introducir un sistema quirúrgico asistido por robot para la fijación posterior espinal que pueda reconocer automáticamente el estado de perforación y detener la posible penetración cortical con información de fuerza e imagen y evaluar aún más la precisión y seguridad del robot para la colocación de tornillos de pedículo de vértebra de oveja. El sistema de cirugía espinal robótica (RSSS) se compuso de un sistema de seguimiento óptico, un sistema de navegación y planificación, y un robot quirúrgico equipado con un sensor de fuerza/par de 6 DOF. El robot utilizó el mensaje de imagen y las señales de fuerza para detectar los diferentes estados de operación y para evitar una posible penetración cortical en la operación de inserción del tornillo pedicular. Para evaluar la precisión y seguridad del RSSS, se realizaron 32 inserciones de tornillos. Además, se planificaron deliberadamente seis trayectorias de forma incorrecta para explorar si el robot podía reconocer los diferentes estados de perforación y evitar inmediatamente la penetración cortical. Los 32 tornillos pediculares se colocaron en el pedículo sin ninguna pared pedicular rota. En comparación con la planificación preoperatoria, las desviaciones medias de los puntos de entrada en las vistas axial y sagital fueron 0,50 ± 0,33 y 0,65 ± 0,40 mm, y las desviaciones medias de los ángulos en las vistas axial y sagital fueron 1,9 ± 0,82° y 1,48 ± 1,2°. El robot reconoció con éxito los diferentes estados de perforación y evitó la posible penetración cortical. En los experimentos de trayectoria planificados deliberadamente de manera incorrecta, el robot evitó con éxito la penetración cortical. Estos resultados verificaron la precisión y seguridad del RSSS, lo que respaldó su uso potencial para la cirugía de la columna vertebral.

Files

journal.pone.0086346&type=printable.pdf

Files (1.6 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:e4a6e37ffe5e5bb256c821f393a8686b
1.6 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
نظام جراحي بمساعدة الروبوت باستخدام طريقة التحكم في القوة والصورة لإدخال برغي السويقة
Translated title (French)
Un système chirurgical assisté par robot utilisant une méthode de contrôle d'image de force pour l'insertion de vis de pédicule
Translated title (Spanish)
Un sistema quirúrgico asistido por robot que utiliza un método de control de imágenes de fuerza para la inserción de tornillos pediculares

Identifiers

Other
https://openalex.org/W1981340483
DOI
10.1371/journal.pone.0086346

Is supplement to
https://openalex.org/W4386008762 (Other)
https://openalex.org/W3145923612 (Other)
https://openalex.org/W3029575091 (Other)
https://openalex.org/W2921837881 (Other)
https://openalex.org/W2536657158 (Other)
https://openalex.org/W2097859795 (Other)
https://openalex.org/W2085797056 (Other)
https://openalex.org/W2077123901 (Other)
https://openalex.org/W2053950117 (Other)
https://openalex.org/W2027366028 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1520344654
  • https://openalex.org/W1973649422
  • https://openalex.org/W1984473734
  • https://openalex.org/W2000945418
  • https://openalex.org/W2007367849
  • https://openalex.org/W2059988270
  • https://openalex.org/W2070959693
  • https://openalex.org/W2082554100
  • https://openalex.org/W2088839360
  • https://openalex.org/W2091277329
  • https://openalex.org/W2093082733
  • https://openalex.org/W2141898315
  • https://openalex.org/W2157748002
  • https://openalex.org/W2169145371
  • https://openalex.org/W2318019373
  • https://openalex.org/W2324745312
  • https://openalex.org/W2328107573
  • https://openalex.org/W2410471765