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Jun 19, 2024

Validación de un taladro quirúrgico con interfaz háptica en cirugía de columna.

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 598 (2023) Cita este artículo 1261 Accesos 1 Citas 10 Detalles de Altmetric Metrics La háptica real es una tecnología que reproduce la sensación de fuerza y

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 598 (2023) Citar este artículo

1261 Accesos

1 Citas

10 altmétrico

Detalles de métricas

La háptica real es una tecnología que reproduce la sensación de fuerza y ​​tacto transmitiendo información de contacto con objetos reales al convertir los movimientos humanos y la sensación de los objetos en datos. En los últimos años se ha instalado tecnología háptica real en varios dispositivos quirúrgicos. Se utilizó un taladro quirúrgico hecho a medida para perforar la lámina posterior para verificar el tiempo necesario para la detección de la penetración y la distancia avanzó el taladro después de la penetración. Un cirujano operó con el taladro y se midieron y verificaron los mismos aspectos. Todos los experimentos se realizaron en cerdas miniatura de 9 meses de edad con un peso corporal medio de 23,6 kg (rango de 9 a 10 meses y de 22,5 a 25,8 kg, n = 12). Hubo diferencias estadísticamente significativas en el tiempo medio de reacción y la distancia recorrida después de la penetración entre un taladro manual y el taladro con función de detección de penetración (p < 0,001). El tiempo de reacción para detectar la penetración y la distancia después de la penetración mejoraron significativamente en comparación con los del taladro quirúrgico portátil sin la función de detección de penetración, con diferencias medias de 0,049 ± 0,019 s [IC del 95 %: 0,012, 0,086 s] y 2,511 ± 0,537 mm [IC del 95 %: 1,505, 3,516 mm]. En este estudio, realizamos con éxito una prueba de evaluación del rendimiento de un taladro quirúrgico de interfaz háptica hecho a medida. Un prototipo de taladro de alta velocidad con una interfaz háptica detectó con precisión la penetración de la lámina posterior porcina.

Como tratamiento para diversas enfermedades musculoesqueléticas, la cirugía de columna implica perforar el hueso cerca de los nervios espinales y los órganos vasculares. Este es un procedimiento extremadamente exigente porque implica la manipulación de tejido duro cerca de tejido blando altamente vulnerable. Como resultado, las complicaciones intraoperatorias de la cirugía de columna ocurren a un cierto ritmo. La perforación ósea generalmente se realiza con un taladro de alta velocidad y durante la operación pueden ocurrir complicaciones graves, como laceraciones durales y lesiones de la médula espinal. Las complicaciones neurológicas son devastadoras y pueden disminuir gravemente la calidad de vida del paciente debido a la pérdida de la función motora, lo que limita la capacidad funcional del paciente y causa un dolor neurológico insoportable; Se debe hacer todo lo posible para prevenir la aparición de tales complicaciones.

Informes anteriores han demostrado que la tasa de complicaciones de la cirugía de columna es relativamente alta, oscilando entre el 1 y el 17%1,2,3,4,5,6. Entre estas complicaciones quirúrgicas, se ha informado que las laceraciones durales afectan entre 2 y 13% de los casos. La mayoría de las laceraciones durales son causadas por perforación ósea durante la descompresión de la médula espinal7. También se ha informado que la incidencia de complicaciones intraoperatorias, como lesión nerviosa, está inversamente relacionada con el número de años de experiencia quirúrgica del cirujano. Imajo et al. encontró que los cirujanos de columna con menos de 5 años de experiencia quirúrgica tenían la mayor frecuencia de complicaciones1. Está ampliamente aceptado que en la cirugía de columna, al perforar hueso con un taladro de alta velocidad, el cirujano confía en la sensación del taladro para determinar si se ha penetrado el hueso. Por tanto, se piensa que el número de años de experiencia quirúrgica afecta la capacidad del cirujano para detectar la penetración ósea, y esto incide directamente en la incidencia de complicaciones.

Por el contrario, Imajo et al. describieron los resultados de una encuesta sobre complicaciones de la cirugía de columna y concluyeron que la incidencia de lesiones durales intraoperatorias era similar entre cirujanos de columna con menos de 10 años de experiencia y aquellos con más de 10 años de experiencia1. En otras palabras, aunque el número de años de experiencia en cirugía de columna influye en cierta medida en la tasa de complicaciones debido a la naturaleza del procedimiento, todavía se producen laceraciones durales y lesiones neurológicas independientemente del número de años de experiencia.

En los últimos años, la tecnología háptica real, utilizada en diversos campos, se ha instalado en taladros de alta velocidad para establecer un método quirúrgico con mayor seguridad8,9. La háptica real es una tecnología que reproduce la sensación de fuerza y ​​tacto transmitiendo información de contacto con objetos reales y el entorno circundante en ambas direcciones al convertir los movimientos humanos y la sensación de los objetos en datos. Al convertir movimientos y texturas en datos, es posible programar datos de sensación táctil de fuerza en máquinas, ajustar el grado de fuerza y ​​transmitir sensación táctil de fuerza a larga distancia9. En concreto, monitorizando en tiempo real la fuerza de perforación al utilizar la broca, será posible detectar la penetración, detener automáticamente la broca y continuar con la cirugía obteniendo información detallada, como la dureza del hueso y la identidad de la capa de perforación. . Además, al extraer datos de movimiento y sensación de perforación intraoperatoria, creemos que dichos datos se pueden aplicar para desarrollar un simulador de entrenamiento que reproduzca una sensación realista de fuerza y ​​tacto y agregue una función de asistencia basada en los movimientos de un cirujano experto.

Nuestra hipótesis es que un prototipo de taladro de alta velocidad con una interfaz háptica podría detectar la penetración de la lámina posterior porcina con mayor precisión y reproducibilidad que la que los cirujanos de columna experimentados podrían reconocer (Fig. 1A, B). En este estudio, se evaluó la seguridad, eficacia y reproducibilidad del prototipo de taladro de alta velocidad con interfaz háptica descrito anteriormente utilizando una columna porcina, que es histológicamente similar a la estructura ósea humana y similar en resistencia. Se llevaron a cabo experimentos de confirmación de la transmisión de fuerza táctil bajo control bilateral y detección de penetración.

Fresa quirúrgica hecha a medida. (A) Imagen clínica del taladro quirúrgico hecho a medida. (B) Vista esquemática del taladro quirúrgico hecho a medida. (C) Descripción de la unidad de control del taladro quirúrgico hecho a medida. (D) Vista esquemática del movimiento de conmutación. (E) Vista esquemática del movimiento bilateral. (F) Vista esquemática de la función de parada automática después de detectar la penetración.

Los detalles del taladro háptico se muestran en otra parte10. El taladro hecho a medida tiene una estructura integrada maestro-esclavo y es accionado por un motor lineal con dos codificadores ópticos y un motor rotativo con codificador rotatorio10. En la Fig. 1C se muestra un dibujo esquemático del prototipo. El motor rotativo está montado en la parte del eje como motor del motor lineal en el lado esclavo. El otro motor lineal, como lado maestro, está conectado a la parte del interruptor. La velocidad máxima de rotación del motor rotativo es de 60.800 RPM. Se aplica al motor giratorio un control de velocidad proporcional basado en un control robusto de la aceleración por parte de un observador de perturbaciones. El motor giratorio gira mientras el cirujano presiona hacia abajo el interruptor (Fig. 1D). Los codificadores lineales miden el cambio de posición de la parte móvil del motor lineal. La fuerza de reacción la estima un observador de perturbaciones. Los dos motores lineales están controlados por hápticos reales para moverse sincrónicamente en paralelo al eje giratorio del motor giratorio utilizado para cortar el entorno con las brocas (Fig. 1E). Además, la fuerza de acción aplicada por el cirujano a la parte maestra se adapta a la fuerza de reacción del objeto cortante aplicado a la parte esclava. Como resultado, la sensación háptica puede transmitirse entre la parte maestra y la parte esclava10. Además, cuando el taladro quirúrgico hecho a medida detecta penetración, se aplica control de posición al motor lineal en el lado esclavo para tirar de la broca mientras el motor giratorio se detiene automáticamente (Fig. 1F).

El taladro quirúrgico hecho a medida se controla basándose en un sólido control de aceleración con un observador de perturbaciones (DOB). El diagrama de bloques del DOB se muestra en la Fig. 2A. \({\ddot{x}}_{ref}\), Kt, M, n, \({F}_{dis}\), \({\widehat{F}}_{dis}\), y \({g}_{d}\) son la referencia de aceleración, la constante de fuerza, la masa del motor, el valor nominal, la fuerza perturbadora del entorno, la fuerza perturbadora estimada y la frecuencia de corte del filtro de paso bajo, respectivamente. La perturbación del entorno se estima comparando el valor de comando y el valor de respuesta. Esta compensación fortalece el control bilateral, de posición y de velocidad. Además, se aplica un filtro de paso bajo para eliminar el ruido.

Diagrama de bloques. (A) Diagrama de bloques del observador de perturbaciones. (B) Diagrama de bloques del control de velocidad. (C) Diagrama de bloques del control bilateral.

El motor rotativo está controlado por control de velocidad. La Figura 2B muestra el diagrama de bloques del control de velocidad. \({\dot{x}}_{r,cmd}\), \({C}_{v}(s)\) y \({\dot{x}}_{r,res}\ ) son el comando de velocidad del motor rotativo, el controlador de velocidad y la respuesta de velocidad del motor rotativo, respectivamente. El motor giratorio gira mientras el cirujano presiona hacia abajo el interruptor. Por el contrario, el motor giratorio se detiene cuando el interruptor no está presionado hacia abajo o el taladro detecta una penetración. Así, cuando la velocidad de rotación se establece en 30.000 rpm, el comando de velocidad \({\dot{x}}_{r,cmd}\) \(\mathrm{rad}/\mathrm{s}\) se define como (1).

Se aplica control bilateral a los dos motores lineales para realizar la transmisión de la sensación háptica. El diagrama de bloques del control bilateral se muestra en la Fig. 2C. m, s, Cp(s) y Cf(s) son la parte maestra, la parte esclava, el controlador de posición y el controlador de fuerza, respectivamente. \({x}_{m}\) y \({x}_{s}\) son las medidas del codificador lineal. En control bilateral, se realizan dos ecuaciones:

Estas ecuaciones representan la ley de acción y reacción. Así, la sensación háptica entre los dos motores lineales se realiza mediante control bilateral.

Para detectar la penetración se utiliza el valor diferencial de la posición y la fuerza de reacción11. En el estado de perforación, la fuerza de reacción del objeto de corte se aplica a la parte esclava. Por el contrario, cuando el taladro penetra el objeto, la fuerza de reacción disminuye. Además, la velocidad de la pieza esclava aumenta debido a la disminución de la fuerza de reacción. Por lo tanto, la penetración genera grandes desplazamientos de posición y fuerza de reacción. Así, el taladro detecta la penetración cuando las Ecs. (4) y (5) se cumplen.

\({\dot{x}}_{s,pene}\) y \({\dot{F}}_{s,pene}\) son la velocidad y el valor diferencial de la fuerza de reacción de la parte esclava , respectivamente. \({\dot{x}}_{umbral}\) y \({\dot{F}}_{umbral}\) son valores de umbral. \({\dot{x}}_{s,pene}\) y \({\dot{F}}_{s,pene}\) se estiman mediante las ecuaciones. (6) y (7).

\({g}_{pene}\) es la frecuencia de corte del filtro de paso bajo.

Cuando el taladro quirúrgico hecho a medida detecta penetración, se aplica control de posición al motor lineal en el lado esclavo para tirar de la broca. Además, el motor giratorio se detiene automáticamente.

Después de la revisión y aprobación por parte del Comité de Jueces de Ética Animal Experimental de la Facultad de Medicina de la Universidad de Keio, todos los experimentos se realizaron en cerdas miniatura de aproximadamente 9 meses de edad con un peso corporal medio de 23,6 kg (rango de 9 a 10 meses y de 22,5 a 25,8 kg). kg, n = 12). Todos los animales se compraron en el laboratorio (Centro de Investigación de Porcinos en Miniatura de Kagoshima, Kagoshima, Japón) y se alojaron y trataron de acuerdo con las reglas aprobadas por el Comité de Ética (no. 18047). Todos los experimentos se realizaron de acuerdo con las directrices y regulaciones pertinentes. Este estudio sigue las recomendaciones de las directrices ARRIVE.

Los cerdos en miniatura sometidos a cirugía fueron premedicados con midazolam (Dormicum, 0,1 ml/kg, Hoffmann-La Roche AG, Suiza) administrado por vía subdérmica. Posteriormente se utilizaron anestésicos inhalados e isoflurano (Isiflu, Dainipon-sumitomo, Osaka, Japón) con mantenimiento a un flujo del 2% después de la intubación orotraqueal. Todos los cerdos fueron sacrificados inmediatamente después de la cirugía mediante una sobredosis de isoflurano. Después de establecer la anestesia, 1 de 3 cirujanos de columna certificados realizaron una disección estándar de la línea media utilizando electrocauterio, y se expusieron cuidadosamente las láminas de las vértebras torácicas y lumbares.

La configuración experimental se muestra en las figuras 3A, B. El taladro quirúrgico hecho a medida se colocó directamente encima de la mesa quirúrgica a través de un poste (Fig. 3A, B). Luego, se diseccionó todo el lomo del cerdo en miniatura y se expusieron las vértebras torácicas y lumbares sobre la mesa. El taladro quirúrgico hecho a medida se bajó perpendicularmente a las láminas del cerdo en miniatura hasta que la punta de la fresa llegó a la lámina. El contacto de la punta con la lámina se confirmó mediante visualización directa. A continuación, se confirmó la transmisión de sensaciones táctiles de fuerza bajo control bilateral y se llevaron a cabo los experimentos. El comando de velocidad del motor rotativo \({\dot{x}}_{r,cmd}\) se estableció en 30,000 RPM. La velocidad esclava (velocidad de corte de la broca) se ajustó a 0,25 mm/s. En todos los experimentos se utilizó una fresa de acero con un diámetro de 5,0 mm (n.º de referencia 5820-010-240, TPS Elite redondo estriado agresivo, Stryker Instruments MI, EE. UU.). Cada rebaba se utilizó sólo una vez y luego se descartó.

Vista esquemática de una mesa quirúrgica hecha a medida para experimentos con animales. (A) El taladro quirúrgico hecho a medida se colocó directamente encima de la mesa quirúrgica a través de un poste. (B) Vista intraoperatoria del experimento con animales.

Primero, se utilizó el taladro quirúrgico hecho a medida para perforar la lámina posterior sin la función de detección de penetración. Después de detectar la penetración, se estableció el umbral como control, donde − 7 N/s era \({\dot{F}}_{threshold}\) y 2 mm/s era \({\dot{x}} _{límite}\).

El tiempo requerido para la detección de penetración se definió como el tiempo desde el inicio de la disminución en la fuerza de reacción del esclavo hasta que \({\dot{F}}_{s,pene}\) superó − 7 N/s y \ ({\dot{x}}_{s,pene}\) superó los 2 mm/s.

Después de eso, se activó la función de detección de penetración y se utilizaron los resultados de la medición de la perforación de las láminas posteriores para verificar:

El tiempo necesario para la detección de penetración.

La distancia avanzada por el taladro después de la penetración.

La distancia que avanzó el taladro después de la penetración se definió como la distancia que avanzó el esclavo antes de que el dispositivo detectara la penetración y comenzara a retraer el taladro (Fig. 4A, B).

Posición y forma de onda de fuerza-tiempo de las unidades maestra y esclava en el taladro háptico. (A) La distancia que avanzó el taladro después de la penetración se definió como la distancia que avanzó el esclavo antes de que el dispositivo detectara la penetración y comenzara a retraer el taladro. (B) Esta es una vista ampliada de la forma de onda, especialmente durante la penetración. El eje horizontal muestra el tiempo y el eje vertical muestra la fuerza de reacción. Las formas de onda se magnifican para enfatizar los cambios en las formas de onda durante la penetración. ① Muestra el tiempo necesario para la detección de penetración. ② Muestra la distancia avanzada por el taladro después de la penetración. (C,D) La distancia recorrida después de la penetración se definió como la distancia recorrida desde "la posición donde el taladro comenzó a avanzar rápidamente" hasta "el pico de la posición del taladro (esclavo)", es decir, la distancia recorrida hasta que el cirujano detectó la penetración y comenzó a retraer el cuerpo de la broca. ① muestra el tiempo necesario para la detección de penetración. ② muestra la distancia avanzada por el taladro después de la penetración.

A continuación, el cirujano operó el taladro sin la función de detección de penetración y verificó:

El tiempo necesario para la detección de penetración.

La distancia avanzada por el taladro después de la penetración.

El tiempo hasta que el cirujano reconoció la detección de penetración se estableció como tiempo de reacción, que se definió como "el momento en que la posición del taladro comenzó a avanzar rápidamente" hasta "el momento en que el taladro dejó de avanzar (el momento en que la velocidad se redujo). desplazado negativamente), es decir, el tiempo que tarda el cirujano en detectar la penetración y comenzar a retraer el cuerpo de la fresa. Se instruyó a los participantes a mover el maestro en la dirección opuesta a la penetración (retrayendo el taladro).

La distancia recorrida después de la penetración se definió como la distancia recorrida desde "la posición donde el taladro comenzó a avanzar rápidamente" hasta "el pico de la posición del taladro (esclavo)", es decir, la distancia recorrida hasta que el cirujano detectó la penetración y comenzó. para retraer el cuerpo de la broca (Fig. 4C,D).

Finalmente, el cirujano utilizó el taladro háptico con función de detección de penetración y se midieron y verificaron los mismos elementos.

Luego, para evaluar si el taladro háptico es capaz de detectar la penetración de la lámina en un entorno quirúrgico real, el cirujano operó el taladro háptico con un movimiento horizontal similar al procedimiento quirúrgico real (consulte el video complementario S1).

El cirujano operó:

El taladro utilizando la información de la posición horizontal.

El taladro se fija en diagonal a la columna.

Para verificar la detección precisa de la penetración según la forma de la columna, la posición horizontal se dividió en incrementos de 2 mm y la detección de la penetración se realizó dentro de cada sección (Fig. 5A, B). Además, el cirujano operó horizontalmente el taladro háptico instalado en diagonal a la columna (Fig. 5C, D).

Vista esquemática del taladro quirúrgico con interfaz háptica utilizando información de posición horizontal. (A) Mesa quirúrgica hecha a medida para el taladro háptico en dirección horizontal. (B) La posición horizontal se dividió en incrementos de 2 mm y se realizó la detección de penetración dentro de cada sección. La broca dejó de avanzar 2 mm después de la penetración. (C) El cirujano operó horizontalmente el taladro háptico instalado diagonalmente a la columna. (D) Coloque la forma de onda del taladro háptico utilizando información de posición horizontal. El color de la forma de onda cambia de negro a amarillo con el tiempo.

Durante los experimentos, el taladro háptico se colocó firmemente sobre un poste en la mesa quirúrgica para eliminar cualquier efecto de vibración. Todos los experimentos fueron realizados por 3 cirujanos de columna senior certificados. Cada uno de los tres participantes realizó todas las perforaciones tres veces.

Calculamos las estadísticas de resumen generales, incluidas las medias y las desviaciones estándar para las variables continuas y las frecuencias y porcentajes para las variables categóricas. La diferencia media entre los grupos antes mencionados se calculó con un intervalo de confianza (IC) del 95%. Se consideró estadísticamente significativo un valor de p inferior a 0,05 con un IC del 95%. Se consideró estadísticamente significativo un valor de p inferior a 0,05. Los datos se analizaron con el paquete estadístico para ciencias sociales (SPSS estadística versión 27.0, IBM Corp., Armonk, NY).

El tiempo promedio para detectar la penetración de la lámina por el taladro con la función de detección de penetración fue de 0,015 ± 0,005 s (rango 0,01–0,02 s), y la distancia recorrida después de la penetración fue 0,11 ± 0,063 mm (rango 0,03–0,22 mm, Tabla 1 , figura 6). En particular, el rango extremadamente pequeño de tiempo y distancia de detección en cada experimento demuestra la alta reproducibilidad del taladro hecho a medida. Además, la excelente correlación entre el tiempo para detectar la penetración y la distancia recorrida después de la penetración indican la precisión del dispositivo en este entorno de experiencia con animales (r = 0,996, p < 0,001).

Gráfico de tiempo-distancia del taladro quirúrgico de interfaz háptica con función de detección de penetración y del taladro quirúrgico portátil con y sin función de detección de penetración. El tiempo de reacción promedio para detectar la penetración y la distancia después de la penetración mejoraron significativamente cuando se utilizó un taladro quirúrgico de interfaz háptica con la función de detección de penetración. Los parámetros de perforación utilizados en cada experimento se resumen en la Tabla 1.

Tres cirujanos de columna perforaron las láminas posteriores 3 veces cada uno hasta que notaron la penetración del taladro háptico hecho a medida sin la función de detección de penetración. El tiempo de reacción promedio fue de 0,226 ± 0,181 s (rango de 0,10 a 0,76 s) y la distancia recorrida después de la penetración fue de 3,52 ± 1,770 mm (1,96 a 7,12 mm, Fig. 6). No se observaron diferencias entre los participantes en el tiempo de reacción promedio o la distancia recorrida después de la penetración (Fig. 6).

No hubo correlación entre el tiempo de detección y la distancia, lo que indica que la perforación ósea con un taladro manual fue menos reproducible (r = 0,045, p = 0,909). Estos resultados mostraron claramente que incluso en manos de un cirujano experimentado, es difícil reconocer tempranamente la penetración de la lámina y detener el taladro inmediatamente después de detectar la penetración de la lámina durante la cirugía.

Hubo diferencias estadísticamente significativas tanto para el tiempo medio de reacción como para la distancia recorrida después de la penetración entre el taladro manual y el taladro con función de detección de penetración (p < 0,001). El tiempo de detección de penetración del dispositivo fue aproximadamente una décima parte más rápido que el del taladro portátil, y la diferencia media fue de 0,154 ± 0,024 s [IC del 95 %: 0,099, 0,209 s] y 2,862 ± 0,741 mm [IC del 95 %: 1,211, 4,514 milímetros].

De manera similar, tres cirujanos de columna perforaron las láminas posteriores 3 veces cada uno hasta que detectaron la penetración mediante el taladro háptico hecho a medida con función de detección de penetración. El tiempo de reacción promedio fue de 0,020 ± 0,012 s (rango de 0,01 a 0,04 s) y la distancia recorrida después de la penetración fue de 0,541 ± 0,351 mm (rango de 0,06 a 1,40 mm, Fig. 6). El tiempo de reacción para detectar la penetración y la distancia después de la penetración mejoraron significativamente en comparación con los del taladro quirúrgico portátil sin la función de detección de penetración, con diferencias medias de 0,049 ± 0,019 s [IC del 95 %: 0,012, 0,086 s] y 2,511 ± 0,537 mm [IC del 95%: 1,505, 3,516 mm], respectivamente.

Tres cirujanos de columna perforaron las láminas posteriores 4 veces cada uno. Usando la información de la posición horizontal, se configuró para que se detuviera automáticamente cuando el taladro viajara 2 mm después de la detección de penetración (Fig. 5B). La distancia recorrida después de la detección de la penetración fue de 2 mm en 10 casos y la sobredetección ocurrió 2 veces. La distancia promedio después de la penetración utilizando la información de la posición horizontal fue de −0,429 ± 0,202 mm (rango de −1 a 0 mm). No hubo diferencias significativas entre la distancia recorrida después de la penetración en dirección horizontal y vertical, con una diferencia media de 0,967 ± 0,269 mm [IC del 95%: 0,382, 1,552 mm]. Esto confirmó la precisión de la detección de penetración cuando la perforadora se operó en dirección horizontal.

En este estudio, realizamos con éxito una prueba de evaluación del rendimiento de un taladro quirúrgico de interfaz háptica hecho a medida en cerdos en miniatura. El tiempo de reacción hasta que los cirujanos de columna reconocieron la penetración mediante el taladro háptico hecho a medida sin la función de detección de penetración fue de 0,10 a 0,22 s. Por el contrario, el tiempo para detectar la penetración de la lámina en el taladro con la función de detección de penetración fue de 0,01 a 0,02 s con un rango de error extremadamente pequeño de 0,005 s. Demostramos cuantitativamente que se puede lograr una parada automática mucho más rápida de un taladro quirúrgico mediante la integración de tecnología háptica en taladros espinales con una función de detección de penetración. Además, la distancia recorrida después de la penetración con la función de detección de penetración fue significativamente más corta que la del taladro portátil, con una reproducibilidad excelente. Por tanto, consideramos que la seguridad del taladro háptico estaba fundamentada. También hemos demostrado que es posible construir un modelo de simulador con datos de movimiento, como la fuerza de reacción, la distancia recorrida, la velocidad de recorrido, el par de corte y la velocidad de rotación del taladro. Por lo tanto, demostramos que la señal diferencial de los cambios abruptos en la fuerza de reacción y la velocidad de perforación es significativa para mejorar la precisión de la función de detección y la función de parada automática. Demostramos la versatilidad de la tecnología háptica real evaluando un prototipo de taladro háptico.

En este estudio, tres cirujanos de columna perforaron la lámina posterior de cerdos en miniatura. Sus años de experiencia diferían, oscilando entre 2 y 22 años (2, 7 y 22 años). El tiempo de reacción promedio fue de 0,169 ± 0,041 s y la distancia recorrida después de la penetración fue de 2,982 ± 1,242 mm cuando se utilizó un taladro portátil sin la función de detección de penetración. Además, la falta de correlación entre el tiempo de detección y la distancia indicó que la perforación ósea con un taladro manual era menos reproducible. Sin embargo, cuando se utilizó el taladro quirúrgico portátil con función de detección de penetración, mejoraron tanto el tiempo de reacción como la distancia después de la penetración. El tiempo de reacción promedio para detectar la penetración y la distancia después de la penetración fueron significativamente más cortos que los del taladro quirúrgico portátil sin la función de detección de penetración, con diferencias medias de 0,049 ± 0,019 s y 2,511 ± 0,537 mm, respectivamente. Este resultado mostró claramente que incluso cuando el taladro se utiliza como dispositivo portátil, el tiempo de reacción y la distancia después de la penetración se pueden acortar significativamente si se equipa con hápticos reales.

Curiosamente, el análisis del tiempo de reacción y la distancia recorrida después de la penetración del taladro quirúrgico portátil con función de detección de penetración no mostró diferencias estadísticamente significativas entre los cirujanos en cuanto a su tiempo de reacción promedio y la distancia recorrida después de la penetración. Según este resultado, los cirujanos pueden reconocer la penetración con extrema rapidez con fresas hápticas, independientemente de sus años de experiencia. Como hemos descrito en la sección de introducción, hasta ahora se ha considerado muy importante adquirir experiencia quirúrgica para reducir la posibilidad de complicaciones neurológicas causadas por los taladros quirúrgicos. Sin embargo, es difícil adquirir experiencia en cirugía de columna real sin años de experiencia realizando cirugía de columna. Por lo tanto, el establecimiento de un simulador quirúrgico que utilice tecnología háptica real será importante para que los cirujanos de columna jóvenes adquieran experiencia con el fin de evitar complicaciones neurológicas causadas por la perforación quirúrgica.

Varios informes previos describieron la disponibilidad de tecnología háptica para simuladores quirúrgicos12,13,14. Meyer y cols. compararon el rendimiento de perforación de un simulador óseo con un sistema háptico entre el grupo de residentes en formación y el grupo de cirujanos expertos. Concluyeron que no hubo diferencias significativas en el tiempo quirúrgico ni en la precisión de la técnica quirúrgica13. Por lo tanto, el uso de un simulador de cirugía de columna con un sistema háptico puede ser útil para la educación en cirugía de columna, que tiene una curva de aprendizaje pronunciada. Informes anteriores mostraron la utilidad de la tecnología háptica real sólo para simuladores quirúrgicos. Este estudio es el primer informe que indica la precisión de la función de detección de penetración y la función de parada automática de los taladros hápticos cuando se realiza una cirugía real.

En este estudio, también demostramos la precisión de la detección de penetración cuando el cirujano operó el taladro en dirección horizontal, lo cual es similar al procedimiento quirúrgico real. Fue posible detectar la penetración según la forma de la lámina reconociendo la posición dividiéndola en incrementos de 2 mm. Por otro lado, la información de posición de la lámina puede verse movida por la desviación de la columna durante el procedimiento, por lo que puede ocurrir una sobredetección; sin embargo, la sobredetección nunca causa daño a la médula espinal. Actualmente, estamos planeando agregar sistemas de alerta al sistema de detección de intrusiones. Un mayor refinamiento del sistema de detección de penetración incluirá la minimización de la sobredetección de penetración.

Además, también se ha desarrollado el concepto de utilizar tecnología háptica real y realidad virtual (VR) para la cirugía robótica14,15. Estos sistemas se controlan con un dispositivo háptico que transmite la fuerza de perforación ejercida a la mano del cirujano en tiempo real. Así, los cirujanos pueden detectar las diferencias en los tejidos y luego realizar cirugías de forma más segura y precisa. Los sistemas hápticos reales también se consideran una tecnología esencial para el desarrollo de la telecirugía robótica16.

Reconocemos la limitación de que no pudimos utilizar cadáveres humanos debido a limitaciones de recursos. En este estudio, el taladro se utilizó sólo en dirección vertical contra la lámina vertebral de cerdos miniatura jóvenes. Sin embargo, en la cirugía real, el cirujano mueve la fresa en varias direcciones contra la lámina vertebral en poblaciones de distintas edades mientras perfora. Estudios adicionales para mejorar este instrumento evolutivo pueden requerir la evaluación de la seguridad y utilidad del taladro quirúrgico de interfaz háptica en diversas afecciones óseas, incluido el hueso osteoporótico.

En el presente estudio, un prototipo de taladro de alta velocidad con una interfaz háptica detectó con éxito la penetración de la lámina posterior porcina con mayor precisión y reproducibilidad que los cirujanos de columna experimentados. Se puede esperar que la integración de la tecnología háptica en los taladros espinales tenga aplicaciones futuras en cirugía y telecirugía robótica precisas y seguras.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Descargar referencias

Esta investigación fue financiada por AMED con el número de subvención JP22he2202014h.

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Shunya Takano, Takuya Matsunaga y Tomoyuki Shimono

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Kouhei Ohnishi

Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Yokohama, 79-5 Tokiwadai, Hodogaya-Ku, Yokohama, 240-8501, Japón

Tomoyuki Shimono

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KY y MY escribieron el texto principal del manuscrito. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Tomoyuki Shimono o Mitsuru Yagi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

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Recibido: 01 de mayo de 2022

Aceptado: 02 de enero de 2023

Publicado: 12 de enero de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27467-w

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