Creating Biomedical Technologies to Improve Health

En el Horizonte – Cirugía Robótica Flexible

Wednesday, June 30, 2010

Esta camara montada entre dos brazos que parecen serpientes le ofrece a los cirujanos un enfoque innovador a la cirugia minimamente invasiva. Los brazos se mueven con la flexibilidad de un dedo humano y pueden realizar procedimientos quirurgicos en cavidades reducidas del cuerpo mientras que el sistema de la camara hace que el campo operatorio sea en tres dimensiones.

Esta camara montada entre dos brazos que parecen serpientes le ofrece a los cirujanos un enfoque innovador a la cirugia minimamente invasiva. Los brazos se mueven con la flexibilidad de un dedo humano y pueden realizar procedimientos quirurgicos en cavidades reducidas del cuerpo mientras que el sistema de la camara hace que el campo operatorio sea en tres dimensiones.

En los últimos 15 años, la cirugía abdominal se ha transformado de incisiones largas y profundas que exponen las cavidades internas a aperturas del tamaño del ojo de una cerradura por donde pasan cámaras con luz, tijeras, y pequeños dispositivos de sutura. Después de la cirugía mínimamente invasiva, los pacientes a menudo sanan más rápidamente y pueden regresar a sus actividades diarias mucho más rápido que si hubiesen sido sometidos a una cirugía tradicional abierta. Los sistemas robóticos ahora eliminan los temblores de las manos y proporcionan imágenes tridimensionales (3D) de la zona quirúrgica.

A pesar de estos avances, la cirugía mínimamente invasiva aún no es un procedimiento común para muchas de las cirugías abdominales. El costo, una curva empinada de aprendizaje para los cirujanos, y en algunos casos, los largos tiempos de preparación de equipos apartan a la laparoscopia y a la cirugía robótica de un uso generalizado. Los casos que son más complejos o que involucran sitios quirúrgicos reducidos y revirados siguen siendo un desafío para las largas herramientas como palos utilizadas durante los procedimientos mínimamente invasivos. Sólo el 30% de las operaciones de cáncer de colon, por ejemplo, se realizan por vía laparoscópica. La visualización del campo quirúrgico también requiere la inserción de una cámara que un ayudante de cirugía debe mover continuamente para mantener los instrumentos a la vista en un monitor frente al cirujano.

Para abordar estas cuestiones, los investigadores de la Universidad de Columbia en Nueva York, han creado una plataforma quirúrgica que incorpora el movimiento ágil y la visualización 3D del campo quirúrgico. La plataforma robótica insertable efectora (IREP, por sus siglas en inglés) pesa poco más de 8kg y cuenta con dos brazos robóticos parecidos a una serpiente que se mueven con la facilidad de un dedo humano. Un módulo de cámara que se encuentra entre los brazos proporciona retroalimentación visual en 3D. Ubicado en una vaina de 15mm, el sistema entero se desliza dentro de una abertura natural del cuerpo o una pequeña incisión y se despliega después de su colocación en el cuerpo.

Una vez desplegada, la IREP se convierte en los ojos y manos del cirujano. Debido a que la cámara está montada directamente entre los brazos derecho e izquierdo, el sistema automatizado de cámara reproduce la visión humana y le permite al cirujano ver los puntos prominentes y otros componentes como si el cirujano estuviera realizando una cirugía abierta. Los cirujanos manipulan los brazos intuitivamente con una pequeña consola situada al lado de la cama.

Software especializado y desarrollado por Peter Allen, profesor de ciencias computacionales en Columbia, permite que el sistema de cámaras pueda seguir automáticamente la ubicación de los instrumentos quirúrgicos. “El sistema se compensa por los órganos en movimiento, la respiración, y otro movimiento interno”, dice Allen. Un sistema automatizado e inteligente se traduce en menores costos quirúrgicos. En la laparoscopia convencional, un ayudante debe mover la cámara para seguir las herramientas del cirujano, y, a menudo, un segundo ayudante debe mover algunas de las herramientas. “Al reducir el número de personas necesarias para asistir en la cirugía, se pueden reducir los costos”, dice Allen.

La cámara IREP es similar a las que se encuentran en los teléfonos celulares. El diseño modular les permite a los investigadores actualizar continuamente el sistema mientras cámaras más nuevas se hacen disponibles. Allen señala que, mientras el tamaño de el área del sensor disminuye, se necesita más luz para producir una imagen. Su grupo ha experimentado con diodos emisores de luz (LEDs) y fibra óptica, pero todavía no se ha decidido por una fuente de luz.

 

Desafiando la Convención

El sistema IREP para cirugia minimamente invasiva, que se muestra aqui en comparacion con un brazo humano, es sumamente portatil y cuenta con dos brazos flexibles y un sistema de camaras que se encuentra entre los brazos para hacer que el campo operatorio sea en tres dimensiones

This camera mounted between two snake-like arms offers surgeons an innovative approach to minimally invasive surgery. The arms move with the flexibility of a human finger and can perform surgical procedures in tight body cavities while the camera system renders the operating field in three dimensions.

El sistema de la IREP supera la rigidez inherente de los instrumentos quirúrgicos mínimamente invasivos y al mismo tiempo proporciona la precisión de los sistemas robóticos más grandes y más caros. Los instrumentos convencionales de laparoscopia son largos, delgados y rígidos. Los cirujanos deben conocer el ángulo óptimo en el cual se debe posicionar el eje—un ángulo demasiado pequeño puede ocasionar colisiones entre instrumentos; un ángulo demasiado grande puede limitar la percepción de la profundidad. Además, el corte y las puntas de sutura en los instrumentos convencionales son rígidos y no se pueden mover de lado a lado o de atrás hacia adelante.

Los brazos flexibles de la IREP están diseñados para moverse hacia el interior de cavidades reducidas y proporcionar maniobrabilidad adicional debido a que están completamente dentro del cuerpo. “No es suficiente que los cirujanos utilicen un palo con una muñeca”, dice Nabil Simaan, profesor asociado de ingeniería mecánica en Columbia e investigador principal del proyecto. “Necesitamos proveer suficiente destreza en un espacio confinado. Los instrumentos completamente flexibles los hacen inherentemente más seguros porque es menos probable que perforen tejidos.”

El "Direccionamiento" de herramientas convencionales de laparoscopia es contra intuitivo, similar al uso del timón de un barco; es decir, para moverlo hacia la izquierda, un instrumento debe ser tirado hacia la derecha. La IREP ofrece un control intuitivo de los instrumentos. Para mover una herramienta a la derecha, el cirujano mueve la palanca derecha.

Aunque el sistema robótico de vanguardia da Vinci® proporcione un control intuitivo sobre los instrumentos y las puntas de los instrumentos se muevan como se mueve una muñeca humana, este sistema es de gran tamaño y ocupa la mayor parte de la sala de operaciones. La preparación del sistema y del paciente puede agregar hasta una hora a los tiempos de operación. La cirugía abdominal compleja a menudo requiere la inclinación del paciente para acceder a varios sitios. Debido a que el da Vinci® es demasiado grande para sujetarse a la cama del paciente, los asistentes deben desenganchar y re-enganchar el sistema robótico cada vez que el paciente es reposicionado. Por el contrario, el sistema IREP es portátil y puede ser conectado junto a la cama del paciente.

 

Cirugía de Próxima Generación

Además de hacer la laparoscopia convencional más fácil y menos costosa de realizar, la IREP ayudará a marcar el comienzo de un nuevo enfoque a la cirugía: el acceso de un solo puerto y la endoscopía transluminal por orificios naturales (NOTAS, una técnica quirúrgica que elimina todas las incisiones de la piel). Como sus nombres lo indican, estas nuevas técnicas reducen las incisiones quirúrgicas a una o las eliminan por completo. La laparoscopia convencional y robótica requieren al menos tres puertos, los cuales deben ser más grandes que las herramientas que se insertan a través de ellos.

Con la IREP, “estamos tratando de crear la tecnología que permita este nuevo paradigma quirúrgico”, dice Simaan, el responsable del diseño robótico de la IREP. Los instrumentos quirúrgicos deben caber en espacios reducidos, ser ágiles, y poder proporcionar retroalimentación sensorial. Los investigadores están trabajando para agregar una curva de retroalimentación de fuerza que le permitirá a los cirujanos sentir lo que están haciendo. En operaciones convencionales, las manos de un cirujano ofrecen muchos detalles sobre la cantidad de fuerza que se debe utilizar para atar un nudo de sutura o el estado del tejido local. La cirugía mínimamente invasiva elimina ese componente sensorial. “Queremos que los cirujanos sientan lo que están haciendo al momento de intervenir”, dice Simaan.

Además de cortar, succionar, y suturar, la próxima generación del sistema IREP proporcionará un despliegue de ultrasonido y otros sensores para monitorizar las condiciones dentro del cuerpo.

 

Extendiendo las Opciones de Tratamiento

Los investigadores anticipan poder probar la IREP en pacientes dentro de los próximos años. “La IREP ofrece el potencial para hacer la cirugía más rápida y segura porque se hace con mayor precisión. Además debería aumentar el número de pacientes que pueden someterse a una cirugía mínimamente invasiva, porque más cirujanos serán capaces de realizar el procedimiento”, dice Dennis Fowler, profesor de cirugía clínica del Centro Médico de la Universidad de Columbia, e investigador clínico principal en el proyecto.

Fowler anticipa que la IREP será más fácil de aprender a usar que las actuales técnicas laparoscópicas porque el sistema proporciona una visión 3D de todo el campo quirúrgico y los brazos pueden ser fácilmente maniobrados dentro del cuerpo. “Será igual que la cirugía abierta, pero estaremos haciéndola bajo la superficie de la piel. Vamos a recobrar la movilidad total a través del control automático e intuitivo”.

Enfoques innovadores para la cirugía mínimamente invasiva le ofrece a nuevos grupos de pacientes otra opción de tratamiento. Por ejemplo, la cirugía mínimamente invasiva podría darle a los pacientes ancianos una opción de tratamiento que antes era considerada demasiado peligrosa. “Ya que la IREP debería reducir la cicatrización y la respuesta al trauma, le podría ayudar a los pacientes ancianos y frágiles a tolerar la cirugía”, dice Simaan, y agregó “no vamos a saber qué tan bien este sistema mejorará la atención de la salud hasta que empecemos a utilizarlo. Estamos justo en los albores de una nueva era”.

Este trabajo está apoyado en parte por el Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas. (Numero de Concesíon 5R21EB007779-03).

 

Referencias

Ding J, Xu K, Goldman R, Allen P, Fowler D, Simaan N. Design, simulation and evaluation of kinematic alternatives for insertable robotic effector platforms in single port access surgery. 2010 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA’2010), May 3–8, 2010, Anchorage, AK pp. 1053–58.

Xu K, Goldman R, Ding J, Allen P, Fowler D, Simaan N. System design of an insertable robotic effector platform for single port access (SPA) surgery. 2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS’2009), October 11–15, 2009, St. Louis, MO pp. 5546–52.

Simaan N, Xu K, Wei W, Kapoor A, Kazanzides P, Taylor R, Flint P. Design and integration of a telerobotic system for minimally invasive surgery of the throat. International Journal of Robotics Research. 2009;28:1134–53.