Introduzione alla tecnologia di navigazione nella chirurgia spinale

La posizione precisa degli impianti spinali è stata a lungo una pietra angolare della chirurgia della colonna vertebrale di successo. Le viti, le aste o le gabbie malposizionate possono portare a lesioni della radice del nervo, il compromesso vascolare, la pseudarthrosis e la necessità di procedure di revisione. Le tecniche tradizionali della mano libera si basano su punti di riferimento anatomici e l'esperienza del chirurgo, ma anche in mani esperte, il tasso di spostamento della vite varia dal 5% al 15% a seconda del 5% al 15% della tecnologia di trasformazione espandante.

I moderni sistemi di navigazione integrano immagini in tempo reale con un monitoraggio assistita dal computer per fornire ai chirurghi una visione dinamica e tridimensionale dell’anatomia del paziente durante tutto il processo. Collegando strumenti chirurgici a scansioni preoperative o intraoperative, queste piattaforme consentono la precisione dei sottomillimetri nel posizionamento degli impianti. L’adozione della navigazione nella chirurgia della colonna vertebrale ha accelerato nel decennio precedente, mediante il montaggio di prove dei suoi benefici clinici e del decrescente costo dell’hardware di calcolo delle prestazioni.

Questo articolo esplora i tipi di tecnologie di navigazione utilizzate nella chirurgia spinale, i loro vantaggi, limitazioni e le prove cliniche che sostengono il loro ruolo nel miglioramento dell'accuratezza degli impianti.

Contesto storico ed evoluzione della navigazione spinale

Il concetto di chirurgia guidata dall’immagine risale agli anni Novanta quando i sistemi stereotattici senza cornice entrarono in neurochirurgia. I primi sistemi per applicazioni della colonna vertebrale utilizzavano il tracciamento ottico degli strumenti relativi alle scansioni CT preoperative. Mentre questi fornivano un significativo balzo sulla fluoroscopia da solo, richiedevano una fissazione rigida degli array di riferimento alla colonna vertebrale e un’attenta registrazione dell’immagine all’anato paziente.

I miglioramenti tecnologici nella risoluzione delle telecamere, gli algoritmi di tracciamento e l'hardware dell'immagine hanno costantemente migliorato l'affidabilità. L'introduzione della fluoroscopia intraoperativa CT e 3D ha eliminato la necessità di registrazione manuale in molti casi, poiché lo scanner potrebbe acquisire un volume che è stato automaticamente co-registrato al tracker degli strumenti.

Oggi, la navigazione spinale non è più uno strumento di nicchia riservato ai centri accademici, è diventato uno standard di cura in molti ospedali per la deformità complessa, la chirurgia di revisione, e la fusione traforaminale lombare minimamente invasiva (MIS-TLIF). L'evoluzione continua con auricolari realtà aumentata (AR), segmentazione artificiale (AI)-attivata, e feedback biomeccanico in tempo reale.

Tipi di tecnologie di navigazione

I sistemi di navigazione spinale rientrano in tre categorie principali basate sulla modalità di imaging e sul metodo di tracciamento impiegato, ognuna delle quali ha punti di forza unici e scenari di utilizzo ottimale.

La navigazione a base di fluoroscopico utilizza un tradizionale braccio C o un braccio O per ottenere immagini intraoperative 2D o 3D. In modalità 2D, il sistema acquisisce continuamente immagini a raggi X e sovrapposizioni posizioni degli strumenti sulla vista fluoroscopica live. Questo è particolarmente utile per il posizionamento delle viti a pedicle percutaneo e per la verifica della necessità di feedback in tempo reale.

I vantaggi includono un costo di capitale inferiore rispetto agli scanner CT dedicati, la compatibilità con le impostazioni OR esistenti e, nel caso della modalità 2D, l'imaging continuo senza radiazioni aggiuntive dal sistema di navigazione stesso. Tuttavia, la fluoroscopia 2D non ha le informazioni di profondità necessarie per i casi di deformità complesse, e la fluoroscopia 3D ha spesso un campo visivo più piccolo di una scansione completa CT, che può richiedere molteplici acquisizioni.

Gli scanner TC intraoperativi dedicati, come le unità TC O-arm o cone-beam, forniscono immagini 3D ad alta risoluzione che comprendono l'intero campo chirurgico. La TAC preoperativa può essere utilizzata anche, ma la scansione intraoperativa cattura il paziente nella posizione chirurgica esatta, tenendo conto di eventuali cambiamenti posturali dalla scansione diagnostica. La registrazione è tipicamente automatica utilizzando marcatori fiduciali o corrispondenti alla superficie, e il sistema di navigazione traccia strumenti relativi al volume CT.

La navigazione a base di CT offre la massima precisione spaziale (spesso <1 mm) ed è la modalità preferita per la correzione complessa della deformità, la chirurgia di revisione dove l'anatomia è distorta e il posizionamento degli impianti nel sacrum o nel bacino. I principali svantaggi sono l'alto costo dell'unità CT, la necessità di schermatura delle radiazioni, e il potenziale per l'artefatto metallico da impianti precedenti a degradare qualità dell'immagine.

Sistemi di monitoraggio ottici ed elettromagnetici

La tecnologia di monitoraggio determina la posizione degli strumenti chirurgici relativi all’anatomia del paziente. I sistemi ottici utilizzano telecamere a infrarossi per rilevare diodi emettenti (indicatori attivi) o sfere riflettenti (indicatori passivi) attaccate ad un telaio di riferimento fisso alla colonna vertebrale e agli strumenti. Questi sistemi forniscono un’elevata precisione (0,0,3 mm) e un grande volume di lavoro, ma richiedono una linea chiara di visione tra la fotocamera e gli strumenti.

Il monitoraggio elettromagnetico (EM) utilizza un generatore di campo che emette un campo magnetico a bassa frequenza. I sensori sugli strumenti e il telaio di riferimento riportano la loro posizione all’interno del campo. I sistemi EM non richiedono la linea di vista, rendendoli ideali per procedure minimamente invasive in cui gli strumenti passano attraverso piccole incisioni e le mani del chirurgo sono vicine al campo. Tuttavia, l’accuratezza EM può essere degradata da oggetti metallici ferromagnetici (es.

Vengono inoltre emerse sistemi ibridi che combinano il tracciamento ottico ed EM, offrendo il meglio di entrambe le tecnologie in una singola piattaforma.

Prove cliniche e vantaggi della navigazione per l'accuratezza dell'implant

Un grande corpo di letteratura sostiene la pretesa che la navigazione migliora l'accuratezza del posizionamento dell'impianto spinale. Le recensioni sistemiche e le meta-analisi riportano costantemente tassi significativamente inferiori di spostamento della vite pedicleo quando la navigazione viene utilizzata rispetto alla tecnica della mano libera. Ad esempio, una meta-analisi 2019 di oltre 25.000 viti ha trovato un tasso di malposizione in pool del 6% nel gruppo di mani libere contro il 2,3% nel gruppo navigato — una riduzione del beneficio più attivo.

La navigazione riduce anche l'incidenza di violazioni clinicamente significative che portano all'irritazione delle radici nervose o all'insufficienza hardware. In un prospetto di oltre 2.000 viti poste con la navigazione intraoperativa basata su CT, solo lo 0,8% ha richiesto la revisione a causa della malposizione, rispetto ai tassi storici del 3-5 % con la tecnica a mano libera.

Oltre all'accuratezza, la navigazione offre diversi vantaggi a valle:

  • Tempo operativo ridotto:[ Anche se l'impostazione del sistema di navigazione aggiunge alcuni minuti, il tempo chirurgico generale spesso diminuisce perché sono necessarie meno immagini fluoroscopiche e il chirurgo può posizionare gli impianti più con fiducia senza controlli ripetuti. Uno studio del 2021 ha riferito una riduzione del 25% del tempo totale O per MIS-TLIF navigato rispetto alla fluoroscopia convenzionale.
  • Irraggiamento basso:[ Per la chirurgia tradizionale a fluoroscopia, il chirurgo e il paziente ricevono radiazioni cumulative, soprattutto durante i casi di deformità lunga. La navigazione che utilizza la TAC intraoperativa espone il paziente ad una singola scansione, ma il chirurgo può lasciare la stanza.
  • Sicurezza avanzata nella chirurgia minimamente invasiva:[ Nelle procedure percutanee, la navigazione permette al chirurgo di posizionare viti senza visualizzazione diretta dei punti di riferimento ossei.
  • Migliori risultati a lungo termine:[] Il posizionamento accurato dell'impianto correla con i tassi di fusione, meno bisogno di chirurgia di revisione, e minori tassi di malattia del segmento adiacente. Uno studio del 2022 con follow-up di 5 anni ha dimostrato che i pazienti che hanno subito la fusione strumentale navigata hanno un rischio del 30% di pseudarthrosi sintomatica.

La prova è abbastanza forte che diverse società professionali, tra cui la North American Spine Society (NASS), ora raccomandano la navigazione per la chirurgia complessa della colonna vertebrale e per il posizionamento della vite del frontone toracico.

Sfide e limitazioni

Nonostante i suoi vantaggi, la navigazione spinale non è senza sfide, la comprensione di queste limitazioni è fondamentale per una corretta implementazione e per evitare una eccessiva affidabilità della tecnologia.

Requisiti di costo e risorse

L'investimento iniziale per un sistema di navigazione varia da $ 200.000 a $500.000 per la fotocamera e il software, oltre al costo di uno scanner TC intraoperativo se non già disponibile (un altro $ 300.000–$700,000).

Curva di apprendimento

I chirurghi abituati alla tecnica a mano libera devono imparare a interpretare i dati navigati mantenendo la consapevolezza della situazione. La curva di apprendimento iniziale (stimata 20–50 casi) comporta diventare confortevole con registrazione, calibrazione degli strumenti e affrontare gli errori tecnici comuni. Durante questo periodo, i tempi chirurgici possono aumentare e l'accuratezza non possono immediatamente corrispondere a risultati a mano libera.

Inadempienza e imprecisioni tecniche

La navigazione dipende dall’integrità del punto di riferimento fissato alla spina dorsale del paziente. Se il telaio di riferimento si sposta (ad esempio, a causa di riposizionamento del paziente o collisione dello strumento), l’intera navigazione diventa inesatta. I chirurghi devono verificare regolarmente l’accuratezza toccando un punto di riferimento anatomico noto e confrontando la posizione dello schermo al vero.

Sfide di registrazione

Nella navigazione a base di CT, la registrazione tra l'immagine e il paziente può essere difficile in presenza di osteopenia grave, grandi manufatti metallici, o quando solo un numero limitato di punti fiduciali sono accessibili.

Le direzioni future

Il campo della navigazione spinale continua ad evolversi rapidamente, e diverse innovazioni all'orizzonte promettono di migliorare ulteriormente l'accuratezza, ridurre i costi e ampliare l'accesso.

Realtà aumentata (AR) Microscopia chirurgica

Gli auricolari o i display a microscopio AR possono sovrapporre le informazioni di navigazione direttamente sulla visione del paziente del chirurgo, eliminando la necessità di guardare un monitor separato e riducendo la fatica del movimento della testa.

Intelligenza artificiale e apprendimento automatico

Gli algoritmi AI possono aiutare nella segmentazione automatica delle immagini CT, nell'identificazione dei punti di ingresso pedicle, e anche nella stima in tempo reale dei parametri della traiettoria a vite. Combinati con la navigazione, l'IA può ridurre il carico cognitivo sul chirurgo e ridurre il tempo di pianificazione.

La convergenza della robotica e della navigazione ha prodotto piattaforme come il Mazor X e Globus ExcelsiusGPS. In questi sistemi, il braccio robotico posiziona una guida di perforazione o cannula lungo la traiettoria pianificata, sia sotto il controllo del chirurgo che semi-autonomo. Il braccio robotico compensa il tremore della mano e fornisce una guida fisica particolarmente utile negli approcci minimimente invasivi.

Immagine intraoperativa adattiva

I sistemi di navigazione futuri possono incorporare immagini flessibili che si adattano all’anatomia del paziente in tempo reale. Ad esempio, la navigazione a ultrasuoni viene esplorata come alternativa senza radiazioni per alcune procedure, soprattutto nei pazienti pediatrici. Un altro approccio promettente è l’uso di strumenti a sensore che comunicano con il sistema di navigazione per fornire feedback aptico, una vibrazione di avvertimento quando il trapano si avvicina a una struttura critica.

Riduzione dei costi e Portabilità

Gli sforzi sono in corso per sviluppare sistemi di navigazione compatti e a basso costo che possono essere utilizzati in ambienti ambulatoriali e limitati alle risorse. I sistemi basati su tablet con telecamere e software integrati stanno già entrando in studi clinici. Se riuscissero, potrebbero democratizzare l'accesso alla navigazione, consentendo a più chirurghi in tutto il mondo di eseguire un preciso posizionamento dell'impianto spinale.

Diagnostica clinica: Quando usare la navigazione

Non ogni caso della colonna vertebrale richiede la navigazione. I chirurghi devono pesare i benefici contro il tempo di installazione aggiunto, il costo e l'esposizione alle radiazioni.

  • Posizionamento a vite pedicure toraciche, dove il rischio di malposizione è più alto.
  • Chirurgia di revisione con anatomia distorta o hardware precedente.
  • Procedure mini-invasiva dove la visualizzazione diretta è limitata.
  • Correzione complessa di deformità, specialmente quando combinato con osteotomie.
  • Posizionamento delle viti S2-alar‐iliac o iliac nella fissazione pelvica.

Per una fusione lombare semplice a livello singolo con adeguati punti di riferimento osseo in un paziente sano, la tecnica di freehand rimane accettabile, soprattutto per i chirurghi con esperienza estesa. Tuttavia, come accumulano dati più esiti, la soglia per l'utilizzo della navigazione continua a diminuire.

Conclusioni

L'integrazione della tecnologia di navigazione in chirurgia spinale ha notevolmente migliorato la precisione del posizionamento degli impianti, portando a procedure più sicure e migliori risultati dei pazienti. Dai sistemi orientati alla fluoroscopia alle piattaforme robotiche avanzate, ogni tecnologia offre punti di forza unici che si adattano a diversi scenari clinici.

Per ulteriori informazioni sui risultati clinici, vedere 2020 recensione sistematica sulla precisione della vite pedicle con la navigazione[[] e ] Guida clinica NASS sulla navigazione nella chirurgia della colonna vertebrale[]. Ulteriori informazioni sulla navigazione assistita robotica possono essere trovate nella 2023 meta-analisi del posizionamento robot contro vite freehand[5]