Artigo de método

Colocação de parafuso pedicular usando um display de realidade aumentada montado na cabeça em um modelo suíno

DOI:

10.3791/64474

⸱

24 de maio de 2024

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1Department of Clinical Neuroscience, Karolinska Institutet, 2Brainlab AG, 3Capio Spine Center Stockholm, Löwenströmska Hospital

Neste artigo

Resumo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

O display de realidade aumentada montado na cabeça, Magic Leap, foi usado em combinação com um sistema de navegação convencional para colocar parafusos pediculares em um modelo porcino, aderindo a um novo fluxo de trabalho. Com mediana de tempo de inserção de <2,5 min, obteve-se acurácia técnica submilimétrica e 100% de acurácia clínica, segundo Gertzbein.

Resumo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este protocolo ajuda a avaliar a precisão e o fluxo de trabalho de um sistema de navegação híbrido de realidade aumentada (AR) usando o Magic Leap head-mounted display (HMD) para a colocação minimamente invasiva de parafusos pediculares. Os espécimes suínos cadavéricos foram colocados em uma mesa cirúrgica e cobertos com capas estéreis. Os níveis de interesse foram identificados por fluoroscopia, e um referencial dinâmico foi anexado ao processo espinhoso de uma vértebra na região de interesse. Foi realizada tomografia computadorizada de feixe cônico (TCFC) e gerado automaticamente um render 3D, que foi utilizado para o posterior planejamento da colocação dos parafusos pediculares. Cada cirurgião foi equipado com um HMD que foi calibrado individualmente para os olhos e conectado ao sistema de navegação da coluna vertebral.

Instrumentos navegados, rastreados pelo sistema de navegação e exibidos em 2D e 3D no HMD, foram utilizados para 33 canulações pediculares, cada uma com diâmetro de 4,5 mm. A TCFC pós-procedimento foi avaliada por um revisor independente para medir a acurácia técnica (desvio do trajeto planejado) e clínica (grau de Gertzbein) de cada canulação. O tempo de navegação para cada canulação foi medido. A precisão técnica foi de 1,0 mm ± 0,5 mm no ponto de entrada e 0,8 mm ± 0,1 mm no alvo. O desvio angular foi de 1,5° ± 0,6°, e o tempo médio de inserção por canulação foi de 141 s ± 71 s. A acurácia clínica foi de 100% de acordo com a escala de graduação de Gertzbein (32 grau 0; 1 grau 1). Quando utilizado para canulações pediculares minimamente invasivas em modelo porcino, a acurácia técnica submilimetrada e 100% de acurácia clínica poderiam ser alcançadas com este protocolo.

Introdução

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

A correta colocação dos parafusos pediculares é importante para evitar danos às estruturas neurovasculares dentro e ao redor da coluna vertebral. A precisão do posicionamento utilizando a técnica à mão livre é altamente variável1. Usando a navegação 3D, a precisão é melhorada em comparação com os métodos tradicionais guiados por imagem baseados em fluoroscopia intraoperatória. Maior acurácia reduz o risco de cirurgia de revisão 2,3.

Com a estimativa de que a expectativa média de vida continuará aumentando, um número crescente de pacientes idosos necessitará de procedimentos cirúrgicos de coluna para diversas patologias4. As abordagens minimamente invasivas vêm ganhando espaço devido à sua menor morbidade, principalmente emidosos5,6. No entanto, essas abordagens dependem de soluções de navegação precisas. Como a navegação é baseada em imagens, esforços estão sendo feitos para reduzir a exposição à radiação intraoperatória de pacientes e funcionários 7,8,9,10.

A realidade aumentada (RA) é uma tecnologia emergente na navegação cirúrgica que visa melhorar a acurácia e eficácia na sala de cirurgia (SO)11. A RA sobrepõe informações geradas por computador a uma visão do mundo real. Isso funciona especialmente bem quando a informação sobreposta é vista através de um HMD. Para isso, os HMDs que utilizam a tecnologia head-up display ganharam atenção devido ao seu pequeno tamanho, portabilidade e a possibilidade de manter uma linha direta de visão. Vários HMDs estão disponíveis no mercado hoje para navegação em RA 12,13,14,15,16.

O headset Magic Leap é um HMD óptico transparente, incluindo várias câmeras, um sensor de profundidade e unidades de medição inercial, que são usadas para determinar a posição e a orientação do fone de ouvido no ambiente. O objetivo deste estudo foi avaliar o fluxo de trabalho do HMD Magic Leap, combinado com um sistema de navegação convencional e um dispositivo móvel de TCFC de última geração, para obtenção de imagens intraoperatórias em um ambiente cirúrgico realístico.

Protocolo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

O procedimento foi realizado em centro cirúrgico convencional, equipado com mesa de SO radiolúcida, plataforma de navegação e aparelho móvel de TCFC que fornece imagens de fluoroscopia 2D e TCFC 3D de alta qualidade para navegação em RA. Para este estudo, foram utilizados dois cadáveres suínos, com aproximadamente 80 cm de comprimento e 45 kg. Os espécimes foram comprados comercialmente, e seu uso para este experimento não exigiu uma autorização ética. Todos os dispositivos, instrumentos e software usados no fluxo de trabalho descrito estão listados na Tabela de Materiais. O seguinte procedimento passo a passo foi realizado e repetido para cada espécime.

1. Espécime de cadáver suíno

  1. Coloque o espécime de cadáver porcino na mesa de cirurgia na sala de cirurgia.
  2. Escorra o espécime do cadáver suíno em capas estéreis. Use filme de incisão para cobrir a pele no campo cirúrgico.

2. Identificação dos níveis vertebrais de interesse

  1. Utilizando o aparelho de TCFC, identificar os níveis vertebrais de interesse pela fluoroscopia. Use o tablet de controle sem fio do scanner CBCT para mover o scanner para a posição desejada, alinhar o feixe de raios X e realizar a varredura de fluoroscopia (Figura 1).
    NOTA: As digitalizações 2D podem ser imediatamente revistas no tablet. Os níveis vertebrais são identificados procurando costelas no exame de fluoroscopia e contando para cima ou para baixo.
  2. Conecte a braçadeira de referência dinâmica de navegação radiolúcida a um processo espinhoso na área de interesse, expondo o processo espinhoso e prendendo a braçadeira usando a chave de fenda dedicada. Em seguida, fixe as esferas refletivas do referencial à pinça (Figura 2).
  3. Execute uma varredura de TCFC e transfira a varredura para a plataforma de navegação (via LAN) (Figura 3). A câmera do sistema de navegação rastreia o scanner CBCT e o quadro de referência dinâmico, permitindo o registro automático de pacientes usando o software Brainlab Loop-X Automatic Registration na plataforma de navegação.
  4. Inicie o software Spine & Trauma Navigation na plataforma de navegação. Use o ponteiro espinhal e as visualizações de navegação 2D para verificar a precisão do registro do paciente em pontos anatômicos.

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Figura 1: O tablet de controle sem fio do scanner CBCT. O comprimido mostrando as imagens de fluoroscopia da TCFC. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 2: Imagem esquemática da pinça presa ao processo espinhoso. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 3: A CBCT Loop-X. A TCFC realiza uma varredura no cadáver de porco drapeado com a referência anexada. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. Calibração do instrumento

  1. Calibre uma guia de perfuração navegada e uma chave de fenda para o sistema de navegação. Para isso, selecione o instrumento no software Brainlab Spine & Trauma Instrument Setup e, em seguida, apresente o instrumento real para a câmera do sistema de navegação juntamente com um dispositivo de calibração. Mova o instrumento em um movimento de rotação enquanto estiver em contato com o dispositivo de calibração até que o sistema de navegação reconheça o instrumento. Uma vez calibrado, rastreie e visualize o instrumento nas imagens 2D e no modelo 3D no HMD.

4. Montagem do dispositivo montado na cabeça

  1. Certifique-se de que cada cirurgião esteja equipado com um fone de ouvido Magic Leap (o HMD). Verifique se o HMD e a plataforma de navegação estão conectados à mesma rede (conexão WLAN para o HMD e conexão LAN para a plataforma de navegação).
  2. Para estabelecer a comunicação entre o HMD e o software Spine & Trauma Navigation, observe o código QR exibido na tela da plataforma de navegação. Isso inicia o aplicativo de Realidade Mista correspondente em execução no HMD e a transferência de dados para o HMD.
  3. Execute o alinhamento de realidade mista observando a matriz de referência da coluna vertebral através do HMD por alguns segundos. Aguarde até que um modelo 3D da coluna vertebral, renderizado com base na varredura CBCT, seja aumentado com precisão no espécime no HMD. Além da sobreposição 3D, observe as visualizações de navegação 2D e um segundo modelo 3D acima das visualizações de navegação 2D (modo de exibição de foco) que são exibidas no HMD.

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Figura 4: A visão através do HMD. A visão do cirurgião através do HMD apresentando informações 2D e 3D. A sobreposição 3D mostra os parafusos 3D planejados com linhas de trajetória salientes auxiliando o alinhamento do instrumento. O modelo 3D inferior é aumentado na coluna do porco; informações adicionais são fornecidas nas representações 2D e 3D flutuantes acima, que podem ser posicionadas livremente no espaço virtual e ligadas e desligadas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

5. Planejamento da colocação do parafuso pedicular

  1. Planejar os trajetos dos parafusos pediculares com base no modelo aumentado registrado em 3D, alinhando-os com a anatomia da coluna vertebral, e visualizá-los no HMD (Figura 5). Execute o ajuste fino dos caminhos dos parafusos na tela sensível ao toque da plataforma de navegação.

figure-protocol-5
Figura 5: Planejamento do trajeto do parafuso pedicular. Os caminhos para os parafusos pediculares estão sendo planejados usando o HMD e o ponteiro de navegação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

6. Início da colocação do parafuso pedicular

  1. Realizar pequenas incisões cutâneas de aproximadamente 2 cm de comprimento com bisturi para acesso minimamente invasivo aos pedículos com base no modelo 3D sobreposto visível através do HMD (Figura 6).
  2. Com técnica minimamente invasiva, dissecar os tecidos moles e dilatar o canal com dilatadores até atingir o ponto de entrada do pedículo na superfície vertebral.
  3. Ajuste a profundidade da guia de perfuração para corresponder ao comprimento do parafuso planejado para o pedículo. O comprimento do parafuso planejado é exibido na tela do sistema de navegação. Posicione e alinhe a guia de perfuração navegada ao caminho planejado.
  4. Perfure o pedículo usando uma broca elétrica com broca de 4,5 mm (Figura 7). Furar de acordo com o trajeto planejado; A guia de perfuração impede que a broca vá mais fundo do que a profundidade planejada.
  5. Estimar o tempo desde a incisão da pele até a perfuração do canal para cada pedículo.

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Figura 6: Incisões minimamente invasivas. O cadáver do porco de cima mostrando as incisões minimamente invasivas ao longo da coluna vertebral. À direita está a referência com as esferas reflexivas presas ao processo espinhoso. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 7: Perfuração dos pedículos. O pedículo é perfurado com uma furadeira de força usando a navegação visível através do HMD para alinhar a guia de perfuração ao caminho pré-planejado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

7. Visualização do posicionamento do parafuso

OBS: Não foram colocados parafusos para evitar artefatos metálicos durante a avaliação.

  1. Realizar uma segunda TCFC para aquisição de imagens radiográficas das vértebras perfuradas para a análise de precisão. Certifique-se de que o canal perfurado na vértebra seja claramente visível antes de usá-lo para análises de precisão subsequentes.

8. Canulação da coluna vertebral

  1. Repita o procedimento acima descrito na seção 2, seção 4, seção 6 e seção 7 para cobrir a próxima região de interesse até que toda a coluna esteja canulada.
  2. Repetir o mesmo procedimento (secções 1-8) utilizando a segunda amostra.

9. Análise das imagens

  1. Combinar as imagens de TCFC obtidas com o plano de navegação e fazer correções de acordo com as anotações laboratoriais realizadas durante o procedimento.
  2. Peça a um revisor independente que avalie todas as imagens e classifique as canulações de acordo com a escala de graduação de Gertzbein, de 0 a 3. As notas 0 ou 1 são consideradas precisas. As notas 2 ou 3 são consideradas imprecisas.
  3. Fundir as trajetórias dos caminhos planejados e das canulações, e definir a precisão técnica como o desvio do caminho na entrada e no alvo. Meça o desvio angular.

Resultados

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No total, foram realizadas 33 canulações navegadas. O tempo por canulação e a acurácia técnica e clínica foram avaliados nos exames de TCFC pós-operatória (Figura 8).

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Figura 8: Exame pós-operatório de canulação grau 0 de Gertzbein. O exame inclui o plano cirúrgico para a canulação do pedículo, apresentado nas incidências coronal, axial e sagital. Observar o estreito alinhamento do parafuso virtual e do canal canulado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

O tempo médio de inserção por canulação foi de 141 s ± 71 s (mediana [variação]: 151 [43-471]; Gráfico 9).

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Figura 9: Histograma e caixa da distribuição dos tempos de canulação do pedículo. Acima, histograma da distribuição dos tempos de canulação do pedículo (n = 33); inferior, o gráfico de caixa correspondente mostrando a mediana, o intervalo interquartil e um outlier. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Todas as 33 canulações foram consideradas clinicamente precisas de acordo com a escala de graduação de Gertzbein (32 grau 0; 1 grau 1; Tabela 1).

Gertzbein Grau 0Gertzbein Grau 1Gertzbein Grau 2Gertzbein Grau 3Clinicamente PrecisoClinicamente imprecisoExatidão
Número de parafusos32100330100%

Tabela 1: Acurácia clínica dos parafusos implantados segundo a escala de graduação de Gertzbein. Os graus 0 ou 1 foram considerados acurados. Os graus 2 ou 3 foram considerados imprecisos.

Para avaliar a acurácia técnica, o desvio de cada canulação em relação ao seu trajeto planejado foi medido na entrada óssea e no fundo do canal de perfuração (Figura 10). As medidas 3D foram realizadas pela fusão do exame intraoperatório, incluindo os trajetos de canulação planejados, com o exame pós-operatório das canulações. O desvio angular foi calculado com base nesses dados.

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Figura 10: Visão geral do modelo de medição para precisão técnica. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Esse método foi descrito anteriormente por Frisk et al.12. Para as 33 canulações pediculares realizadas, a precisão técnica foi de 1,0 mm ± 0,5 mm (mediana [variação]: 1,0 [0,4-3,3]) no ponto de entrada (Figura 11) e 0,8 mm ± 0,1 mm (mediana [variação]: 0,8 [0,6-4,6]) no fundo do canal de perfuração (Figura 12). O desvio angular foi de 1,5° ± 0,6° (mediana [variação]: 1,5 [0,3-5,0]; Gráfico 13).

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Figura 11: Precisão técnica no ponto de entrada do osso. Acima, o rigor técnico na entrada; inferior, o gráfico de caixa correspondente mostrando a mediana, o intervalo interquartil e um outlier. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 12: Precisão técnica no alvo (ponta do canal de perfuração). Topo, precisão técnica no alvo (ponta do canal de perfuração); na parte inferior, o gráfico de caixa correspondente mostrando a mediana, o intervalo interquartil e os outliers. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 13: Desvio angular em relação ao trajeto planejado. Superior, desvio angular do caminho planejado; abaixo, o gráfico de caixa correspondente mostrando a mediana e o intervalo interquartil. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussão

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Neste estudo, um novo fluxo de trabalho para a colocação de parafusos pediculares minimamente invasivos usando um HMD em condições estéreis é descrito e sua acurácia avaliada. Existem vários relatos científicos sobre sistemas HMD para navegação craniana e espinhal, dois dos quais obtiveram aprovação do FDA para uso clínico 17,18. Outros estudos têm mostrado resultados promissores na usabilidade dos HMDs em ambientes estéreis19,20, bem como boa acurácia em estudos simuladores e cadáveres 12,13,21. Os resultados do presente estudo apoiam a utilidade e a viabilidade do fluxo de trabalho em um ambiente estéril e podem servir como uma base importante para a introdução clínica do dispositivo atual.

Este estudo distingue-se pela descrição passo a passo do procedimento na SO. Usando um conceito de navegação integrado, incluindo TCFC e HMD intraoperatórios, o registro do paciente e a sobreposição de imagens podem ser automatizados para economizar tempo e esforço na SO. Uma vez que a configuração é concluída e os cirurgiões estão equipados com o HMD calibrado para os olhos, todas as outras etapas podem ser realizadas perfeitamente. Uma grande vantagem do pré-planejamento das trajetórias dos parafusos é que qualquer desvio do caminho correto pode ser imediatamente visualizado e corrigido.

Quando o planejamento estiver completo, as trajetórias poderão ser vistas através dos pedículos e corresponderão às angulações anatômicas dos pedículos. Quaisquer trajetórias que não correspondam à angulação das outras se tornarão evidentes, e o cirurgião poderá então corrigi-las para facilitar a colocação subsequente da haste. As trajetórias planejadas são salvas e podem ser usadas para avaliar a precisão técnica após a fusão para os exames pós-operatórios. Nesse contexto, a precisão técnica é uma combinação do erro de entrada do sistema de navegação e da capacidade do cirurgião de aderir ao caminho planejado. É importante ressaltar que a possibilidade de realizar uma TCFC de confirmação permite a revisão intraoperatória de qualquer parafuso que, apesar da navegação, possa estar posicionado incorretamente.

A TCFC é um dispositivo de imagem bem conhecido e amplamente utilizado para navegação intraoperatória e verificação pós-operatória. A TCFC fornece imagens 3D de qualidade superior em comparação com as imagens 2D de um arco em C, um dispositivo comumente usado em cirurgia da coluna vertebral. A qualidade de imagem e a acurácia diagnóstica da TCFC são comparáveis à TC convencional. O tempo necessário para a colocação e o drapeamento estéril é semelhante ao de um arco em C padrão, mas com imagem de qualidade diagnóstica muito melhor 22,23,24,25.

A diferença na precisão técnica entre o ponto de entrada e o ponto alvo é resultado do fato de que a precisão no ponto de entrada é altamente dependente da anatomia no ponto de entrada escolhido. Se o ponto de entrada for colocado em uma encosta na superfície óssea, sempre há risco de esquiar26,27. Quando o pedículo é inserido, as paredes corticais rígidas guiarão o dispositivo e, portanto, o desvio no alvo será menor devido a não haver espaço para oscilação.

O HMD fornece um modelo 3D que é renderizado a partir da TCFC intraoperatória ou imagens pré-operatórias e aumentado na coluna vertebral real. Além disso, exibe imagens 2D nos planos axial, sagital e coronal, bem como um segundo modelo 3D que o cirurgião pode girar e posicionar em qualquer lugar do espaço virtual, com base na preferência pessoal. A interação com o software de exibição é atualmente realizada usando um controle remoto. Para usar esse controle remoto em um ambiente estéril, ele teria que ser colocado em um saco plástico estéril. Esta é a prática padrão com vários dispositivos portáteis não estéreis que devem ser usados em ambientes estéreis. No entanto, em um ambiente clínico, gestos com as mãos ou comandos de voz seriam preferidos. Durante a navegação, representações virtuais dos instrumentos rastreados nas visualizações 2D e 3D fornecem feedback visual para ajudar o cirurgião.

O HMD em si evoluiu, e a segunda geração do Magic Leap é mais leve e tem um campo de visão maior. O campo de visão é um fator importante no uso de HMDs e representa uma das características que está constantemente sendo desenvolvida. O campo de visão do Salto Mágico foi totalmente eficiente para a realização deste experimento e não apresentou nenhuma limitação ao fluxo de trabalho. Cada HMD tem seu próprio pequeno computador que o cirurgião precisa usar por baixo de seus aventais estéreis. A comunicação entre o HMD e o sistema de navegação é via Wi-Fi, e limitações de rede podem resultar em latência. Apesar deste produto ser o primeiro protótipo, os resultados atuais indicam excelente acurácia clínica e acurácia técnica submilimétrica.

As limitações deste estudo são o pequeno tamanho da amostra e o modelo suíno cadavérico. Os possíveis efeitos da respiração e do sangramento sobre a acurácia não puderam ser avaliados. Embora tenha sido utilizada técnica minimamente invasiva, não foram inseridos parafusos. No entanto, os canais dos parafusos eram facilmente visíveis e permitiam uma avaliação precisa da acurácia sem interferência de artefatos metálicos. Em conclusão, este artigo fornece uma descrição detalhada de um novo fluxo de trabalho para navegação HMD AR. Quando utilizado para canulações pediculares minimamente invasivas em modelo porcino, foi possível obter acurácia técnica submilimétrica e 100% de acurácia clínica.

Divulgações

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Nenhum dos autores afiliados a instituições clínicas (H.F., G.B., E.E. e A.E.-T.) tem interesses financeiros no assunto, materiais ou equipamentos ou em quaisquer materiais concorrentes e não recebeu nenhum pagamento da Brainlab. A A.E.-T é consultora da Brainlab até outubro de 2022. Os outros autores afiliados à Brainlab (J.W., F.T. e L.W.) têm interesses financeiros no assunto, materiais e equipamentos, no sentido de que são funcionários da Brainlab. A extensão da influência sobre os dados, a estrutura do manuscrito e as conclusões do manuscrito por esses autores e/ou pela Brainlab limitou-se ao conhecimento técnico e ao suporte para os experimentos, bem como à análise técnica dos dados das imagens. Os autores sem conflitos de interesse tiveram total controle de toda a rotulagem dos dados, análise dos dados, informações submetidas para publicação e conclusões gerais do manuscrito. O protótipo de sistema descrito neste artigo é atualmente um protótipo de pesquisa e não é para uso comercial.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Matriz de rastreamento de instrumentos coluna vertebral e trauma  Sistema dede curva Brainlab
Brainlab
figure-materials-1
Controle remoto descartávelBrainlabSmartClip
Drill guia de tubo, alça com esferas marcadoras, guia de perfuração controle de profundidade inserível, brocasBrainlabDrill Guide e acessórios
ExpediumDePuy SynthesScrewdriver
figure-materials-2
Matriz de calibração do instrumentoBrainlab
figure-materials-3
Scanner Loop-XBrainlabCBCT
figure-materials-4
Magic Leap 2Salto Mágico Inc.Headset de realidade misturada
figure-materials-5
Coluna vertebral do ponteiro de navegação da Brainlab
figure-materials-6
Matriz de referência da coluna vertebral para carbono da pinça de referência (geometria de 4 esferas)Matriz deBrainlab
figure-materials-7
Grampo de referência de coluna carbono com controle deslizanteBrainlab 
figure-materials-8
TruSystem 7500TrumpfSoftware
Aplicativo de navegação de coluna de realidade mista para Magic LeapBrainlabRun on Curve Navigation System
Versão: 2.0
PDMBrainlabRun on Curve Navigation System
Versão: 4.2
Spine & Configuração do instrumento de traumaSistemade navegação Brainlab Run on Curve
Versão: 6.2
Trauma Navigation 2.0Sistema de navegação BrainlabRun on Curve
Versão: 1.6
navegação de 4 marcadores Sistema de navegação : Matriz de calibração do instrumento Ponteiro de navegação referência da coluna vertebral da Grampo de referência de coluna de mesa cirúrgica Coluna e

Referências

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