Los dispositivos robóticos blandos tienen muchas características deseables para aplicaciones de cirugía mínimamente invasiva (CMI), pero aún quedan muchos retos interdisciplinarios por resolver. Para conocer el estado actual de las tecnologías, se realizó una búsqueda por palabras clave en las bases de datos Web of Science y Scopus. A partir de la lista de artículos resultante, se realizó una selección de artículos basada en criterios de inclusión y exclusión, que se utilizaron para comparar diversas características de los dispositivos robóticos blandos para CMI. Se observó una baja diversidad en los diseños de los dispositivos y un alto nivel de detalle en las capacidades técnicas. Proponemos una metodología de comparación estandarizada para caracterizar la robótica blanda para diferentes aplicaciones de CMI con el fin de ayudar a los diseñadores a producir la próxima generación de dispositivos.
1 Introducción
La cirugía mínimamente invasiva (CMI) utiliza instrumentos quirúrgicos largos, rígidos o flexibles, que se introducen en el cuerpo a través de pequeñas incisiones o aberturas naturales. En cambio, la cirugía abierta implica realizar grandes incisiones en el cuerpo para llegar directamente al lugar deseado. El objetivo de la CMI es realizar una intervención quirúrgica de la forma más segura y rápida posible, minimizando el daño a los tejidos circundantes. La CMI se utiliza cada vez más como alternativa a la cirugía abierta, ya que puede ofrecer mejoras en la seguridad del paciente, el aspecto estético, el tiempo de recuperación, la duración de la estancia hospitalaria, el número de complicaciones postoperatorias y menos dolor [1]. Esta revisión es un resumen detallado de la bibliografía actual sobre nuevos dispositivos robóticos blandos para la CMI.
En el centro de la CMI se encuentra el campo de la endoscopia, el proceso de observación del interior del cuerpo mediante la inserción directa de un dispositivo óptico en la zona de interés. El dispositivo óptico se denomina endoscopio. Existen diferentes tipos de endoscopios. Hoy en día, un endoscopio se refiere generalmente a un tubo largo y flexible de aproximadamente 1,5-2 metros de longitud, equipado con una cámara de alta resolución y una fuente de luz en la punta del endoscopio. El cabezal puede controlarse activamente mediante dos mandos giratorios accionados con el pulgar situados en el extremo operativo. Normalmente, hay canales de trabajo a lo largo del endoscopio para el suministro de aire y agua y aquellos a través de los cuales se pueden insertar de forma flexible pequeños instrumentos para realizar procedimientos terapéuticos sencillos. Los endoscopios flexibles de este tipo se utilizan para visualizar el tracto gastrointestinal superior (gastroscopio) y el tracto gastrointestinal inferior (colonoscopio). Sin embargo, también se utilizan endoscopios rígidos de diferentes longitudes y diámetros en muchas aplicaciones, por ejemplo para visualizar el abdomen (laparoscopio), el cerebro (neuroendoscopio), las articulaciones (artroscopio) y el esófago (esofagoscopio). Existen diversos procedimientos endoscópicos que permiten diagnosticar o tratar distintas partes del cuerpo. Los endoscopios flexibles y rígidos pueden variar en diámetro y longitud según la aplicación y el paciente.
Los instrumentos quirúrgicos permiten al cirujano agarrar, diseccionar, extirpar y suturar tejido del interior del cuerpo [2]. Un ejemplo habitual de CMI es la cirugía endoscópica para intervenciones abdominales, en la que se introduce en el abdomen un laparoscopio y dos o tres instrumentos quirúrgicos largos y rígidos con un diámetro típico de unos 5 mm a través de varias incisiones pequeñas individuales. Se han desarrollado varios enfoques para que la CMI sea aún menos invasiva y permita nuevos procedimientos que no son posibles con la cirugía abierta tradicional. Uno de estos enfoques mejorados es la cirugía laparoscópica de incisión única, en la que no sólo se introduce un laparoscopio sino también dos instrumentos rígidos a través de una única incisión más grande en el abdomen, preferiblemente en el ombligo, lo que reduce el número de incisiones pero aumenta la dificultad del procedimiento. La cirugía endoscópica transluminal por orificio natural (NOTES) es una técnica en la que se accede al abdomen a través de un largo endoscopio flexible que se introduce por la boca, el ano o la vagina, con la ventaja de evitar por completo las incisiones abdominales [3]. En lugar de incisiones, NOTES se realiza a través de incisiones internas que permiten al endoscopio pasar entre estructuras tubulares del cuerpo, conocidas como lumen, hasta cavidades vecinas. La CMI también puede llevarse a cabo en el cerebro mediante la extirpación de una porción del cráneo y la colocación de un puerto a través del cual se pasa un neuroendoscopio e instrumentos quirúrgicos para acceder al tejido diana en las profundidades del cerebro [4].
La CMI se asocia a espacios de trabajo pequeños, fácilmente deformables, dinámicamente cambiantes y desestructurados, a una escasa visibilidad con pocos marcadores visuales para la orientación y al uso de instrumentos largos y estrechos. Los instrumentos largos y rígidos utilizados en algunas formas de CMI dificultan su uso debido al denominado efecto fulcro, provocado por el punto de inserción del instrumento en el cuerpo. El instrumento rígido gira alrededor de este punto, invirtiendo los movimientos del cirujano y aumentando el temblor de la mano [5]. En los actuales enfoques robóticos de CMI, un cirujano controla un dispositivo robótico rígido, que a su vez controla el movimiento de los instrumentos quirúrgicos modificados. Las fuerzas ejercidas en la punta de los instrumentos laparoscópicos operados manualmente pueden oscilar entre 0,1 y 10 N [6]. Los diseñadores de sistemas robóticos se esfuerzan por conseguir un rendimiento similar. Además, los sistemas robóticos ofrecen precisión, estabilidad, escalado del movimiento y otras ventajas, pero debido a su inmovilidad y, en algunos casos, a su tamaño, no pueden recorrer trayectorias tortuosas, lo que significa que no pueden acceder a toda la anatomía diana. Si no se puede acceder a la zona quirúrgica con dispositivos rígidos, se utilizan endoscopios e instrumentos flexibles. Sin embargo, si no pueden utilizarse dispositivos flexibles, la cirugía abierta puede ser la única opción. En los sistemas robóticos con múltiples instrumentos, también hay que tener en cuenta la posibilidad de colisión de los instrumentos [7], lo que hace más compleja la manipulación de los instrumentos debido a la superposición de sus zonas de trabajo. Cuando se utilizan algunos sistemas robóticos, también surgen dificultades a la hora de cambiar los instrumentos durante un procedimiento.
El uso de instrumentos difíciles de utilizar alarga los procedimientos y conlleva un alto riesgo de causar daños no deseados al paciente [8]. Además, a veces son necesarios años de formación para convertirse en un experto en su uso. El dolor del paciente suele deberse a que los instrumentos deforman o perforan el tejido circundante, lo que puede deberse al uso de instrumentos endoscópicos demasiado rígidos [9]. El uso de dispositivos flexibles también puede causar daños o dolor al paciente. Un ejemplo de ello es la formación de bucles en el colon durante la colonoscopia. [10]. Además, sigue habiendo problemas de posicionamiento, destreza, transmisión de fuerza y visualización cuando se utilizan instrumentos y endoscopios flexibles [11]. La investigación en el campo de la robótica blanda pretende aunar la controlabilidad de la robótica rígida, la capacidad de los instrumentos flexibles para llegar a zonas de difícil acceso y la seguridad de los materiales blandos.
El campo de la robótica blanda se centra en el uso de materiales blandos y flexibles para construir dispositivos robóticos. Gracias a sus materiales de fabricación, los robots blandos son ideales para entornos desestructurados y para uso humano, ya que pueden deformarse según su entorno [12]. Esto difiere del enfoque de diseño robótico tradicional, en el que se utilizan materiales rígidos tanto para las articulaciones como para las uniones robóticas. La robótica blanda es excelente para aplicaciones médicas en las que evitar traumatismos y dolor al paciente es de vital importancia [13]. Debido a los retos a los que se enfrentan los MIS, el cumplimiento de la normativa, la capacidad de ajustar la rigidez variable y la seguridad del paciente son algunos de los criterios de diseño más importantes [14]. La robótica blanda cumple en buena medida estos requisitos. Según la experiencia de los autores, los materiales blandos logran una gran aceptación por parte de los pacientes en comparación con los dispositivos robóticos fabricados con materiales metálicos u otros materiales rígidos. Un grupo de pacientes con cáncer colorrectal consideró que un aspecto no intimidatorio es más importante que la sección transversal del dispositivo. Los clínicos especializados en aplicaciones del tracto gastrointestinal y familiarizados con sus delicadas propiedades mecánicas también expresaron su preferencia por dispositivos blandos que tuvieran menos probabilidades de causar dolor y traumatismos a los pacientes.
Por desgracia, cuando se utilizan dispositivos robóticos blandos hay que hacer muchas concesiones a cambio de aumentar la seguridad del paciente. Entre ellos se incluyen un menor esfuerzo de fuerza, una menor capacidad de control y una falta de capacidad de detección, como se comenta en Hughes et al [15], por ejemplo. La simulación de robots blandos es difícil y costosa desde el punto de vista informático porque los materiales flexibles responden de forma no lineal a la carga y los dispositivos blandos tienen muchos grados de libertad, lo que dificulta el diseño predecible de robots blandos [16]. Los robots blandos pueden lograr grandes cambios de volumen, forma y rigidez que son imposibles para los robots convencionales, lo que les confiere una ventaja única. La utilización de estas capacidades y la superación de los problemas de escaso esfuerzo de fuerza y controlabilidad proporcionarán las herramientas de próxima generación para la CMI.
Una de las ventajas de los materiales blandos es que suelen ser más económicos, fáciles de conseguir y de manejar; la ventaja más citada es la amplia gama de elastómeros que se utilizan en gran parte de la investigación actual. Mediante el uso de materiales blandos de bajo coste y nuevas técnicas de fabricación, también es posible diseñar robots pensados para su uso en CMI como producto desechable, que sean específicos para cada paciente, que sean de bajo coste o que puedan fabricarse mediante prototipado rápido. Dado que los robots blandos son menos costosos que los sistemas robóticos tradicionales, tienen el potencial de estar ampliamente disponibles, lo que los convierte en un candidato para enfoques de diseño frugales con un alto valor de utilidad. Los avances en materiales y fabricación aumentarán el potencial de la robótica blanda específica para pacientes en el futuro. Sin embargo, es posible que en el futuro haya requisitos normativos adicionales para los productos sanitarios personalizables. Caso por caso, los fabricantes deben garantizar que cada dispositivo personalizado cumpla los requisitos de calidad y seguridad adecuados; por lo tanto, es sumamente importante contar con un proceso de fabricación fiable.
El objetivo de esta revisión es ofrecer una visión general de los dispositivos robóticos blandos que se están desarrollando en el campo de la CMI, para que los diseñadores puedan encontrar más fácilmente nuevas formas de superar los numerosos retos a los que se enfrentan actualmente.
La siguiente sección informa sobre la metodología utilizada para llevar a cabo la revisión bibliográfica, seguida de una descripción del proceso de comparación y de los resultados de la revisión bibliográfica. Los ámbitos de aplicación de los dispositivos incluyen procedimientos endoscópicos con fines tanto diagnósticos como terapéuticos. En el resto de la revisión se describen con más detalle los principios de funcionamiento y los materiales de los dispositivos robóticos blandos seleccionados. Se destacan los retos que deben tenerse en cuenta en muchas disciplinas y la falta de un método comparativo estándar para los dispositivos robóticos blandos en CMI.
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