Planning and registration techniques for image-guided robotic spinal surgery

Resumen

Este trabajo presenta los sistemas de planificación y guiado de un Nuevo robot cooperativo diseñado para la cirugía de columna. Este ha sido desarrollado específicamente para la artodresis lumbar, la cual consiste en la inmovilización de dos o más vértebras mediante tornillos y barras metálicas. Sus protocolos clínicos convencionales tienen altos niveles de invasividad, elevada exposición a radiación ionizante, difícil visualización del área de trabajo y probabilidades considerables de inserciones incorrectas de los tornillos. Todos estos problemas pueden ser resueltos usando un robot asistente, capaz de trabajar de manera cooperativa con el cirujano proporcionándole un posicionamiento estable y preciso del instrumental quirúrgico. En esta tesis se presenta una revisión exhaustiva del estado del arte en la robótica quirúrgica para las operaciones de columna, con énfasis en la investigación hecha en los últimos diez años. Este estudio muestra que estos robots aún están en una fase temprana de su desarrollo y se ven enfrentados a desafíos considerables, sobre todo llegar a los niveles de precisión exigidos por estudios clínicos. En esta tesis se presenta también una nueva aplicación informática para la planificación de cirugías junto con una nueva librería de software para el registro 2D-3D. Este último es una pieza fundamental del sistema robótico propuesto, ya que permite la localización precisa del paciente a partir de sus datos pre (3D) e intra-operatorios (2D), estos últimos en forma de radiografías. Pese a que el registro 2D-3D ha sido estudiado durante muchos años, los investigadores se han visto afectados por la falta de software apropiado, la cual ha sido cubierta con la librería propuesta en este trabajo. El registro 2D-3D incluye los sub-problemas de calibración y corrección de la distorsión en los arcos quirúrgicos. Estos han sido abordados en esta tesis proponiendo un nuevo algoritmo capaz de resolver ambos, permitiendo también la reconstrucción de puntos tridimensionales a partir de sus proyecciones. El método propuesto es preciso, robusto y rápido a la vez, encajando de manera adecuada dentro de los estándares exigidos para una aplicación quirúrgica. Finalmente, durante esta tesis se ha estudiado la integración de los diferentes componentes del sistema robótico propuesto, exponiendo los primeros resultados experimentales obtenidos en modelos sintéticos. Pese a que no ha sido posible llevar a cabo la integración del sistema de registro 2D-3D, se ha observado que el sistema completo tiene el nivel de precisión necesario para su uso en cirugía. Como trabajo futuro se contempla completar el proceso de integración y realizar los primeros experimentos con cadáveres o animales.