Mikrochirurgisches Robotersystem ermöglicht die Durchführung mikrovaskulärer Anastomosen: eine randomisierte präklinische In-vivo-Studie

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 14003 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Technische Fortschritte in der Mikrochirurgie haben komplexe onkologische Rekonstruktionen durch freie Gewebeübertragungen sowie Nerven- und Lymphrekonstruktionen ermöglicht. Allerdings können die für die Durchführung mikrochirurgischer Eingriffe erforderlichen manuellen Fähigkeiten durch menschliche Ermüdung und physiologisches Zittern beeinträchtigt werden, was zu Gewebeschäden und schlechteren Ergebnissen führen kann. Roboterunterstützung hat das Potenzial, Probleme der manuellen Mikrochirurgie zu überwinden, indem sie den klinischen Wert und die Ergebnisse der Anastomosen verbessert. Das Symani Surgical System, eine Roboterplattform für die Mikrochirurgie, wurde in dieser präklinischen In-vivo-Studie an einem Rattentiermodell verwendet. Die Tests umfassten Anastomosen an Venen und Arterien, die von Mikrochirurgen manuell und robotergesteuert durchgeführt wurden, wobei letzterer Ansatz Symani verwendete. Die Anastomosen wurden auf Durchgängigkeit, Histopathologie und Ausführungszeit untersucht. Die Durchgängigkeitsergebnisse bestätigten, dass die robotergestützten und manuellen Techniken für venöse und arterielle Anastomosen nach der Anastomose gleichwertig waren, jedoch dauerte die Durchführung der Anastomose bei Verwendung des Roboters länger (p < 0,0001). Die histologische Analyse zeigte bei der Roboteranastomose sowohl für Venen als auch für Arterien einen geringeren gesamten durchschnittlichen Wirtsreaktionswert an der Anastomosestelle. Diese Studie zeigt die Gleichwertigkeit der Gefäßdurchgängigkeit nach mikrochirurgischen Anastomosen mit dem Robotersystem und mit manueller Technik. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Roboteranastomose der manuellen Anastomose hinsichtlich der geringeren Gewebeschädigung leicht überlegen ist, wie die histologische Analyse zeigt.

Die Mikrochirurgie ermöglicht die hochpräzise Präparation und Naht sehr kleiner anatomischer Strukturen mithilfe mikroskopischer Vergrößerung und spezieller Instrumente. Technische Fortschritte bei Mikroskopen, manuellen Instrumenten und Nähten ermöglichen es Mikrochirurgen, komplexe Traumata und onkologische Rekonstruktionen durchzuführen, indem sie freie Gewebetransfers, Nervenrekonstruktionen und lymphatische Mikrochirurgie durchführen1. Mithilfe dieser mikrochirurgischen Techniken können heute verschiedene chirurgische Fachgebiete Operationen durchführen, die sonst unmöglich wären2. Für die erfolgreiche Ausübung der Mikrochirurgie sind Fingerfertigkeit und technische Genauigkeit von größter Bedeutung. Daher sind umfassende Ausbildung und klinische Erfahrung unerlässlich, um eine steile Lernkurve zu überwinden3,4,5. Darüber hinaus können die für die Durchführung von Mikrochirurgie erforderlichen manuellen Fähigkeiten durch Ermüdung des Menschen beeinträchtigt werden, und unerwünschte unwillkürliche Bewegungen wie physiologisches Zittern können zu Gewebeschäden führen und die Ergebnisse beeinträchtigen6. Roboterunterstützung hat das Potenzial, solche Probleme zu überwinden, indem sie den physiologischen Tremor filtert7.

Die Roboterchirurgie hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten rasant ausgeweitet und ist in mehreren chirurgischen Fachgebieten weit verbreitet8. Robotersysteme wurden ursprünglich in der Endoskopie und Laparoskopie eingeführt, um die Fähigkeiten des Chirurgen und die Reproduzierbarkeit von Verfahren zu verbessern9. Die besseren Genesungen und kürzeren Krankenhausaufenthalte der Patienten erhöhten die Zahl der laparoskopischen und robotergestützten Eingriffe und reduzierten die Anzahl offener Eingriffe, wodurch invasive Laparotomien vermieden wurden. Obwohl die meisten kommerziellen Robotersysteme Einschränkungen in den Bereichen Bewegungsskalierung und Präzision aufweisen, wurden einige Versuche unternommen, sie in der Mikrochirurgie einzusetzen.

Das für die laparoskopische minimalinvasive Chirurgie entwickelte da Vinci Surgical System (Intuitive Surgical, Inc., Sunnyvale, CA, USA) wurde in einigen mikrochirurgischen Eingriffen getestet10. Diese Versuche demonstrierten den Nutzen handgelenkter Instrumente und offenbarten deren Einschränkungen hinsichtlich Größe und Spitzen, die für die Laparoskopie konzipiert waren. Darüber hinaus bietet dieses System eine begrenzte visuelle Vergrößerung und eine schlechte Auflösung, die mit niedrigen Skalierungsfaktoren verbunden ist11. Das MUSA-System (Microsure, Eindhoven, Niederlande) wurde entwickelt, um die Einschränkungen der menschlichen Hand und die Lücken zu überwinden, die der da Vinci hinterlassen hat. MUSA verwendet manuelle Instrumente, die an einem Aufhängungsring am Operationstisch montiert sind und dabei helfen, die Bewegungen des Mikrochirurgen zu stabilisieren, indem sie Tremor filtern und Bewegungen verkleinern12. Das System wurde in präklinischen Studien getestet und zeigte bei klinischen Fällen von lymphatischen Anastomosen die Gleichwertigkeit mit der manuellen mikrochirurgischen Technik13.

Kürzlich erhielt ein neues Robotergerät (Symani Surgical System, MMI, Pisa, Italien), das für mikrochirurgische Eingriffe entwickelt wurde, im Jahr 2019 die CE-Zertifizierung. Das System verfügt über spezielle Handgelenk-Mikroinstrumente und überwindet die Einschränkungen von Instrumenten mit großem Durchmesser, wie sie beim da Vinci verwendet werden System und hohe Bewegungspräzision14,15,16. Das System wurde kürzlich in Laborversuchen evaluiert, die die Machbarkeit der Durchführung präziser Mikronähte und Anastomosen in synthetischen Gefäßen belegen14.

Der Zweck dieser multizentrischen präklinischen Studie bestand darin, die Qualität der mit dem neuen Robotersystem durchgeführten mikrochirurgischen Anastomosen zu bewerten, indem die Gefäßdurchgängigkeit, die histologischen Ergebnisse und die Ausführungszeiten mit den mit der traditionellen manuellen Technik durchgeführten Anastomosen verglichen wurden.

Mikrochirurgische Anastomosen wurden an femoralen Gefäßen von Ratten mit der manuellen Technik und mit dem neuen Robotersystem durchgeführt (Abb. 1). Die Durchgängigkeit der operierten Venen nach der Entfernung der Klemme (T0) betrug durchschnittlich 91 % bei der Robotertechnik und 100 % bei der manuellen Technik (p = 0,15). Nach einer Woche (T1W) blieb die Roboterdurchgängigkeitsrate konstant bei 91 %, während die manuelle Durchgängigkeit auf 77 % sank (p = 0,22). Die durchschnittliche Durchgängigkeitsrate der Arterien betrug zum Zeitpunkt T0 94 % für Roboterverfahren und 100 % für manuelle Verfahren (p = 0,32); Bei T2W sank die Durchgängigkeit in der Robotergruppe auf 91 % und in der manuellen Gruppe auf 85 % (p = 0,55).

(a) Überblick über das Symani Surgical System und Nahaufnahme des Manipulators. (b) Chirurgisches Szenario während eines robotergestützten mikrochirurgischen Eingriffs und Endprodukt nach manuellen und robotergestützten Anastomosen in den Oberschenkelarterien der Ratte.

Die histologische Analyse der Venenproben zeigte, dass alle untersuchten Anastomosestellen, die roboter- und manuell durchgeführt wurden, einen oder mehrere der folgenden histologischen Befunde mit unterschiedlichem Schweregrad aufwiesen: Endothelverlust, Intimaproliferation, Vorhandensein von Fibringerinnseln am Endothel, intraluminale Thrombose, entzündlich Reaktion der Tunica intima, media und/oder Adventitia. Diese Entzündungsreaktion trat häufig zusammen mit Neovaskularisation und Fibrose auf. Die Reaktion des Wirtsgewebes an den Nahtstellen bestand meist aus einer Kombination entzündlicher Zelltypen, wobei Riesenzellen vor allem mit Nähten assoziiert waren.

In den Arterienproben wurden einer oder mehrere der folgenden histologischen Befunde mit unterschiedlichem Schweregrad festgestellt: Endothelverlust, Proliferation der Tunica intima verbunden mit Proliferation der glatten Muskulatur oder von Proteoglykanen/Kollagen, multifokale dystrophische Verkalkung der Arterienwand, Vorhandensein von Fibrin Am Endothel und/oder intraluminalen Thrombus haftende Blutgerinnsel unterschiedlicher Größe. Diese Fibringerinnsel und Thromben verstopften die Arterie teilweise oder vollständig und waren von akuter bis chronischer Chronizität unterschiedlich. Die Entzündungsreaktion der Gefäßwand wurde entweder an der Tunica intima oder innerhalb der Adventitia festgestellt, während die Reaktion des Wirtsgewebes an den Nahtstellen meist aus einer Mischung von Entzündungszellen bestand, wobei das Vorhandensein von Riesenzellen meist mit den Nahtstichen in Zusammenhang stand. Außerdem wurden häufig Fibroblastenproliferation und Fibrose an den Anastomosestellen mit Neovaskularisation beobachtet. Abbildung 2 zeigt Beispiele histologischer Proben von zwei Arterien (Abb. 2a, b) und zwei Venen (Abb. 2c, d), die entweder manuell oder mit Robotertechnik genäht wurden, während Tabelle 1 die gesamten Wirtsreaktionswerte in Venen- und Arterienstudien zusammenfasst. Alle analysierten Parameter waren bei robotergestützten Verfahren niedriger als bei manuellen Verfahren, sowohl für Arterien als auch für Venen. Tatsächlich betrug die durchschnittliche Gesamtpunktzahl 36,5 bzw. 31,6 für Venenanastomosen, die manuell bzw. mit dem Roboter durchgeführt wurden, während sie für Arterien bei manuellen bzw. robotergestützten Ansätzen 37,5 bzw. 26,3 betrug.

Repräsentative histologische Proben nicht durchgängiger und durchgängiger Gefäße nach mikrochirurgischer Anastomose an Oberschenkelarterien und -venen. Die Sternchen kennzeichnen die Thrombose, die Dreiecke die Nähte und die Pfeile das entzündliche Infiltrat. (a) Repräsentatives Bild einer nicht durchgängigen manuellen arteriellen Anastomose: Vorhandensein eines stark entzündlichen Infiltrats und einer Thrombose. (b) Roboter-Arterienanastomose mit entzündlichem Infiltrat. (c) Offene manuelle Anastomose mit entzündlichem Infiltrat. (d) Patentierter Roboter mit wirklich geringem Entzündungsinfiltrat im Vergleich zu früheren Bildern. (e) Nicht durchgängige venöse Anastomose mit Vorhandensein eines chronischen Thrombus, der das Venenlumen deutlich verschließt und erweitert. (f) Robotische Venenanastomose mit Vorhandensein eines chronischen Thrombus, der das Venenlumen teilweise verschließt. (g) Offene manuelle Venenanastomose mit geringem entzündlichem Infiltrat. (h) Patentierte Roboteranastomose mit geringem entzündlichem Infiltrat. (i) Ergebnisse der Hauptkomponentenanalyse (PCA) für Roboterverfahren (Rob, grüne Punkte) im Vergleich zu manuellen Verfahren (Mann, blaue Punkte). Die graue Linie verbindet die Schwerpunkte (Rob und Man) der beiden Gruppen und verdeutlicht den Grad der Trennung.

PCA-Ergebnisse (Abb. 2e) zeigten, dass manuelle und robotergestützte Anastomosen durch drei histologische Hauptvariablen getrennt wurden, die alle Indikatoren für ein Gewebetrauma waren: Endothelverlust, Fibrin-/Blutplättchen-Thrombus und Intimaproliferation. Die ersten beiden PCs hoben den Grad der Trennung zwischen den beiden Gruppen hervor, was auch durch die graue Linie angezeigt wird, die die entsprechenden Schwerpunkte verbindet. Die Roboterchirurgie hatte eine geringere Variation der histopathologischen Ergebnisse und eine größere Reproduzierbarkeit (Abb. 2e). Manuelle Eingriffe wiesen eine größere Variabilität auf und waren durch höhere Werte für histologische Variablen aufgrund von Gewebetraumata gekennzeichnet.

In Abbildung 3 sind die durchschnittliche Nahtzeit, die durchschnittliche Anastomosezeit und die Lernkurven für manuelle und robotergestützte Anastomosen in den Venen- (Abb. 3a) und Arterienstudien (Abb. 3b) aufgeführt. Die Ausführungszeit für das Nähen war mit dem Robotersystem länger als mit der manuellen Technik. Die robotergestützten Durchschnittszeiten betrugen 136,9 ± 25,78 s für Venen (02:17 Min.) und 112,7 ± 9,7 s für Arterien (01:52 Min.), verglichen mit durchschnittlichen Zeiten von 81,3 ± 11,4 s für Venen (1:21 Min.). 65,0 ± 0,2 s für Arterien (01:05 min). Somit betrug die Venenanastomosezeit 19:57 Minuten für die Robotergruppe im Vergleich zu 13:21 Minuten für die manuelle Venengruppe (p < 0,0001). Bei Arterien betrug die Anastomosezeit 12,24 Minuten für die Robotergruppe, verglichen mit 07:57 Minuten für die manuelle Gruppe (p < 0,0001).

Durchschnittliche Nahtzeit, durchschnittliche Anastomosezeit und Lernkurven für (a) Venen- und (b) Arterienstudien.

Abbildung 3 (rechts) zeigt auch die Lernkurven, die für den Verlauf der Nahtzeit im Laufe der Studie für alle Chirurgen berechnet wurden, indem alle aufeinanderfolgenden Nähte während aller Anastomosen aufgezeichnet wurden. In der Roboterkurve war im Verlauf der Studie ein Trend zu einer Verringerung der Nahtzeit zu erkennen. Nach der Durchführung mehrerer Roboteranastomosen wurden die Zeiten aufeinanderfolgender Nähte ähnlicher, was auf eine fortschreitende Gewöhnung an das Robotersystem hindeutet. Im Gegensatz dazu waren die manuellen Nahtzeiten konstant.

Es gab keine signifikanten Unterschiede in Bezug auf die Gefäßgröße der in dieser Studie verwendeten Gefäße zwischen den Gruppen. Der mittlere Durchmesser der Oberschenkelvene der Ratte betrug 1,03 ± 0,25 mm für die Roboterverfahren und 1,09 ± 0,31 mm für die manuellen Verfahren. Darüber hinaus betrug die durchschnittliche Anzahl der Stiche sowohl beim manuellen als auch beim Roboterverfahren 10. Ebenso waren die Durchmesser der Oberschenkelarterien der Ratten zwischen Roboter- und manuellen Gruppen ähnlich (0,71 ± 0,15 mm bzw. 0,70 ± 0,10 mm). Die durchschnittliche Anzahl der Stiche betrug sowohl bei der robotischen als auch bei der manuellen arteriellen Anastomose 8.

Es gab einen unerwarteten Todesfall; Das Tier starb zwei Stunden nach dem Eingriff nach einem normalen Erwachen aus der Narkose. Dieses Tier zeigte zum Zeitpunkt T0 offene Anastomosen sowohl an Roboter- als auch an manuellen Stellen.

Diese präklinische In-vivo-Studie präsentiert erstmals Daten, die die Machbarkeit und Genauigkeit des Einsatzes des Symani Surgical Systems bei arteriellen und venösen mikrovaskulären Anastomosen auf der Grundlage der Durchgängigkeit, der Zeit für die Anastomoseausführung und der Histologie der operierten Gefäße belegen.

In dieser Studie gab es weder bei den Venen- und Arterienstudien noch bei robotergestützten und manuellen Verfahren Unterschiede im Blutgefäßdurchmesser. Dies zeigt, dass die Ergebnisse der Durchgängigkeit, der Histologie und der Ausführungszeit nicht durch Unterschiede in der Gefäßgröße beeinflusst wurden, was wir für wesentlich halten, um die Schlussfolgerungen unserer präklinischen Studie abzuleiten.

Durchgängigkeitsergebnisse und Chi-Quadrat-Tests bestätigten, dass die robotergestützten und manuellen Techniken für venöse und arterielle Anastomosen hinsichtlich der Durchgängigkeit nach der Anastomose gleichwertig waren, wie bereits bei der Verwendung von Musa, dem anderen Mikrochirurgieroboter auf dem Markt, beobachtet wurde11. Zu den chronischen Zeitpunkten (T1W und T2W in Vene bzw. Arterie) war die Roboter-Durchgängigkeitsrate in Roboter-Fällen höher als bei der manuellen Technik, was wahrscheinlich auf eine weniger sorgfältige Handhabung der Gefäße und daher auf das Vorliegen einer Thrombose in einigen Gefäßen zurückzuführen ist manuell bedient, die Unterschiede waren jedoch statistisch nicht signifikant. Die Verwendung des Roboters war mit einer längeren Zeit zur Durchführung einer Anastomose verbunden als die manuelle. Eine robotergestützte venöse Anastomose dauerte durchschnittlich 6 Minuten länger als die manuelle Ausführung, während eine robotergestützte arterielle Anastomose durchschnittlich 4 Minuten länger dauerte. Allerdings war die Geschwindigkeit der Ausführung in diesen Studien weder der primäre Endpunkt noch ein Indikator für die Qualität der Anastomose. Unabhängig vom Gefäßtyp zeigten die Lernkurven, dass die Benutzer nach etwa 70 Nähten ein Plateau der Nahtausführungszeit mit dem Roboter erreichten. Die schnelle Verbesserung der Ausführungszeiten wurde, wie bereits beschrieben, nach der Durchführung mehrerer Roboteranastomosen beobachtet. Daher können Chirurgen die technischen Aspekte der robotergestützten Mikrochirurgie schnell erlernen, selbst wenn sie keine Erfahrung in der Mikrochirurgie oder robotergestützten Chirurgie haben8. Die relativ niedrige Lernkurve kann ein wichtiger Treiber für die Einführung mikrochirurgischer Roboter sein, da Chirurgen sich im Vergleich zur herkömmlichen manuellen Mikrochirurgietechnik möglicherweise schneller mit der Roboter-Mikronahttechnik vertraut machen17.

Hinsichtlich der Ausführungszeiten waren unsere Ergebnisse denen mit dem Musa-Roboter ähnlich, da die Zeit zur Durchführung der Anastomose mit dem Roboter länger war11, wir konnten jedoch anhand der histologischen Ergebnisse eine Verbesserung der Qualität der mikrochirurgischen Leistung beobachten.

Die histologische Analyse zeigte bei Roboteranastomosen einen geringeren durchschnittlichen Gesamtreaktionswert des Wirts an der Anastomosenstelle. Die durchschnittliche Gesamtpunktzahl war bei robotergestützten Eingriffen sowohl bei Venen- als auch bei Arterienuntersuchungen niedriger. Dies kann auf die Fähigkeit von Robotersystemen zurückzuführen sein, die Chirurgie zu verbessern, indem sie die menschlichen Fähigkeiten erweitern, indem sie die Bewegungen des Chirurgen reduzieren und Mikrobewegungen skalieren und körperliches Zittern beseitigen13,14,18. Der Zustand des Gewebes zeigte, dass Roboteranastomosen im Vergleich zu Gewebe aus manueller Mikronaht weniger Entzündungen, weniger Intimahyperplasie und eine geringere durchschnittliche Gesamtreaktion des Wirts aufwiesen. Diese Phänomene sind Kennzeichen eines Gefäßtraumas, daher kann das Trauma bei manuellen Anastomosen zu einer erhöhten Thromboserate führen. Dennoch müssen diese verbesserten robotergestützten mikrochirurgischen Ergebnisse in klinischen Studien überprüft werden.

Während des Überlebenszeitraums gab es keine klinischen Anzeichen einer Thrombose oder Ischämie. Selbst bei Tieren, bei denen die Anastomose der Oberschenkelgefäße nicht durchgängig war, war die Durchblutung der Hinterbeine nicht vollständig beeinträchtigt, da drei Kollateralwege durch intramuskuläre Netzwerke im Musculus quadriceps femoris, Musculus biceps femoris und den medialen Oberschenkelmuskeln, einschließlich der medialen Oberschenkelmuskulatur und der Adduktorenmuskulatur, bestehen blieben intakt, wie zuvor in der Literatur beschrieben19,20. Daher wurden weder Hinken noch Anzeichen von Schmerzen beobachtet. Im Hinblick auf das Wohlergehen der Tiere führte der tierärztliche Vorgesetzte eine tägliche Beurteilung durch und bewertete das Gewicht, das Verhalten und die Anzeichen von Stress oder Schmerzen (wie geschlossene Augen, Kyphose, gesträubtes/struppiges Fell, nach außen oder nach hinten gedrehte Ohren, Nasensekrete). . Für keine der Mäuse wurden menschliche Endpunkte erreicht und das Tierwohl wurde während der gesamten Studie gewahrt.

Der Einsatz des Symani-Mikrochirurgieroboters hat hinsichtlich der Gefäßdurchgängigkeit mikrovaskulärer venöser und arterieller Anastomosen eine Gleichwertigkeit mit der manuellen Technik gezeigt. Darüber hinaus haben sich robotische Anastomosen im Hinblick auf die geringere Gewebeschädigung, wie die histologische Analyse zeigte, als etwas überlegen gegenüber manuellen Anastomosen erwiesen. Die Sicherheit des Robotergeräts wird durch eine sehr geringe Rate unerwünschter Ereignisse unterstützt, und die Wirksamkeit des Geräts wird durch die Durchgängigkeitsraten und die Fähigkeit des Chirurgen, mikrovaskuläre Anastomose erfolgreich durchzuführen, unterstützt.

Diese In-vivo-Studie wurde an einem Rattenmodell durchgeführt, wobei Sicherheit und Leistung bei der Durchführung mikrovaskulärer Anastomosen mit Symani bewertet wurden. In dieser Studie wurden die Durchgängigkeitsraten der Anastomose, die histologischen Ergebnisse und die Ausführungszeiten bewertet.

Das Symani Surgical System (Abb. 1a) ist ein Robotergerät, das speziell für mikrochirurgische offene Eingriffe entwickelt wurde. Die flexible Plattform nutzt die Prinzipien der Teleoperation, um Chirurgen eine hochpräzise Manipulation sehr kleiner Anatomien wie Gefäße, Nerven und Kanäle zu ermöglichen. Das System besteht aus einer Hauptkonsole, die die Endeffektoren steuert, einschließlich Roboterarmen, auf denen gelenkige Mikroinstrumente montiert sind. Die Roboterarme können in jeder anatomischen Region positioniert werden.

Die Master Console ist ein ergonomischer Stuhl, der mit vom Chirurgen gesteuerten Manipulatoren und einem Fußschalter ausgestattet ist. Der Chirurg kann die Manipulatoren direkt auf die gleiche Weise bewegen, wie er es mit manuellen Instrumenten tun würde, indem er diese Bewegung auf die Arme und dann auf die Roboter-Mikroinstrumente überträgt. An den Roboterarmen des Systems sind gelenkige Mikroinstrumente (7 Freiheitsgrade) installiert und über jede anatomische Region bewegt. Das System verfügt über eine Bewegungsskalierung im Bereich von 7 × bis 20 × und umfasst eine Tremorfiltration zur Erhöhung der chirurgischen Präzision.

Drei Mikrochirurgen führten die arteriellen und venösen Anastomosen durch und verfügten über 8 bis 12 Jahre Erfahrung in der Mikrochirurgie. Diese Chirurgen beteiligten sich maßgeblich an den Labortests von Symani und erhielten das Schulungsprogramm, bevor sie in dieser Studie die Anastomosen durchführten. Daher wird davon ausgegangen, dass sie das System sicher und effektiv nutzen können.

Diese Studie wurde an Oberschenkelgefäßen von Ratten durchgeführt, die ein häufiges Ziel im Trainings- und Forschungsmodell für mikrovaskuläre Anastomose sind21,22. Das gleiche Protokoll wurde in den beiden Zentren verwendet, in denen die Studie durchgeführt wurde: dem Laboratory Animal Housing Center (CeSAL), der Universität Florenz (Florenz, Italien) und dem Jesús Usón Minimally Invasive Surgery Center (CCMIJU, Cáceres, Spanien). Bei 22 Wistar-Ratten (Rattus Norvegicus) mit einem Mindestgewicht von 350 g wurden mikrochirurgische Anastomosen an Oberschenkelvenen durchgeführt. Darunter befanden sich 9 Ratten in einer präklinischen Studie, die 2018 vom italienischen Gesundheitsministerium genehmigt und am CeSAL durchgeführt wurde; während 13 Ratten in einer präklinischen Studie waren, die 2019 von der Ethikkommission für Tierversuche der CCMIJU, wo die Studie durchgeführt wurde, genehmigt wurde. Mikrochirurgische Anastomosen an Oberschenkelarterien wurden an 34 Sprague-Dawley-Ratten (Rattus Norvegicus) mit einem Mindestgewicht von 350 g durchgeführt. Diese Studie wurde 2019 vom italienischen Gesundheitsministerium genehmigt und am CeSAL durchgeführt. Alle Methoden wurden in Übereinstimmung mit den in Spanien und Italien geltenden spezifischen Richtlinien und Vorschriften sowie in Übereinstimmung mit der europäischen Gesetzgebung zum Tierschutz und zum Schutz von Tieren, die für wissenschaftliche Zwecke verwendet werden, durchgeführt. Die Autoren hielten sich an die ARRIVE-Richtlinien.

Der Symani-Roboter wurde in der Nähe des Operationstisches platziert, wobei die Mikroinstrumente auf die Oberschenkelgefäße der Ratte gerichtet waren (Abb. 1b). In der Mikrochirurgie ist es in der klinischen Praxis üblich, von Angesicht zu Angesicht mit einem Mikroskop zu arbeiten: auf der einen Seite des Mikroskops der leitende Chirurg (der in dieser Studie derjenige war, der den Roboter während des Robotereingriffs manipulierte) und auf der gegenüberliegenden Seite des Mikroskops der Assistenzarzt, der den Eingriff unterstützt. Sowohl der Chirurg als auch der Assistent benutzten das Mikroskop. Die Anastomosen wurden an Oberschenkelvenen und -arterien durchgeführt, die Ausführungszeit wurde bewertet und die Durchgängigkeit wurde unmittelbar nach dem Eingriff und auch nach einer Woche beurteilt. Die histopathologischen Eigenschaften der Gefäße wurden nach der Tötung der Tiere bewertet. Sowohl die Venen- als auch die Arterienstudie waren zweiarmige kontrollierte Studien, um einen direkten und unvoreingenommenen Vergleich der Symani-unterstützten Mikroanastomose mit der manuellen Technik zu ermöglichen. Sowohl die linken als auch die rechten Oberschenkelgefäße des Tieres wurden genäht. An einem Gefäß wurde eine manuelle (M) Anastomose und auf der anderen Seite eine robotergestützte (R) Anastomose durchgeführt. Die Behandlung (M oder R) wurde in Bezug auf die Seite des Tieres abgewechselt: linkes oder rechtes Gefäß und zeitliche Ausführung (MR: zuerst M, dann R; oder RM: zuerst R, dann M).

Vor der Operation wurden die Ratten von einem Tierarzt mit intraperitonealer Anästhesie mit Xylazin (5–10 mg/kg) und Zoletil100 (20–40 mg/kg) bei CeSAL und mit Inhalationsanästhesie mit Sevofluran bei CCMIJU präpariert. Die Ratten wurden vorsichtig in Rückenlage über eine Tierwärmeunterlage gelegt und für die Operation vorbereitet. Es wurde eine Trichotomie der Leistengegend durchgeführt, gefolgt von einer Desinfektion mit Povidon-Jod und Chlorhexidin und der Verabreichung eines prophylaktischen Breitbandantibiotikums, um mögliche postoperative Infektionen zu verhindern. Anschließend führte der Chirurg mit mikrochirurgischen Standardinstrumenten den Hautschnitt und die Gefäßvorbereitung durch. Sobald die Oberschenkelvene oder -arterie freigelegt und isoliert war, wurde als Kontrast ein farbiger Hintergrund hinter dem Gefäß angebracht. Der Durchmesser des Gefäßes wurde mit einem digitalen Kaliber gemessen und mit einer doppelten Mikrogefäßklemme gesichert. Anschließend wurden die Gefäße in der Mitte durchtrennt und durchgängige mikrovaskuläre Anastomosen mit 10-0-Nylonnähten (S&T AG, Neuhausen, Schweiz) durchgeführt. Nach der Durchführung der beiden Anastomosen (linke/rechte Leistengegend der Ratte, eine robotergesteuert, die andere manuell) wurden die Hautschnitte mit 3-0-Prolene-Nähten (Ethicon, Pennsylvania, USA) verschlossen. Nach dem Schließen der Haut wurden die Tiere auf ihre physiologische Erholung nach der Anästhesie hin überwacht und einzeln gehalten, wobei das Wohlbefinden der Tiere täglich beurteilt wurde.

Die Durchgängigkeit ist ein primärer Endpunkt von Venen- und Arterienstudien, da die Wiederherstellung des Gefäßflusses in direktem Zusammenhang mit der Qualität und Präzision der Anastomose steht. Tatsächlich kann eine traumatische Gewebehandhabung oder mangelnde Präzision bei der Nahtplatzierung eine thrombotische Kaskade durch Leckage oder hämodynamische Turbulenzen verursachen. Zur Beurteilung der Durchgängigkeit der Anastomosen wurde der „Milchtest“ von Acland eingesetzt23,24. Das Ergebnis der Durchgängigkeit war binär (patent oder nicht patentiert) und basierte auf der Beurteilung des Chirurgen nach dem Acland-Melktest. Die Durchgängigkeitsbewertung wurde unmittelbar nach der Anastomose (T0) sowohl für Venen als auch für Arterien durchgeführt, mit einer erneuten Bewertung nach einer Woche für Venen (T1W) und nach zwei Wochen für (T2W) für Arterien, da die vollständige Reendothelialisierung der intraluminalen Naht schneller erfolgt die Vene als die Arterie18. Die Untersuchung der Anastomosenstelle erfolgte mit der gleichen Analgesie-, Anästhesie- und Inzisionsmethode wie zum Zeitpunkt des Eingriffs.

Die histologische Analyse der Anastomosestelle wurde an Gefäßgewebe durchgeführt, das bei der letzten Durchgängigkeitsbewertung (T1W bzw. T2W für Venen bzw. Arterien) unmittelbar vor der Tötung des Tieres entnommen wurde. Das Gewebe wurde in einem Einwegbehälter mit geschlossenem Kreislauf gesammelt, der mit 4 %iger Formaldehydlösung vorgefüllt war. Die histologische Auswertung wurde von der AnaPath Services GmbH (Liestal, Schweiz) durchgeführt. Die Schnitte wurden mit Hämatoxylin und Eosin sowie mit Masson-Trichrom gefärbt. Für jedes Venen- und Arteriensegment der gefärbten Schnitte wurde eine semiquantitative histopathologische Analyse gemäß einem angepassten ISO 10993-6:2016(E)-Bewertungssystem (Ergänzungstabelle 1) durchgeführt, einschließlich der folgenden Parameter: Gefäßreaktion, Gefäßentzündung, Entzündungs-/Wirtsreaktion an der Nahtstelle, Gesamtdurchschnittswert (Gefäßreaktion + Gefäßentzündung + Gewebereaktion an der Nahtstelle). In der Analyse weist ein Score-Unterschied von 0,0–2,9 auf keine oder minimale Wirtsreaktion hin, 3,0–8,9 auf eine leichte Wirtsreaktion und 9,0–15,0 auf eine mäßige Wirtsreaktion, während ein Score ≥ 15,1 auf eine schwere Wirtsreaktion im Vergleich zu einer Referenz hinweist Material.

Anhand histologischer Daten wurde eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) durchgeführt, mit dem Ziel festzustellen, ob es unterschiedliche histologische Profile zwischen allen durchgeführten Roboter- und manuellen Anastomosen in allen Venen und Arterien gab. PCA ermöglicht die Analyse von Datensätzen, die eine Vielzahl von Merkmalen pro Beobachtung enthalten; Dadurch können Daten als Satz interpretiert werden, während gemeinsame Informationen erhalten bleiben. PCA wird verwendet, um die Dimensionalität des Datensatzes zu reduzieren und eine vereinfachte Visualisierung dieser mehrdimensionalen Daten zu ermöglichen. Diese Analyse verwendet alle Werte der histologischen Variablen als Eingabe und kombiniert sie, um den Grad der Trennung zwischen Datenpunkten in einem Streudiagramm mit niedriger Dimensionalität zu bewerten. Die drei wichtigsten histologischen Variablen waren Endothelverlust, Fibrin-/Blutplättchen-Thrombus und Intimaproliferation. Wir haben die ersten beiden Hauptkomponenten (PC1 und PC2) verwendet, um die Daten zweidimensional darzustellen und die eng verwandten Gruppen von Datenpunkten visuell zu identifizieren: diejenigen, die sich auf Robotereingriffe beziehen, und diejenigen, die sich auf manuelle Eingriffe beziehen.

Die Zeit für die Durchführung einzelner Nähte sowie die Zeit für die Fertigstellung von Anastomosen wurde für Venen- und Arterieneingriffe sowie robotergestützte und manuelle Techniken aufgezeichnet. Für jeden Benutzer wurden Durchschnittswerte berechnet. Manuelle und robotische Anastomosen wurden ebenfalls getrennt beurteilt.

Statistische Analysen wurden mit der GraphPad Prism-Software Version 8.0 (GraphPad Software, San Diego, CA, USA) durchgeführt. Alle Daten werden als Mittelwert ± Standardabweichung ausgedrückt. Um manuelle und robotergestützte Verfahren zu vergleichen, wurde ein Chi-Quadrat-Test der Durchgängigkeitsergebnisse (zweiseitig, Konfidenzintervall 95 %) durchgeführt. Zeitdaten werden als Mittelwert ± Standardabweichungen ausgedrückt und die Unterschiede zwischen den Mittelwerten wurden mit dem Student-t-Test analysiert. p-Werte < 0,05 wurden als Hinweis auf statistisch signifikante Unterschiede zwischen den Gruppen angesehen. Für die grafische Darstellung wurde eine logarithmische Regression der Nahtzeit verwendet, eine weitere Analyse wurde jedoch nicht durchgeführt. PCA wurde verwendet, um Unterschiede zwischen Roboter- und manuellen Verfahren zu analysieren, indem Konfidenzellipsen und ihr Abstand verwendet wurden, um Gruppen und ihre Trennung in den Streudiagrammen hervorzuheben. Die PCA wurde mit der kostenlosen Software PAST (PAleontological STatistics) Version 3 durchgeführt.

Korrespondenz und Anfragen nach Materialien und Daten sind an AB zu richten

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Die Autoren danken Iris De Falco und Massimiliano Simi für die Unterstützung bei der Datenanalyse und Durchsicht des Manuskripts. Die Autoren danken Andrea Pratesi, Chiara Andreoni, Hannah Teichmann sowie den Teams von CeSAL und CCMIJU für technische Unterstützung.

Abteilung für Plastische, Rekonstruktive und Mikrochirurgie, CTO Careggi University Hospital, Florenz, Toskana, Italien

Gerardo Malzone, Giulio Menichini und Marco Innocenti

IV Orthoplastische Klinik, IRCCS Rizzoli Orthopädisches Institut, Universität Bologna, Bologna, Italien

Marco Innocenti

Labor für Tumor-Mikroumgebung, Institut Curie, Orsay – Paris, Frankreich

Alberto Ballestin

Abteilung für Mikrochirurgie, Zentrum für minimalinvasive Chirurgie Jesús Usón, Cáceres, Spanien

Alberto Ballestin

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G.Ma., G.Me., MI und AB konzipierten die Experimente. G.Ma., G.Me. und AB führte die Experimente durch. G.Ma. und AB sammelte und stellte die Daten zusammen. G.Ma. und AB analysierte und interpretierte die Ergebnisse. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Alberto Ballestín.

MI ist klinischer Berater und Anteilseigner von MMI Inc. G.Ma. und G.Me. sind klinische Berater von MMI Inc.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Malzone, G., Menichini, G., Innocenti, M. et al. Mikrochirurgisches Robotersystem ermöglicht die Durchführung mikrovaskulärer Anastomosen: eine randomisierte präklinische In-vivo-Studie. Sci Rep 13, 14003 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-41143-z

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Eingegangen: 19. Dezember 2022

Angenommen: 22. August 2023

Veröffentlicht: 27. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-41143-z

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