Realidade aumentada em ortopedia

A revolução digital já chegou há muito tempo à medicina. Vários procedimentos assistidos por computador também têm sido utilizados em cirurgia ortopédica há já algum tempo. Uma destas técnicas emergentes é a realidade aumentada, que remonta a 1968, quando Sutherland a descreveu pela primeira vez [1]. A realidade aumentada é caracterizada por uma extensão da percepção da realidade assistida por computador, o que significa especificamente que o ambiente real é alargado para o utilizador através de informação virtual. Isto contrasta com a realidade virtual, na qual o utilizador é exposto a um ambiente completamente virtual. Estas tecnologias são aplicadas principalmente através de um sistema baseado num monitor ou utilizando os chamados óculos de dados. Estes últimos estão a tornar-se cada vez mais populares, justificados pelo facto de o uso de óculos de dados oferecer um elevado grau de flexibilidade, o utilizador pode movimentar-se livremente na sala e manter sempre à vista a informação virtual. A crescente comercialização de óculos de dados disponíveis, tais como Google Glass (Google Inc., Mountain View, California, USA) ou Microsoft HoloLens (Microsoft, Redmond, WA) (Fig. 1) também contribuiu para isto.

Na cirurgia ortopédica, o planeamento e execução de intervenções cirúrgicas são frequentemente baseados em imagens de raios X ou TAC pré-operatórias ou intra-operatórias. As etapas individuais da respectiva operação, tais como a colocação de um implante ou a realização de uma osteotomia, são guiadas por esta imagem. Devido à natureza frequentemente mecânica das etapas individuais de uma intervenção ortopédica, a realidade aumentada parece consequentemente predestinada para ser utilizada como ajuda à navegação em ortopedia. Esta é provavelmente uma razão importante pela qual se pode observar um crescente interesse global por esta tecnologia na ortopedia [2]. Para além da vantagem das ajudas à navegação intra-operatória, a realidade aumentada na ortopedia também oferece outras aplicações possíveis, tais como a utilização no treino cirúrgico e no treino de intervenções específicas.

Vários estudos demonstraram que a utilização da realidade aumentada em cirurgia ortopédica tem o potencial de encurtar os tempos de procedimento, reduzir a exposição à radiação para o paciente e o cirurgião ortopédico em tratamento e aumentar a precisão dos respectivos procedimentos realizados. Segue-se uma visão geral das principais áreas de aplicação da realidade aumentada em cirurgia ortopédica até à data.

Navegação para a colocação de instrumentos e implantes

Durante uma intervenção ortopédica, o cirurgião ortopédico tem frequentemente de confiar na sua visão tridimensional para posicionar correctamente ou inserir os instrumentos e implantes necessários. A utilização da fluoroscopia intra-operatória (fluoroscopia) fornece apenas imagens bidimensionais e o cirurgião ortopedista em tratamento é confrontado com o desafio mental de transferir as imagens bidimensionais para a anatomia tridimensional real do paciente. Nesses casos, a realidade aumentada oferece o potencial de reduzir as variáveis dependentes do cirurgião para resultados pós-operatórios. Em termos concretos, isto pode ser feito, por exemplo, ao utilizar óculos de dados, sobrepondo o planeamento pré-operatório ao campo de visão do cirurgião ou sobrepondo o posicionamento correcto do instrumento ou implante por meio de um “holograma de sobreposição”. Num estudo de Sawbone, por exemplo, foi demonstrado que utilizando a realidade aumentada por meio de óculos de dados, através da qual a anatomia se sobrepunha ao situs intra-operatório, a precisão da inserção do parafuso do pedículo aumenta e a perfuração do pedículo ocorre com menos frequência [3]. Isto parece particularmente importante devido à proximidade anatómica das raízes nervosas e da medula espinal nesta difícil etapa cirúrgica, que é muito frequentemente utilizada em cirurgia da coluna vertebral no contexto da espondilodese.

Outra modalidade terapêutica que é frequentemente utilizada no tratamento de doentes com doenças da coluna vertebral é a chamada infiltração das articulações facetadas. Tais infiltrações são geralmente realizadas sob fluoroscopia ou navegação usando tomografia computorizada. Aqui, foi também demonstrado num estudo de Sawbone que as infiltrações nas articulações da face lombar podem ser realizadas com sucesso utilizando a realidade aumentada, sem o risco de colocação incorrecta da agulha e também com tempo de intervenção significativamente reduzido em comparação com as infiltrações de navegação tomográfica computorizada [4]. Para além da utilização da realidade aumentada em cirurgia da coluna vertebral para posicionamento de instrumentos ou implantes, esta tecnologia já está também a ser utilizada noutras subespecialidades ortopédicas. Por exemplo, um estudo fantasma mostrou que a precisão do posicionamento da taça durante a implantação de uma prótese total da anca, um dos procedimentos mais comuns em cirurgia ortopédica, poderia ser melhorada através da utilização da realidade aumentada [5]. Outro procedimento comum na cirurgia ortopédica e traumatológica é a osteossíntese intramedular das unhas, que é utilizada para várias fracturas do fémur ou da tíbia, entre outras. Um passo cirúrgico desafiante em tais procedimentos é a inserção percutânea dos parafusos de bloqueio distal sob controlo fluoroscópico. Sob navegação de realidade aumentada, esta etapa demonstrou ser realizada com uma média de apenas 2 imagens de fluoroscopia, em contraste com o método convencional, com o qual foi descrito que são necessárias até 25 imagens de fluoroscopia para colocar correctamente um parafuso de bloqueio [6].

Serão ainda necessárias numerosas etapas de desenvolvimento antes da aplicação generalizada da realidade aumentada para a chamada navegação holográfica “directa”. A navegação holográfica “directa” significa que um holograma é sobreposto ao cirurgião directamente sobre a estrutura anatómica correspondente, permitindo assim a navegação. Antes disso, as etapas de registo são obrigatórias para unir a realidade com a virtualidade. A primeira cirurgia holográfica directa da coluna vertebral no mundo foi realizada em Dezembro de 2020 no Hospital Universitário Balgrist como parte de um ensaio aleatório controlado.

Desempenho de osteotomias

As osteotomias têm sido sempre utilizadas em cirurgia ortopédica para corrigir uma grande variedade de deformidades ósseas. A osteotomia é definida como o corte cirúrgico direccionado de um osso a fim de subsequentemente corrigir a sua posição de modo a que o osso se consolide numa posição biomecânica e/ou funcionalmente óptima. As condições prévias para tais osteotomias correctivas são o planeamento pré-operatório preciso, bem como a implementação intra-operatória precisa da osteotomia e da correcção, de modo a que o paciente beneficie ao máximo de uma tal intervenção e não sofra de uma má posição persistente. Uma das osteotomias correctivas mais comuns actualmente em ortopedia é a osteotomia correctiva para o hallux valgus. Se tal procedimento não for planeado com precisão ou se a osteotomia e correcção não for realizada com precisão, pode potencialmente levar ao encurtamento do dedo grande do pé, o que por sua vez pode levar à transferência da metatarsogia e, portanto, a dores persistentes nos antepé. Devido a isto, estão a ser feitos grandes esforços para evitar tais problemas consequentes, e poderia ser demonstrado num estudo com modelo fantasma (Fig. 2) que utilizando realidade aumentada, os cirurgiões ortopédicos ainda menos experientes podem realizar uma osteotomia correctiva para o hallux valgus com maior precisão em comparação com o método convencional [7].

Outra e provavelmente uma das osteotomias mais desafiantes na ortopedia é a chamada osteotomia periacetabular. Isto é utilizado em pacientes seleccionados com displasia da anca e impacto femoroacetabular. A tomada pélvica displástica (acetábulo) é separada do resto da pélvis por meio de osteotomias tecnicamente exigentes e reorientada da forma mais fisiológica possível. Numa prova de estudo conceptual, já foi demonstrado que a utilização da realidade aumentada através da sobreposição holográfica dos planos de osteotomia correctos no campo de visão do cirurgião (Fig. 3) melhora a exactidão desta exigente osteotomia correctiva para cirurgiões menos experientes [8].

Cirurgia de tumores ortopédicos

A cirurgia de tumores ortopédicos é outro campo de aplicação predestinado para a realidade aumentada. Especialmente no caso de tumores malignos, uma ressecção completa do tumor é absolutamente necessária para o sucesso da terapia. Contudo, muitas vezes, a extensão exacta de um tumor ósseo não é directamente visível visualmente intra-operacional. Devido a isto, em tais casos o cirurgião está de novo dependente da sua imaginação tridimensional. A transformação mental da extensão do tumor, tal como determinada na imagem pré-operatória, no situs intra-operatório pode ser muito exigente, mas é decisiva para o doente. Por esta razão, há esforços contínuos para melhorar ainda mais a precisão das ressecções tumorais. Um avanço potencial aqui é também a utilização da realidade aumentada para visualizar continuamente a extensão exacta do tumor intra-operatoriamente para o cirurgião ortopédico que o trata. Em modelos animais, já foi demonstrado que utilizando a realidade aumentada com um sistema baseado em monitor (tablet PC), a margem de ressecção de tumores ósseos simulados em ossos tubulares longos [9] e na pélvis [10] poderia ser removida com maior precisão e com uma aderência mais fiável à margem de ressecção necessária em comparação com a ressecção convencional.

Educação e formação

A maioria dos procedimentos ortopédicos são baseados numa certa curva de aprendizagem. Quanto mais frequentemente um procedimento for realizado por um cirurgião ortopédico, melhores serão os seus resultados. No entanto, em algum momento da sua carreira, cada cirurgião ortopédico ainda está no ramo ascendente da curva de aprendizagem para um determinado procedimento. A fim de alcançar resultados ideais logo desde o início, estão a ser feitos esforços para tornar isto possível através da utilização da realidade aumentada. Por exemplo, foi demonstrado que residentes treinados em infiltrações articulares facetadas utilizando a realidade aumentada foram subsequentemente capazes de realizar infiltrações articulares facetadas utilizando o método convencional com mais precisão do que residentes treinados utilizando apenas o método convencional [11]. Além disso, já foi descrita a possibilidade da chamada ortopedia “tele-guiada”. Aqui, um cirurgião ortopédico experiente apoia um colega menos experiente, estando virtualmente ligado à operação através da realidade aumentada sem ter de estar fisicamente no local. Isto já foi demonstrado com sucesso no contexto de vários procedimentos de ombro tecnicamente exigentes [12,13].

Mensagens Take-Home

A aplicação da realidade aumentada em cirurgia ortopédica oferece o potencial de reduzir os tempos de procedimento, reduzir a exposição à radiação para o paciente e o cirurgião em tratamento, e aumentar a reprodutibilidade e precisão dos procedimentos.
O principal benefício da realidade aumentada até agora é que a informação adicional relevante pode ser sobreposta ao campo de visão do cirurgião ortopédico assistente durante etapas cirúrgicas definidas sem ter de se afastar repetidamente do campo cirúrgico.
Os estudos até à data sobre a realidade aumentada em ortopedia envolvem principalmente estudos de fantasmas e cadáveres. A primeira navegação holográfica directa sobre um paciente foi realizada em Dezembro de 2020 em Zurique, como parte de um estudo controlado.

Literatura:

Sutherland IE: visor tridimensional montado na cabeça. Proc Fall Joint Comput Conf 1968; 757-764.
Jud L, Fotouhi J, Andronic O, et al: Aplicabilidade da realidade aumentada em cirurgia ortopédica – Uma revisão sistemática. BMC Musculoskelet Disord 2020; doi: 10.1186/s12891-020-3110-2.
Dennler C, Jaberg L, Spirig J, et al: A navegação baseada na realidade aumentada aumenta a precisão da inserção do parafuso do pedículo. J Orthop Surg Res 2020; doi: 10.1186/s13018-020-01690-x.
Agten CA, Dennler C, Rosskopf AB, et al: Injecções de Facetas Lombares de Realidade Aumentada. Invest Radiol 2018; doi: 10.1097/RLI.0000000000000478.
Fotouhi J, Alexander CP, Unberath M, et al: Planear em 2D, executar em 3D: Uma solução de realidade aumentada para colocação de taça em artroplastia total da anca 2018; arXiv.
Londei R, Esposito M, Diotte B, et al: Realidade aumentada intra-operatória no bloqueio distal. Int J Comput Assist Radiol Surg 2015; doi: 10.1007/s11548-015-1169-2.
Viehöfer AF, Wirth SH, Zimmermann SM, et al: A osteotomia guiada pela realidade aumentada na correcção do hallux valgus. BMC Musculoskelet Disord 2020; doi: 10.1186/s12891-020-03373-4.
Kiarostami P, Dennler C, Roner S, et al: Osteotomia periacetabular guiada pela realidade aumentada – prova de conceito. J Orthop Surg Res 2020; doi: 10.1186/s13018-020-02066-x.
Cho HS, Park YK, Gupta S, et al: Realidade aumentada na ressecção de tumores ósseos: Um estudo experimental. Bone Jt Res 2017; doi: 10.1302/2046-3758.63.BJR-2016-0289.R1.
Cho HS, Park MS, Gupta S, et al: Pode a realidade aumentada ser útil na cirurgia do cancro do osso pélvico? Um estudo in vitro. Clin Orthop Relat Res 2018; doi: 10.1007/s11999.0000000000000233.
Yeo CT, Ungi T, U-Thainual P, et al: O efeito do treino de realidade aumentada na colocação percutânea da agulha nas injecções articulares da faceta espinhal. IEEE Trans Biomed Eng 2011; doi: 10.1109/TBME.2011.2132131.
Ponce BA, Jennings JK, Clay TB, et al: Telementoring: utilização da realidade aumentada na educação ortopédica: selecção de exposições AAOS. J Bone Jt Surg – Am Vol 2014; doi: 10.2106/JBJS.M.00928.
Ponce BA, Menendez ME, Oladeji LO, et al: Tecnologia emergente na educação cirúrgica: Combinando realidade aumentada em tempo real e dispositivos informáticos viáveis. Ortopedia 2014; doi: 10.3928/01477447-20141023-05.