Computer-assisted surgery system for trochleoplasty

Abstract

Throchleoplasty is an orthopaedic surgical intervention that aims to correct the trochlear dysplasia, the main predisposing factor of patellar instability. Due to the complexity of this surgery and the lack of solutions to improve this surgical procedure, orthopaedic surgeons from Hospital of Braga have proposed this work. A solution to overcome the limitations and complications that this surgery involves should be addressed. Traditional procedures performed during this surgical intervention have demonstrated some limitations that were considered in the developed implementation. A state of the art regarding the computerassisted surgery systems in the orthopaedics field has shown that there are no references of computerassisted surgery systems addressing the trochleoplasty intervention. A design and planning of a computer-assisted surgery system for trochleoplasty was performed aiming to overcome the main limitations of the trochleoplasty surgical procedures. The main modules addressed during this thesis were the planning of the robotic system to implement in this application and its simulation and an implementation of a surgical navigation module. A robotic arm that fulfills the requirements of this application was selected to assist the surgeon. A hands-on robotic system was planned in order to provide surgical procedures assistance. A robotic simulation was developed with an operating room environment composed by the main components of a computer-assisted surgery system. The manipulation of the robotic arm during the simulation was implemented resorting to a PS3 controller, a Wii remote plus and a joystick. Surgical navigation module is one of the main components of this system. This module was developed in order to provide the required guidance to the surgeon during the trochleoplasty using the proposed robotic system. The point-to-point and surface registrations were implemented in this module in order to achieve the navigated surgery. The connection between the robotic system and the surgical navigation module was implemented allowing to perform a simulated computer-assisted trochleoplasty. The surgical navigation module was validated with orthopaedic surgeons and these results show a great acceptance by the surgeons.

Trocleoplastia é uma intervenção cirúrgica ortopédica que tem como objetivo corrigir a displasia troclear. Esta é considerada como o principal fator de predisposição para a instabilidade patelar. Devido à complexidade desta cirurgia e à carência de soluções para a aperfeiçoar, cirurgiões ortopédicos do Hospital de Braga propuseram a realização deste trabalho. Este deve endereçar uma solução para combater as limitações e complicações que esta cirurgia contempla. Os procedimentos tradicionais que são usados nesta intervenção demonstram algumas limitações que foram consideradas na implementação da solução. O estado de arte sobre os sistemas de cirurgia assistida por computador aplicados à ortopedia mostrou que não existe nenhuma referência de um sistema destes que seja aplicado à trocleoplastia. A conceção e o planeamento de um sistema de cirurgia assistida por computador para a trocleoplastia foram realizados com o objetivo de implementar soluções às limitações dos procedimentos cirúrgicos realizados. Os principais blocos endereçados durante esta tese correspondem à implementação de uma simulação do sistema robótico planeado e de um módulo de navegação cirúrgica. Um braço robótico que atende aos requisitos desta aplicação foi selecionado para assistir o cirurgião. Foi planeado um sistema robótico controlado pelo cirurgião de maneira a fornecer-lhe assistência durante a cirurgia. A simulação robótica foi criada com a representação de um bloco operatório composto pelos principais componentes de uma cirurgia assistida por computador. A manipulação do braço robótico foi conseguida com a utilização de um comando de PS3 e da Wii e um joystick. O módulo de navegação cirúrgica é muito importante nos sistemas de cirurgia assistida. Foi desenvolvido um módulo que pretende guiar o cirurgião durante a trocleoplastia com o recurso ao sistema robótico planeado. O registo baseado em pontos de referência e em superfície foram implementados neste módulo no sentido de obter a cirurgia navegada. A conexão entre o sistema robótico e o módulo de navegação foi estabelecida permitindo realizar a simulação da trocleoplastia assistida por computador. O módulo desenvolvido foi validado com cirurgiões ortopédicos e os resultados mostram uma grande recetibilidade por parte dos cirurgiões.