Los usos de los robots quirúrgicos

En la actualidad, diferentes tipos de dispositivos son usados en distintas especialidades quirúrgicas y han sido categorizados por función, diseño o nivel de autonomía. Además, el término “robot” ha sido usado ampliamente y de alguna manera libremente, dada la cantidad variable de aporte humano requerido por cada sistema. Para clarificar, ya que esta publicación se dedica a las técnicas operatorias en cirugía general, este artículo se enfocará en sistemas maestro-esclavo asistidos por computadora, designados variablemente como asistentes quirúrgicos [3] o telemanipuladores quirúrgicos. Para facilitar, el término “robot quirúrgico” será usado alternativamente en el resto del artículo.
El desarrollo de los telemanipuladores quirúrgicos resultó de la convergencia de necesidades. La cirugía laparoscópica, a pesar de sus ventajas, ha introducido un número significativo de desafíos para el cirujano. Hay una pérdida de la sensación de tacto, grados limitados de movimiento (generalmente 4 grados de libertad contra los 7 de la mano y la muñeca), el efecto “fulcrum” que fuerza al cirujano a hacer movimientos contra-intuitivos con los efectores finales, disminución del rango de movimiento de los instrumentos, efecto amplificado del temblor fisiológico en el extremo de los efectores, destreza limitada y profundidad y campo visual deteriorados cuando no se emplea un sistema de doble cámara en 3D. La cirugía laparoscópica también requiere una curva de aprendizaje paso a paso y puede causar fatiga secundaria a la concentración adicional requerida para superar las debilidades señaladas [4].

A menos de 5 años de la primera cirugía laparoscópica reportada en los Estados Unidos (colecistectomía laparoscópica por McKernan y Saye en junio de 1988 [5]), la NASA y el U.S. Army, a través de DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) habían desarrollado un interés significativo en la cirugía por telepresencia, también llamada telecirugía. Esto implicaba la aplicación de tecnologías y técnicas quirúrgicas mínimamente invasivas a la distancia, utilizando un sistema maestro-esclavo, en donde el sistema maestro era controlado por el cirujano mientras que el sistema esclavo podía estar en otra habitación, otro país, o teóricamente en el espacio exterior, actuando sobre un paciente bajo el control del cirujano. Para el Ejército esto permitiría brindar atención médica que salvara vidas tan cerca del campo de batalla o del lugar de la lesión como fuera posible, reduciendo el tiempo para el tratamiento.

Mientras tanto, un grupo de ex-científicos de la NASA se movieron hacia el Stanford Research Institute (SRI) para continuar trabajando en la cirugía por telepresencia con un grupo multidisciplinario creciente formado por robotistas, expertos en modelaje y simulación, ingenieros biomédicos y cirujanos. Un proyecto iniciado por DARPA resultó en un sistema de prueba del concepto que fue utilizado en modelos animales. El Ejército y el Departamento de Defensa también proveyeron fondos adicionales para el desarrollo. Para fines de la década de 1990, varios de los investigadores habían formado entidades comerciales basadas en las tecnologías desarrolladas durante este excitante período [1,6,7]. Un grupo formó Computer Motion Inc (Goleta, CA) y desarrolló el AESOP (Automated Endoscopic Surgical System for Optimal Positioning) que era un manipulador de la cámara comandado por la voz [1]. Continuaron con el desarrollo de HERMES y finalmente con el sistema quirúrgico de telepresencia ZEUS. El sistema ZEUS obtuvo la aprobación de la FDA (Food and Drug Administration) para procedimientos torácicos en 2001 y para cirugía general laparoscópica en 2002 [8]. Otro grupo se convirtió en el Intuitive Surgical (Sunnyvale, CA) y licenció el SRI Green Telepresence Surgical System y, aplicando tecnología nuevas y existentes, desarrolló el sistema quirúrgico da Vinci [1,7]. El da Vinci obtuvo la aprobación inicial de la FDA para asistencia quirúrgica en 1997 y desde entonces ha obtenido la autorización para cirugía general laparoscópica (2000), prostatectomía radical laparoscópica y cirugías toracoscópicas (2001) y procedimientos de cardiomiotomía asistidos toracoscópicamente (2002) [9]. Como es frecuente en el caso de tecnologías emergentes competitivas, las batallas por la propiedad intelectual entre las dos compañías en combinación con un mercado limitado resultó en la fusión del Computer Motion con Intuitive Surgical en el año 2003. A pesar de ello y a pesar de que Intuitive no apoya más los productos de Computer Motion , muchos cirujanos continúan usando el ZEUS.

La calidad fundamental de los sistemas de asistencia quirúrgica es que son manejados por una computadora. Por lo tanto, el término “cirugía asistida por computadora” ha sido usado cada vez más para describir la cirugía utilizando esos dispositivos [3]. La computadora confiere casi todos los actuales beneficios de calidad de imagen, incluyendo 3D y capacidades estereoscópicas, filtrado del temblor, movimiento en escala y mejora de la destreza. La estructura física del dispositivo elimina el efecto fulcrum y los extremos de los efectores adquieren movilidad con 7 grados de libertad. Tanto el ZEUS como el da Vinci utilizan consolas para el médico y sistemas robóticos para el paciente [1,2,4,7]. Sus habilidades especiales son descritas a continuación.

ZEUS y da Vinci
El sistema ZEUS está compuesto de 3 brazos robóticos que se fijan a la mesa de operaciones (el “lado del paciente”) (Fig. 1) y la consola del cirujano (el “lado del cirujano”) que se ubica en cualquier lugar de la sala de operaciones (Fig. 2). El cirujano se sienta en una silla cómoda y usa los controles manuales para los dos brazos robóticos que tienen efectores finales intercambiables y comanda con la voz el tercer brazo robótico que sostiene la cámara (Fig. 3).

• FIGURA 1: el “lado del paciente” del sistema ZEUS consiste en un brazo controlado por la voz que sostiene la cámara y dos brazos quirúrgicos manejados por los controles manuales del cirujano. Los brazos se fijan a la mesa de operaciones.

• FIGURA 2: la consola del cirujano del ZEUS consiste en uno de varios monitores posibles en 2D o 3D y los controles manuales.

• FIGURA 3: el sistema ZEUS en “operación”.

Los efectores finales tienen 3.5 a 5 mm de diámetro y permiten 4 de 6 grados de libertad de movimiento más agarre, dependiendo de si están o no articulados. La computadora, que es parte de la consola del cirujano, puede manejar el temblor fisiológico con un algoritmo de filtrado y puede escalar los movimientos de la mano del cirujano a través de un rango de 2:1 a 10:1. Se han usado algunos sistemas de cámara y video para incluir sistemas en 2D de alta resolución y, más recientemente el Store 3D Imaging System (Karl Storz Endoscopy, Tuttlingen, Germany). Este sistema usa cámaras izquierda y derecha y las imágenes son procesadas por una computadora y se muestran en un monitor que utiliza una pantalla polarizada. Los cuadros de imagen de la izquierda y la derecha son ciclados a 120 Hz. El cirujano usa unos lentes pasivos circularmente polarizados (en el sentido de las agujas del reloj en un lente y en contra del sentido de las agujas del reloj en el otro lente) para percibir el entorno en 3D mediante la visualización con el ojo derecho de la imagen de la cámara derecha y con el ojo izquierdo la imagen de la cámara izquierda. En la actualidad no hay una retroalimentación del sentido del tacto (haptic) y, a diferencia de la laparoscopía tradicional, en donde existe una pequeña cantidad de retroalimentación a través de la resistencia en la punta del efector, aquí no existe dicho feedback [2,7,10].
Como fuera señalado anteriormente, después que Computer Motion  se fisionó con Intuitive Surgical en el 2003, el ZEUS no fue más apoyado por lo que su uso está en declinación.

El sistema da Vinci también tiene componentes para el lado del paciente y para el del cirujano (Fig. 4). El componente del lado del paciente, el carro, tiene una base móvil de la que se extienden 4 brazos articulados, uno para la cámara y tres para instrumentos. El brazo para la cámara puede sostener cámaras de 0º ó 30º, que consisten en sistemas de lentes dobles, con 2 cámaras de 3 chips en un contenedor de 12 mm (Fig. 5). Esto permite brindar al cirujano dos imágenes completamente separadas, una para cada ojo, resultando en un verdadera percepción en 3D de la imagen (Fig. 6).

• FIGURA 4: el lado del paciente o carro del sistema da Vinci. Un brazo sostiene la cámara y es manejado por pedales mientras que los 3 brazos quirúrgicos son manejados con los controles manuales del cirujano.

• FIGURA 5: cámaras con lentes dobles de 30º.

• FIGURA 6: el sistema de visión Insite  permite ver 2 imágenes completamente separadas, una para cada ojo del cirujano, brindando una verdadera percepción en 3D. 

Con este sistema es posible una magnificación de la imagen en 2X a 10X. Los brazos quirúrgicos tienen puertos de 8 mm a  través de los cuales se pueden introducir múltiples efectores terminales. Dichos efectores son manejados por cable y con el “endo-wrist”  se obtiene una movilidad natural con 7 grados de libertad (Fig. 7 y 8).

El componente del lado del cirujano, la consola quirúrgica, se ubica hasta 3 metros del carro y consiste en un visor binocular, controles para los dedos, cinco controles manejados con pedales (para la orientación y foco de la cámara, agarre, diatermia y un pedal adicional usualmente inactivo, para el control de instrumentos o dispositivos de imágenes adicionales a medida que se vayan desarrollando) y una computadora central (Fig. 9).

• FIGURA 7: ejemplos de efectores terminales del da Vinci. Se están desarrollando continuamente nuevos efectores para mejorar las capacidades y la seguridad del sistema. Los instrumentos poseen la funcionalidad endo-wrist  que les permite 7 grados de libertad de movimiento.

• FIGURA 8: la combinación de los efectores terminales con endo-wrist, junto con los controles manuales ergonómicos, permiten una interacción más natural entre el cirujano y la máquina.

• FIGURA 9: la consola quirúrgica del da Vinci se ubica hasta 3 metros del carro y consiste en un visor interno binocular, controladores operados con las manos, 5 controladores manejados con los pies y la computadora central.

El temblor es manejado por la computadora mediante un muestreo de los movimientos del cirujano a  1.500 Hz. El escalamiento del movimiento llega hasta 5X para cualquiera de los brazos quirúrgicos. Como con el ZEUS, no existe haptic feedback y no hay traslado de la retroalimentación como ocurre en la laparoscopía tradicional [4,7,11].

Una comparación entre los sistemas revela hallazgos interesantes. A lo largo de numerosos artículos científicos que incluyen uno que comparó los 2 sistemas robóticos “cabeza a cabeza” en un modelo porcino, las opiniones y los hallazgos parecen ser uniformes [12]. En general, los procedimientos pueden ser realizados efectivamente con ambos sistemas (en particular, con las últimas versiones de los mismos). No obstante, se ha reportado que el tiempo operatorio es más largo con el ZEUS. Los movimientos del instrumento son considerados más intuitivos y las curvas de aprendizaje han sido más cortas con el da Vinci. A pesar de esto, el ZEUS es el único sistema que está siendo utilizado en la actualidad para la telecirugía humana sobre grandes distancias, como en el caso de la práctica activa de Mehran Anvari entre Hamilton y New Bay, Ontario, a una distancia de unos 400 Km [13]. En la reunión de la American Telemedicine Association de 2005, se demostró que un da Vinci funcionaba bien en tele-enseñanza y realizando una nefrectomía en un modelo porcino. Esto ha sido realizado a distancias entre 900 y 2.400 millas [14]. La telecirugía será examinada más adelante en este artículo.

En relación con otros temas de utilización, los predecesores de ambos, ZEUS y da Vinci, fueron desarrollados para un uso potencial en los medio ambientes estrictos del espacio exterior y del campo de batalla; con todo, no se ha investigado suficientemente las cuestiones de peso y tamaño. Ambos sistemas son relativamente grandes, siendo el da Vinci substancialmente más grande y más pesado que el ZEUS. El ZEUS se beneficia de tener sus brazos que se ajustan a la mesa de operaciones mientras que el carro del da Vinci debe estar cerca de la misma. Ambos tienen cuestiones con respecto al impedimento de acceso para el paciente así como de amontonamiento en quirófanos a menudo ya superpoblados. El obstáculo más significativo, señalado en numerosas revisiones y trabajos técnicos, es el costo. El da Vinci cuesta en la actualidad $ 1.25 millones de dólares con unas expensas anuales por servicio de aproximadamente el 10%. Los instrumentos pueden ser utilizados 10 veces antes de necesitar su reemplazo a un costo de aproximadamente $ 2.000 dólares [15]. Estos costos continúan limitando el uso del da Vinci a primariamente grandes centros de investigación académica.

Procedimientos quirúrgicos

Cirugía torácica

En la revisión del estado actual de la cirugía robótica, es importante considerar la amplitud en constante expansión de los procedimientos realizados por estos sistemas. Esta revisión comenzará con la cirugía torácica y cardíaca, que está entre las áreas de más rápido crecimiento del uso de telemanipuladores robóticos. Esta revisión no incluirá a la cirugía ortopédica, neurocirugía o cirugía oftalmológica, dado que los dispositivos bajo consideración rara vez, si alguna, han sido usados en esas especialidades, en donde sistemas altamente específicos han sido y continúan siendo desarrollados.

La necesidad de altas fuerzas de torsión en ortopedia y la necesidad de instrumentos miniaturizados que trabajen en los estrecho entorno del ojo y del cerebro, limitan el uso del ZEUS y del da Vinci en esas especialidades.

En cirugía torácica no cardíaca, el ZEUS y el da Vinci han sido usados para realizar lobectomías pulmonares (para incluir la resección del tumor), neumonectomías y linfadenectomías. En el mediastino, timectomía por tumores y miastenia gravis han sido efectuadas por el da Vinci. También se han resecado tumores mediastinales posteriores y paravertebrales. La esofagectomía total, por múltiples patologías, ha sido realizada con ambos sistemas, con y sin las disecciones cervicales tradicionales. La miomectomía de Heller y la fundoplicatura de Nissen se han transformado en los procedimientos más comunes con ambos sistemas, con beneficios reportados, como menores perforaciones del esófago en el primero de los procedimientos nombrados. En estos casos, el posicionamiento del paciente y la ubicación de los trócares fueron los temas principales y este es el caso para todos los procedimientos señalados aquí. Aunque los casos, vistos grupalmente, requirieron más tiempo para ser realizados, se ha notado uniformemente que los mismos disminuyen con la experiencia, igualando o disminuyendo en algunos casos el tiempo operatorio de la laparoscopía convencional. En general, el patrón para todos los procedimientos presentados ha sido que el uso de la robótica disminuyó las complicaciones y la estadía hospitalaria, pero la evidencia es variable y, por lo tanto