Robot-Assisted Femoroplasty with Intraoperative Biomechanical Feedback

具有术中生物力学反馈的机器人辅助股骨成形术

基本信息

  • 批准号:
    9751870
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 42.92万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2017-09-15 至 2021-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Project Summary There is a wealth of research on the extent to which bone loss may impair strength and increase the risk of fracture. The rate of mortality after hip fracture in elderly patients with osteoporosis is reported to be as high as 30%. It is suggested that augmentation of the femur is an effective countermeasure to reduce the risk of fracture in highly osteoporotic hips. This technique would be especially valuable for those patients at high risk of falls and the highest risk of mortality and morbidity if they were to sustain a fall. The few clinical case studies that have been performed on augmentation of the femur, suggest that a successful outcome requires detailed planning, biomechanical analysis, and precise control of the augmentation procedure to avoid generation of areas of high stress due to augmentation. Our long term goal is to develop a technology that enables the surgeon to precisely determine the extent of osteoporosis and fracture risk level, obtain an optimized surgical plan based on computerized mechanical analysis, perform a rapid and minimally invasive hip augmentation with intraoperative biomechanical feedback, and finally verify the outcome in one patient visit. In this project, we will develop a surgical test bed for proximal femur augmentation and demonstrate its feasibility. Towards this goal, we propose three aims: 1. Surgical planning workstation: based on our prior study we propose to develop a biomechanical planning module for patient-specific optimization of the bone augmentation procedure using preoperative CT scans. We propose to leverage our preliminary results and develop an integrated patient-specific model involving mechanical and hydrodynamic simulation of the bone strength due to the injection of the augmenting material that is suitable for the ubiquitous problem of predicting intraoperative cement injection. The planning workstation will also assess the fracture risk preoperatively as well as provide real-time updates of the predicted cement distribution and stress- state within the bone during the surgery. 2. Integrated surgical execution system: The workstation will provide key capabilities related to image- based registration, intraoperative updates of cement distribution, and robotic tools to control injection. We will integrate software and hardware components; advance the biomechanical planning into a viable intraoperative technology, and tackle segmentation/registration challenges identified in our previous studies. These challenges are described in detail in the research plan. 3. Integrated System Performance: We will investigate the functional performance, reliability, and overall system accuracy of precisely controlled bone augmentation through a series of cadaver studies. The study will also include a series of destructive cadaver tests to verify the system ability to strengthen osteoporotic femora. We will also investigate the safety of the procedure by performing a series of live large animal studies (n =4). The main purpose of large animal studies is demonstrating the safety of the procedure before performing human pilot studies. The technology developed in this project may lead to a highly needed alternative treatment that may be pivotal for patients at the risk of bone fracture due to osteoporosis.
项目摘要 有大量的研究表明,骨质流失会在多大程度上损害力量并增加 有骨折的风险。据报道,老年骨质疏松症患者髋部骨折后的死亡率为 高达30%。提示股骨扩大术是降低风险的有效对策 严重骨质疏松的髋部骨折。这项技术对那些患有高血压病的患者尤其有价值。 跌倒的风险,以及如果他们要维持跌倒的话死亡和发病的最高风险。为数不多的临床病例 已经进行的关于股骨增大的研究表明,成功的结果需要 详细的计划、生物力学分析和对隆起术的精确控制,以避免 由于增大而产生高应力区。 我们的长期目标是开发一种技术,使外科医生能够准确地确定 骨质疏松症程度和骨折风险水平,获得基于计算机化的优化手术方案 力学分析,术中进行快速微创髋关节增高术 生物力学反馈,并最终在一次患者访问中验证结果。在这个项目中,我们将开发一种 股骨近端扩大术的手术试验台及其可行性论证。为了实现这个目标,我们 提出三个目标: 1.手术计划工作站:在我们前期研究的基础上,我们建议开发一种生物力学 计划模块,用于针对患者使用以下技术优化隆骨手术 术前CT扫描。我们建议利用我们的初步成果,开发一种 涉及力学和流体动力学模拟的特定患者模型的骨强度 对于适合普遍存在的预测问题的增强材料的注入 术中骨水泥注射。规划工作站还将评估骨折风险 以及提供预测水泥分布和应力的实时更新- 手术过程中骨骼内的状态。 2.综合手术执行系统:该工作站将提供与图像相关的关键能力- 基于注册、水泥分配的术中更新和控制的机器人工具 注射。我们将整合软硬件组件,推进生物力学规划 转变为可行的术中技术,并解决在 我们之前的研究。这些挑战在研究计划中有详细描述。 3.集成系统性能:我们将调查功能性能、可靠性和 通过一系列身体进行精确控制的增骨手术的总体系统精度 学习。这项研究还将包括一系列破坏性的身体测试,以验证系统的能力 增强骨质疏松的股骨。我们还将通过执行 大动物活体系列研究(n=4)。大型动物研究的主要目的是证明 在进行人体试验之前,检查手术的安全性。 在这个项目中开发的技术可能会导致一种非常需要的替代治疗方法,可能是 对于有骨质疏松症骨折风险的患者来说是关键。

项目成果

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