Un sistema di navigazione assistita robotica spine per il posizionamento delle viti della pedicina

Riepilogo

Questo articolo presenta una tecnica chirurgica standardizzata per il posizionamento della vite del pedicolo assistito robotico utilizzando sistemi di navigazione assistiti dalla robotica. Presentiamo un protocollo passo-passo e descriviamo il flusso di lavoro e le precauzioni di questa procedura.

Abstract

L'impianto della vite del pedile ha eccellenti effetti di trattamento ed è spesso utilizzato dai chirurghi nella chirurgia della fusione spinale. Tuttavia, a causa della complessità dell'anatomia del corpo umano, questa procedura chirurgica è difficile e impegnativa, soprattutto nella chirurgia minimamente invasiva o nei pazienti con anomalie congenite e deformità della cifoscoliosi. Oltre ai fattori di cui sopra, l'esperienza chirurgica e la tecnica del chirurgo influenzano anche i tassi di recupero e le complicazioni dei pazienti dopo l'operazione chirurgica. Pertanto, l'impianto a vite del pedicolo con precisione è un argomento costante di interesse comune per chirurghi e pazienti. Negli ultimi anni, con lo sviluppo tecnologico, i sistemi di navigazione assistita da robot sono diventati gradualmente adottati. Questi sistemi di navigazione assistita da robot forniscono ai chirurghi una pianificazione preoperatoria completa prima dell'intervento chirurgico. Il sistema fornisce immagini ricostruite 3D di ogni vertebra, consentendo ai chirurghi di comprendere più rapidamente le caratteristiche fisiologiche del paziente. Fornisce inoltre immagini 2D di piani sagittali, coronali, assiali e obliqui in modo che i chirurghi possano eseguire con precisione il piano di posizionamento della vite del pedicolo.

Studi precedenti hanno dimostrato l'efficacia dei sistemi di navigazione robotizzati per le procedure di impianto della vite del pedicolo, comprese le valutazioni di accuratezza e sicurezza. Questo protocollo passo-passo ha lo scopo di delineare una nota chirurgica standardizzata per il posizionamento della vite del pedicle assistito da robotici.

Introduzione

Nel campo della chirurgia spinale, la chirurgia della fusione spinale è una procedura chirurgica fondamentale, in particolare la fissazione della vite del pedicolo posteriore, che può fornire supporto a tre colonne delle vertebre e migliorare la forza della biomeccanica; così, è diventato una delle procedure chirurgiche più comunemente utilizzate¹. In molti studi precoci, l'effetto clinico dell'impianto della vite del pedicolo posteriore è stato confermato, ed è stato ampiamente utilizzato in chirurgia per molti diversi disturbi spinali, come le condizioni spinali degenerative, traumatiche e complicate².

Tuttavia, anche se la chirurgia della fusione spinale dello mbloro posteriore può ottenere eccellenti effetti di trattamento, è ancora rischiosa a causa dell'anatomia del corpo umano. Ci sono molte strutture del tessuto vitale vicino al pedicolo, come il sistema nervoso centrale, radici nervose, e principali vasi sanguigni. Il danno di questi tessuti durante la procedura chirurgica può causare gravi complicazioni, come lesioni vascolari, deficit neurologici o allentamento delle viti^2,3. Inoltre, i chirurghi e il personale sono esposti a radiazioni aggiuntive, in particolare nel caso di procedure spinali minimamente invasive⁴. I chirurghi possono sperimentare affaticamento e tremori della mano dopo lunghe e noiose procedure di chirurgia spinale, come posizionamenti a vite, osteotomia ossea, e decompressione del nervo⁵.

Il tasso insoddisfacente della procedura di posizionamento della vite del pedile ha reso necessaria l'applicazione di un sistema di navigazione assistita robotica negli ambulatori spinali per migliorare l'accuratezza dell'intervento chirurgico e la sicurezza dei pazienti. Diversi studi sui sistemi di navigazione assistiti robotici hanno dimostrato miglioramenti nella sicurezza, nella precisione e nella precisione del posizionamento della vite del pedicolo, nonché una minore esposizione alle radiazioni e tempi operativi^6,7,8,9,10. Tuttavia, la pianificazione completa della traiettoria delle viti, la pianificazione pre-operatoria con immagini, il sistema robotico completo con dispositivo di fissaggio e il software di controllo robot devono ancora essere affrontati per raggiungere questo obiettivo. Questo studio si concentra sulla descrizione della struttura robotica e sul flusso di lavoro di un sistema di navigazione auto-sviluppato (cioè il sistema di navigazione della colonna vertebrale a punti (PSNS)) per interventi chirurgici di posizionamento della vite del pedicle assistiti da robotici.

Descrizione del sistema e protocollo chirurgico
Il PSNS è costituito da una workstation di navigazione che include quanto segue. (1) C'è un software di interfaccia utente responsabile della lettura delle immagini attraverso la ricostruzione tridimensionale (3D), la pianificazione pre-operatoria, il calcolo delle relazioni cinematiche spaziali e la registrazione. (2) Il PSNS utilizza sistemi di guida ottica a infrarossi per monitorare la posizione spaziale di robot chirurgici e pazienti. Il sistema di guida ottica a infrarossi contiene i seguenti componenti: (i) un tracker ottico che emette attivamente la luce infrarossa ed esegue il posizionamento stereo attraverso una doppia telecamera (Figura 1); ii) una sfera marcatore la cui superficie ha un rivestimento riflettente con proprietà riflettenti per il tracciamento preciso degli utensili; e (iii) uno strumento con un piano di riferimento dinamico (DRF) che comprende una base e quattro sfere marcatore. Per evitare il guasto di identificazione del sistema di tracciamento, ogni dispositivo ha un design DRF univoco e non può essere condiviso tra loro. Il DRF utilizzato include un telaio di base (BF) attaccato alla base del manipolo per confermare la posizione del manipolo, un telaio effettore finale (EF) attaccato alla fine del manipolo per confermare la posizione del manipolo, un telaio fiducialo (FF) ancorato sull'osso del paziente per confermare la posizione del paziente e una sonda la cui punta viene utilizzata per confermare la posizione del bersaglio nello spazio 3D. (3) C'è un manipolo che comprende una piattaforma di sei gradi di libertà (DOF) Stewart, con un'estremità del robot dotato di uno strumento operativo utilizzato per la perforazione del percorso della vite. Il manipolo è un sistema di navigazione robotica assistito che aiuta i chirurghi verso il posizionamento accurato di impianti, come viti pedicle o posizionamento di strumenti chirurgici durante la chirurgia spinale. Il movimento del bersaglio chirurgico viene tracciato in quanto il robot compensa automaticamente il bersaglio corretto. Il robot è progettato come un sistema semi-attivo che offre una guida chirurgica degli utensili; tuttavia, l'intervento chirurgico vero e proprio viene eseguito dai chirurghi. Il principio di funzionamento e le attrezzature sono illustrati nella Figura 2.

PSNS è indicato per procedure tra cui, ma non limitato alle seguenti procedure campione: (i) aperto, minimamente invasivo, o chirurgia spinale percutanea; (ii) sito di chirurgia spinale per vertebre toraciche, lombare o sacrali; (iii) fusione spinale posteriore per traumi, malattia degenerativa della stenosi, instabilità, spondylolistesi, ernia del disco, tumore, infezione o correzione della deformità spinale; (iv) collocamento di dispositivi temporanei o permanenti, come k-wire o aghi, durante l'esecuzione della vertebroplastica, o della discectomia lombare endoscopica trasforale o interlaminale; e (iv) escissione tumorale osseo, compresa l'ablazione dell'osteoma osteoide o biopsia tumorale, in cui il robot ha diretto aghi o fili guida in una data posizione vertebrale. Questa procedura è controindicata per coloro che sono ingrado di tollerare l'anestesia, la procedura chirurgica o quando non sono state acquisite immagini di navigazione soddisfacenti.

Si noti che il personale operativo, compresi neurochirurghi e chirurghi ortopedici, deve essere autorizzato e addestrato nei corsi di guida. Tutte le procedure per il funzionamento del robot durante l'intervento chirurgico devono seguire le procedure standardizzate raccomandate per evitare di causare danni al paziente o al chirurgo. I chirurghi devono possedere un'esperienza chirurgica convenzionale per garantire che sia possibile tornare agli strumenti chirurgici convenzionali e completare l'intervento chirurgico quando si determina che la navigazione è imprecisa, sulla base delle conoscenze anatomiche dei chirurghi.

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Protocollo

Tutte le procedure seguite erano conformi agli standard etici del National Taiwan University Hospital (NTUH) Research Ethics Committee (REC) e della dichiarazione di Helsinki del 1975 (nella sua versione modificata più recentemente). Il consenso informato deve essere ottenuto da tutti i pazienti se è preparato un ulteriore studio clinico.

NOTA: La procedura di anestesia può essere suddivisa in tre fasi: valutazione pre-operatoria del paziente, gestione intraoperatoria e gestione postoperatoria. Durante la valutazione preoperatoria, devono essere raccolti tutti i dati del paziente, compresa la storia approfondita e l'esame fisico, e il personale deve riconoscere le comorbilità del paziente e il modo in cui si relazionano alla cura anestetica del paziente. Dovrebbe essere eseguito un esame approfondito delle vie aeree e il personale deve essere consapevole delle opzioni anestetiche per formulare un piano di assistenza anestetica di base. Durante la gestione intraoperatoria, l'anestesista deve controllare le funzioni di base della macchina per l'anestesia e applicare monitor fisiologici di base raccomandati dall'American Society of Anesissiologists, che includono un ossimetro a impulsi, elettrocardiografia, un dispositivo di pressione sanguigna non invasivo e un monitor della temperatura, opzioni di gestione delle vie aeree, farmacologia degli agenti di induzione e indicazioni per l'anestesia. Gli eventi intraoperatori, come ipotensione, ipertensione, ipossia e oliguria, devono essere riconosciuti, valutati e gestiti. Inoltre, il personale deve riconoscere quando il paziente soddisfa i criteri di estubazione.

1. Impostazione e pianificazione pre-operatoria

NOTA: Durante l'intervento chirurgico, le tende chirurgiche sterili devono essere utilizzate per prevenire il contatto con superfici impreparate e per mantenere la sterilità del sito chirurgico delle superfici ambientali, delle attrezzature e dell'ambiente circostante del paziente. Per ridurre il rischio di trasmissione di agenti patogeni sia ai pazienti che all'equipe chirurgica, gli abiti chirurgici sterili devono essere indossati sulle tute da scrub dall'equipe operativa durante l'intervento chirurgico.

1. Rimuovere tutti i componenti che possono influenzare la fluoroscopia dal sito chirurgico; questo dipende dal piano chirurgico secondo ogni singolo paziente.
2. Posizionare il paziente in una posizione prona dopo la somministrazione dell'anestesia e prepararsi in base alle esigenze chirurgiche.
   NOTA: Tutte le procedure di anestesia devono essere eseguite sotto la supervisione di un anestesista e ogni piano deve essere regolato in base a ogni singolo paziente.
3. Pulire e sterilizzare il sito chirurgico del paziente.
4. Coprire il sito OP nel sito chirurgico del paziente.
5. Posizionare il drappo chirurgico sterile sul paziente, ad eccezione del sito chirurgico.
6. Ancorare il FF al paziente; gli utenti possono scegliere uno dei due metodi seguenti in base alle proprie esigenze.
   1. Ancoraggio all'osso iliaco (sito chirurgico applicabile: L5 o S1).
      1. Posizionare due fili percutanei (1,5 mm) sulla cresta iliaca posteriore e controllare il punto di ingresso sotto fluoroscopia. Ripetere il passaggio se il chirurgo ha un problema per il punto di ingresso. Contrassegnare il punto di ingresso utilizzando una penna marker.
      2. Inserire il primo perno percutaneo (5 mm, L - 140 mm) nella cresta iliaca posteriore del paziente utilizzando un trapano di potenza (1000 giri/min).
      3. Posizionare la FF insieme al primo perno percutaneo. Regolare la FF fino a quando non viene riconosciuta dalla telecamera di tracciamento ottica. Fissare la FF al primo perno percutaneo utilizzando un cacciavite.
      4. Inserire il secondo perno percutaneo (Sezione 5 mm, L - 140 mm) insieme a un foro sulla FF utilizzando un trapano di alimentazione (1000 giri/min). Fissare la vite sulla FF al secondo perno percutaneo utilizzando cacciavite.
         NOTA: Secondo il manuale del sistema di tracciamento ottico, la sfera del marcatore può essere identificata entro 3 m dal tracker ottico.
   2. Ancorare al processo spinoso vertebrale corrente o adiacente con un blocco applicabile sito chirurgico: toraci, lombare o vertebre sacrali.
      1. Collocare un filo (1,5 mm) sulla schiena del paziente come riferimento sotto fluoroscopia. Controllare il campo chirurgico sotto fluoroscopia. Ripetere il passaggio se il chirurgo ha una preoccupazione per il campo chirurgico. Contrassegnare il campo chirurgico utilizzando una penna marker.
      2. Incise il tessuto cutaneo sul campo chirurgico usando un bisturi chirurgico. Fissare la FF al processo spinoso utilizzando un cacciavite. A causa della differenza di densità minerale ossea, chiedi al chirurgo di determinare se il FF è ancorato saldamente al processo spinoso.
7. Verificare se le apparecchiature e i componenti di PSNS sono stati preparati, tra cui il manipolo, il sistema di tracciamento ottico, la workstation robotica e il toolkit di navigazione (ad esempio, sonda) (Figura 3 e Figura 4).
   NOTA: Evitare di interferire con il personale chirurgico; Evitare di bloccare la telecamera di tracciamento ottica; Assicurarsi che il tracker sia stabile e riconosciuto dal sistema di tracciamento ottico; Sterilizzare il toolkit di navigazione e posizionarlo sul tavolo operatorio.

2. Etichettatura e registrazione spaziale

1. Trasferire le immagini CT preoperatorie del paziente al sistema tramite DVD o USB e ritagliare le dimensioni dell'immagine per regolare l'orientamento in base alle esigenze chirurgiche. Il sistema fornisce immagini guidate chirurgiche virtuali, tra cui piani sagittali, coronali, assiali e obliqui, e ricostruzioni 3D personalizzate per ogni vertebra.
2. Poiché il software PSNS fornisce l'interfaccia di etichettatura, chiedere al chirurgo di etichettare ogni vertebra con la vista anteriore-posteriore e la vista laterale, differenziando il disco intervertebrale per i passaggi successivi da identificare.
3. Selezionare la lunghezza ottimale della vite e le dimensioni dell'impianto in base al software del dispositivo.
4. Pianificare il posizionamento e la traiettoria ottimali della vite in base alla ricostruzione dell'immagine 3D e multi-planare della TAC preoperatoria.
5. Verificare se tutte le viti pianificate sono corrette e appropriate.
6. Immettere l'interfaccia di monitoraggio DRF nel software PSNS che presenta più viste planari (includere il volume 3D e tre piani trasversali sul lato). Tutti i DRF devono trovarsi all'interno dell'area di visione del sistema di tracciamento ottico (secondo le istruzioni dell'utente, la gamma di riconoscimento migliore consigliata è la gamma B). Quando la freccia vettoriale DRF che indica che il tracker viene visualizzato nell'interfaccia utente, viene riconosciuta stabilmente dal sistema di rilevamento (Figura 5).
7. Eseguire una dissezione subperiosteal bilateralmente lungo il processo spinoso, la laminae alle punte dei processi trasversali di tutti i livelli. Rimuovere le capsule articolari sfaccettate per esporre le articolazioni. L'uso di retrattili auto-mantenuti aiuta nell'esposizione alle vertebre tenendo la muscolatura di lato.
8. Eseguire le procedure di registrazione, inclusa la registrazione dei punti di riferimento e la corrispondenza delle superfici. Seguire la sequenza riportata di seguito per verificare la correttezza del risultato della registrazione.
   1. Registrazione del punto di riferimento
      1. Selezionare almeno quattro punti funzione non coplanari (come il processo spinoso, il laminare e il processo trasversale) sulle immagini CT di ricostruzione 3D preoperatorie del paziente.
      2. Utilizzare la punta della sonda per tenersi in contatto con il primo punto funzione selezionato al punto 2.8.1.1 nell'area chirurgica effettiva.
      3. Premere il pulsante di selezione della sonda sull'interfaccia software per confermare il punto di accesso.
      4. Ripetere i passaggi 2.8.1.2-2.8.1.3 fino a quando non vengono confermati i quattro punti funzione selezionati nel passaggio 2.8.1.1.
      5. Premere il pulsante di calcolo sull'interfaccia software; il sistema calcolerà il risultato della registrazione del punto di riferimento e lo presenterà nell'interfaccia software.
      6. I criteri di accettazione dell'accuratezza della registrazione devono soddisfare le esigenze delle indicazioni cliniche (<5 mm). Se il risultato non è soddisfacente, ripetere i passaggi 2.8.1.1-2.8.1.5 fino a quando il risultato della registrazione non soddisfa i criteri di accettazione.
         NOTA: Assicurarsi che la validità dell'utilizzo della sonda per ottenere le informazioni sulla posizione della superficie ossea, ad esempio per eliminare il tessuto molle sulla superficie ossea ed evitare la svincolatità della punta della sonda durante la raccolta dei punti.
   2. Corrispondenza superficie
      1. Utilizzare la punta della sonda per contattare continuamente qualsiasi punto sulla superficie ossea nell'area chirurgica effettiva.
      2. Premere il pulsante di selezione della sonda sull'interfaccia software per confermare il punto di accesso
      3. Spostare la sonda (rendere la sonda diversa dal punto di selezione precedente) e ripetere i passaggi 2.8.2.1-2.8.2.2 fino a quando non sono stati completati almeno 50 punti di selezione.
      4. Premere il pulsante di calcolo sull'interfaccia software; il sistema calcolerà il risultato della corrispondenza della superficie e lo presenterà sull'interfaccia software.
      5. I criteri di accettazione dell'accuratezza della registrazione devono soddisfare le esigenze delle indicazioni cliniche (<0,5 mm). Se il risultato non è soddisfacente, ripetere i passaggi 2.8.2.1-2.8.2.4 fino a quando i risultati della registrazione non soddisfano i criteri di accettazione.
9. Utilizzare la sonda per selezionare punti di riferimento anatomici evidenti (come processo spinoso, processi trasversali, giunto di sfaccettatura) dell'area chirurgica effettiva per la conferma una volta accettato il risultato della registrazione(Figura 6).
   NOTA: la riflessione e la ricezione appropriate della luce infrarossa devono essere mantenute durante l'intervento chirurgico. Se il sistema di tracciamento ottico non è in grado di riconoscere i marcatori, l'interfaccia software visualizzerà un promemoria della luce rossa. La fotocamera deve essere regolata in modo che il campo chirurgico si trova al centro della portata di rilevamento della fotocamera e il tracker deve essere protetto da luce e sangue.

3. Assemblaggio e movimento dei robot

1. Coprire il manipolo con tende di sterilizzazione e installare gli strumenti chirurgici sul robot (ad es., trocar (5 mm) e k-pin (1,8 mm).
2. Regolare l'angolo e la posizione del manipolo nello spazio in base alle seguenti istruzioni (passaggi 3.2.1-3.2.2) in modo che il manipolo rientri nell'intervallo di compensazione (entro una distanza di un centimetro e un angolo incluso di 4 gradi dal percorso pianificato).
   1. Regolazione dell'angolo: ruotare l'angolo del manipolo nello spazio in modo che i due cerchi che rappresentano l'angolo del manicono coincidano sull'interfaccia software.
   2. Regolazione della posizione: sposta orizzontalmente e verticalmente la posizione del manipolo nello spazio, in modo che i punti che rappresentano la posizione del manipolo sull'interfaccia software siano allineati con i punti di ingresso del percorso pianificato.
      NOTA: quando i passaggi 3.2.1 e 3.2.2 vengono completati contemporaneamente, il manipolo attiverà automaticamente la funzione di compensazione attiva per mantenere l'angolo e la posizione dello strumento in modo che sia conforme al percorso pre-pianificato (Figura 7).
3. Determinare lo stato operativo del robot giudicando il colore del marcatore del robot visualizzato nell'interfaccia utente. Se è verde, può essere azionato, se è rosso, non può essere azionato.
   NOTA: Se il manipolo entra in contatto con il paziente o gli ostacoli circostanti, un pulsante di arresto di emergenza situato sopra l'alloggiamento della stazione di navigazione può essere premuto dal chirurgo o dal tecnico. Deve essere eseguita la manutenzione regolare del robot. La piattaforma deve essere ricalibrata per i parametri cinematici dopo 250 utilizzi. Il trocar e il k-pin devono essere scartati dopo un singolo utilizzo.

4. Preparazione del pedicolo e inserimento delle viti

1. Attivare la funzione di trapano del manipolo, e forare gli strumenti montati sul lato anteriore (compreso K-pin: 1,8 mm e trocar: 5 mm) nel corpo del paziente lungo il percorso previsto.
2. Utilizzare il braccio c per confermare la posizione di k-pin e trocar.
3. Se le posizioni k-pin e trocar non sono corrette sotto fluoroscopia, rimuovere il k-pin e trocar. Quindi, utilizzando il manipolo, perforare nuovamente il pedile fino a quando il k-pin e trocar inserire in posizioni inclini sotto fluoroscopia (fare riferimento a 4.3.1-4.3.2).
   1. Nella vista AP, determinare se lo strumento si trova nell'area ovale formata dal pedicolo nell'immagine prospettica.
   2. Sotto la vista LAT, determinare se lo strumento è all'interno della gamma del pedicolo e vertebra.
4. Sostituirlo e il trocar con i cavi guida (1,5 mm, L - 400 mm) una volta che le posizioni sono appropriate.
5. Inserire la vite del pedile attraverso i fili guida.
6. Ripetere i passaggi da 4.1 a 4.4 per completare tutti i percorsi di pianificazione chirurgica.
   NOTA: Per quanto riguarda la gestione postoperatoria, i pazienti devono essere monitorati nell'unità di recupero post-anestesia (PACU) e le opzioni di analgesia post-operatoria devono essere selezionate. Gli eventi PACU di base, come nausea, dolore, ipotensione, ipertensione e ipossia, dovrebbero essere valutati. Inoltre, il personale deve riconoscere quando il paziente soddisfa i criteri per la dimissione PACU.

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Risultati

La sicurezza e la precisione dei posizionamenti robotici delle viti del pedicolo sono state affrontate in diversi studi^6,11. Abbiniamo le vertebre con immagini di pianificazione pre-operatorie sotto un sistema di tracciamento ottico nel metodo proposto. Dopo aver determinato il percorso chirurgico pianificato, queste informazioni sono state trasferite al manipolo attraverso l'unità di controllo del manipolo. Il sistema di navigazione integra le informazioni di t...

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Discussione

Dal 1990, ci sono stati rapidi sviluppi nelle applicazioni chirurgiche che coinvolgono l'uso di robot. Le tecnologie robotiche disponibili sono state ottimizzate, con conseguente miglioramento della precisione, superando il tremore nelle mani umane, e riducendo i tempi di corrispondenza e registrazione dei sistemi di navigazione¹⁵. I vantaggi dell'assistenza chirurgica ai robot includono: (1) standardizzazione immediata senza lunghi processi di apprendimento; (2) i chirurghi possono seguire con pr...

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Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
Dynamic reference frames	POINT
FF tool kit: 1.Connecting Rod 2.Combination clamps 3.Multi-pin clamps 4.Schanz screw 5.Spinous process clamp 6.Open wrench 7.Hexagonal wrench	POINT
Handpiece	POINT
Handpiece holder	POINT
Handpiece stand	POINT
K-pin	POINT
Optical tracker	NDI
Passive spheres	NDI
Probe	POINT
Sterile box	POINT
Sterile drape	POINT
Trocar	POINT
Workstation cart	POINT