Dołącz do czytelników
Brak wyników

Z praktyki ortopedy

27 listopada 2020

NR 20 (Listopad 2020)

Robotyczne systemy w ortopedii

94

Postępy technologiczne w ortopedii zaowocowały opracowaniem szeregu nowych technik, które zmniejszyły okołooperacyjny uraz pacjenta, skróciły czas hospitalizacji i poprawiły wyniki leczenia. Pomimo wielu docenianych korzyści, płynących m.in. z miniinwazyjnych technik chirurgicznych stosowanych w ortopedii i traumatologii, nadal operacyjna interwencja obciążona jest znaczącymi wadami. Zastosowanie robotów pozwoli w pełni wykorzystać ich potencjał, dzięki powtarzalności, bezpieczeństwu i dokładności. W artykule przeglądowym omówiono wymagania kliniczne i wyzwania techniczne związane z zastosowaniem robotycznych platform w ortopedii, ze szczególnym uwzględnieniem robota NAVIO. W przypadku UKA, TKA i THA, chirurgiczne interwencje przeprowadzone z zastosowaniem robota są  bezpieczne i tak samo skuteczne jak konwencjonalny zabieg. Chociaż niektóre badania pokazują, że roboty są lepsze niż konwencjonalna technika w pozycjonowaniu implantów, balansowaniu operowanego stawu, skracają czas operacji i przyczyniają się do zmniejszenia utraty krwi, ale aby to potwierdzić, potrzeba jednak więcej wiarygodnych badań w niezależnych ośrodkach. 

Zastosowanie robotów w medycznej praktyce jest stosunkowo nowe. Słowo „robot” liczy sobie ponad sto lat, a zostało wprowadzone do szerszej kultury przez Józefa Capka w fantastycznonaukowym opowia-
daniu pt. Opilec. Roboty jako narzędzia zostały zaadoptowane do przemysłu przez firmę General Motors w roku 1958 [1]. Dopiero w latach 80. zeszłego wieku zastosowano roboty w chirurgii, a po kolejnych dziesięciu latach w ortopedii [2]. W roku 1992 przeprowadzono pierwsze endoprotezoplastyki stawu biodrowego, podczas których wykorzystano potencjał autonomicznego systemu robota Robodoc [3, 4]. Rok później opisano pierwsze zastosowanie robota podczas endoprotezoplastyki stawu kolanowego, zaś kilkanaście lat później do jednoprzedziałowej endoprotezoplastyki stawu kolanowego [5, 6]. Od tego czasu obserwujemy dynamiczny wzrost zastosowań ortopedycznych robotów podczas wszczepiania stawowych implantów. W USA w latach 2009–2013 o ponad 500% wzrosła liczba świadczeń z zakresu endoprotezoplastyki stawu kolanowego z zastosowaniem robota (RATKA, Robotic Assisted Total Knee Arthroplasty) [7]. Podczas gdy w USA w latach 2017–2018 endoprotezoplastyki z zastosowaniem robota stanowiły 5–7%, to tylko w stanie Nowy Jork liczba ta wahała się w granicach 12%, zaś 17% ortopedów deklarowało umiejętność posługiwania się komputerowym wspomaganiem [8, 9].
Zastosowanie ortopedycznego robota cechuje szereg potencjalnych korzyści, takich jak: dokładne przedoperacyjne planowanie, planowanie w czasie rzeczywistym, dokładne pozycjonowanie implantów, w rzeczywistym czasie dostarczana operatorowi informacja na temat napięcia miękkich tkanek oraz balansu operowanego stawu, odtworzenie długości kończyn i offsetu wszczepionego stawu biodrowego [10, 11–15]. 
Wysokie koszty, konieczność przedoperacyjnego obrazowania (wady tej pozbawiony jest system ortopedycznego robota NAVIO), stosowanie przezskórnych pinów dla znaczników, wydłużony czas operacji oraz długa krzywa uczenia to z kolei potencjalne wady ortopedycznych systemów [1, 2]. Ponadto roboty nie są uniwersalnymi systemami, dominujący producenci implantów stosowanych w artroplastyce planują wprowadzenie na rynek bądź już dysponują różnymi rodzajami systemów dedykowanych do poszczególnych endoprotez [3–5].
Systemy robotyczne nie są zunifikowane, różnią się od siebie przede wszystkim w zakresie kontroli współpracy na poziomie operator – robot. Dlatego wyróżnia się trzy kategorie robotów: aktywne (autonomiczne), pasywne (nieautonomiczne) i półaktywne (półautonomiczne). Podział ten uwzględnia zakres autonomii ortopedy i współpracującego robota podczas operacyjnego zabiegu. Pasywne systemy tylko kontrolują czynności, które wykonuje operator, natomiast te aktywne samodzielnie, bez ingerencji chirurga, wykonują poszczególne etapy operacyjnego zabiegu. Półautonomiczne konstrukcje to najbardziej dopracowane systemy robotyczne [19, 20]. Sprzężenie zwrotne generowane przez półaktywny system zapewnia operatorowi tzw. kontaktową informację zwrotną, która pomaga wyznaczyć właściwe granice (np. zakres resekcji kości). Punkty orientacyjne definiuje się przed- lub śródoperacyjnie, aby stworzyć trójwymiarowy obraz 3D, odzwierciedlający budowę operowanego stawu. Oprogramowanie komputerowe generuje następnie charakterystyczne dla danego pacjenta graniczne punkty w trójwymiarowej przestrzeni. Całość jest wizualizowana za pomocą komputerowego ekranu. Wiele systemów półaktywnych zapewnia kontaktowe sprzężenie zwrotne (wibracyjne), ale może być ono również wizualne i słuchowe [18]. Ponadto systemy półaktywne mogą ograniczać prędkość i położenie tnących narzędzi trzymanych w ręku chirurga, aby zapobiec uszkodzeniu istotnych struktur, takich jak więzadła, czy zapobiec nadmiernemu usunięciu tkanki kostnej. Głównym celem systemu półaktywnego jest zapobieganie odchyleniom od zaplanowanego przebiegu chirurgicznej interwencji i niedopuszczenie do śródoperacyjnych błędów, aby endoprotezoplastykę przeprowadzić w bezpieczny sposób z optymalnie dopasowanymi komponentami. 
Zarówno rezonans magnetyczny (MRI), jak i tomografia komputerowa (CT) mogą służyć do tworzenia obrazu odzwierciedlającego budowę stawu kolanowego pacjenta. Docelowo w kooperacji z referencyjnymi punktami, śródoperacyjnie zbieranymi na powierzchni operowanego stawu, przyczynia się do wytworzenia aktywnego przestrzennego sprzężenia zwrotnego między chirurgicznym narzędziem a pacjentem [18–20]. Punkty odniesienia to zazwyczaj punkty orientacyjne, zlokalizowane na powierzchni kości, które są rejestrowane śródoperacyjnie w stosunku do znaczników (markerów), statycznie przymocowanych do kości piszczelowej i udowej operowanego pacjenta. 
Zaletą systemów opartych na tak skonstruowanym obrazowaniu jest możliwość przedoperacyjnego planowania. Za pomocą oprogramowania komputerowego chirurg może opracować pełny plan operacji, obejmujący wyrównanie osi kończyny, pozycję komponentów i rozmiar implantów. Jednak tak zaawansowane przedoperacyjne obrazowanie nie jest wykonywane przed konwencjonalną endoprotezoplastyką stawu biodrowego czy kolanowego, bo niewątpliwie zwiększa koszty, generuje niedogodności dla pacjenta oraz wiąże się z potencjalną ekspozycją na promieniowanie (TK). Podczas gdy systemy oparte na radiologicznych obrazach porównują budowę stawu z danymi uzyskanymi podczas przedoperacyjnego obrazowania, systemy bezobrazowe polegają na chirurgu, który podczas zabiegu wprowadza dane do systemu w postaci punktów odniesienia. Systemy bezobrazowe wykorzystują śródoperacyjne dane do generowania trójwymiarowego odwzorowania budowy stawu wyłącznie na podstawie anatomicznych punktów orientacyjnych. Ponadto odciążają pacjenta i zmniejszają koszty przedoperacyjnego obrazowania, ale przy tym ograniczają rolę planowania przedoperacyjnego. Operator musi w czasie rzeczywistym stworzyć dokładny model operowanego stawu, a także określić docelowe ustawienie i rozmiar implantu. Systemy zamknięte ograniczają wybór implantu, podczas gdy systemy otwarte pozostawiają to w gestii chirurga. Ponadto systemy zamknięte mogą dodatkowo ograniczyć wybór implantu nie tylko do jednego producenta, ale też do niektórych typów systemów określonego producenta, natomiast systemy otwarte pozbawione są specyficzności [18]. 

POLECAMY

Systemy robotyczne

ROBODOC/TCAT® to otwarty, aktywny system oparty na danych z tomografii komputerowej (CT), który wykorzystuje automatyczny frez do dokładnej resekcji kości podczas endoprotezoplastyki stawu kolanowego i biodrowego (TKA i THA). Wdrożony został w 1992 r. i jest przykładem jednego z pierwszych zastosowań robotyki podczas wszczepiania endoprotezy. Sukces kliniczny i użyteczność zostały potwierdzone w serii badań klinicznych [6]. 
 

Ryc. 1. Rękojeść robota NAVIO. Zawiera odblaskowe znaczniki, napęd, frez i jego osłonę


Praca robota opiera się na wprowadzeniu do systemu radiologicznych wyników badań, które służą do stworzenia wirtualnego planu przedoperacyjnego. Chirurg korzysta ze stacji roboczej ORTHODOC, w której umieszcza wyniki radiologicznych badań, a oprogramowanie pomaga w planowaniu i pozycjonowaniu implantu. Do skorelowania anatomicznych danych z wprowadzonym obrazem radiologicznym wykorzystuje się markery. Następnie w pełni zautomatyzowane, zakończone frezem ramię robota usuwa tkankę kostną, aby można było właściwe dopasować implanty.
MAKO® system (wcześniej MAKO Surgical Corp.®, FL, USA; obecnie Stryker Ltd, Kalamazoo, MI, USA) to zamknięty, półaktywny system robota, oparty na danych z tomografii komputerowej (CT), który jest obecnie zatwierdzony przez FDA (Food and Drug Administration, tłum. Agencja Żywności i Leków) do TKA (2015), THA i jednoprzedziałowej endoprotezoplastyki stawu kolanowego (UKA). W oparciu o obraz z tomografii komputerowej planowany jest przebieg operacji, gdzie punktami odniesienia są markery mocowane do kości poniżej i powyżej operowanego stawu. Następnie ramię robota pomaga w resekcji kości za pomocą frezu lub piły umieszczonej na końcu ramienia. Odniesienia w czasie rzeczywistym pomagają kierować resekcją w oparciu o przedoperacyjny plan, który można dostosować śródoperacyjnie [7].
ROSA® (ROSA® Knee System, Zimmer Biomet, Warsaw, IN) to zaproponowany na początku roku 2019 do TKA półotwarty (może być stosowany z kilkoma typami implantów jednego producenta), pasywny/półaktywny, komputerowy system służący do wykonywania resekcji kości w trakcie TKA, niewymagający przedoperacyjnego zaawansowanego obrazowania. Znaczniki jako punkty referencyjne są statycznie mocowane zarówno do kości piszczelowej, jak i udowej, a powierzchnia stawu jest rejestrowana w systemie. Następnie ramię robota pomaga w umieszczeniu konwencjonalnych przyrządów tnących do zaplanowanej resekcji. W przeciwieństwie do powyższych systemów, podczas resekcji kości tzw. kontaktowe sprzężenie zwrotne nie jest wymagane, a resekcję wykonuje chirurg za pomocą konwencjonalnych narzędzi. Ponadto nie jest wymagane zaawansowane obrazowanie, aby stworzyć przestrzenny model operowanego stawu [15]. Oprogramowanie i stosowne markery umożliwiają chirurgowi śródoperacyjny pomiar napięcia tkanek miękkich.
NAVIO® (poprzednio Blue Belt Technologies; obecnie Smith & Nephew, Andover, TX, USA) zatwierdzony przez FDA do TKA w 2017 roku to półotwarty, półaktywny system, który wykorzystuje wirtualną reprezentację tkanek operowanego stawu w 3D dla procedur UKA i TKA, który nie wymaga przedoperacyjnego obrazowania. Za pomocą pinów w kości udowej i piszczelowej mocowane są specjalne znaczniki. Robotyczny system wykorzystuje półautonomiczne, ręczne narzędzie tnące, które jest zabezpieczone dla zapewnienia dokładności cięcia. Mechanizm jest inny niż tzw. kontaktowe sprzężenie zwrotne. Zabezpieczające elementy ograniczają prędkość narzędzia i cofają je do osłony w przypadku wystąpienia przestrzennych nieprawidłowości, odczytanych przez system na podstawie znaczników. Ponadto frezu można użyć do bezpośredniego wykonania resekcji kości lub do wykonania otworów, w celu dokładnego umieszczenia tzw. ociosowych skrzynek. W tym ostatnim przypadku do resekcji kości można użyć konwencjonalnych przyrządów.
Powyżej przedstawiono najważniejsze robotyczne systemy, które znalazły zastosowanie w ortopedii, oraz porównano ich istotne parametry (tabela 1).

Tabela 1. Przykłady robotycznych systemów oraz ich funkcjonalna charakterystyka

Podpis


Wyjaśnienie terminów:

  • TKA (Total Knee Arthroplasty) – aloplastyka stawu kolanowego; 
  • THA (Total Hip Arthroplasty) – aloplastyka stawu biodrowego; 
  • UKA (Unicondylar Knee Arthroplasty) – jednoprzedziałowa plastyka stawu kolanowego; 
  • PFA (Patellofemoral Arthroplasty) – plastyka stawu rzepkowo-udowego.

Od maja 2020 r. Oddział Urazowo-Ortopedyczny Szpitala w Ostrowi Mazowieckiej jest właścicielem pierwszego w Polsce ortopedycznego robota. Jest nim robot NAVIO firmy Smith&Nephew. System NAVIO składa się z kilku elementów. System śledzenia i stojak wykorzystuje kamery na podczerwień do określania pozycji odblaskowych znaczników. Towarzysząca platforma zawiera elektroniczny system sterowania, jednostkę integracji systemu elektrycznego, komputer, zasilacz awaryjny oraz monitor z ekranem dotykowym, który służy jako główny interfejs użytkownika. Posiada dwa elementy do sterowania nożnego, z których jeden służy jako alternatywny interfejs użytkownika do monitora z ekranem dotykowym, a drugi do sterowania frezem. Rękojeść kontroluje położenie narzędzia i chroniącej osłony (ryc. 1).
System chirurgiczny NAVIO jest dedykowany do jednoprzedziałowej artroplastyki stawu kolanowego (UKA) i do aloplastyki stawu kolanowego (TKA). Cały zabieg chirurgiczny podzielono na pięć odrębnych etapów opisanych poniżej.

Krok pierwszy: konfiguracja systemu i przygotowanie operacyjnego pola
W sali operacyjnej platforma robotycznego systemu NAVIO i monitor lokalizowane są obok operacyjnego stołu. Po wykonaniu chirurgicznego dostępu i wyeksponowaniu stawu kolanowego usuwane są wszystkie osteofity, aby można było odpowiednio ocenić jego stabilność. Odblaskowe znaczniki są mocowane zarówno do kości udowej, jak i piszczelowej za pomocą dwupinowego systemu. W piszczeli piny są umieszczane przezskórnie poniżej guzowatości po przyśrodkowej stronie grzebienia piszczeli. W kości udowej dwa piny są umieszczone nad rzepką. 

Ryc. 2. Technika „malowania” powierzchni w celu stworzenia wirtualnego modelu 3D stawu kolanowego


Krok drugi: rejestracja
System NAVIO różni się od innych systemów zrobotyzowanych tym, że do planowania nie wymaga przedoperacyjnego obrazowania, przez co nie narażamy pacjenta na promieniowanie związane z tomografią komputerową. Cały proces definiowania kształtu operowanego stawu kolanowego i planowania przebiegu implantacji endoprotezy przebiega śródoperacyjnie. Technika rejestracji operowanej powierzchni jest wykonywana przy użyciu anatomicznych punktów orientacyjnych i techniki „malowania” powierzchni w celu stworzenia wirtualnego modelu 3D stawu kolanowego (Ryc. 2). Te punkty orientacyjne są zbierane za pomocą sondy punktowej, która zawiera końcówkę śledzoną za pomocą kamer rejestrujących podczerwień. Sonda ta służy do zbierania punktów i „malowania” powierzchni kości i/lub powierzchni stawowych.
W celu wyznaczenia mechanicznej osi operowanej kończyny chirurg jest prowadzony przez komputer, co umożliwia określenie dokładnej lokalizacji referencyjnych punktów na kostce przyśrodkowej i bocznej. Następnie poprzez zgięcie kończyny w stawie kolanowym i biodrowym, wykonując rotację, wyznacza środek stawu biodrowego. Aby uchwycić deformację szpotawą/koślawą i ewentual...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 4 wydania czasopisma "Praktyczna Ortopedia i Traumatologia"
  • Nielimitowany dostęp do całego archiwum czasopisma
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy