Nonlinear effects in finite elements analysis of colorectal surgical clamping

Minimal Invasive Surgery (MIS) is a procedure that has increased its applications in past few years in different types of surgeries. As number of application fields are increasing day by day, new issues have been arising. In particular, instruments must be inserted through a trocar to access the abdominal cavity without capability of direct manipulation of tissues, so a loss of sensitivity occurs. Generally speaking, the student of medicine or junior surgeons need a lot of practice hours before starting any surgical procedure, since they have to difficulty in acquiring specific skills (hand–eye coordination among others) for this type of surgery. Here is what the surgical simulator present a promising training method using an approach based on Finite Element Method (FEM). The use of continuum mechanics, especially Finite Element Analysis (FEA) has gained an extensive application in medical field in order to simulate soft tissues. In particular, colorectal simulations can be used to understand the interaction between colon and the surrounding tissues and also between colon and instruments. Although several works have been introduced considering small displacements, FEA applied to colorectal surgical procedures with large displacements is a topic that asks for more investigations. This work aims to investigate how FEA can describe non-linear effects induced by material properties and different approximating geometries, focusing as test-case application colorectal surgery. More in detail, it shows a comparison between simulations that are performed using both linear and hyperelastic models. These different mechanical behaviours are applied on different geometrical models (planar, cylindrical, 3D-SS and a real model from digital acquisitions 3D-S) with the aim of evaluating the effects of geometric non-linearity. Final aim of the research is to provide a preliminary contribution to the simulation of the interaction between surgical instrument and colon tissues with multi-purpose FEA in order to help the preliminary set-up of different bioengineering tasks like force-contact evaluation or approximated modelling for virtual reality (surgical simulations). In particular, the contribution of this work is focused on the sensitivity analysis of the nonlinearities by FEA in the tissue-tool interaction through an explicit FEA solver. By doing in this way, we aim to demonstrate that the set-up of FEA computational surgical tools may be simplified in order to provide assistance to non-expert FEA engineers or medicians in more precise way of using FEA tools

3D Printing Technologies

The family of technologies collectively known as additive manufacturing (AM) technologies, and often called 3D-printing technologies, is rapidly revolutionizing industrial production. AM’s potential to produce intricate and customized parts starting from a digital 3D model makes it one of the main pillars for the forthcoming Industry 4.0. Thanks to its advantages over traditional manufacturing methodologies, AM finds potential applicability in virtually all production fields. As a natural consequence of this, research in this field is primarily focused on the development of novel materials and techniques for 3D printing. This Special Issue of Technologies, titled “3D Printing Technologies”, aims at promoting the latest knowledge in materials, processes, and applications for AM. It is composed of six contributions, authored by influential scientists in the field of advanced 3D printing. The intended audience includes professors, graduate students, researchers, engineers and specialists working in the field of AM

Patterns of injury and violence in Yaoundé Cameroon: an analysis of hospital data.

BackgroundInjuries are quickly becoming a leading cause of death globally, disproportionately affecting sub-Saharan Africa, where reports on the epidemiology of injuries are extremely limited. Reports on the patterns and frequency of injuries are available from Cameroon are also scarce. This study explores the patterns of trauma seen at the emergency ward of the busiest trauma center in Cameroon's capital city.Materials and methodsAdministrative records from January 1, 2007, through December 31, 2007, were retrospectively reviewed; information on age, gender, mechanism of injury, and outcome was abstracted for all trauma patients presenting to the emergency ward. Univariate analysis was performed to assess patterns of injuries in terms of mechanism, date, age, and gender. Bivariate analysis was used to explore potential relationships between demographic variables and mechanism of injury.ResultsA total of 6,234 injured people were seen at the Central Hospital of Yaoundé's emergency ward during the year 2007. Males comprised 71% of those injured, and the mean age of injured patients was 29 years (SD = 14.9). Nearly 60% of the injuries were due to road traffic accidents, 46% of which involved a pedestrian. Intentional injuries were the second most common mechanism of injury (22.5%), 55% of which involved unarmed assault. Patients injured in falls were more likely to be admitted to the hospital (p < 0.001), whereas patients suffering intentional injuries and bites were less likely to be hospitalized (p < 0.001). Males were significantly more likely to be admitted than females (p < 0.001)DiscussionPatterns in terms of age, gender, and mechanism of injury are similar to reports from other countries from the same geographic region, but the magnitude of cases reported is high for a single institution in an African city the size of Yaoundé. As the burden of disease is predicted to increase dramatically in sub-Saharan Africa, immediate efforts in prevention and treatment in Cameroon are strongly warranted

25th International Congress of the European Association for Endoscopic Surgery (EAES) Frankfurt, Germany, 14-17 June 2017 : Oral Presentations

Introduction: Ouyang has recently proposed hiatal surface area (HSA) calculation by multiplanar multislice computer tomography (MDCT) scan as a useful tool for planning treatment of hiatus defects with hiatal hernia (HH), with or without gastroesophageal reflux (MRGE). Preoperative upper endoscopy or barium swallow cannot predict the HSA and pillars conditions. Aim to asses the efficacy of MDCT’s calculation of HSA for planning the best approach for the hiatal defects treatment. Methods: We retrospectively analyzed 25 patients, candidates to laparoscopic antireflux surgery as primary surgery or hiatus repair concomitant with or after bariatric surgery. Patients were analyzed preoperatively and after one-year follow-up by MDCT scan measurement of esophageal hiatus surface. Five normal patients were enrolled as control group. The HSA’s intraoperative calculation was performed after complete dissection of the area considered a triangle. Postoperative CT-scan was done after 12 months or any time reflux symptoms appeared. Results: (1) Mean HSA in control patients with no HH, no MRGE was cm2 and similar in non-complicated patients with previous LSG and cruroplasty. (2) Mean HSA in patients candidates to cruroplasty was 7.40 cm2. (3) Mean HSA in patients candidates to redo cruroplasty for recurrence was 10.11 cm2. Discussion. MDCT scan offer the possibility to obtain an objective measurement of the HSA and the correlation with endoscopic findings and symptoms. The preoperative information allow to discuss with patients the proper technique when a HSA[5 cm2 is detected. During the follow-up a correlation between symptoms and failure of cruroplasty can be assessed. Conclusions: MDCT scan seems to be an effective non-invasive method to plan hiatal defect treatment and to check during the follow-up the potential recurrence. Future research should correlate in larger series imaging data with intraoperative findings

Ultrasound Imaging

Ultrasound Imaging - Current Topics presents complex and current topics in ultrasound imaging in a simplified format. It is easy to read and exemplifies the range of experiences of each contributing author. Chapters address such topics as anatomy and dimensional variations, pediatric gastrointestinal emergencies, musculoskeletal and nerve imaging as well as molecular sonography. The book is a useful resource for researchers, students, clinicians, and sonographers looking for additional information on ultrasound imaging beyond the basics

Inter- and Intrafraction Motion Management for MR guided Proton Therapy of Pancreatic Carcinoma

Hintergrund: Patienten mit Bauchspeicheldrüsenkrebs könnten von der Protonentherapie (PT) profitieren, aufgrund ihres Potentials der Schonung von Risikoorganen. Jedoch führen die inter- und intrafraktionelle Beweglichkeit der Bauchspeicheldrüse zu hohen Unsicherheiten bei der Dosisapplikation und erfordern daher große Sicherheitssäume. Aufgrund des hohen Weichgewebskontrastes in der MRT und der Möglichkeit der Echtzeitbildgebung gewinnt die Unterstützung der Strahlentherapie durch die MRT stetig höheres Interesse. In der Translation von konventioneller Röntgen-geführter XT zur MR-geführten PT müssen Methoden zur Kontrolle der inter- und intrafraktionellen Organbeweglichkeit re-evaluiert, adaptiert oder neu entwickelt werden. Fragestellung/Hypothese: Für die interfraktionelle Bewegungskontrolle wurde die Hypothese aufgestellt, dass der neu entwickelte Flüssigmarker BioXmark®, injiziert in Pankreasgewebe, sichtbar in der MR-Bildgebung ist und verglichen zu üblich verwendeten soliden Markern die Bildartefakte reduziert. Für die intrafraktionelle Bewegungskontrolle wurde erwartet, dass ein Patienten-individuelles MR-kompatibles Korsett die atmungs-induzierte Pankreasbeweglichkeit reduziert, von Patienten mit Tumoren im Oberbauch gut vertragen wird und in die PT implementiert werden kann. Ein 4D MR-Linac Bewegungsphantom wurde für die Evaluierung der Geometrietreue und der Genauigkeit der Bewegungswiedergabe des genutzten diagnostischen 3.0 T MR Scanners verwendet. Es wurde erwartet, dass dieses Phantom für die Verwendung am diagnostischen MR Scanner implementiert werden kann und für die Qualitätssicherung von bewegungscharakterisierenden MR Pulssequenzen genutzt werden kann. Material und Methode: Die MR Eigenschaften von BioXmark® wurden in einer Phantomstudie durch MR Relaxometrie quantitativ analysiert und verglichen mit zwei Arten von soliden Marker. Des weiteren wurde die MR-Sichtbarkeit von BioXmark® das erste mal in ex vivo tumorösem Pankreasgewebe getestet für Markern dreier Größenkategorien (20/25 µL, 50/60 µL, 100 µL), injeziert mit jeweils drei verschiedenen Nadelgrößen (18 G, 22 G, 25 G). Ein 4D MR-Linac Bewegungsphantom wurde für den diagnostischen 3.0 T MR Scanner unserer Klinik kommissioniert und Programme für die automatische Evaluierung der 3D Geometrietreue und Genauigkeit der Bewegungscharakterisierung entwickelt. Drei Korsetts aus verschiedenen Materialien (PU, PE, 3DPE) wurden in Bezug auf die Verwendbarkeit in der PT untersucht. Des weiteren wurde der Effekt der Korsetts auf die Reduzierung der Pankreasbeweglichkeit bei einem gesunden Freiwilligen analysiert, mittels zeitaufgelöster 2D-cine MRT und respirationskorrelierter 4D-MRT in einem 1.5 T MR Scanner. Daraufhin wurde eine klinische Studie durchgeführt, die 13 Patienten mit Tumor im Oberbauch einschloss. Im Rahmen der Studie wurde der Effekt des verwendeten 3DPE Korsetts auf die Reduktion der Pankreasbeweglichkeit analysiert, mittels 2D-cine MRT und 4D-MRT in einem 3.0 T MR Scanner. Abschließend wurde die Patienten-Verträglichkeit bei Anwendung des Korsetts analysiert. Ergebnisse: Für BioXmark® wurde keine Korrelation zwischen der Intensität der Sichtbarkeit und Artefakte gefunden (RS = 0.0) und nur eine schwache Korrelation zwischen der Größe der Sichtbarkeit und Artefakte (RS = 0.4). Im Gegensatz dazu wurde für die soliden Marker eine lineare Abhängigkeit der Größe der Sichtbarkeit und Artefakte (RS = 0.99) und eine nicht-lineare Abhängigkeit zwischen der Intensität der Sichtbarkeit und Artefakte gefunden (RS = 0.964). Nach Injektion in drei ex vivo Pankreas-Resektionspräparate war BioXmark® als Hypointensität in sowohl T1- als auch T2- gewichteten MR Bildgebung sichtbar. Marker aller drei getesteten Größenkategorien waren in klinisch verwendeten MR Sequenzen detektierbar. Jedoch führte eine diffuse Gelierung oder Injektion zu nah am Geweberand zur Minderung der Detektierbarkeit. Dies hatte zur Folge hatte, dass 4 von in Summe 17 Markern in der MR-Bildgebung nicht erkennbar waren. Das MR-Linac Bewegungsphantom wurde erfolgreich am diagnostischen 3.0 T MR Scanner kommissioniert. Eine Fixierungs- und Positionierungshilfe wurde entwickelt und konstruiert, die eine sichere und reproduzierbare Positionierung des Aktuators und des Phantoms (< 0.4mm) ermöglichte. Ein Programm zur automatischen Verzerrungsanalyse wurde entwickelt, basierend auf einer Referenz-CT Aufnahme. Die Auswertung einer klinisch verwendeten 3D GRE Sequenz offenbarte eine maximale Verzerrung von 1.3mm in einem elliptischen Zylindervolumen von 15×23×6 cm³. Das Referenz-CT offenbarte zusätzlich einen Abweichung der eingestellten Targetbeweglichkeit in AP/LR Richtung. Kontrastreiche und geometrisch korrekte 2D-cine MR Bilder des sich bewegenden Phantom-Targets konnten aufgenommen werden. Ein Programm für ein automatisiertes Target-Tracking wurde entwickelt, welches eine hohe Genauigkeit der bewegungscharakterisierenden Sequenzen bestätigte (< 0.2mm in 2D-cine MRT, < 0.3mm in 4D-MRT). Eine vergleichbare Reduzierung der respirationsbedingten Pankreas-Bewegung von 46%–56% (7.7mm – 9.4 mm) wurde für die drei getesteten Korsetts gefunden. Die Materialanalyse führte jedoch zum Ausschluss des PU Korsetts für die Verwendung in der PT, aufgrund der gravierenden Heterogenität des Korsettmaterials. Das 3DPE Korsett wurde als für die PT implementierbar bewertet, wobei eine direkte Integration in der PT Planung mit der klinisch verwendeten Hounsfield-SPR Übersetzungstabelle möglich war. Das 3DPE Korsett wurde für 13 Patienten mit Tumor im Oberbauch in den PT Arbeitsablauf integriert, in welchem das Korsett von den Patienten gut toleriert wurde. Die MR-basierte Analyse der respirationsbedingten Pankreasbewegung in 9 Patienten mit und ohne Korsett ergab eine Reduzierung der Beweglichkeit um 37% (~3.3 mm). Schlussfolgerungen: BioXmark® und das entwickelte 3DPE Korsett wurden als verwendbar für die MR geführte PT bewertet. BioXmark® war in der MR-Bildgebung als Hypointensität sichtbar, unabhängig von der verwendeten MR Pulssequenz, solange die Markergröße die Voxelauflösung überschritt. Die MR-Sichtbarkeit von BioXmark® sollte jedoch in vivo getestet werden, da sich dort die Gelierung unterscheiden könnte und dementsprechend die Sichtbarkeit beeinflussen könnte. Das MR-Linac Bewegungsphantom kann in Zukunft für QA von bewegungscharakterisierenden Pulssequenzen des diagnostischen MR Scanners verwendet werden. Dies ist empfohlen, wann immer neue Pulssequenzen implementiert werden. Das entwickelte Korsett reduziert die respirationsbedingte Pankreas-Beweglichkeit in Patienten mit Tumor im Oberbauch um ~37% und kann in Zukunft für die MR geführte PT verwendet werden. Die Studie offenbarte jedoch auch, dass eine erhebliche Anzahl an Patienten nicht von der Verwendung eines Korsetts profitiert, aufgrund ihrer initial geringen Beweglichkeit bei freier Atmung (< 6 mm). Schlussfolgernd ist eine vorherige Einschätzung der Beweglichkeit jedes individuellen Patienten bei freier Atmung zu empfehlen, bevor eine Entscheidung über die Implementierung des Korsetts in der PT getroffen wird

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