Modeling and Design of Robotized Tools and Milling Techniques for Total Knee Arthroplasty
Modélisation et conception d'outils robotises et de techniques de fraisage pour l'arthroplastie total du genou
Résumé
Computer-assisted surgery (CAS) has brought enormous added value to medical interventions by providing precise measurement tools that permit surgeons to quantify and control their gestures. In total knee arthroplasty (TKA), CAS has significantly reduced implant alignment and positioning variability, which has been correlated to early failures requiring revision surgery.
There remains however a clinical demand for enhanced precision and capabilities that perhaps only robotics or ‘intelligent instruments' coupled with navigation systems can offer.
In this work a novel robotic tool for bone-milling in CAS TKA is developed. Our miniature bone-mounted robot, named Praxiteles, attaches to the side of the knee and precisely positions a milling guide so that the surgeon can make the cuts manually.
Because manual milling is known to be an inherently unstable process, however, a predictive model was formulated and experiments were conducted in order to better understand and improve the bone-milling process. The physics of bone-cutting was first analysed in the simplest case possible: high-speed orthogonal (2D) and oblique (3D) single-edge cutting. This knowledge was then integrated into a flexible model for predicting milling forces as a function of the surgical parameters. We make recommendations for optimal milling techniques and tools based on an analysis of force and stability. Experimental results on cadavers with our new robot and milling technique are very encouraging, and we hope to start clinical trials in the future.
There remains however a clinical demand for enhanced precision and capabilities that perhaps only robotics or ‘intelligent instruments' coupled with navigation systems can offer.
In this work a novel robotic tool for bone-milling in CAS TKA is developed. Our miniature bone-mounted robot, named Praxiteles, attaches to the side of the knee and precisely positions a milling guide so that the surgeon can make the cuts manually.
Because manual milling is known to be an inherently unstable process, however, a predictive model was formulated and experiments were conducted in order to better understand and improve the bone-milling process. The physics of bone-cutting was first analysed in the simplest case possible: high-speed orthogonal (2D) and oblique (3D) single-edge cutting. This knowledge was then integrated into a flexible model for predicting milling forces as a function of the surgical parameters. We make recommendations for optimal milling techniques and tools based on an analysis of force and stability. Experimental results on cadavers with our new robot and milling technique are very encouraging, and we hope to start clinical trials in the future.
La chirurgie assistée par ordinateur a amené une valeur ajoutée significative aux interventions médicales, en fournissant des outils de mesures permettant au chirurgien de quantifier et contrôler leurs gestes. En orthopédie et notamment pour la pose de prothèse totale de genou (PTG), la chirurgie assistée par ordinateur a réduit de manière significative les variations d'alignement et de position, paramètres directement corrélés aux échecs précoces nécessitant une chirurgie de reprise.
Les cliniciens restent néanmoins demandeurs d'une précision accrue et de possibilités additionnelles, qui semblent ne pouvoir être offertes que par de la robotique ou des ‘outils intelligents' couplés à de la navigation.
Dans ce travail, un nouvel outil robotique dédié au fraisage de l'os pour les chirurgies des PTG a été développé. Notre robot miniature, appelé PRAXITELES, est fixé directement sur l'os sur l'un des côté du genou, il positionne avec précision un guide de fraisage qui permet chirurgien de faire manuellement les coupes.
Le fraisage manuel est un acte difficile avec peu de stabilité, c'est pourquoi, un modèle prédictif a été formulé, et des tests ont été menés pour mieux le comprendre et pour l'améliorer. La physique de la coupe osseuse a d'abord été étudiée dans le cas le plus simple : coupe à grande vitesse orthogonale (2D) et oblique (3D). Les résultats ont ensuite été intégrés dans un modèle flexible pour la prédiction des forces de fraisage comme fonction des paramètres chirurgicaux. A partir de l'analyse des forces et de la stabilité, nous faisons des recommandations sur les techniques de fraisages les plus optimales et sur le choix des outils. Des résultats expérimentaux sur cadavre avec notre nouveau robot et avec ces techniques de fraisage sont très encourageants et nous espérons démarrer des essais cliniques dans un futurs proche.
Les cliniciens restent néanmoins demandeurs d'une précision accrue et de possibilités additionnelles, qui semblent ne pouvoir être offertes que par de la robotique ou des ‘outils intelligents' couplés à de la navigation.
Dans ce travail, un nouvel outil robotique dédié au fraisage de l'os pour les chirurgies des PTG a été développé. Notre robot miniature, appelé PRAXITELES, est fixé directement sur l'os sur l'un des côté du genou, il positionne avec précision un guide de fraisage qui permet chirurgien de faire manuellement les coupes.
Le fraisage manuel est un acte difficile avec peu de stabilité, c'est pourquoi, un modèle prédictif a été formulé, et des tests ont été menés pour mieux le comprendre et pour l'améliorer. La physique de la coupe osseuse a d'abord été étudiée dans le cas le plus simple : coupe à grande vitesse orthogonale (2D) et oblique (3D). Les résultats ont ensuite été intégrés dans un modèle flexible pour la prédiction des forces de fraisage comme fonction des paramètres chirurgicaux. A partir de l'analyse des forces et de la stabilité, nous faisons des recommandations sur les techniques de fraisages les plus optimales et sur le choix des outils. Des résultats expérimentaux sur cadavre avec notre nouveau robot et avec ces techniques de fraisage sont très encourageants et nous espérons démarrer des essais cliniques dans un futurs proche.