Radiological Society of North America (RSNA) 3D printing Special Interest Group (SIG): Guidelines for medical 3D printing and appropriateness for clinical scenarios

Este número da revista Cadernos de Estudos Sociais estava em organização quando fomos colhidos pela morte do sociólogo Ernesto Laclau. Seu falecimento em 13 de abril de 2014 surpreendeu a todos, e particularmente ao editor Joanildo Burity, que foi seu orientando de doutorado na University of Essex, Inglaterra, e que recentemente o trouxe à Fundação Joaquim Nabuco para uma palestra, permitindo que muitos pudessem dialogar com um dos grandes intelectuais latinoamericanos contemporâneos. Assim, buscamos fazer uma homenagem ao sociólogo argentino publicando uma entrevista inédita concedida durante a sua passagem pelo Recife, em 2013, encerrando essa revista com uma sessão especial sobre a sua trajetória

Optimization of craniosynostosis surgery: virtual planning, intraoperative 3D photography and surgical navigation

Mención Internacional en el título de doctorCraniosynostosis is a congenital defect defined as the premature fusion of one or more cranial sutures. This fusion leads to growth restriction and deformation of the cranium, caused by compensatory expansion parallel to the fused sutures. Surgical correction is the preferred treatment in most cases to excise the fused sutures and to normalize cranial shape. Although multiple technological advancements have arisen in the surgical management of craniosynostosis, interventional planning and surgical correction are still highly dependent on the subjective assessment and artistic judgment of craniofacial surgeons. Therefore, there is a high variability in individual surgeon performance and, thus, in the surgical outcomes. The main objective of this thesis was to explore different approaches to improve the surgical management of craniosynostosis by reducing subjectivity in all stages of the process, from the preoperative virtual planning phase to the intraoperative performance. First, we developed a novel framework for automatic planning of craniosynostosis surgery that enables: calculating a patient-specific normative reference shape to target, estimating optimal bone fragments for remodeling, and computing the most appropriate configuration of fragments in order to achieve the desired target cranial shape. Our results showed that automatic plans were accurate and achieved adequate overcorrection with respect to normative morphology. Surgeons’ feedback indicated that the integration of this technology could increase the accuracy and reduce the duration of the preoperative planning phase. Second, we validated the use of hand-held 3D photography for intraoperative evaluation of the surgical outcome. The accuracy of this technology for 3D modeling and morphology quantification was evaluated using computed tomography imaging as gold-standard. Our results demonstrated that 3D photography could be used to perform accurate 3D reconstructions of the anatomy during surgical interventions and to measure morphological metrics to provide feedback to the surgical team. This technology presents a valuable alternative to computed tomography imaging and can be easily integrated into the current surgical workflow to assist during the intervention. Also, we developed an intraoperative navigation system to provide real-time guidance during craniosynostosis surgeries. This system, based on optical tracking, enables to record the positions of remodeled bone fragments and compare them with the target virtual surgical plan. Our navigation system is based on patient-specific surgical guides, which fit into the patient’s anatomy, to perform patient-to-image registration. In addition, our workflow does not rely on patient’s head immobilization or invasive attachment of dynamic reference frames. After testing our system in five craniosynostosis surgeries, our results demonstrated a high navigation accuracy and optimal surgical outcomes in all cases. Furthermore, the use of navigation did not substantially increase the operative time. Finally, we investigated the use of augmented reality technology as an alternative to navigation for surgical guidance in craniosynostosis surgery. We developed an augmented reality application to visualize the virtual surgical plan overlaid on the surgical field, indicating the predefined osteotomy locations and target bone fragment positions. Our results demonstrated that augmented reality provides sub-millimetric accuracy when guiding both osteotomy and remodeling phases during open cranial vault remodeling. Surgeons’ feedback indicated that this technology could be integrated into the current surgical workflow for the treatment of craniosynostosis. To conclude, in this thesis we evaluated multiple technological advancements to improve the surgical management of craniosynostosis. The integration of these developments into the surgical workflow of craniosynostosis will positively impact the surgical outcomes, increase the efficiency of surgical interventions, and reduce the variability between surgeons and institutions.Programa de Doctorado en Ciencia y Tecnología Biomédica por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Norberto Antonio Malpica González.- Secretario: María Arrate Muñoz Barrutia.- Vocal: Tamas Ung

Biomechanical analysis of Ascending Thoracic Aortic Aneurysm (ATAA)

According to the reports of the World Health Organisation (WHO), cardiovascular diseases are the number one cause of death worldwide. Specifically, arterial disease and degeneration are the major reasons for cardiovascular death and disability. Because these diseases are dependent on the changes of the mechanical properties of the arterial wall, it is very important to know as much as possible about the structural composition of arteries. The human aorta is the biggest artery in the body and consists of three main parts, ascending aorta, aortic arch and descending aorta. The walls of the arteries consist of three layers, the intima, media and adventitia, where each of the layers has different physiological functions and therefore distinct mechanical properties. These were investigated using, i.e., uniaxial tensile, inflation or planar biaxial-testing. Purpose of this thesis was to apply the biomechanical approach by mean of numerical and experimental test referring to patient-specific aortic geometries with ascending thoracic aortic aneurysms. However, despite the ample literature and the related scientific and industrial activity in this field, many different phenomena are not yet consolidated. The PhD Thesis is then divided into two main sections: the first is composed by a brief introduction on ATAA, with some background about mechanical properties of soft tissues, the evolution of the constitutive model, some remarks of the continuum. The second section of the thesis is based on the different research activities developed during the PhD

Intraoperative, Quantitative, and Non-Contact Blood Volume Flow Measurement via Indocyanine Green Fluorescence Angiography

In vielen Fällen unterziehen sich Patienten einer Revaskularisationsoperation wenn sie an einer zerebrovaskulären Erkrankung leiden, die eine Hypoperfusion des Gehirns verursacht. Dieser chirurgische Eingriff wird häufig als offene Operation durchgeführt und hat das Ziel, die Gefäßfunktion, insbesondere den Blutfluss, wiederherzustellen. Hierzu wird eine Anastomose (Verbindung von Arterien) angelegt, um den Fluss zu einem hypoperfundierten Gehirnareal zu erhöhen. In ungefähr 10% der Eingriffe treten nach der Operation Komplikationen auf, die zum Teil auf eine unzureichende Durchflusssteigerung zurückgeführt werden. Daher sollte der Blutfluss intraoperativ überprüft werden, um die Qualität des Eingriffs im Operationssaal zu beurteilen und schnell eingreifen zu können. Damit könnte ein negativer Ausgang für den Patienten verhindert werden. Der derzeitige Stand der Technik in der intraoperativen und quantitativen Blutflussmessung ist die Nutzung der Ultraschall-Transitzeit-Durchflusssonde. Sie gibt einen quantitativen Flusswert an, muss jedoch das Gefäß umschließen. Dies ist einerseits umständlich für den Chirurgen und andererseits birgt es das Risiko von Kontaminationen, Gefäßquetschungen und der Gefäßruptur. Eine alternative Methode ist die Indocyaningrün (ICG) Fluoreszenzangiographie (FA), welche eine kamerabasierte Methode ist. Sie ist der Stand der Technik in der hochauflösenden anatomischen Visualisierung des Situs und kann zusätzlich dem Chirurgen eine qualitative funktionelle Darstellung der Gefäße im Sichtfeld liefern. Der Stand der Wissenschaft zur Quantifizierung des Blutflusses mittels ICG-FA konnten bisher keine verlässlichen Fluss- werte liefern. Die vorliegende Arbeit analysiert und verbessert die Eignung von ICG FA zu Bereitstellung von verlässlichen und quantitativen Blutflusswerten, indem 1. geklärt wird, wie akkurat die Messung durchgeführt werden kann. 2. Methoden zur Verbesserung der Genauigkeit entwickelt werden. 3. die Existenz eines systematischen Fehlers abgeleitet wird. 4. eine Methode zur Kompensation des systematischen Fehlers entwickelt wird. 5. ein Algorithmus zur Verarbeitung der eingehenden Videodaten für eine Ausgabe eines Durchflusswertes bereitgestellt wird. 6. die Validierung der vorgeschlagenen Methoden und des Arbeitsablaufs in einer ex vivo und in vivo Studie durchgeführt wird. Die in dieser Arbeit vorgeschlagene Messung basiert auf dem systemic mean transit time theorem für Systeme mit einem Eingang und einem Ausgang. Um den Fluss zu berechnen müssen die Transitzeit eines ICG-Bolus für eine zu bestimmenden Strecke und die Querschnittsfläche des Gefäßes ermittelt werden. Es wurden Methoden entwickelt, um den Blutvolumenstrom zu messen und um Fehlerquellen bei dieser Messung der einzelnen Parameter zu identifizieren, quantifizieren und reduzieren. Die statistischen Fehler bei der Messung der Transitstrecke und der Transitzeit des ICG- Bolus sowie der Querschnittsfläche des Gefäßes werden in der Forschung oft vernachlässigt. In dieser Arbeit wurden die Fehler mit Hilfe von in silico Modellen quantifiziert. Es zeigte sich, dass der Fehler zu groß für eine zuverlässige Blutflussmessung ist und daher Methoden zu seiner Reduzierung benötigt werden. Um den Fehler bei der Längenmessung deutlich zu reduzieren, wurde eine Methode vorgestellt, welche die diskrete Mittellinie wieder in eine kontinuierliche überführt. Dabei wird der Fehler in der Längenmessung signifikant reduziert und der Fehler von der räumlichen Orientierung der Struktur entkoppelt. In ähnlicher Weise wurde eine Methode vorgestellt, welche die gemessenen diskreten Indikatorverdünnungskurven (IDCs) ebenso in kontinuierliche überführt, um den Fehler in der Laufzeitmessung des ICG-Bolus zu reduzieren. Der propagierte statistische Fehler der Blutflussmessung wurde auf einen akzeptablen und praktikablen Wert von 20 % bis 30 % reduziert. Die Präsenz eines systematischen Fehlers bei der optischen Messung des Blutflusses wurde identifiziert und aus der Definition des Volumenflusses theoretisch abgeleitet. Folgend wird eine Methode zur Kompensation des Fehlers vorgestellt. Im ersten Schritt wird eine Fluid-Strömungssimulation genutzt, um die räumlich-zeitliche Konzentration des ICG in einem Blutgefäß zu berechnen. Anschließend wird die Konzentration an ein neu entwickeltes Fluoreszenz-Monte-Carlo-Multizylinder (FMCMC) Modell übergeben, das die Ausbreitung von Photonen in einem Gefäß simuliert. Dabei wird der Ort der Fluoreszenzereignisse der emittierten Photonen ermittelt und der systematische Fehler bestimmt. Dies ermöglicht die Kompensation des systematischen Fehlers. Es zeigte sich, dass dieser Fehler unabhängig von dem Volumenfluss ist, solange die Strömung laminar ist, aber abhängig vom Durchmesser des Gefäßes und dem Zeitpunkt der Messung. Die Abhängigkeit vom Durchmesser ist reduziert bei Messungen zu einem früheren Zeitpunkt. Daher ist es vorteilhaft, die erste Ankunft des ICG-Bolus zur Bestimmung der Transitzeit zu verwenden, um den Einfluss des Durchmessers auf den Fehler zu verringern und somit die Messung robuster durchzuführen. Um die Genauigkeit der Messung in einem Experiment zu beweisen, wurde ein ex vivo Experiment unter Verwendung von Schweineblut und Kaninchen Aorten konzipiert und durchgeführt. Es zeigte sich, dass der durch den vorgeschlagenen Algorithmus ermittelte Fluss mit der Referenzmessung (einem industriellem Durchflussmesser) übereinstimmt. Die statistische Streuung der gemessenen Flussdaten durch den Algorithmus stimmte mit der zuvor ermittelten statistischen Fehlerspanne überein, was den in silico Ansatz validiert. Es wurde eine retrospektive in vivo Studie an Menschen durchgeführt, die sich einer extrakraniellen-zu-intrakraniellen (EC-IC) Bypass Operation unterzogen hatten. Die Analyse der FA-Daten ergab eine gute Übereinstimmung mit der klinischen Referenzmethode, jedoch mit dem großen Vorteil, dass kein Kontakt zum Gewebe erforderlich war. Zusätzlich wurde gezeigt, dass simultan Flusswerte für mehrere Gefäße im Sichtfeld der Kamera gemessen werden können. Die vorgestellten Ergebnisse sind ein Proof of Concept für die Eignung der vorgestellten intraoperativen, quantitativen und optischen Messung des Blutvolumenstroms mittels ICG FA. Diese Arbeit ebnet den Weg für den klinischen Einsatz dieser Methode in Ergänzung zum aktuellen klinischen Stand der Technik. Sie könnte zukünftig dem Chirurgen eine neuartige Messung des Blutvolumenstroms zur Verfügung stellen und dabei potentiell das Risiko einer Komplikation reduzieren und damit das Wohl der Patienten verbessern

Medical Robotics

The first generation of surgical robots are already being installed in a number of operating rooms around the world. Robotics is being introduced to medicine because it allows for unprecedented control and precision of surgical instruments in minimally invasive procedures. So far, robots have been used to position an endoscope, perform gallbladder surgery and correct gastroesophogeal reflux and heartburn. The ultimate goal of the robotic surgery field is to design a robot that can be used to perform closed-chest, beating-heart surgery. The use of robotics in surgery will expand over the next decades without any doubt. Minimally Invasive Surgery (MIS) is a revolutionary approach in surgery. In MIS, the operation is performed with instruments and viewing equipment inserted into the body through small incisions created by the surgeon, in contrast to open surgery with large incisions. This minimizes surgical trauma and damage to healthy tissue, resulting in shorter patient recovery time. The aim of this book is to provide an overview of the state-of-art, to present new ideas, original results and practical experiences in this expanding area. Nevertheless, many chapters in the book concern advanced research on this growing area. The book provides critical analysis of clinical trials, assessment of the benefits and risks of the application of these technologies. This book is certainly a small sample of the research activity on Medical Robotics going on around the globe as you read it, but it surely covers a good deal of what has been done in the field recently, and as such it works as a valuable source for researchers interested in the involved subjects, whether they are currently “medical roboticists” or not

Radiological Society of North America (RSNA) 3D printing Special Interest Group (SIG): guidelines for medical 3D printing and appropriateness for clinical scenarios

Abstract Medical three-dimensional (3D) printing has expanded dramatically over the past three decades with growth in both facility adoption and the variety of medical applications. Consideration for each step required to create accurate 3D printed models from medical imaging data impacts patient care and management. In this paper, a writing group representing the Radiological Society of North America Special Interest Group on 3D Printing (SIG) provides recommendations that have been vetted and voted on by the SIG active membership. This body of work includes appropriate clinical use of anatomic models 3D printed for diagnostic use in the care of patients with specific medical conditions. The recommendations provide guidance for approaches and tools in medical 3D printing, from image acquisition, segmentation of the desired anatomy intended for 3D printing, creation of a 3D-printable model, and post-processing of 3D printed anatomic models for patient care.https://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/146524/1/41205_2018_Article_30.pd