Pedicle Screw Placement Using an Augmented Reality Head-Mounted Display in a Porcine Model

Henrik Frisk; Gustav Burstr&#246;m; Juliane Weinzierl; Linda Westernhagen; Florentin Tranchant; Erik Edstr&#246;m; Adrian Elmi-Terander

doi:10.3791/64474

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Medicine

Colocación de tornillos pediculares mediante una pantalla de realidad aumentada montada en la cabeza en un modelo porcino

Published: May 24, 2024

doi:

10.3791/64474

Henrik Frisk¹, Gustav Burström¹, Juliane Weinzierl², Linda Westernhagen², Florentin Tranchant², Erik Edström^1,3, Adrian Elmi-Terander^1,3

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

Summary

La pantalla de realidad aumentada montada en la cabeza, Magic Leap, se utilizó en combinación con un sistema de navegación convencional para colocar tornillos pediculares en un modelo porcino adhiriéndose a un flujo de trabajo novedoso. Con una mediana de tiempo de inserción de <2,5 min, se logró una precisión técnica submilimétrica y una precisión clínica del 100% según Gertzbein.

Abstract

Este protocolo ayuda a evaluar la precisión y el flujo de trabajo de un sistema de navegación híbrido de realidad aumentada (AR) que utiliza la pantalla montada en la cabeza (HMD) Magic Leap para la colocación mínimamente invasiva de tornillos pediculares. Los especímenes porcinos cadavéricos se colocaron en una mesa quirúrgica y se cubrieron con fundas estériles. Los niveles de interés se identificaron mediante fluoroscopia y se adjuntó un marco de referencia dinámico a la apófisis espinosa de una vértebra en la región de interés. Se realizó tomografía computarizada de haz cónico (CBCT) y se generó automáticamente un renderizado 3D, que se utilizó para la posterior planificación de la colocación de los tornillos pediculares. A cada cirujano se le colocó un HMD que se calibró individualmente con el ojo y se conectó al sistema de navegación espinal.

Los instrumentos navegados, rastreados por el sistema de navegación y mostrados en 2D y 3D en el HMD, se utilizaron para 33 canulaciones pediculares, cada una con un diámetro de 4,5 mm. Las exploraciones CBCT posteriores al procedimiento fueron evaluadas por un revisor independiente para medir la precisión técnica (desviación de la ruta planificada) y clínica (grado de Gertzbein) de cada canulación. Se midió el tiempo de navegación para cada canulación. La precisión técnica fue de 1,0 mm ± 0,5 mm en el punto de entrada y de 0,8 mm ± 0,1 mm en el objetivo. La desviación angular fue de 1,5° ± 0,6°, y el tiempo medio de inserción por canulación fue de 141 s ± 71 s. La precisión clínica fue del 100% según la escala de graduación de Gertzbein (32 grado 0; 1 grado 1). Cuando se utiliza para canulaciones pediculares mínimamente invasivas en un modelo porcino, se puede lograr una precisión técnica submilimétrica y una precisión clínica del 100% con este protocolo.

Introduction

La colocación correcta de los tornillos pediculares es importante para evitar daños en las estructuras neurovasculares dentro y alrededor de la columna vertebral. La precisión de colocación mediante la técnica de mano alzada es muy variable¹. Mediante el uso de la navegación 3D, se mejora la precisión en comparación con los métodos tradicionales guiados por imágenes basados en la fluoroscopia intraoperatoria. Una mayor precisión reduce el riesgo de cirugía de revisión ^2,3.

Con la estimación de que la esperanza de vida media seguirá aumentando, un número cada vez mayor de pacientes ancianos necesitarán procedimientos quirúrgicos de columna para diversas patologías⁴. Los abordajes mínimamente invasivos están ganando terreno debido a su menor morbilidad, especialmente en ancianos ^5,6. Sin embargo, estos enfoques dependen de soluciones de navegación precisas. Como la navegación se basa en imágenes, se están realizando esfuerzos para reducir la exposición intraoperatoria a la radiación de los pacientes y del personal 7,8,9,10.

La realidad aumentada (RA) es una tecnología emergente en la navegación quirúrgica que tiene como objetivo mejorar la precisión y eficacia en el quirófano (quirófano)¹¹. La RA superpone la información generada por ordenador a una vista del mundo real. Esto funciona especialmente bien cuando la información superpuesta se ve a través de un HMD. Para ello, los HMD que utilizan la tecnología de visualización frontal han llamado la atención debido a su pequeño tamaño, portabilidad y la posibilidad de mantener una línea de visión directa. Hoy en día hay varios HMD disponibles en el mercado para la navegación AR 12,13,14,15,16.

El auricular Magic Leap es un HMD óptico transparente, que incluye varias cámaras, un sensor de profundidad y unidades de medición inercial, que se utilizan para determinar la posición y orientación del auricular en el entorno. El propósito de este estudio fue evaluar el flujo de trabajo del Magic Leap HMD, combinado con un sistema de navegación convencional y un dispositivo CBCT móvil de última generación, para la obtención de imágenes intraoperatorias en un entorno quirúrgico realista.

Protocol

El procedimiento se realizó en un quirófano convencional, equipado con una mesa de quirófano radiolúcida, una plataforma de navegación y un dispositivo CBCT móvil que proporciona imágenes de fluoroscopia 2D y CBCT 3D de alta calidad para la navegación AR. Para el propósito de este estudio se utilizaron dos cadáveres porcinos, de aproximadamente 80 cm de longitud y 45 kg. Los especímenes fueron comprados comercialmente y su uso para este experimento no requirió un permiso ético. Todos los dispositivos, instrumentos y software utilizados en el flujo de trabajo descrito se enumeran en la Tabla de materiales. Se realizó el siguiente procedimiento paso a paso y se repitió para cada espécimen. 1. Espécimen de cadáver porcino Coloque la muestra de cadáver porcino en la mesa de operaciones del quirófano. Envuelva el espécimen de cadáver porcino en fundas estériles. Use una película de incisión para cubrir la piel en el campo quirúrgico. 2. Identificación de los niveles vertebrales de interés Utilizando el escáner CBCT, identifique los niveles vertebrales de interés mediante fluoroscopia. Utilice la tableta de control inalámbrico del escáner CBCT para mover el escáner a la posición deseada, alinear el haz de rayos X y realizar la exploración con fluoroscopia (Figura 1).NOTA: Los escaneos 2D se pueden revisar inmediatamente en la tableta. Los niveles vertebrales se identifican buscando costillas en la fluoroscopia y contando hacia arriba o hacia abajo. Fije la abrazadera de referencia dinámica de navegación radiotransparente a una apófisis espinosa en el área de interés exponiendo la apófisis espinosa y sujetando la abrazadera con el destornillador dedicado. A continuación, fije las esferas reflectantes del marco de referencia a la abrazadera (Figura 2). Realice un escaneo CBCT y transfiera el escaneo a la plataforma de navegación (a través de LAN) (Figura 3). La cámara del sistema de navegación rastrea el escáner CBCT y el marco de referencia dinámico, lo que permite el registro automático de pacientes mediante el software de registro automático Loop-X de Brainlab en la plataforma de navegación. Inicie el software de navegación de columna vertebral y traumatismo en la plataforma de navegación. Utilice el puntero dorsal y las vistas de navegación 2D para verificar la precisión del registro del paciente en puntos de referencia anatómicos. Figura 1: La tableta de control inalámbrico del escáner CBCT. La tableta que muestra las imágenes de fluoroscopia del CBCT. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 2: Una imagen esquemática de la pinza unida a la apófisis espinosa. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 3: El CBCT Loop-X. El CBCT realiza un escaneo en el cadáver del cerdo cubierto con la referencia adjunta. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 3. Calibración del instrumento Calibre una guía de perforación navegada y un destornillador para el sistema de navegación. Para ello, seleccione el instrumento en el software de configuración de instrumentos de columna vertebral y traumatología de Brainlab y, a continuación, presente el instrumento real a la cámara del sistema de navegación junto con un dispositivo de calibración. Mueva el instrumento con un movimiento giratorio mientras está en contacto con el dispositivo de calibración hasta que el sistema de navegación reconozca el instrumento. Una vez calibrado, rastree y visualice el instrumento tanto en las imágenes 2D como en el modelo 3D en el HMD. 4. Ajuste del dispositivo montado en la cabeza Asegúrese de que cada cirujano esté equipado con un auricular Magic Leap (el HMD). Asegúrese de que el HMD y la plataforma de navegación estén conectados a la misma red (conexión WLAN para el HMD y conexión LAN para la plataforma de navegación). Para establecer la comunicación entre el HMD y el software de navegación de columna vertebral y traumatismo, observe el código QR que se muestra en la pantalla de la plataforma de navegación. Esto inicia la aplicación de realidad mixta correspondiente que se ejecuta en el HMD y la transferencia de datos al HMD. Realice la alineación de realidad mixta examinando la matriz de referencia de columna vertebral a través del HMD durante unos segundos. Espere a que un modelo 3D de la columna vertebral, renderizado en base al escaneo CBCT, se aumente con precisión en la muestra en el HMD. Además de la superposición 3D, observe las vistas de navegación 2D y un segundo modelo 3D sobre las vistas de navegación 2D (vista flotante) que se muestran en el HMD. Figura 4: La vista a través del HMD. La vista del cirujano a través del HMD presentando información 2D y 3D. La superposición 3D muestra los tornillos 3D planificados con líneas de trayectoria sobresalientes que ayudan a la alineación del instrumento. El modelo 3D inferior se aumenta en la columna vertebral del cerdo; se proporciona información adicional en las representaciones 2D y 3D que flotan arriba, que se pueden colocar libremente en el espacio virtual y encenderse y apagarse. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 5. Planificación de la colocación del tornillo pedicular. Planifique las trayectorias de los tornillos pediculares en función del modelo aumentado registrado en 3D, alineándolas con la anatomía de la columna vertebral, y visualícelas en el HMD (Figura 5). Realice un ajuste fino de las trayectorias de los tornillos en la pantalla táctil de la plataforma de navegación. Figura 5: Planificación de la trayectoria del tornillo pedicular. Las trayectorias de los tornillos pediculares se planifican utilizando el HMD y el puntero de navegación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 6. Inicio de la colocación del tornillo pedicular. Realizar pequeñas incisiones en la piel de aproximadamente 2 cm de longitud con un bisturí para un acceso mínimamente invasivo a los pedículos basándose en el modelo 3D superpuesto visible a través del HMD (Figura 6). Mediante una técnica mínimamente invasiva, diseccionar los tejidos blandos y dilatar el canal con dilatadores hasta alcanzar el punto de entrada del pedículo en la superficie vertebral. Ajuste la profundidad de la guía de perforación para que coincida con la longitud del tornillo previsto para el pedículo. La longitud planificada del tornillo se muestra en la pantalla del sistema de navegación. Coloque y alinee la guía de perforación navegada con la ruta planificada. Taladre el pedículo con un taladro eléctrico con una broca de 4,5 mm (Figura 7). Perforar de acuerdo con la ruta planificada; La guía de perforación evita que la perforación vaya más profundo que la profundidad planificada. Calcule el tiempo desde la incisión en la piel hasta que se perfora el canal para cada pedículo. Figura 6: Incisiones mínimamente invasivas. El cadáver del cerdo desde arriba muestra las incisiones mínimamente invasivas a lo largo de la columna vertebral. A la derecha está la referencia con las esferas reflectantes sujetas a la apófisis espinosa. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 7: Perforación de los pedículos. El pedículo se perfora con un taladro eléctrico utilizando la navegación visible a través del HMD para alinear la guía de perforación con la trayectoria planificada previamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 7. Visualización de la colocación de los tornillos NOTA: No se colocaron tornillos para evitar artefactos metálicos durante la evaluación. Realice un segundo CBCT para adquirir imágenes de rayos X de las vértebras perforadas para el análisis de precisión. Asegúrese de que el canal perforado en la vértebra sea claramente visible antes de usarlo para análisis de precisión posteriores. 8. Canulación de la columna vertebral Repita el procedimiento anterior descrito en la sección 2, la sección 4, la sección 6 y la sección 7 para cubrir la siguiente región de interés hasta que toda la columna vertebral esté canulada. Repita el mismo procedimiento (secciones 1-8) utilizando la segunda muestra. 9. Análisis de imágenes Hacer coincidir las imágenes CBCT obtenidas con el plan de navegación y hacer correcciones de acuerdo con las notas de laboratorio tomadas durante el procedimiento. Haga que un revisor independiente evalúe todas las imágenes y califique las canulaciones de acuerdo con la escala de calificación de Gertzbein, de 0 a 3. Las calificaciones 0 o 1 se consideran precisas. Los grados 2 o 3 se consideran inexactos. Fusionar las trayectorias de las trayectorias planificadas y las canulaciones, y definir la precisión técnica como la desviación de la trayectoria en la entrada y el objetivo. Mide la desviación angular.

Representative Results

En total, se realizaron 33 canulaciones navegadas. El tiempo por canulación y la precisión clínica y técnica se evaluaron en las exploraciones CBCT postoperatorias (Figura 8). Figura 8: Gammagrafía postoperatoria de una canulación de grado 0 de Gertzbein. La exploración incluye el plan quirúrgico para la canulación del pedículo, presentado en las vistas coronal, axial y sagital. Obsérvese la estrecha alineación del tornillo virtual y el canal canulado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. El tiempo medio de inserción por canulación fue de 141 s ± 71 s (mediana [rango]: 151 [43-471]; Figura 9). Figura 9: Histograma y caja de la distribución de los tiempos de canulación del pedículo. Arriba, histograma de la distribución de los tiempos de canulación del pedículo (n = 33); abajo, el diagrama de caja correspondiente que muestra la mediana, el rango intercuartílico y un valor atípico. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Las 33 canulaciones se consideraron clínicamente precisas de acuerdo con la escala de graduación de Gertzbein (32 grado 0; 1 grado 1; Tabla 1). Gertzbein Grado 0 Gertzbein Grado 1 Gertzbein Grado 2 Gertzbein Grado 3 Clínicamente preciso Clínicamente inexacto Exactitud Número de tornillos 32 1 0 0 33 0 100% Tabla 1: Precisión clínica de los tornillos implantados según la escala de clasificación de Gertzbein. Las calificaciones 0 o 1 se consideraron correctas. Los grados 2 o 3 se consideraron inexactos. Para evaluar la precisión técnica, se midió la desviación de cada canulación de su trayectoria planificada en la entrada ósea y en el fondo del canal de perforación (Figura 10). Las mediciones 3D se realizaron fusionando la exploración intraoperatoria, incluidas las vías de canulación planificadas, con la exploración postoperatoria de las canulaciones. La desviación angular se calculó en base a estos datos. Figura 10: Descripción general del modelo de medición para la precisión técnica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Este método fue descrito previamente por Frisk et al.12. Para las 33 canulaciones pediculares realizadas, la precisión técnica fue de 1,0 mm ± 0,5 mm (mediana [rango]: 1,0 [0,4-3,3]) en el punto de entrada (Figura 11) y de 0,8 mm ± 0,1 mm (mediana [rango]: 0,8 [0,6-4,6]) en el fondo del canal de perforación (Figura 12). La desviación angular fue de 1,5° ± 0,6° (mediana [rango]: 1,5 [0,3-5,0]; Figura 13). Figura 11: Precisión técnica en el punto de entrada del hueso. Arriba, la precisión técnica en la entrada; abajo, el diagrama de caja correspondiente que muestra la mediana, el rango intercuartílico y un valor atípico. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 12: Precisión técnica en el objetivo (punta del canal de perforación). Arriba, precisión técnica en el blanco (punta del canal de perforación); abajo, el diagrama de caja correspondiente que muestra la mediana, el rango intercuartílico y los valores atípicos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 13: Desviación angular en comparación con el trayecto planificado. Superior, desviación del ángulo de la trayectoria planificada; abajo, el diagrama de caja correspondiente que muestra la mediana y el rango intercuartílico. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

En este estudio, se describe un nuevo flujo de trabajo para la colocación mínimamente invasiva de tornillos pediculares utilizando un HMD en condiciones estériles y se evalúa su precisión. Existen varios informes científicos sobre los sistemas HMD para la navegación craneal y espinal, dos de los cuales han obtenido la aprobación de la FDA para uso clínico^17,18. Otros estudios han mostrado resultados prometedores en la usabilidad de los HMD en ambientes estériles^19,20, así como una buena precisión en estudios de maniquíes y cadáveres 12,13,21. Los resultados del presente estudio respaldan la utilidad y viabilidad del flujo de trabajo en un entorno estéril y pueden servir como una base importante para la introducción clínica del dispositivo actual.

Este estudio se distingue por la descripción paso a paso del procedimiento en el quirófano. Utilizando un concepto de navegación integrado, que incluye CBCT intraoperatorio y HMD, el registro de pacientes y la superposición de imágenes se pueden automatizar para ahorrar tiempo y esfuerzo en el quirófano. Una vez que se completa la configuración y los cirujanos están equipados con el HMD calibrado a ojo, todos los demás pasos se pueden realizar sin problemas. Una gran ventaja de la planificación previa de las trayectorias de los tornillos es que cualquier desviación de la trayectoria correcta se puede visualizar y corregir inmediatamente.

Cuando se completa la planificación, las trayectorias se pueden ver a través de los pedículos y coincidirán con las angulaciones anatómicas de los pedículos. Cualquier trayectoria que no coincida con la angulación de las otras se hará evidente, y el cirujano podrá corregirla para facilitar la colocación posterior de la varilla. Las trayectorias planificadas se guardan y luego se pueden utilizar para evaluar la precisión técnica después de la fusión con las exploraciones postoperatorias. En este contexto, la precisión técnica es una combinación del error de entrada del sistema de navegación y la capacidad del cirujano para seguir la trayectoria planificada. Es importante destacar que la posibilidad de realizar un CBCT de confirmación permite la revisión intraoperatoria de cualquier tornillo que, a pesar de la navegación, pueda estar mal colocado.

La CBCT es un dispositivo de imagen bien conocido y ampliamente utilizado para la navegación intraoperatoria y la verificación postoperatoria. La CBCT proporciona imágenes 3D de calidad superior en comparación con las imágenes 2D de un arco en C, un dispositivo comúnmente utilizado en la cirugía de columna. La calidad de la imagen y la precisión diagnóstica de la CBCT son comparables a las de la TC convencional. El tiempo requerido para la instalación y el paño estéril es similar al de un arco en C estándar, pero con imágenes de calidad diagnóstica mucho mejor 22,23,24,25.

La diferencia en la precisión técnica entre el punto de entrada y el punto de destino es el resultado del hecho de que la precisión en el punto de entrada depende en gran medida de la anatomía en el punto de entrada elegido. Si el punto de entrada se coloca en una pendiente en la superficie ósea, siempre existe el riesgo de desbastar ^26,27. Cuando se ingresa al pedículo, las paredes corticales rígidas guiarán el dispositivo y, por lo tanto, la desviación en el objetivo será menor debido a que no hay espacio para moverse.

El HMD proporciona un modelo 3D que se representa a partir de la CBCT intraoperatoria o las imágenes preoperatorias y se aumenta en la columna vertebral real. Además, muestra imágenes 2D en los planos axial, sagital y coronal, así como un segundo modelo 3D que el cirujano puede rotar y posicionar en cualquier lugar del espacio virtual, según sus preferencias personales. La interacción con el software de visualización se realiza actualmente mediante un mando a distancia. Para utilizar este mando a distancia en un entorno estéril, habría que colocarlo en una bolsa de plástico estéril. Esta es una práctica estándar con varios dispositivos portátiles no estériles que deben usarse en entornos estériles. Sin embargo, en un entorno clínico, se preferirían los gestos con las manos o los comandos de voz. Durante la navegación, las representaciones virtuales de los instrumentos rastreados en las vistas 2D y 3D proporcionan información visual para ayudar al cirujano.

El HMD en sí ha evolucionado, y la segunda generación de Magic Leap es más ligera y tiene un campo de visión más grande. El campo de visión es un factor importante en el uso de HMD y representa una de las características que se desarrolla constantemente. El campo de visión del Magic Leap fue totalmente eficiente para llevar a cabo este experimento y no supuso ninguna limitación para el flujo de trabajo. Cada HMD tiene su propia computadora pequeña que el cirujano debe usar debajo de sus batas estériles. La comunicación entre el HMD y el sistema de navegación se realiza a través de Wi-Fi, y las limitaciones de la red pueden provocar latencia. A pesar de que este producto es el primer prototipo, los resultados actuales indican una excelente precisión clínica y una precisión técnica submilimétrica.

Las limitaciones de este estudio son el pequeño tamaño de la muestra y el modelo cadavérico porcino. No fue posible evaluar los posibles efectos de la respiración y el sangrado sobre la precisión. Aunque se utilizó una técnica mínimamente invasiva, no se insertaron tornillos. Sin embargo, los canales de tornillo eran fácilmente visibles y permitían una evaluación precisa de la precisión sin interferencia de artefactos metálicos. En conclusión, este artículo proporciona una descripción detallada de un flujo de trabajo novedoso para la navegación HMD AR. Cuando se utiliza para canulaciones pediculares mínimamente invasivas en un modelo porcino, se puede lograr una precisión técnica submilimétrica y una precisión clínica del 100%.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ninguno.

Materials

Instrument tracking array spine & trauma 4-marker	Brainlab
Curve Navigation System	Brainlab	Navigation System
Disposable clip-on remote control	Brainlab	SmartClip
Drill guide tube, handle with marker spheres, drill guide depth control insertable, drill bits	Brainlab	Drill guide and accessories
Expedium	DePuy Synthes	Screwdriver
Instrument calibration matrix	Brainlab	Instrument Calibration Matrix
Loop-X	Brainlab	CBCT scanner
Magic Leap 2	Magic leap Inc.	Mixed Reality headset
Navigation pointer spine	Brainlab	Navigation Pointer
Spine reference array for reference clamp carbon (4-Sphere Geometry)	Brainlab	Spine Reference Array
Spine reference clamp carbon with slider	Brainlab	Spine Reference Clamp
TruSystem 7500	Trumpf	Operating table
Software
Mixed Reality Spine Navigation App for Magic Leap	Brainlab	Run on Curve Navigation System Version: 2.0
PDM	Brainlab	Run on Curve Navigation System Version: 4.2
Spine & Trauma Instrument Setup	Brainlab	Run on Curve Navigation System Version: 6.2
Spine & Trauma Navigation 2.0	Brainlab	Run on Curve Navigation System Version: 1.6

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Frisk, H., Burström, G., Weinzierl, J., Westernhagen, L., Tranchant, F., Edström, E., Elmi-Terander, A. Pedicle Screw Placement Using an Augmented Reality Head-Mounted Display in a Porcine Model. J. Vis. Exp. (207), e64474, doi:10.3791/64474 (2024).

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