Novel c-arm based planning spine surgery robot proved in a porcine and human cadaver models and quantitative accuracy assessment methodology

Abstract

배경 : 우리는 새로운 내비게이션 기반 척추 수술 로봇 시스템을 사용하여 실험용 돼지에서 척추경 나사못 삽입의 정확도를 술 전 계획된 경로와 실제 삽입된 경로를 비교하여 평가했습니다. 방법 : 정확도 평가를 위해 실험용 돼지의 척추 한 분절 당 3개의 소형 나사를 삽입하였고, 총 4 마리의 실험용 돼지 (23 개의 척추에 46 개의 척추경 나사못 삽입)와 한 구의 카데바를 (11개의 척추에 22개의 척추경 나사못 삽입) 사용했습니다. 수술 전 씨암으로 2차원적 이미지인 단순 방사선 영상을 촬영하여 이를 이용하여 로봇 시스템이 수술자가 3차원적 수술 전 계획을 할 수 있도록 처리 하였습니다. 척추경 나사못의 경로를 계획하고 로봇의 안내에 따라 나사못 삽입을 시행했습니다. 씨암(C-arm) 및 컴퓨터 단층촬영(CT)으로 얻은 영상을 사용하여 수술 전 계획하였던 나사못의 경로와 실제 삽입된 나사못의 경로를 비교하였고, 특히 삽입된 나사못의 두부(head)/첨부(tip)와 계획한 나사못의 두부/첨부의 3차원적 거리 및 삽입 각도의 차이를 비교하였고 Gertzbein Robbins 분류 등급을 이용하여 척추경 나사못의정확도를 평가했습니다. 결과 : 수술 전 3차원 공간 (C-arm 기반)과 수술 후 컴퓨터 단층촬영(CT) 사이의 평균 등록 편차는 실험용 돼지에서는 0.475±0.119 mm, 카데바 실험에서는 0.408±0.212mm였습니다. 수술 전 계획과 수술 후 실제 삽입된 나사못의 배치의 평균 편차는 두부(꼬리)에서 4.8±2.0 mm, 첨부에서 5.3±2.3 mm, 각도가 3.9 ± 2.4°였습니다. Gertzbein Robbins 분류 등급 평가 결과도 실험용 돼지와 카데바 실험 모두에서 임상적으로 적합한 결과를 보였습니다. 결론 : 척추 수술 로봇은 계획된 궤적과 비교하여 실제 나사못 삽입을 실행하는데 있어 우수한 정확도를 보여주었습니다. 이처럼 더 빠르고 정확한 척추 로봇 시스템은 추후에 임상 분야에서 향후 연구에 적용될 수 있을 것입니다.

Background: We assessed pedicle screw accuracy utilizing a novel navigation-based spine surgery robotic system by comparing planned pathways with placed pathways in a porcine model and cadaver. Methods: We placed three mini screws per vertebra for accuracy evaluation and used a reference frame for registration in four pigs (46 screws in 23 vertebrae) and one cadaver (22 screws in 11 vertebrae). We obtained 2-dimensional images from C-arm fluoroscopy and the robotic system allowed the surgeon to make 3-dimensional (3D) surgical planning. We planned screw paths and performed screw insertion under robot guidance. Using C-arm and CT images, we evaluated accuracy by using the Gertzbein–Robbins classification system (GRS) grade and comparing the 3D distance of the placed screw head/tip from the planned screw head/tip and 3D angular offset. Results: Mean registration deviation between the preoperative 3D space (C-arm) and postoperative CT scans was 0.475±0.119 mm in porcine and 0.408±0.212mm in cadaver. The average offset from preoperative plan to final placement in porcine model was 4.8±2.0 mm from the head (tail), 5.3±2.3 mm from the tip, and 3.9±2.4 degrees of angulation. The average offset those of cadaveric test was 1.8±0.9 mm from the head (tail), 2.3±1.0 mm from the tip, and 2.6±1.1 degrees of angulation. Conclusions: Our spine surgery robot showed good accuracy in executing an intended planned trajectory and screw path. This faster and more accurate robotic system will be applied in the clinical field in the near future.