TY - THES ID - 2991163 TI - Robot-assistance in total knee arthroplasty : procedure, registration and estimation of local bone properties AU - Denis, Kathleen AU - Katholieke Universiteit Leuven PY - 2005 SN - 9056826611 PB - Heverlee Katholieke Universiteit Leuven. Faculteit Ingenieurswetenschappen DB - UniCat KW - Academic collection KW - 681.3*I29 <043> KW - Robotics: manipulators; propelling mechanisms; sensors (Artificial intelli- gence)--Dissertaties KW - Theses KW - 681.3*I29 <043> Robotics: manipulators; propelling mechanisms; sensors (Artificial intelli- gence)--Dissertaties UR - https://www.unicat.be/uniCat?func=search&query=sysid:2991163 AB - Om bij een totale knie arthroplastie een correcte beweging van het kniegewricht en een lange levensduur van de prothese te verkrijgen, is een nauwkeurige positie en oriëntatie van de prothese vereist. Bovendien moet bij een niet-gecementeerde prothese het snijvlak zeer vlak zijn, om de botingroei mogelijk te maken die nodig is voor de fixatie op lange termijn. De huidige commercieel beschikbare robotsystemen voor totale knie arthroplastie verhogen de nauwkeurigheid van de interventie wel, maar hebben nog twee grote beperkingen. Ten eerste zijn de meeste van deze systemen actieve systemen, waarbij de rol van de chirurg beperkt is tot supervisie. Ten tweede is de meest gebruikte registratie-methode gebaseerd op het gebruik van preoperatief te plaatsen markers, wat een extra operatie vereist. Dit werk stelt vernieuwende technieken en procedures voor die een oplossing bieden voor deze nadelen. De technieken en procedures zijn uitgewerkt voor de tibia, vermits de meeste problemen bij totale knie arthroplastie daarmee gerelateerd zijn. Dit werk beschrijft de ontwikkeling en implementatie van een semi-actief robot systeem, gebaseerd op het gebruik van hybride kracht/snelheidscontrole. Hierbij bepaalt de chirurg de snelheid van de roboteindeffector door een kracht uit te oefenen op een handvat aan de robot, terwijl de robot de beweging beperkt tot het op voorhand gedefinieerde plan. Op deze manier houdt de chirurg de operatie onder controle en kan hij snel handelen indien nodig. Het robotsysteem is zo als het ware een chirurgisch instrument, dat de nauwkeurigheid van een frezende robot combineert met de ervaring van de chirurg. Freestesten uitgevoerd in laboratoriumomstandigheden tonen aan dat de frees-nauwkeurigheid van dit semi-actief systeem van dezelfde grootteorde is als dat van een actief systeem, en dat de verkregen vlakheid groter is dan bij de conventionele interventie. Ook tonen testen aan dat door de keuze van de freesparameters de temperatuur van het gefreesde bot binnen toegelaten grenzen kan blijven. Dit werk stelt twee alternatieve registratiemethoden voor die geen gebruik maken van markers, namelijk registratie met behulp van een intramedullaire pin en registratie gebaseerd op oppervlaktematching. Nauwkeurigheidstests en simulaties zijn uitgevoerd. Verder toont dit werk ook aan dat de freeskrachten een voorspellende waarde hebben voor de locale botkwaliteit. Hierdoor kan de chirurg zijn keuze van implantaattype, fixatietechniek en hoeveelheid bot die hij maximaal wil verwijderen, baseren op informatie uit de freeskrachten. A prerequisite for a successful total knee arthroplasty is a high accuracy of the position and orientation of the prosthesis, to obtain proper joint kinematics and a long lifetime of the prosthesis. Moreover, in case of a cementless fixation technique, a high surface flatness is essential for bone ingrowth and long-term fixation of the prosthesis. Current commercial robot systems for total knee arthroplasty improve the accuracy of the intervention but they have two major restrictions. First, most of them are active robot systems, limiting the role of the surgeon to supervision. Second, the prevalent registration method is based on the use of pre-operatively placed markers, implying an extra operation. This work proposes innovative techniques and procedures to overcome the aforementioned drawbacks. The preparation of the tibia is taken as a case study, because most problems in total knee arthroplasty are related to the tibial component. A semi-active robot system, using hybrid force/velocity control, is developed and implemented. In this system, the velocity of the end effector is proportional with the force that the surgeon exerts on a handle attached to the robot, while the robot constrains the motion to the predefined plan. In this way, the surgeon remains in charge of the intervention and can react swiftly to unexpected intra-operative events. Milling experiments in laboratory circumstances showed that the accuracy of a semi-actively milling robot is in the same order of magnitude as the accuracy of an autonomously milling robot, and that the surface flatness increases with respect to conventional surgery. Moreover, the temperature rise of the bone can be limited by constraining the milling parameters. With hybridforce/velocity control, the robot-system becomes a surgical tool, combining the accuracy of a milling robot, with the experience of the surgeon. To avoid the use of pre-operative markers, two registration methods for the tibia are developed: registration using an intramedullary rod and registration using surface matching. Accuracy tests and simulations show that these methods are an appropriate alternative to the registration method based on markers. This work shows further that the milling force has a predictive value for the bone mineral density. Therefore, the surgeon can use information from the milling forces to decide upon the maximal allowable removal of tibial bone, and to decide upon the choice of implant type or fixation technique. Robotondersteuning bij totale knie arthroplastie: procedure, registratie en schatting van lokale botkwaliteit. Totale knie arthroplastie (TKA) of vervanging van de gewrichtsoppervlakken van de knie door een prothese is de voornaamste behandeling voor mensen met ernstige kniegewrichtproblemen. Voor een lange levensduur van de prothese is het bij een TKA belangrijk dat de prothese nauwkeurig geplaatst wordt, zowel wat betreft de positie als de oriëntatie. Bovendien moet het snijvlak dat op het bot aangebracht wordt, zeer vlak zijn. Dit is vooral van belang bij een niet-gecementeerde prothese, omdat daarbij de fixatie op langere termijn afhangt van botingroei in het protheseoppervlak, en dat is enkel mogelijk bij een vlak snijvlak. Doordat robots de eigenschap hebben zeer nauwkeurig een vooraf gedefinieerde baan te volgen, werden robotsystemen ontwikkeld voor de orthopedische chirurgie. Momenteel zijn enkele robotsystemen op commerciële basis beschikbaar voor TKA. Deze robotsystemen verhogen de nauwkeurigheid van de interventie wel, maar hebben nog twee grote beperkingen. Ten eerste werken de meeste van deze systemen autonoom, waarbij de rol van de chirurg beperkt is tot supervisie. Ten tweede vereisen deze systemen een extra operatie, voorafgaand aan de eigenlijke ingreep. Dit werk stelt vernieuwende technieken en procedures voor om deze nadelen te verhelpen. Omdat de meeste problemen bij TKA gerelateerd zijn met het scheenbeen (de tibia), zijn deze technieken en procedures uitgewerkt voor de tibia. Het eerste gedeelte van dit werk stelt een semi-actief robotsysteem voor. Hierbij bepaalt de chirurg de snelheid van de roboteindeffector door een kracht uit te oefenen op een handvat aan de robot, terwijl de robot de beweging beperkt tot het op voorhand gedefinieerde vlak. Op deze manier houdt de chirurg de operatie volledig onder controle en kan hij snel handelen indien nodig.Dit type robotsysteem is als het ware een chirurgisch instrument, dat de nauwkeurigheid van een frezende robot combineert met de ervaring van de chirurg. Dit robotsysteem is gebaseerd op het gebruik van de 'hybride kracht/snelheidscontrole'. Freestesten uitgevoerd in laboratoriumomstandigheden tonen aan dat de nauwkeurigheid van dit semi-actief systeem van dezelfde grootteorde is als dat van een autonoom werkend robotsysteem, en dat de verkregen vlakheid groter is dan bij de conventionele interventie. Ook toont dit werk aan dat door een goede keuze van de freesparameters de temperatuur van het gefreesde bot binnen toegelaten grenzen blijft. Het tweede gedeelte van dit werk gaat op zoek naar alternatieven die de extraoperatie vermijden. Deze extra operatie is nodig wanneer de registratie (dit is het zoeken van het bot in de robotruimte) gebaseerd is op het gebruik van markers. Dit werk stelt twee toepasbare alternatieve registratiemethoden voor die geen gebruik maken van markers, namelijk registratie met behulp van een intramedullaire pin en registratie gebaseerd op oppervlaktematching. Nauwkeurigheidstests en simulaties zijn eveneens uitgevoerd. Het derde gedeelte van dit werk bekijkt specifiek de krachten die optreden bij het bewerken van het bot (frezen). Deze freeskrachten blijken een voorspellende waarde te hebben voor de lokale botkwaliteit. De informatie uit de freeskrachten, die tijdens de operatie aan de chirurg aangeboden wordt, kan de chirurg helpen in zijn keuze van implantaattype, fixatietechniek en hoeveelheid bot die hij maximaal wil verwijderen. ER -