Zmiana konstrukcji retraktorów może ograniczyć zaburzenia połykania po operacji kręgosłupa szyjnego

Inżynierowie z Rice University oraz neurochirurdzy z Baylor College of Medicine wykazali, że stosunkowo proste modyfikacje retraktorów chirurgicznych mogą ograniczyć miejscowe obciążenie przełyku podczas operacji kręgosłupa szyjnego. Zwiększenie szerokości łopatki narzędzia oraz zastosowanie miękkiej osłony polimerowej zmniejszały maksymalne naprężenia działające na tkanki w modelach doświadczalnych i symulacjach komputerowych.

W artykule:

• Dlaczego po operacjach kręgosłupa szyjnego mogą występować zaburzenia połykania
• Jak retraktory chirurgiczne oddziałują na przełyk i otaczające tkanki
• W jaki sposób odtworzono warunki zabiegu ACDF
• Jak szerokość łopatki wpływała na rozkład naprężeń
• Jakie znaczenie miała miękka osłona polimerowa
• Dlaczego wyniki wymagają potwierdzenia w badaniach klinicznych

Poszukiwanie bezpieczniejszych narzędzi chirurgicznych

Inżynierowie mechanicy z Rice University oraz neurochirurdzy z Baylor College of Medicine zidentyfikowali stosunkowo proste modyfikacje narzędzi chirurgicznych, które mogą zmniejszyć obciążenie przełyku i potencjalnie ograniczyć ryzyko trudności w połykaniu po operacjach wykonywanych z dostępu przedniego do kręgosłupa szyjnego.

Badanie opublikowane w czasopiśmie Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials dotyczyło przedniej discektomii szyjnej ze stabilizacją i usztywnieniem międzytrzonowym, określanej skrótem ACDF od angielskiej nazwy anterior cervical discectomy and fusion. Jest to często wykonywany zabieg stosowany w leczeniu zmian zwyrodnieniowych, uszkodzeń oraz przepuklin krążków międzykręgowych w odcinku szyjnym kręgosłupa.

Dlaczego podczas zabiegu konieczne jest odsunięcie przełyku

Aby uzyskać dostęp do kręgosłupa od przedniej strony szyi, chirurg musi czasowo odsunąć przełyk, tchawicę oraz otaczające je tkanki miękkie. Do tego celu stosuje się sztywne metalowe retraktory, które utrzymują tkanki poza polem operacyjnym i zapewniają stabilny dostęp do kręgów oraz krążków międzykręgowych.

Zabieg ACDF może skutecznie zmniejszyć ból oraz ucisk na korzenie nerwowe lub rdzeń kręgowy. Jednym z często zgłaszanych powikłań pooperacyjnych są jednak zaburzenia połykania, określane jako dysfagia. Mogą być one związane między innymi z miejscowym obrzękiem, reakcją zapalną, podrażnieniem tkanek, uszkodzeniem struktur nerwowych lub mechanicznym oddziaływaniem narzędzi stosowanych podczas operacji.

Badacze stwierdzili, że szerokość oraz właściwości powierzchni łopatki retraktora mogą istotnie wpływać na sposób rozkładania nacisku i naprężeń w obrębie ściany przełyku.

– Podczas tych zabiegów chirurg potrzebuje dobrze widocznej i stabilnej drogi dostępu do kręgosłupa, jednak mechaniczne skutki utrzymywania przełyku w odsuniętej pozycji były dotychczas trudne do ilościowego określenia. Nasza praca bezpośrednio łączy konstrukcję mechaniczną narzędzia chirurgicznego z siłami działającymi na tkanki w symulowanych warunkach zabiegu ACDF – wyjaśnił dr Raudel Avila, adiunkt w dziedzinie inżynierii mechanicznej w Rice University i autor korespondencyjny publikacji.

Ocena wzrokowa nie pokazuje pełnego obrazu obciążenia tkanek

Podczas operacji chirurdzy oceniają stopień odsunięcia tkanek przede wszystkim na podstawie obrazu pola operacyjnego oraz oporu wyczuwanego podczas posługiwania się retraktorem. Metody te nie pozwalają jednak dokładnie określić, w jaki sposób przełyk ulega deformacji ani w których miejscach mogą powstawać szczególnie duże, potencjalnie szkodliwe naprężenia.

Aby zbadać te zjawiska, naukowcy połączyli symulacje komputerowe z doświadczeniami przeprowadzonymi na miękkim, anatomicznie odwzorowanym modelu przełyku oraz otaczających go tkanek szyi.

Badacze przygotowali pusty w środku silikonowy model przełyku, który umieścili w większym bloku materiału imitującym tkanki miękkie szyi. W modelu zamontowano cienkie czujniki ciśnienia. Następnie przez symulowane nacięcie wprowadzano retraktor chirurgiczny i stopniowo go rozwierano w ściśle kontrolowanym zakresie.

Wartości nacisku zmierzone w modelu fizycznym były zbliżone do wyników symulacji komputerowych przy poziomach retrakcji odpowiadających warunkom klinicznym. Zdaniem autorów wskazuje to, że opracowane modele mogą w przyszłości służyć do przewidywania, w jaki sposób poszczególne konstrukcje narzędzi chirurgicznych obciążają przełyk i sąsiednie tkanki.

– Chcieliśmy odejść od traktowania retrakcji wyłącznie jako prostego przesunięcia tkanki. Przełyk zgina się, rozciąga i uwypukla wokół łopatki retraktora, co prowadzi do powstawania silnie zlokalizowanych obciążeń, których chirurg może nie dostrzec w polu operacyjnym – powiedziała Chihtong „Lily” Lee, doktorantka inżynierii mechanicznej w laboratorium Raudela Avili w Rice University i pierwsza autorka badania.

Szersza łopatka zmniejszała naprężenia w części centralnej

Naukowcy przetestowali łopatki retraktorów o szerokości od 20 do 50 milimetrów. Szersze narzędzia rozkładały siłę na większej powierzchni, dzięki czemu naprężenia pod środkową częścią łopatki zmniejszały się nawet o 82 procent.

Korzyść ta nie oznaczała jednak całkowitego wyeliminowania obszarów zwiększonego obciążenia. Zastosowanie szerszej łopatki powodowało przesunięcie części największych naprężeń w kierunku jej krawędzi, gdzie tkanka zginała się i odkształcała wokół instrumentu.

Wynik ten wskazuje, że podczas projektowania retraktorów należy uwzględniać nie tylko całkowitą szerokość łopatki, lecz także kształt i profil jej brzegów. Nieodpowiednio wyprofilowane krawędzie mogą prowadzić do miejscowej koncentracji obciążeń, nawet jeżeli nacisk w centralnej części narzędzia zostanie ograniczony.

Miękka osłona zmniejszyła różnicę sztywności

Zespół przetestował również miękką osłonę polimerową nakładaną na metalową łopatkę retraktora. Jej zadaniem było zmniejszenie różnicy sztywności pomiędzy metalowym instrumentem a podatnymi na odkształcenia tkankami miękkimi.

W symulacjach zastosowanie miękkiej warstwy zmniejszało maksymalne naprężenia nawet o 20 procent. Osłona nie zmieniała podstawowego sposobu posługiwania się retraktorem, lecz modyfikowała warunki kontaktu pomiędzy metalową powierzchnią narzędzia a tkanką.

– Są to proste modyfikacje z punktu widzenia mechaniki. Bardziej miękka powierzchnia kontaktowa lub staranniej zoptymalizowana geometria łopatki mogłyby poprawić rozkład obciążeń w tkankach bez zasadniczej zmiany przebiegu operacji – wyjaśnił prof. Alexander Ropper, profesor i dyrektor chirurgii kręgosłupa w Baylor College of Medicine oraz jeden z autorów publikacji.

Znaczenie czasu trwania ucisku

Siły zmierzone podczas doświadczeń pozostawały poniżej wartości wiązanych z natychmiastowym mechanicznym uszkodzeniem tkanek. Autorzy podkreślili jednak, że długotrwały lub silnie skoncentrowany nacisk może przyczyniać się do rozwoju obrzęku, stanu zapalnego albo przejściowego upośledzenia funkcji przełyku.

Problem może mieć szczególne znaczenie podczas dłuższych operacji, w czasie których tkanki są utrzymywane w odsuniętej pozycji przez wiele godzin. Nawet nacisk niewystarczający do natychmiastowego uszkodzenia struktury tkanki może potencjalnie zaburzać jej mikrokrążenie, nasilać miejscową reakcję zapalną lub powodować przemijające zaburzenia czynnościowe.

Badanie nie wykazało jednak bezpośredniego związku pomiędzy konkretnym poziomem naprężenia a wystąpieniem pooperacyjnej dysfagii. Na przebieg rekonwalescencji wpływają również indywidualna anatomia pacjenta, zakres operacji, czas trwania zabiegu, nasilenie reakcji zapalnej oraz inne czynniki kliniczne.

Przedstawione wyniki nie pozwalają zatem stwierdzić, że zastosowanie określonego rodzaju retraktora zmniejszy częstość zaburzeń połykania u pacjentów. Dostarczają natomiast metody umożliwiającej porównywanie konstrukcji narzędzi jeszcze przed rozpoczęciem badań klinicznych.

Mierzalne kryteria dla chirurgów i projektantów urządzeń

– Naszym celem jest zapewnienie chirurgom i projektantom urządzeń mierzalnych kryteriów, które mogą wykorzystywać przy podejmowaniu decyzji. Dzięki zrozumieniu, gdzie powstają naprężenia i w jaki sposób można zmienić ich rozkład, być może uda się ograniczyć istotne powikłanie zabiegu, który poza tym charakteryzuje się wysoką skutecznością – powiedział dr Avila.

Dr Alex Flores, lekarz rezydent neurochirurgii w Baylor College of Medicine i współautor badania, podkreślił, że projekt pokazuje znaczenie współpracy lekarzy i inżynierów dla rozwoju technologii klinicznych oraz partnerstwa pomiędzy Rice University i Baylor College of Medicine.

Jego zdaniem badanie stanowi naukową podstawę technologii, która w przyszłości może mieć istotne znaczenie dla chirurgii kręgosłupa. Zespół planuje przejście do kolejnych etapów testowania, oceny bezpieczeństwa i ograniczania potencjalnego ryzyka, aby ostatecznie sprawdzić, czy opracowane rozwiązania mogą przynieść bezpośrednie korzyści pacjentom.

Finansowanie badania

Projekt został sfinansowany przez Educational and Research Initiatives for Collaborative Health Office w Rice University, Haythornthwaite Foundation działającą przy Applied Mechanics Division of the American Society of Mechanical Engineers oraz Rice Engineering Alumni Student Project Grant Program.

Źródło: Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, „Mechanics of esophageal retraction during anterior cervical discectomy and fusion”.