Artigo de método

Um sistema de navegação assistido por robótica da coluna para colocação do parafuso pedicle

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DOI:

10.3791/60924

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11 de maio 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.

Neste artigo

Resumo

Este artigo apresenta uma técnica cirúrgica padronizada para colocação de parafusos de pediclegrama assistidos por robótica, utilizando sistemas de navegação assistidos por robôs. Apresentamos um protocolo passo a passo e descrevemos o fluxo de trabalho e as precauções deste procedimento.

Resumo

A implantação do parafuso pedicle tem excelentes efeitos de tratamento e é frequentemente usada por cirurgiões em cirurgia de fusão espinhal. No entanto, devido à complexidade da anatomia do corpo humano, este procedimento cirúrgico é difícil e desafiador, especialmente em cirurgias minimamente invasivas ou pacientes com anomalias congênitas e deformidade da cifoscoliose. Além dos fatores acima mencionados, a experiência cirúrgica e técnica do cirurgião também afetam as taxas de recuperação e complicações dos pacientes após a operação cirúrgica. Portanto, a implantação do parafuso do pedículo com precisão é um tema constante de preocupação comum para cirurgiões e pacientes. Nos últimos anos, com o desenvolvimento tecnológico, os sistemas de navegação assistidos por robôs foram gradualmente adotados. Estes sistemas de navegação assistidos por robôs fornecem aos cirurgiões um planejamento pré-operatório completo antes da cirurgia. O sistema fornece imagens reconstruídas em 3D de cada vértebra, permitindo que os cirurgiões entendam as características fisiológicas do paciente mais rapidamente. Também fornece imagens 2D de planos sagitais, coronais, axiais e oblíquos para que os cirurgiões possam executar com precisão o plano de colocação do parafuso do pedículo.

Estudos anteriores demonstraram a eficácia de sistemas de navegação assistidos por robôs para procedimentos de implantação de parafusos pedicle, incluindo avaliações de precisão e segurança. Este protocolo passo-a-passo visa delinear uma nota de técnica cirúrgica padronizada para a colocação do parafuso pedicle assistido por robótica.

Introdução

No campo da cirurgia espinhal, a cirurgia de fusão espinhal é um procedimento cirúrgico fundamental, especialmente a fixação do parafuso do pedículo posterior, que pode fornecer suporte de três colunas das vértebras e aumentar a força da biomecânica; assim, tornou-se um dos procedimentos cirúrgicos mais utilizados1. Em muitos estudos iniciais, o efeito clínico da implantação do parafuso pedilículo posterior foi confirmado, e tem sido amplamente utilizado em cirurgia susceptível de muitas doenças da coluna vertebral, como condições degenerativas, traumáticas e complicadas da colunavertebral 2.

No entanto, embora a cirurgia de fusão lombar posterior possa alcançar excelentes efeitos de tratamento, ainda é arriscada devido à anatomia do corpo humano. Existem muitas estruturas teciduais vitais próximas ao pedículo, como o sistema nervoso central, raízes nervosas e vasos sanguíneos principais. Os danos desses tecidos durante o procedimento cirúrgico podem causar sérias complicações, como lesões vasculares, déficits neurológicos ou afrouxamento do parafuso2,3. Além disso, os cirurgiões e a equipe estão expostos à radiação adicional, particularmente no caso de procedimentos minimamente invasivos da coluna vertebral4. Os cirurgiões podem sentir fadiga e tremores nas mãos após procedimentos longos e tediosos de cirurgia na coluna, como colocações de parafusos, osteotomia óssea e descompressão nervosa5.

A taxa insatisfatória do procedimento de colocação do parafuso pedilrial exigiu a proposta de um sistema de navegação assistido por robótica a ser aplicado em cirurgias da coluna vertebral para melhorar a precisão da cirurgia e a segurança dos pacientes. Vários estudos sobre sistemas de navegação assistidos por robótica demonstraram melhorias na segurança, precisão e precisão da colocação do parafuso do pedículo, bem como diminuição da exposição à radiação e dos tempos operacionais6,,7,,8,,9,,10. No entanto, o planejamento completo da trajetória do parafuso, o planejamento pré-operatório com imagens, o sistema robótico abrangente com dispositivo de fixação e o software de controle de robôs ainda precisam ser abordados para alcançar esse objetivo. Este estudo se concentra na descrição da estrutura robótica e no fluxo de trabalho de um sistema de navegação autodesenvolvido (ou seja, o sistema de navegação point spine spine (PSNS)) para cirurgias de colocação de parafusos de pedicleassistidos por robótica.

Descrição do sistema e protocolo cirúrgico
O PSNS é composto por uma estação de trabalho de navegação que inclui o seguinte. (1) Existe um software de interface de usuário responsável pela leitura de imagens através da reconstrução tridimensional (3D), planejamento pré-operatório, cálculo de relação cinemática espacial e registro. (2) O PSNS utiliza sistemas de orientação óptica infravermelha para rastrear a posição espacial de robôs cirúrgicos e pacientes. O sistema de orientação óptica infravermelha contém os seguintes componentes: (i) um rastreador óptico que emite luz infravermelha e realiza posicionamento estéreo através de uma câmera dupla(Figura 1); (ii) uma esfera marcadora cuja superfície tenha um revestimento reflexivo com propriedades reflexivas para um rastreamento preciso da ferramenta; e (iii) uma ferramenta com um quadro de referência dinâmico (DRF) que compreende uma base e quatro esferas de marcador. Para evitar a falha de identificação do sistema de rastreamento, cada dispositivo tem um design EXCLUSIVO de DRF e não pode ser compartilhado entre si. O DRF utilizado inclui um quadro base (BF) anexado à base da peça de mão para confirmar a posição da peça de mão, um quadro de efeito final (EF) anexado à extremidade da peça de mão para confirmar a posição da peça de mão, um quadro fiducial (FF) ancorado no osso do paciente para confirmar a posição do paciente e uma sonda cuja ponta é usada para confirmar a posição de destino no espaço 3D. (3) Há uma peça de mão que compreende uma plataforma Stewart de seis graus de liberdade (DOF), com uma extremidade do robô equipada com uma ferramenta de operação usada para perfurar o caminho do parafuso. A peça de mão é um sistema de navegação assistido por robôs que auxilia os cirurgiões na colocação precisa de implantes, como parafusos de pedículo, ou posicionamento de ferramentas cirúrgicas durante a cirurgia da coluna vertebral. O movimento do alvo cirúrgico é rastreado como o robô compensa automaticamente o alvo correto. O robô é projetado como um sistema semi-ativo que oferece orientação de ferramentas cirúrgicas; no entanto, a cirurgia real é realizada por cirurgiões. O princípio de operação e o equipamento são ilustrados na Figura 2.

A PSNS é indicada para procedimentos que incluem, mas não se limitam aos seguintes procedimentos amostrais: (i) cirurgia de coluna aberta, minimamente invasiva ou percutânea; (ii) local de cirurgia da coluna vertebral para vértebras torácicas, lombares ou sacral; (iii) fusão posterior da coluna vertebral para trauma, doença de estenose degenerativa, instabilidade, espondilolistese, hérnia de disco, tumor, infecção ou correção de deformidade espinhal; (iv) colocação de dispositivos temporários ou permanentes, tais como fios k ou agulhas, durante a realização de vertebroplastia, ou transforaminal ou interlaminar percutâneo peroscópico discectomia lombar peroscópica; e (iv) excisão do tumor ósseo, incluindo a ablação de osteoma osteóide ou biópsia tumoral, na qual o robô direcionou agulhas ou fios-guia para um determinado local vertebral. Este procedimento é contra-indicado para aqueles com incapacidade de tolerar anestesia, procedimento cirúrgico ou quando imagens de navegação satisfatórias não foram adquiridas.

Observe que a equipe de operação, incluindo neurocirurgiões e cirurgiões ortopédicos, deve ser licenciada e treinada em cursos orientadores. Todos os procedimentos para operar o robô durante a cirurgia precisam seguir os procedimentos padronizados recomendados para evitar causar danos ao paciente ou ao cirurgião. Os cirurgiões devem possuir experiência cirúrgica convencional para garantir que seja possível mudar de volta para instrumentos cirúrgicos convencionais e completar a cirurgia quando for determinado que a navegação é imprecisa, com base no conhecimento anatômico dos cirurgiões.

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Protocolo

Todos os procedimentos seguidos estavam de acordo com os padrões éticos do National Taiwan University Hospital (NTUH) Research Ethics Committee (REC) e da Declaração de Helsinki de 1975 (em sua versão mais recente alterada). O consentimento informado deve ser obtido de todos os pacientes se for necessário um novo ensaio clínico.

NOTA: O procedimento de anestesia pode ser categorizado em três etapas: avaliação pré-operatória do paciente, gestão intraoperatória e gestão pós-operatória. Durante a avaliação pré-operatória, todos os dados do paciente, incluindo o histórico completo e o exame físico, devem ser coletados e a equipe deve reconhecer as comorbidades do paciente e como eles se relacionam com o cuidado anestésico do paciente. Um exame completo das vias aéreas deve ser realizado, e a equipe deve estar ciente das opções anestésicas para formular um plano básico de cuidados anestésicos. Durante o manejo intraoperatório, o anestesiologista deve verificar as funções básicas da máquina de anestesia, e aplicar monitores fisiológicos básicos recomendados pela Sociedade Americana de Anestesiologistas, que incluem um oxímetro de pulso, eletrocardiografia, um dispositivo de pressão arterial não invasivo, e um monitor de temperatura, opções de gerenciamento de vias aéreas, farmacologia de induções e indicações durante uma indução anestésica. Eventos intraoperatórios, como hipotensão, hipertensão, hipóxia e oligúria, devem ser reconhecidos, avaliados e gerenciados. Além disso, a equipe deve reconhecer quando o paciente atende aos critérios de extubação.

1. Configuração e planejamento pré-operatório

NOTA: Durante a cirurgia, devem ser utilizadas cortinas cirúrgicas estéreis para evitar o contato com superfícies despreparadas e para manter a esterilidade do local cirúrgico das superfícies ambientais, equipamentos e arredores do paciente. Para reduzir o risco de transmissão de patógenos tanto para os pacientes quanto para a equipe cirúrgica, os vestidos cirúrgicos estéreis devem ser usados sobre os trajes de esfregão pela equipe operacional durante a cirurgia.

  1. Remover todos os componentes que podem afetar a fluoroscopia do local cirúrgico; isso depende do plano cirúrgico de acordo com cada paciente.
  2. Coloque o paciente em uma posição propensa após a administração da anestesia e prepare-se conforme os requisitos cirúrgicos.
    NOTA: Todos os procedimentos de anestesia devem ser realizados sob a supervisão de um anestesista e cada plano deve ser ajustado de acordo com cada paciente.
  3. Limpe e esterilize o local cirúrgico do paciente.
  4. Cubra o local da operação no local cirúrgico do paciente.
  5. Coloque a cortina cirúrgica estéril no paciente, exceto no local cirúrgico.
  6. Ancorar o FF ao paciente; os usuários podem escolher um dos dois métodos a seguir de acordo com suas necessidades.
    1. Ancoramento ao osso ilíaco (local cirúrgico aplicável: L5 ou S1).
      1. Coloque dois fios percutâneos (Φ = 1,5 mm) na crista ilíaca posterior e verifique o ponto de entrada sob fluoroscopia. Repita o passo se o cirurgião tiver uma preocupação com o ponto de entrada. Marque o ponto de entrada usando uma caneta marcadora.
      2. Insira o primeiro pino percutâneo (Φ = 5 mm, L = 140 mm) na crista ilíaca posterior do paciente usando uma broca de força (1000 RPM).
      3. Coloque o FF junto com o primeiro pino percutâneo. Ajuste o FF até que seja reconhecido pela câmera de rastreamento óptica. Fixar o FF ao primeiro pino percutâneo usando uma chave de fenda.
      4. Insira o segundo pino percutâneo (Φ = 5 mm, L = 140 mm) juntamente com um orifício no FF usando uma broca de força (1000 RPM). Fixar o parafuso no FF ao segundo pino percutâneo usando a chave de fenda.
        NOTA: De acordo com o manual do sistema de rastreamento óptico, a esfera do marcador pode ser identificada dentro de 3 m do rastreador óptico.
    2. Ancorar ao processo vertebral vertebral vertebral atual ou adjacente com um grampo aplicável local cirúrgico: vértebras torácicas, lombares ou sacral.
      1. Coloque um fio (Φ = 1,5 mm) nas costas do paciente como referência sob fluoroscopia. Verifique o campo cirúrgico sob fluoroscopia. Repita o passo se o cirurgião tiver uma preocupação com o campo cirúrgico. Marque o campo cirúrgico usando uma caneta marcadora.
      2. Incise o tecido da pele no campo cirúrgico usando um bisturi cirúrgico. Fixar o FF ao processo espinhoso usando uma chave de fenda. Devido à diferença de densidade mineral óssea, o cirurgião determinará se o FF está ancorado firmemente no processo espinhoso.
  7. Verifique se os equipamentos e componentes da PSNS foram preparados, incluindo a peça de mão, o sistema de rastreamento óptico, a estação de trabalho robótica e o kit de ferramentas de navegação (ou seja, sonda) (Figura 3 e Figura 4).
    NOTA: Evite interferir na equipe cirúrgica; Evite bloquear a câmera de rastreamento óptica; Certifique-se de que o rastreador está estável e reconhecido pelo sistema de rastreamento óptico; Esterilize o kit de ferramentas de navegação e coloque-o na mesa de operação.

2. Rotulagem espacial e registro

  1. Transfira as imagens de tomografia computadorizada pré-operatória do paciente para o sistema através de DVD ou USB e corte o tamanho da imagem para ajustar a orientação com base nas necessidades cirúrgicas. O sistema fornece imagens cirúrgicas virtuais guiadas, incluindo planos sagitais, coronais, axiais e oblíquos, e reconstruções 3D personalizadas para cada vértebra.
  2. Como o software PSNS fornece a interface de rotulagem, peça ao cirurgião para rotular cada vértebra com a visão anterior-posterior e a visão lateral, diferenciando o disco intervertebral para que as etapas subseqüentes sejam identificadas.
  3. Selecione as dimensões ideais do comprimento do parafuso e do implante com base no software do dispositivo.
  4. Planeje o posicionamento ideal e a trajetória do parafuso com base na reconstrução de imagem 3D e multiplanar da tomografia computadorizada pré-operatória.
  5. Confirme se todos os parafusos planejados estão corretos e apropriados.
  6. Digite a interface de monitoramento DRF no software PSNS que apresenta várias visualizações planares (incluem volume 3D e três planos transversais na lateral). Todos os DRFs devem estar dentro da área de visão do sistema de rastreamento óptico (de acordo com as instruções do usuário, a melhor faixa de reconhecimento recomendada é a faixa B.) Quando a seta vetorial DRF indicando que o rastreador é exibido na interface do usuário, ele é reconhecido pelo sistema de rastreamento (Figura 5).
  7. Realize uma dissecção subperiosteal bilateralmente ao longo do processo espinhoso, a lâmina para as pontas dos processos transversais de todos os níveis. Remova as cápsulas articulares da faceta para expor as articulações. O uso de retráteis auto-retidos auxilia na exposição às vértebras, mantendo a musculatura para o lado.
  8. Realizar procedimentos de registro, incluindo registro de marco e correspondência de superfície. Siga a sequência abaixo para garantir a correção do resultado do registro.
    1. Registro de landmark
      1. Selecione pelo menos quatro pontos de característica não-coplanares (como o processo espinhoso, o laminar e o processo transverso) nas imagens de TOMOGRAFIA de reconstrução 3D pré-operatórias do paciente.
      2. Use a ponta da sonda para manter contato com o primeiro ponto de recurso selecionado na etapa 2.8.1.1 na área cirúrgica real.
      3. Pressione o botão de seleção do teste na interface do software para confirmar o ponto de acesso.
      4. As etapas de repetição 2.8.1.2-2.8.1.3 até que os quatro pontos de característica selecionados na etapa 2.8.1.1 sejam confirmados.
      5. Pressione o botão de cálculo na interface do software; o sistema calculará o resultado do registro de referência e o apresentará na interface do software.
      6. Os critérios de aceitação para a precisão do registro devem atender às necessidades das indicações clínicas (<5 mm). Se o resultado não for satisfatório, repita as etapas 2.8.1.1-2.8.1.5 até que o resultado da inscrição atenda aos critérios de aceitação.
        NOTA: Certifique-se de que a validade do uso da sonda para obter as informações de posição da superfície óssea, como limpar o tecido mole na superfície óssea e evitar o pendemento da ponta da sonda ao coletar pontos.
    2. Correspondência de superfície
      1. Use a ponta da sonda para contatar continuamente qualquer ponto na superfície óssea na área cirúrgica real.
      2. Pressione o botão de seleção do teste na interface do software para confirmar o ponto de acesso
      3. Mova a sonda (faça a sonda diferente do ponto de escolha anterior) e repita as etapas 2.8.2.1-2.8.2.2.2 até que pelo menos 50 pontos de escolha sejam concluídos.
      4. Pressione o botão de cálculo na interface do software; o sistema calculará o resultado de correspondência de superfície e o apresentará na interface do software.
      5. Os critérios de aceitação para a exatidão cadastral devem atender às necessidades das indicações clínicas (<0,5 mm). Se o resultado não for satisfatório, repita as etapas 2.8.2.1-2.8.2.4 até que os resultados cadastrais atendam aos critérios de aceitação.
  9. Use a sonda para selecionar marcos anatômicos óbvios (como processo espinhoso, processos transversais, articulação de faceta) da área cirúrgica real para confirmação assim que o resultado do registro for aceito (Figura 6).
    NOTA: A reflexão adequada e a recepção da luz infravermelha devem ser mantidas durante a cirurgia. Se o sistema de rastreamento óptico não conseguir reconhecer os marcadores, a interface de software exibirá um lembrete de luz vermelha. A câmera deve ser ajustada de modo que o campo cirúrgico esteja no centro da faixa de detecção da câmera, e o rastreador deve ser protegido contra luz e sangue.

3. Montagem e movimento do robô

  1. Cubra a peça com cortinas de esterilização e instale os instrumentos cirúrgicos no robô (por exemplo, trocarte (Φ = 5 mm) e k-pin (Φ = 1,8 mm)).
  2. Ajuste o ângulo e a posição da peça no espaço de acordo com as seguintes instruções (passos 3.2.1-3.2.2) para que a peça esteja dentro da faixa de compensação (dentro de uma distância de um centímetro e um ângulo incluído de 4 graus do caminho planejado).
    1. Ajuste de ângulo: Gire o ângulo da peça no espaço para que os dois círculos que representam o ângulo da peça coincidam na interface do software.
    2. Ajuste de posição: mova horizontal e verticalmente a posição da peça de mão no espaço, de modo que os pontos que representam a posição da peça na interface do software estejam alinhados com os pontos de entrada do caminho planejado.
      NOTA: Quando as etapas 3.2.1 e 3.2.2 forem concluídas ao mesmo tempo, a peça de mão ativará automaticamente a função de compensação ativa para manter o ângulo e a posição do instrumento em conformidade com o caminho pré-planejado (Figura 7).
  3. Determine o estado de funcionamento do robô julgando a cor do marcador do robô exibido na ui. Se for verde, pode ser operado, se estiver vermelho, não pode ser operado.
    NOTA: Se a peça de mão entrar em contato com o paciente ou com os obstáculos circundantes, um botão de parada de emergência localizado acima da caixa da estação de trabalho de navegação pode ser pressionado pelo cirurgião ou técnico. A manutenção regular do robô deve ser realizada. A plataforma deve ser recalibrada para os parâmetros da cinemática após 250 usos. O trocarte e o k-pin devem ser descartados após um único uso.

4. Preparação do pedículo e inserção do parafuso

  1. Ative a função de perfuração da peça de mão e fure os instrumentos montados na parte frontal (incluindo k-pin: Φ = 1,8 mm e trocarte: Φ = 5 mm) no corpo do paciente ao longo do caminho planejado.
  2. Use o braço c para confirmar a posição de k-pin e trocarte.
  3. Se as posições k-pin e trocarte não estiverem corretas sob fluoroscopia, remova o k-pin e o trocarte. Em seguida, usando a peça de mão, fure novamente o pedículo até que o k-pin e o trocarte insiram em posições propensas sob fluoroscopia (consulte 4.3.1-4.3.2).
    1. Sob a visão AP, determine se o instrumento está localizado na área oval formada pelo pedículo na imagem da perspectiva.
    2. Na visão LAT, determine se o instrumento está dentro do alcance do pedículo e da vértebra.
  4. Substitua o pino K e o trocarte por fios-guia (Φ = 1,5 mm, L = 400 mm) uma vez que as posições sejam apropriadas.
  5. Insira o parafuso do pedículo através dos fios-guia.
  6. Repita as etapas 4.1-4.4 para completar todos os caminhos de planejamento cirúrgico.
    NOTA: Quanto ao manejo pós-operatório, os pacientes devem ser monitorados na unidade de recuperação pós-anestesia (PACU) e as opções de analgesia pós-operatória devem ser selecionadas. Os eventos básicos da PACU, como náusea, dor, hipotensão, hipertensão e hipóxia, devem ser avaliados. Além disso, a equipe deve reconhecer quando o paciente atende aos critérios de alta da PACU.

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Resultados

A segurança e a precisão das colocações do parafuso pedicler assistido por robótica foram abordadas em vários estudos6,11. Combinamos as vértebras com imagens de planejamento pré-operatório sob um sistema de rastreamento óptico no método proposto. Após determinar o caminho cirúrgico planejado, essas informações foram transferidas para a peça de mão através da unidade de controle da peça de mão. O sistema de navegação integra as informações de rastreamento e exibe...

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Discussão

Desde 1990, houve rápidos desenvolvimentos em aplicações cirúrgicas envolvendo o uso de robôs. As tecnologias robóticas disponíveis foram otimizadas, resultando em maior precisão, superando o tremor nas mãos humanas e redução dos tempos de correspondência e registro dos sistemas de navegação15. Os benefícios da assistência robô cirúrgica incluem: (1) padronização imediata sem processos de aprendizagem demorados; (2) os cirurgiões podem seguir com precisão o plano pré-operatório, que é sobreposto a...

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Divulgações

A Point Robotics MedTech Inc empregou os autores Xiu-Yun Xiao, Chih-Wei Chen, Hao-Kai Chou e Chen-Yu Sung. Este estudo foi parcialmente apoiado pela Point Robotics MedTech Inc., que forneceu o sistema robô. Os autores declaram que o sistema de navegação por ponto (PSNS) avaliado neste estudo é um produto em desenvolvimento.

Agradecimentos

Este estudo foi parcialmente apoiado pela Point Robotics Medtech Incorporation, que forneceu o sistema robô. O financiador forneceu apoio na forma de salários para X.Y. Xiao, C.W. Chen, H.K. Chou e C.Y. Sung, mas não teve qualquer papel adicional no projeto do estudo, coleta e análise de dados, decisão de publicar ou preparação do manuscrito.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
de quadros de referência dinâmicosPOINT
FF:
1.Biela
2.Grampos de combinação
3.Grampos de vários pinos
4.Parafuso de Schanz
5.Grampo de processo espinhoso
6.Chave aberta
7.Chave hexagonal		POINT
Suporte de peça de mãoPOINT
Suporte de peça de mãoPOINT
K-pinPOINT
Rastreador ópticoNDI
Esferas passivasSonda NDI
POINT
Caixa estérilPOINT
Campo estérilPOINT
TrocartePOINT
Carrinho de estação de trabalhoPOINT
Kit de ferramentas Peça de mão PONTO

Referências

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