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REALIDAD VIRTUAL EN MEDICINA

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Cirugía Robótica

1. Introducción
2. Evolución
3. Conceptos generales
4. Sistema de Telepresencia
5. Procedimiento
6. Cirugía virtual
7. Y Colombia?

 

 

 

 

 

 

1. Introducción

La convergencia de los avances en informática y comunicaciones con la medicina en general y la cirugía en particular, ha dado como resultado un acelerado proceso de informatización de todas las áreas de la medicina.

En el caso de la cirugía, entre otros logros, dio lugar a la cirugía laparoscópica o cirugía de mínima invasión. La primera intervención de esta naturaleza fue una colecistectomía (extirpación de la vesícula biliar) que tuvo lugar en Bonn, Alemania en 1987, y fue realizada por el Dr. Erick Muhe. La operación fue un éxito, originó una revolución en las formas de realizar técnicas quirúrgicas en diversas especialidades, motivando una intensa investigación en todos los campos relacionados.

Los sistemas de laparoscopía convencional continuaron su evolución hasta dar lugar a sistemas de tercera dimensión. Poco después se introdujo el uso de robots o brazos mecánicos que bajo el mando del cirujano, intervienen quirúrgicamente a pacientes en las áreas de cirugía general, cirugía cardiovascular, cirugía pediátrica, ortopedia, urología y neurocirugía.

Los robots pueden ser manejados a distancia por los médicos especialistas, dando origen a la cirugía robótica, telepresencia, telecirugía o cirugía asistida por computadores. Esta se basa en dos conceptos fundamentales; realidad virtual y cibernética y se vislumbra como el arma quirúrgica del siglo XXI.

 

2. Evolución

En 1992, en Palo Alto CA el Ing. Philippe Green de S.R.I. (Stanford Research Institute) realizó investigaciones en manipulación remota, desarrolló prototipos de sensores y efectores maestro-esclavo para realizarla. Lo motivó la idea de que un grupo de cirujanos en diferentes especialidades, pudieran atender, desde un lugar seguro, emergencias en los campos de batalla. Lamentablemente no es posible su uso durante la guerra, debido a la gran interferencia de señales.

Casi de manera simultánea el Dr. Stephen Jacobsen de la compañía Sarcos de Utah, desarrolló brazos y manos robóticas que replican por control inalámbrico los movimientos humanos.

En 1993, en un hospital de la Jolla,CA, el Dr. Jonathan Sackier utiliza al robot ESOPO (creado por Computer Motion Inc. www.computermotion.com) como auxiliar para conducir el laparoscopio. Este robot es manejado por medio de palancas y comandos de pie.

En 1995 se formó la empresa Intuitive Surgical Inc., (www.intuitivesurgical.com) la cual adquirió los derechos de la investigación del Dr. Green e inició los trabajos de adaptación para su uso clínico fuera de campos de interferencia. Dos años después, el Dr. Jack Himpens intervino los primeros 5 pacientes con casos de cirugía laparoscópica por telepresencia a corta distancia, dentro del mismo quirófano en el hospital St. Blasius, en Bélgica.

 

De estas primeras evaluaciones surgieron modificaciones importantes que cristalizaron en una segunda generación del sistema, ahora llamado D´VINCI. Éste utiliza versiones del robot ESOPO, pero más evolucionadas, que obedecen comandos de voz del cirujano. Se integró al sistema, el software de intercomunicación HERMES que además de controlar el sistema robótico , maneja el equipo de quirófano, dando como resultado un "quirófano inteligente".Posteriormente se diseñó el robot ZEUS, con el cual en 1998, los cirujanos Antonio García Ruiz y Tomaso Falcone, realizaron plastías tubarias en 10 pacientes en Cleveland, Ohio.

Siguiendo adelante con la investigación, ZEUS visitó México en octubre del 2001, permitiendo la realización de más de 200 intervenciones quirúrgicas con el médico mexicano, Adrián Carbajal al mando de un equipo de especialistas de diversas nacionalidades.

Para implementar dicho proyecto, médicos e ingenieros de México, Bélgica y Estados Unidos conjuntaron investigación, análisis y creatividad para el desarrollo de la Cirugía de Telepresencia, donde el cirujano aporta sus conocimientos y el robot como esclavo ejecuta las órdenes del primero.

De 1994 a 2003, cientos de robots han auxiliado a cirujanos de varios países de Europa, Estados Unidos, Canadá y México a realizar más de 300,000 intervenciones. La investigación en cuanto a las posibilidades de la cirugía de telepresencia continúa en las áreas de cirugía cardiaca, ginecológica, cirugía del cerebro, de columna vertebral, cirugía pediátrica, urológica y fetal intrauterina.

 

3. Conceptos generales

La cirugía de telepresencia también llamada cirugía robótica o cirugía asistida por computadores es un sistema interactivo computarizado, tan veloz e intuitivo, que el computador desaparece de la mente del cirujano, dejando como real el entorno generado por el sistema.

A través de la realidad virtual, el cirujano determina las maniobras que el robot ejecutará en el paciente. La consola de mando donde trabaja el cirujano puede situarse en el mismo quirófano, y eventualmente en otro lugar de la misma ciudad o incluso en otro país.

La cirugía robótica o cirugía de telepresencia está basada en dos conceptos fundamentales que son:

  • Realidad virtual: Se habla de realidad virtual porque se logran los efectos de inmersión en 3a. dimensión, navegación, interacción y simulación, sólo que ésta es sustituida por tiempo real, es decir lo que se ve en 3a. dimensión en el monitor, es real y lo que se toca a través del robot, también es real.

  • Cibernética: En cuanto a cibernética, es la rama de la informática que digitaliza el movimiento y se divide en tres áreas importantes que son: autómata, biónica y robótica. Esta última estudia el desarrollo de robots que son mecanismos articulados programados, con partes mecánicas, motores, grados de libertad, cámaras, sensores, transductores, almacenamiento de información, programas especializados para procesamiento de datos, optimización de funciones e interfaces conectados a elementos ejecutores de tareas específicas.

Los robots pueden ser autónomos, los que necesitan de un programa diseñado para realizar ciertas actividades y esclavos, los que no tienen capacidad de movimiento autónomo y son absolutamente dependientes.

En la cirugía de telepresencia se utiliza un robot esclavo que no puede hacer ningún tipo de movimiento sin las órdenes del cirujano; es decir que es absolutamente dependiente del juicio, de los conocimientos y de la habilidad del médico. Consta de una estructura que semeja la anatomía de los brazos humanos, capaz de imitar los movimientos de diversas articulaciones como las del hombro, codo, muñeca y manos.

 

4. Sistema de Telepresencia

El sistema llamado "D´Vinci" de Intuitive Inc, uno de los mas difundidos a nivel mundial consta de los siguientes elementos: consola maestra, robot esclavo, instrumentos, interface gráfica de usuario y sistema de obtención de imagen.

Consola Maestra

Es la mesa de control donde el cirujano ejecuta los movimientos que habrá de simular el robot y está constituido por:

  • Manipulador maestro de instrumentos derecho.

  • Manipulador maestro de instrumentos izquierdo.

  • Pedal de activación de la unidad de electrocirugía.

  • Módulo electrónico que consta de: suministro de energía, banco de baterías e interface digital.

  • Visor estereoscópico de alta resolución conformado por dos monitores de 990 x 1313 líneas de resolución que proyectan las imágenes en una caja de espejos, mismos que permiten obtener la imagen en 3ª dimensión y al cirujano le permiten la sensación de inmersión.

Robot Esclavo

El robot esclavo se encuentra constituido por tres brazos, uno de ellos contiene el manipulador para la cámara y los otros dos, los manipuladores de instrumentos que reproducen los movimientos de las manos del cirujano realizados desde la consola.

Cada brazo robótico está constituido por un circuito impreso, un adapatador de interface remoto, motores, poleas, líneas de angulación y articulaciones, que pueden realizar movimientos con siete grados de libertad.

El robot esclavo se encuentra conectado al computador y a la consola por medio de cables, está montado en un soporte rodable, que permite instalarlo al lado de la mesa de operaciones.

Instrumentos

Los instrumentos son: tijera, bisturí, diferentes tipos de pinzas, ganchos, disectores y porta-agujas; todos ellos están dotados de retroalimentación táctil electrónica que transmite las sensaciones de presión, resistencia, flexibilidad, etc., permitiendo al cirujano "sentir" la cirugía. Estos instrumentos tienen una libertad de movimiento de cuatro grados y pueden intercambiarse durante la cirugía con la ayuda de la enfermera instrumentista, Asistente del Cirujano o de un Ingeniero Biomédico.

Los brazos de un ser humano tienen 29 grados de libertad de movimiento que realizan en tres planos cartesianos; por lo que puede realizar 594,823,321 movimientos. D'VINCI tiene 7 grados de libertad de movimientos en tres planos cartesianos o sea 117,649 movimientos, esto es el 0.019% del total de la capacidad del brazo del ser humano, cercano al que utiliza el cirujano en una cirugía convencional. Esta cifra es muy superior comparada con los 3 grados de libertad y 729 movimientos que podemos realizar con los instrumentos de cirugía laparoscópica convencional, y que representa el 0.00012% del total de la capacidad del brazo humano y 0.61 % de la capacidad del robot D'Vinci.

Interfase Gráfica de usuario

Un computador con procesador Pentium de 200 megaHertz y 64 megabytes de memoria RAM y 20 procesadores Sharc en el controlador constituyen el sistema. Usando esta interface es como el cirujano puede realizar la cirugía, ampliando o disminuyendo sus movimientos en escalas de (1: 1, 1 :3, 1 :5), reposicionando la cámara. La interface controla y mantiene la localización precisa de cada uno de los 48 motores (seis veces el número de motores de un robot estándar). El software implícito en esta interface garantiza la seguridad del paciente, pues si el cirujano hace un movimiento brusco, el sistema frena automáticamente, incluso elimina el temblor de las manos del cirujano y por lo tanto equilibra sus habilidades y potencía la precisión en sus acciones.

Sistema de obtención de Imágenes

El sistema de obtención de imagen es muy parecido al sistema convencional utilizado en cirugía laparoscópica; pero en 3a. dimensión real. Consta de una cámara doble que le permite obtener dos señales de video (canal derecho e izquierdo), que al integrarse conforman una señal de video estereoscópica, que es proyectada por dos monitores de alta resolución a un sistema conocido como "caja de espejos" para crear 3a. dimensión real, misma que provee al cirujano de la sensación de "inmersión" en el campo quirúrgico. Cuando el cirujano mueve la cámara en el campo operatorio, consigue el efecto conocido como "navegación".

5. Procedimiento

El cirujano se sienta cómodamente en una silla que puede ajustar a su altura y con el acercamiento que desee con respecto a la consola maestra, coloca su cabeza de manera que sus ojos se ajusten a los visores que le permiten ver imágenes reales del interior del paciente en 3a. dimensión.

El asistente del cirujano hace la incisión en un lugar determinado, cerca del órgano que se va a intervenir, e introduce los instrumentos del robot. El robot posee tres brazos, uno contiene la cámara y los otros dos portan el instrumental.

Mediante la cámara telescópica, el cirujano puede "navegar" dentro del cuerpo del enfermo, localizar el órgano afectado e interactuar con tijeras, pinzas, pinzas de sujeción, bisturí, electrocauterio, láser, disectores ultrasónicos y otros recursos quirúrgicos. El cirujano siempre está viendo los instrumentos que utiliza a través de los monitores.

Los movimientos de los brazos del robot, se originan en las manos del especialista por medio de instrumental igual al de una cirugía convencional, que se encuentra conectado en la consola maestra y que al moverlo genera comandos reales que pasan por un sistema avanzado de cómputo donde son digitalizados y editados a la velocidad de la luz, para luego transmitirlos al robot que ejecutará lo dispuesto.

Los instrumentos que se encuentran en los extremos de los brazos del robot son cambiados manualmente por el asistente a la orden del cirujano.

Al equipo quirúrgico moderno se ha integrado un Ingeniero Biomédico que controla los sistemas de cómputo y los sistemas de alta tecnología con los que hoy se realizan complejas intervenciones quirúrgicas. Las principales ventajas que otorga este sistema son las siguientes:

  • Permite una mayor precisión en los movimientos. El robot ejecuta las acciones que le son ordenadas por el médico, editándola por medio de un sistema de cómputo, es decir eliminando errores como el temblor que la mano humana tiene por naturaleza.

  • Posee un sistema de movimientos a escala de 1 a 1, de 1 a .3 y de 1 a .5, que les permite a los cirujanos hacer cirugía de alta precisión.

  • Las imágenes por medio de los visores telescópicos logran aumentar hasta 20 veces el tamaño normal, lo que permite al cirujano ver los órganos con más detalle.

  • Disminuye el sufrimiento de los pacientes, pues las incisiones que se realizan son entre 5 y 10 milímetros de diámetro, lo que representa suficiente espacio para permitir la entrada de los instrumentos del robot.

  • Reduce el tiempo de estancia hospitalaria de los pacientes, quienes pueden reincorporarse a sus actividades normales en un lapso no mayor a siete días.

  • Otorga mayor libertad de movimiento al cirujano que en una cirugía Laparoscópica tradicional.

  • Permite realizar operaciones a distancia, lo cual evita desplazarse tanto al paciente como al médico que la efectúa.

6. Cirugía Virtual
 
El entrenamiento quirúrgico tradicional de la cirugía requiere la exposición inmediata del médico a los pacientes reales. Las facetas mecánicas de la técnica quirúrgica, incluyendo la identificación de señales anatómicas, la manipulación del instrumento, y la reacción a los cambios en el campo quirúrgico, requieren pacientes vivos y asi como la interacción con un cirujano-profesor experimentado. Con los paradigmas propuestos por el entrenamiento en Realidad virtual, el cirujano bajo entrenamiento manipula los instrumentos que estan unidos a transductores de la fuerza.
 
Asi que es experimentado un ambiente visual que demuestra las estructuras anatómicas, y que cambia dentro del campo visual de acuerdo con las acciones tomadas usando los instrumentos virtuales (y con los cambios en el campo visual). Tal acercamiento es útil en aprender las maniobras quirúrgicas básicas. Este ambiente permite práctica ilimitada, limitado solamente por el realismo del campo quirúrgico virtual, hasta que el aprendiz-cirujano demuestra la suficiente adaptación manual, visual y espacial para poder tratar a pacientes reales.
 
Las mismas técnicas permiten que la exactitud de la técnica quirúrgica sea aumentada a niveles mayores que los experimentados en humanos. Por ejemplo, usando los instrumentos virtuales para activar dispositivos microroboticos. Los acercamientos a la microcirugía han sido desarrollados para suprimir efectos de la fatiga humana muscular natural así como el temblor después de largas horas de operación mientras que preservan la interacción realista entre el cirujano y el espacio. La extensión adicional de esta técnica permitirá en última instancia el funcionamiento adecuado de los procedimientos considerados actualmente como demasiado delicados para la mano humana. La combinación de estas técnicas con proyección de imagen integrada y mejorada por computador (como exploración de MRI, de CT) permite diagnósticos mucho mas exactos acerca de la realización de biopsias y procedimientos quirúrgicos. Las técnicas de VR están revolucionando la enseñanza y el aprendizaje de relaciones anatómicas.
 
 

7. Y Colombia?

Por primera vez en Colombia, un único cirujano realizó una   colecistectomía laparoscópica que, tradicionalmente, es practicada por un equipo de tres personas. Esto lo explica la llegada al país de Endoassist, un sistema robótico anterior al Da Vinci que le permite al médico dirigir los movimientos de la cámara con la cabeza, mientras con sus manos controla dos brazos mecánicos que sostienen los instrumentos quirúrgicos. La primera intervención fue realizada por el cirujano Roosevelt Fajardo, de la Fundación Santa Fe de Bogotá, a una mujer, de 55 años, a quién debía extraérsele la vesícula.

En este caso, Fajardo dirigió los movimientos de la cámara con su frente, en la que tenía adherida una venda con luz infrarroja, que se acciona con la presión de un pedal en la parte inferior del equipo. Con el Endoassist, la orientación se obtiene por medio de un esquema de centro de rotación remoto. El robot se sitúa sobre el paciente de tal forma que el centro de rotación esté sobre el punto de inserción quirúrgica.

Para Fajardo, representa un importante cambio en la realización de este procedimiento. “La idea es generalizarlo porque es sencillo. Se necesita una capacitación inicial y destrezas como coordinación cabeza-manos, pero no tiene un manejo complejo”, dice el especialista. Por eso, para ejecutar estos procedimientos, los cirujanos tendrán que ponerse al día en la técnica y capacitarse en el manejo de los brazos robot, equipos cuyo uso se ha extendido en el mundo. Para utilizar este equipo se requiere ser experto en prácticas laparoscópicas y tener amplios conocimientos en cirugía abierta, que le permitan cambiar el enfoque de la intervención si fuera necesario.

 
 
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Diego Enrique Nova Vaca - Medicina IV

denovav@unal.edu.co

CURSO DE CONTEXTO MUNDOS VIRTUALES-2005

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA