Artículo de método

Un sistema de navegación asistida por robótica de espinas para la colocación de tornillos de pedicle

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DOI:

10.3791/60924

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11 de mayo de 2020

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1Institute of Biomedical Engineering, National Taiwan University, 2Department of Orthopedic Surgery, National Taiwan University Hospital, Hsin-Chu Branch, 3Department of Orthopedic Surgery, National Taiwan University Hospital, Hsin-Chu Biomedical Park Branch, 4Point Robotics MedTech Inc.

En este artículo

Resumen

Este artículo presenta una técnica quirúrgica estandarizada para la colocación de tornillos pediculares asistidos por robótica mediante el uso de sistemas de navegación asistidos por robótica. Presentamos un protocolo paso a paso y describimos el flujo de trabajo y las precauciones de este procedimiento.

Resumen

La implantación de tornillos de pedicular tiene excelentes efectos de tratamiento y a menudo es utilizada por los cirujanos en la cirugía de fusión espinal. Sin embargo, debido a la complejidad de la anatomía del cuerpo humano, este procedimiento quirúrgico es difícil y desafiante, especialmente en cirugía mínimamente invasiva o pacientes con anomalías congénitas y deformidad de la cifoscoliosis. Además de los factores antes mencionados, la experiencia quirúrgica y la técnica del cirujano también afectan las tasas de recuperación y complicaciones de los pacientes después de la operación quirúrgica. Por lo tanto, realizar con precisión la implantación de tornillopediculo tiene es un tema constante de preocupación común para los cirujanos y pacientes. En los últimos años, con el desarrollo tecnológico, los sistemas de navegación asistida por robots se han ido adoptando gradualmente. Estos sistemas de navegación asistidos por robots proporcionan a los cirujanos una planificación preoperatoria completa antes de la cirugía. El sistema proporciona imágenes reconstruidas en 3D de cada vértebra, lo que permite a los cirujanos comprender las características fisiológicas del paciente más rápidamente. También proporciona imágenes 2D de planos sagitales, coronales, axiales y oblicuos para que los cirujanos puedan realizar con precisión el plan de colocación de tornillos pediculares.

Estudios anteriores han demostrado la eficacia de los sistemas de navegación asistida por robot para procedimientos de implantación de tornillos pediculares, incluidas evaluaciones de precisión y seguridad. Este protocolo paso a paso tiene como objetivo esbozar una nota de técnica quirúrgica estandarizada para la colocación de tornillopediso asistido por robótica.

Introducción

En el campo de la cirugía espinal, la cirugía de fusión espinal es un procedimiento quirúrgico fundamental, especialmente la fijación del tornillo pedicular posterior, que puede proporcionar soporte de tres columnas de las vértebras y mejorar la fuerza de la biomecánica; por lo tanto, se ha convertido en uno de los procedimientos quirúrgicos más utilizados1. En muchos estudios tempranos, se ha confirmado el efecto clínico de la implantación de tornillo pedicular posterior, y ha sido ampliamente utilizado en la cirugía para muchos trastornos espinales diferentes, tales como condiciones espinales degenerativas, traumáticas y complicadas2.

Sin embargo, aunque la cirugía de fusión espinal lumbar posterior puede lograr excelentes efectos de tratamiento, todavía es riesgoso debido a la anatomía del cuerpo humano. Hay muchas estructuras de tejido vitales cerca del pediculo, como el sistema nervioso central, las raíces nerviosas y los vasos sanguíneos principales. El daño de estos tejidos durante el procedimiento quirúrgico puede causar complicaciones graves, como lesiones vasculares, déficits neurológicos o aflojamiento detornillos2,3. Además, los cirujanos y el personal están expuestos a radiación adicional, especialmente en el caso de procedimientos espinales mínimamente invasivos4. Los cirujanos pueden experimentar fatiga y temblores de manos después de largos y tediosos procedimientos de cirugía espinal, como colocaciones de tornillos, osteotomía ósea y descompresión nerviosa5.

La tasa insatisfactoria del procedimiento de colocación del tornillo pedicular requería la propuesta de que se aplicara un sistema de navegación asistido por robótica en cirugías espinales para mejorar la precisión de la cirugía y la seguridad de los pacientes. Varios estudios sobre sistemas de navegación asistida por robótica han demostrado mejoras en la seguridad, precisión y precisión de la colocación de tornillos pediculares, así como disminución de la exposición a la radiación y tiempos de funcionamiento6,7,8,9,10. Sin embargo, la planificación completa de la trayectoria del tornillo, la planificación preoperatoria con imágenes, el sistema robótico integral con dispositivo de fijación y el software de control de robots todavía necesitan ser abordados para lograr este objetivo. Este estudio se centra en la descripción de la estructura robótica y el flujo de trabajo de un sistema de navegación autodesarrollado (es decir, el sistema de navegación de columna vertebral point (PSNS)) para cirugías de colocación de tornillos pediculares asistidas por robótica.

Descripción del sistema y protocolo quirúrgico
El PSNS consta de una estación de trabajo de navegación que incluye lo siguiente. (1) Existe un software de interfaz de usuario responsable de la lectura de imágenes a través de la reconstrucción tridimensional (3D), la planificación preoperatoria, el cálculo de relaciones cinemáticas espaciales y el registro. (2) El PSNS utiliza sistemas de guía óptica infrarroja para rastrear la posición espacial de los robots quirúrgicos y los pacientes. El sistema de guía óptica infrarroja contiene los siguientes componentes: (i) un rastreador óptico que emite activamente luz infrarroja y realiza el posicionamiento estéreo a través de una cámara dual(Figura 1); (ii) una esfera de marcador cuya superficie tenga un recubrimiento reflectante con propiedades reflectantes para el seguimiento preciso de la herramienta; y (iii) una herramienta con un marco de referencia dinámico (DRF) que comprende una base y cuatro esferas de marcador. Para evitar el error de identificación del sistema de seguimiento, cada dispositivo tiene un diseño DRF único y no se puede compartir entre sí. El DRF utilizado incluye un marco base (BF) unido a la base de la pieza de mano para confirmar la posición de la pieza de mano, un marco de efecto final (EF) unido al extremo de la pieza de mano para confirmar la posición de la pieza de mano, un marco fiduciario (FF) anclado en el hueso del paciente para confirmar la posición del paciente, y una sonda cuya punta se utiliza para confirmar la posición objetivo en el espacio 3D. (3) Hay una pieza de mano que comprende una plataforma Stewart de seis grados de libertad (DOF), con un extremo del robot equipado con una herramienta de operación utilizada para perforar la trayectoria del tornillo. La pieza de mano es un sistema de navegación asistido por robótica que ayuda a los cirujanos a la colocación precisa de implantes, como tornillos pediculares, o el posicionamiento de herramientas quirúrgicas durante la cirugía espinal. El movimiento del objetivo quirúrgico se rastrea a medida que el robot compensa automáticamente el objetivo correcto. El robot está diseñado como un sistema semiactivo que ofrece guía de herramientas quirúrgicas; sin embargo, la cirugía real es realizada por cirujanos. El principio de funcionamiento y el equipo se ilustran en la Figura 2.

PSNS está indicado para procedimientos que incluyen pero no se limitan a los siguientes procedimientos de muestra: (i) cirugía espinal abierta, mínimamente invasiva o percutánea; (ii) sitio de cirugía espinal para vértebras torácicas, lumbares o sacras; (iii) fusión espinal posterior para traumatismos, enfermedad de la estenosis degenerativa, inestabilidad, espondilolistesis, hernia de disco, tumor, infección o corrección de la deformidad espinal; (iv) la colocación de dispositivos temporales o permanentes, como k-wires o agujas, mientras se realiza la vertebroplastia, o una discectomía lumbar endoscópica percutánea transforaminal o interlaminar; y (iv) escisión tumoral ósea, incluyendo la ablación de osteoma osteoide o biopsia tumoral, en la que el robot dirigió agujas o cables guía a una ubicación vertebral dada. Este procedimiento está contraindicado para aquellos con incapacidad para tolerar la anestesia, el procedimiento quirúrgico, o cuando no se han adquirido imágenes de navegación satisfactorias.

Tenga en cuenta que el personal de la operación, incluidos los neurocirujanos y cirujanos ortopédicos, debe tener licencia y estar capacitado en cursos de guía. Todos los procedimientos para operar el robot durante la cirugía deben seguir los procedimientos estandarizados recomendados para evitar causar daño al paciente o cirujano. Los cirujanos deben poseer experiencia quirúrgica convencional para asegurarse de que es posible volver a los instrumentos quirúrgicos convencionales y completar la cirugía cuando se determina que la navegación es inexacta, basada en el conocimiento anatómico de los cirujanos.

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Protocolo

Todos los procedimientos seguidos fueron de acuerdo con las normas éticas del Comité de ética de investigación del Hospital Universitario Nacional de Taiwán (NTUH) y la Declaración de Helsinki de 1975 (en su versión más reciente enmendada). Se debe obtener el consentimiento informado de todos los pacientes si se prepara un ensayo clínico adicional.

NOTA: El procedimiento de anestesia se puede clasificar en tres pasos: evaluación preoperatoria del paciente, manejo intraoperatorio y manejo postoperatorio. Durante la evaluación preoperatoria, se deben recopilar todos los datos del paciente, incluyendo la historia completa y el examen físico, y el personal debe reconocer las comorbilidades del paciente y cómo se relacionan con la atención anestésica del paciente. Se debe realizar un examen completo de las vías respiratorias, y el personal debe estar al tanto de las opciones anestésicas para formular un plan de atención anestésica básica. Durante el manejo intraoperatorio, el anestesiólogo debe comprobar las funciones básicas de la máquina de anestesia, y aplicar monitores fisiológicos básicos recomendados por la Sociedad Americana de Anestesiólogos, que incluyen un oxímetro de pulso, electrocardiografía, un dispositivo de presión arterial no invasiva, y un monitor de temperatura, opciones de manejo de las vías respiratorias, farmacología de agentes de inducción, e indicaciones durante una inducción anestésica. Los eventos intraoperatorios, como hipotensión, hipertensión, hipoxia y oliguria, deben ser reconocidos, evaluados y administrados. Además, el personal debe reconocer cuando el paciente cumple con los criterios de extubación.

1. Ajuste y planificación preoperatoria

NOTA: Durante la cirugía, se deben utilizar cortinas quirúrgicas estériles para evitar el contacto con superficies no preparadas y para mantener la esterilidad en el sitio quirúrgico de las superficies ambientales, el equipo y el entorno del paciente. Para reducir el riesgo de transmisión de patógenos tanto a los pacientes como al equipo quirúrgico, el equipo operativo debe usar batas quirúrgicas estériles sobre los trajes de exfoliación durante la cirugía.

  1. Retire todos los componentes que pueden afectar la fluoroscopia del sitio quirúrgico; esto depende del plan quirúrgico de acuerdo con cada paciente individual.
  2. Coloque al paciente en una posición propensa después de administrar anestesia y prepárese según los requisitos quirúrgicos.
    NOTA: Todos los procedimientos de anestesia deben realizarse bajo la supervisión de un anestesiólogo y cada plan debe ajustarse de acuerdo con cada paciente individual.
  3. Limpiar y esterilizar el sitio quirúrgico del paciente.
  4. Cubra el OP-sitio en el sitio quirúrgico del paciente.
  5. Coloque la cortina quirúrgica estéril en el paciente, excepto en el sitio quirúrgico.
  6. Anclar el FF al paciente; los usuarios pueden elegir uno de los dos métodos siguientes según sus necesidades.
    1. Anclaje al hueso ilíaco (sitio quirúrgico aplicable: L5 o S1).
      1. Coloque dos cables percutáneos (a 1,5 mm) en la cresta ilíaca posterior y compruebe el punto de entrada bajo fluoroscopia. Repita el paso si el cirujano tiene alguna preocupación por el punto de entrada. Marque el punto de entrada mediante un rotulador.
      2. Inserte el primer pasador percutáneo (a 5 mm, L a 140 mm) en la cresta ilíaca posterior del paciente mediante un taladro de potencia (1000 RPM).
      3. Coloque el FF junto con el primer pasador percutáneo. Ajuste el FF hasta que sea reconocido por la cámara de seguimiento óptico. Fije el FF al primer pasador percutáneo usando un destornillador.
      4. Inserte el segundo pasador percutáneo (a 5 mm, L a 140 mm) junto con un orificio en el FF utilizando un taladro de potencia (1000 RPM). Fije el tornillo en el FF al segundo pasador percutáneo usando el destornillador.
        NOTA: De acuerdo con el manual del sistema de seguimiento óptico, la esfera del marcador se puede identificar dentro de 3 m desde el rastreador óptico.
    2. Anclaje al proceso espinoso vertebral actual o adyacente con un sitio quirúrgico aplicable de la abrazadera: vértebras torácicas, lumbares o sacras.
      1. Coloque un cable (a 1,5 mm) en la espalda del paciente como referencia bajo fluoroscopia. Compruebe el campo quirúrgico bajo fluoroscopia. Repita el paso si el cirujano tiene alguna preocupación por el campo quirúrgico. Marque el campo quirúrgico utilizando un rotulador.
      2. Incise el tejido cutáneo en el campo quirúrgico usando un bisturí quirúrgico. Fije el FF al proceso espinoso usando un destornillador. Debido a la diferencia de densidad mineral ósea, haga que el cirujano determine si el FF está anclado firmemente en el proceso espinoso.
  7. Compruebe si se han preparado los equipos y componentes de PSNS, incluida la pieza de mano, el sistema de seguimiento óptico, la estación de trabajo robótica y el kit de herramientas de navegación (es decir, la sonda)(Figura 3 y Figura 4).
    NOTA: Evite interferir con el personal quirúrgico; Evite bloquear la cámara de seguimiento óptico; Asegúrese de que el rastreador es estable y reconocido por el sistema de seguimiento óptico; Esterilice el kit de herramientas de navegación y colóquelo en la mesa de operaciones.

2. Etiquetado y registro espacial

  1. Transfiera las imágenes de TC preoperatorias del paciente al sistema a través de DVD o USB y recorte el tamaño de la imagen para ajustar la orientación en función de las necesidades quirúrgicas. El sistema proporciona imágenes guiadas quirúrgicas virtuales, incluyendo planos sagitales, coronales, axiales y oblicuos, y reconstrucciones 3D personalizadas para cada vértebra.
  2. A medida que el software PSNS proporciona la interfaz de etiquetado, pida al cirujano que etiquete cada vértebra con la vista anterior-posterior y la vista lateral, diferenciando el disco intervertebral para los pasos subsiguientes a identificar.
  3. Seleccione la longitud óptima del tornillo y las dimensiones del implante en función del software del dispositivo.
  4. Planifique el posicionamiento óptimo y la trayectoria del tornillo en función de la reconstrucción de la imagen 3D y multiplanar de la tomografía computarizada preoperatoria.
  5. Confirme si todos los tornillos planificados son correctos y apropiados.
  6. Ingrese la interfaz de monitoreo DRF en el software PSNS que presenta las vistas planas múltiples (incluya el volumen 3D y tres planos transversales en el lado). Todos los DRF deben estar dentro del área de visión del sistema de seguimiento óptico (de acuerdo con las instrucciones del usuario, el mejor rango de reconocimiento recomendado es el rango B.) Cuando la flecha vectorial DRF que indica el rastreador se muestra en la interfaz de usuario, el sistema de seguimiento lo reconoce de forma estable(Figura 5).
  7. Realizar una disección subperiosteal bilateralmente a lo largo del proceso espinoso, lamina hasta las puntas de los procesos transversales de todos los niveles. Retire las cápsulas de la articulación de la faceta para exponer las articulaciones. El uso de retractores auto-retenidos ayuda en la exposición a la vértebra al mantener la musculatura hacia un lado.
  8. Realice procedimientos de registro, incluido el registro de hitos y la coincidencia de superficies. Siga la secuencia siguiente para garantizar la exactitud del resultado del registro.
    1. Registro de landmark
      1. Seleccione al menos cuatro puntos de características no coplanares (como el proceso espinoso, el laminar y el proceso transversal) en las imágenes de TC de reconstrucción 3D preoperatorias del paciente.
      2. Utilice la punta de la sonda para mantenerse en contacto con el primer punto de característica seleccionado en el paso 2.8.1.1 en el área quirúrgica real.
      3. Pulse el botón de selección de sonda en la interfaz del software para confirmar el punto de acceso.
      4. Repita los pasos 2.8.1.2-2.8.1.3 hasta que se confirmen los cuatro puntos de entidad seleccionados en el paso 2.8.1.1.
      5. Pulse el botón de cálculo en la interfaz del software; el sistema calculará el resultado del registro histórico y lo presentará en la interfaz del software.
      6. Los criterios de aceptación para la precisión del registro deben satisfacer las necesidades de las indicaciones clínicas (<5 mm). Si el resultado no es satisfactorio, repita los pasos 2.8.1.1-2.8.1.5 hasta que el resultado del registro cumpla con los criterios de aceptación.
        NOTA: Asegúrese de que la validez del uso de la sonda para obtener la información de posición de la superficie ósea, como limpiar el tejido blando en la superficie ósea y evitar el colgante de la punta de la sonda al recoger puntos.
    2. Coincidencia de superficies
      1. Utilice la punta de la sonda para entrar continuamente en contacto con cualquier punto de la superficie ósea en el área quirúrgica real.
      2. Pulse el botón de selección de sonda en la interfaz del software para confirmar el punto de acceso
      3. Mueva la sonda (haga la sonda diferente del punto de picking anterior) y repita los pasos 2.8.2.1-2.8.2.2 hasta que se completen al menos 50 puntos de picking.
      4. Pulse el botón de cálculo en la interfaz del software; el sistema calculará el resultado de coincidencia de superficie y lo presentará en la interfaz del software.
      5. Los criterios de aceptación para la precisión del registro deben satisfacer las necesidades de las indicaciones clínicas (<0,5 mm). Si el resultado no es satisfactorio, repita los pasos 2.8.2.1-2.8.2.4 hasta que los resultados de la inscripción cumplan los criterios de aceptación.
  9. Utilice la sonda para seleccionar puntos de referencia anatómicos obvios (como el proceso espinoso, los procesos transversales, la articulación de faceta) del área quirúrgica real para la confirmación una vez que se acepte el resultado del registro(Figura 6).
    NOTA: Durante la cirugía se debe mantener la reflexión y la recepción adecuadas de la luz infrarroja. Si el sistema de seguimiento óptico no puede reconocer los marcadores, la interfaz del software mostrará un recordatorio de luz roja. La cámara debe ajustarse de forma que el campo quirúrgico esté en el centro del rango de detección de la cámara, y el rastreador debe estar protegido de la luz y la sangre.

3. Ensamblaje y movimiento del robot

  1. Cubra la pieza de mano con cortinas de esterilización e instale los instrumentos quirúrgicos en el robot (p. ej., trocar (5 mm) y k-pin (a 1,8 mm) ).
  2. Ajuste el ángulo y la posición de la pieza de mano en el espacio de acuerdo con las siguientes instrucciones (pasos 3.2.1-3.2.2) para que la pieza de mano esté dentro del rango de compensación (dentro de una distancia de un centímetro y un ángulo incluido de 4 grados desde el trazado planificado).
    1. Ajuste de ángulo: Gire el ángulo de la pieza de mano en el espacio para que los dos círculos que representan el ángulo de la pieza de mano coincidan en la interfaz del software.
    2. Ajuste de posición: mueva horizontal y verticalmente la posición de la pieza de mano en el espacio, de modo que los puntos que representan la posición de la pieza de mano en la interfaz del software se alineen con los puntos de entrada de la trayectoria planificada.
      NOTA: Cuando se completen los pasos 3.2.1 y 3.2.2 al mismo tiempo, la pieza de mano activará automáticamente la función de compensación activa para mantener el ángulo y la posición del instrumento para ajustarse a la trayectoria preplanificada(Figura 7).
  3. Determine el estado de funcionamiento del robot juzgando el color del marcador del robot que se muestra en la interfaz de usuario. Si es verde, se puede operar, si es rojo, no se puede operar.
    NOTA: Si la pieza de mano entra en contacto con el paciente o con los obstáculos circundantes, el cirujano o el técnico pueden presionar un botón de parada de emergencia situado encima de la carcasa de la estación de navegación. Se debe realizar un mantenimiento regular del robot. La plataforma debe ser recalibrada para los parámetros de cinemática después de 250 usos. El trocar y el k-pin deben desecharse después de un solo uso.

4. Preparación del pedicular e inserción del tornillo

  1. Active la función de taladrado de la pieza de mano y perfore los instrumentos montados en el extremo frontal (incluido K-pin: á 1,8 mm y trocar: 5 mm) en el cuerpo del paciente a lo largo de la trayectoria planificada.
  2. Utilice el brazo C para confirmar la posición de k-pin y trocar.
  3. Si las posiciones k-pin y trocar no son correctas bajo fluoroscopia, retire el k-pin y el trocar. A continuación, con la pieza de mano, entallar en el pediculo de nuevo hasta que el k-pin y el trocar inserten en posiciones propensas bajo fluoroscopia (consulte 4.3.1-4.3.2).
    1. En la vista AP, determine si el instrumento se encuentra en el área ovalada formada por el pediculo en la imagen en perspectiva.
    2. En la vista LAT, determine si el instrumento está dentro del rango del pediculo y la vértebra.
  4. Sustituya K-pin y trocar por cables guía (a 1,5 mm, L a 400 mm) una vez que las posiciones sean adecuadas.
  5. Inserte el tornillo pedicular a través de los cables guía.
  6. Repita los pasos 4.1–4.4 para completar todas las rutas de planificación quirúrgica.
    NOTA: En cuanto al manejo postoperatorio, los pacientes deben ser monitoreados en la unidad de recuperación post-anestesia (PACU) y se deben seleccionar las opciones de analgesia postoperatoria. Se deben evaluar los eventos básicos de la PACU, como náuseas, dolor, hipotensión, hipertensión e hipoxia. Además, el personal debe reconocer cuando el paciente cumple con los criterios para el alta de la PACU.

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Resultados

La seguridad y precisión de las colocaciones de tornillos pediculares asistidas por robótica se han abordado en varios estudios6,,11. Comparamos las vértebras con imágenes de planificación preoperatoria bajo un sistema de seguimiento óptico en el método propuesto. Después de determinar la trayectoria quirúrgica planificada, esta información se transfirió a la pieza de mano a través de la unidad de control de la pieza de mano. El sistema de navegación integra la i...

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Discusión

Desde 1990, ha habido rápidos desarrollos en aplicaciones quirúrgicas que implican el uso de robots. Las tecnologías robóticas disponibles han sido optimizadas, lo que se traduce en una mayor precisión, superando el temblor en las manos humanas y reduciendo los tiempos de emparejamiento y registro de los sistemas de navegación15. Los beneficios de la asistencia quirúrgica para robots incluyen: (1) estandarización inmediata sin largos procesos de aprendizaje; (2) los cirujanos pueden seguir con pre...

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Divulgaciones

Point Robotics MedTech Inc empleó a los autores Xiu-Yun Xiao, Chih-Wei Chen, Hao-Kai Chou y Chen-Yu Sung. Este estudio fue parcialmente apoyado por Point Robotics MedTech Inc., que proporcionó el sistema de robots. Los autores declaran que el sistema de navegación de columna vertebral de punto (PSNS) evaluado en este estudio es un producto en desarrollo.

Agradecimientos

Este estudio fue parcialmente apoyado por Point Robotics Medtech Incorporation, que proporcionó el sistema de robots. El fundero proporcionó apoyo en forma de salarios para X.Y. Xiao, C.W. Chen, H.K. Chou y C.Y. Sung, pero no tuvo ningún papel adicional en el diseño del estudio, la recopilación y el análisis de datos, la decisión de publicar o la preparación del manuscrito.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Marcos de referencia dinámicos
FF:
1.Biela
2.Abrazaderas combinadas
3.Abrazaderas multi-pin
4.Tornillo Schanz
5.Abrazadera de proceso espinoso
6.Llave abierta
7.Llave hexagonal		POINT Pieza
manoPOINT Soporte
de la pieza de manoPOINT
Soporte para pieza de manoPOINT
K-pinPOINT
Seguidor ópticoNDI
Esferas pasivasNDI
ProbePOINT
Caja estérilPOINT
Cortina estérilPOINT
TrocarPOINT
Carro de estación de trabajoPOINT
Kit de herramientas POINT de

Referencias

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