Video-based assistance system for training in minimally invasive surgery

In this paper, the development of an assisting system for laparoscopic surgical training is presented. With this system, we expect to facilitate the training process at the first stages of training in laparoscopic surgery and to contribute to an objective evaluation of surgical skills. To achieve this, we propose the insertion of multimedia contents and outlines of work adapted to the level of experience of trainees and the detection of the movements of the laparoscopic instrument into the monitored image. A module to track the instrument is implemented focusing on the tip of the laparoscopic tool. This tracking method does not need the presence of artificial marks or special colours to distinguish the instruments. Similarly, the system has another method based on visual tracking to localize support multimedia content in a stable position of the field of vision. Therefore, this position of the support content is adapted to the movements of the camera or the working area. Experimental results are presented to show the feasibility of the proposed system for assisting in laparoscopic surgical training

Advanced Ergonomics in Laparoscopic Surgery

Applied ergonomics is very important in minimally invasive surgery (MIS), especially with the introduction of robotized techniques that have changed the surgeons’ work conditions. However, the main aim remains the engineering to enable the compatibility of fulfillment of surgeons’ tasks in a physical, logical, and organizational environment with security, comfort, and efficiency. Ergonomics contribution is oriented both to design and redesign utilized material and to work organization. Epidemiological studies have shown the appearance of musculoskeletal pathologies in surgeons performing MIS; therefore, it is relevant to identify the intensity, frequency, and duration of risk factors (posture, repeatability, level of effort, touch pressure, and vibration if relevant) associated with this profession. A further relevant consequence of the effort applied during MIS is local muscle fatigue (LMF), an important factor to consider in musculoskeletal pathologies. The aim of this chapter is to present different methodological approaches by employing most advanced technologies to define the most appropriate posture that surgeons should adopt during MIS to decrease LMF apparition risk level and at the same time to increase capacity to variate the posture without reducing the precision task performance

Methods and Tools for Objective Assessment of Psychomotor Skills in Laparoscopic Surgery

Training and assessment paradigms for laparoscopic surgical skills are evolving from traditional mentor–trainee tutorship towards structured, more objective and safer programs. Accreditation of surgeons requires reaching a consensus on metrics and tasks used to assess surgeons’ psychomotor skills. Ongoing development of tracking systems and software solutions has allowed for the expansion of novel training and assessment means in laparoscopy. The current challenge is to adapt and include these systems within training programs, and to exploit their possibilities for evaluation purposes. This paper describes the state of the art in research on measuring and assessing psychomotor laparoscopic skills. It gives an overview on tracking systems as well as on metrics and advanced statistical and machine learning techniques employed for evaluation purposes. The later ones have a potential to be used as an aid in deciding on the surgical competence level, which is an important aspect when accreditation of the surgeons in particular, and patient safety in general, are considered. The prospective of these methods and tools make them complementary means for surgical assessment of motor skills, especially in the early stages of training. Successful examples such as the Fundamentals of Laparoscopic Surgery should help drive a paradigm change to structured curricula based on objective parameters. These may improve the accreditation of new surgeons, as well as optimize their already overloaded training schedules

Procedimiento automático para el calibrado de cámaras: Estudio comparativo de la distorsión en diferentes combinaciones de cámaras y ópticas laparoscópicas

En este trabajo se propone un método de calibración automático para el cálculo y corrección de la distorsión en imágenes producida por las lentes de los sistemas de captura. Este procedimiento ha sido empleado como herramienta para analizar la distorsión provocada por diversos sistemas de cámara y óptica laparoscópica, de modo que podamos determinar el sistema que proporciona una imagen más fiable al cirujano

Extracción y recuperación de contenidos basado en vídeo en cirugía de mínima invasión

La introducción de las cirugías de mínima invasión en rutina clínica ha provocado la incorporación de los sistemas de vídeo dentro del quirófano. Así, estas técnicas proporcionan al cirujano imágenes que antes solo podían ser vistas mediante cirugía abierta. Los vídeos obtenidos en las intervenciones son almacenados en repositorios. El uso posterior de estos vídeos se ve limitado generalmente a su reproducción, debido a las dificultades de clasificación y gestión. La información que contienen estos repositorios puede ser explotada, reutilizando el conocimiento obtenido en cirugías similares. En este artículo de investigación se presenta el diseño de un módulo de gestión de conocimiento (MGC) para un repositorio de vídeos de cirugía de mínima invasión (CMI). El objetivo del módulo es gestionar y reutilizar la información contenida en el repositorio de vídeos laparoscópicos, para que puedan ser utilizadas con las experiencias previas en entornos de formación de nuevos cirujanos. Para este fin, se han implementado técnicas de recuperación de imagen y vídeo basadas en sus contenidos visuales (CBIR y CBVR). El MGC permite la recuperación de imágenes/vídeos, proporcionando información sobre la tarea que se está realizando en la escena quirúrgica. Los resultados obtenidos en este trabajo muestran la posibilidad de recuperar vídeos de CMI, a partir del instrumental presente en la escena quirúrgica

Métodos de segmentación y seguimiento de estructuras para vídeo laparoscópico.

En este artículo se presenta el diseño, implementación y evaluación de tres métodos que permiten realizar la detección y el seguimiento de estructuras de interés seleccionadas por el usuario a lo largo de un conjunto de fotogramas de vídeo quirúrgico. El objetivo de estos métodos es la extracción de la información relativa a las estructuras presentes en una determinada escena quirúrgica en entornos de formación o durante los procedimientos de mínima invasión. Los resultados muestran su directa aplicabilidad a entornos didácticos, por ser técnicas semiautomáticas en las que se requiere interacción del usuario

Validación comparativa de un método para la corrección de distorsión en secuencias de video endoscópicas

El análisis de las secuencias de video del endoscopio cobra gran interés para el desarrollo de aplicaciones de formación y navegación quirúrgica en Cirugía de Mínima Invasión (CMI) Requiere una corrección previa de las distorsiones que introduce la cámara, en especial de la distorsión radial. El objetivo de este trabajo es validar un método de corrección de distorsión en video laparoscópico de forma comparativa con el método de Bouguet, uno de los métodos más valorados y usados por la comunidad científica. Los resultados muestran que el método propuesto es comparable al método de referencia empleado, y que la corrección realizada cubre las necesidades del procesado de vídeo endoscópic

Localización del punto de trócar basada en análisis de vídeo laparoscópico

Los sistemas de navegación quirúrgica ayudan a solventar las limitaciones de las técnicas quirúrgicas de mínima invasión, dotando al cirujano de una orientación intuitiva y cómoda. El análisis del vídeo laparoscópico es una solución novedosa para llevar a cabo el seguimiento del instrumental quirúrgico, la reconstrucción de la información de profundidad y el registro intraoperatorio. El presente trabajo de investigación propone una solución para la obtención de la posición de los trócares a partir del análisis de las secuencias de vídeo endoscópico, posición que sirva de punto de referencia para el registro intraoperatorio. El método se basa en determinar el punto donde pivota la herramienta analizando parejas de fotogramas, y emplea un umbral de calidad de la posición basada en la ortogonalidad de las recta

Evaluación de habilidades motoras en cirugía de mínima invasión basada en el análisis del vídeo laparoscópico

En el presente trabajo se muestran los resultados preliminares de validación de un sistema de evaluación de habilidades motoras en cirugía de mínima invasión (CMI) basado en el seguimiento por vídeo del instrumental quirúrgico. El sistema, en fase de prototipo aún, se valida con 42 participantes (16 noveles, 22 residentes y 4 expertos). En esta primera fase del trabajo se han analizado varias métricas obtenidas a partir del 2D de la imagen. El sistema presenta validez para las métricas de tiempo, camino recorrido, velocidad media y eficiencia de espacio. A falta de implementar una versión definitiva capaz de llevar a cabo procesamiento en tiempo real de múltiples herramientas, y de la validación de métricas obtenidas a partir del 3D, se demuestra la viabilidad de construir entornos de formación basados en tecnologías de video, que sean transparentes al cirujano

Development and evaluation of different electroactive poly(vinylidene fluoride) architectures for endothelial cell culture

Tissue engineering (TE) aims to develop structures that improve or even replace the biological functions of tissues and organs. Mechanical properties, physical-chemical characteristics, biocompatibility, and biological performance of the materials are essential factors for their applicability in TE. Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) is a thermoplastic polymer that exhibits good mechanical properties, high biocompatibility and excellent thermal properties. However, PVDF structuring, and the corresponding processing methods used for its preparation are known to significantly influence these characteristics. In this study, doctor blade, salt-leaching, and electrospinning processing methods were used to produce PVDF-based structures in the form of films, porous membranes, and fiber scaffolds, respectively. These PVDF scaffolds were subjected to a variety of characterizations and analyses, including physicochemical analysis, contact angle measurement, cytotoxicity assessment and cell proliferation. All prepared PVDF scaffolds are characterized by a mechanical response typical of ductile materials. PVDF films displayed mostly vibration modes for the a-phase, while the remaining PVDF samples were characterized by a higher content of electroactive beta-phase due the low temperature solvent evaporation during processing. No significant variations have been observed between the different PVDF membranes with respect to the melting transition. In addition, all analysed PVDF samples present a hydrophobic behavior. On the other hand, cytotoxicity assays confirm that cell viability is maintained independently of the architecture and processing method. Finally, all the PVDF samples promote human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) proliferation, being higher on the PVDF film and electrospun randomly-oriented membranes. These findings demonstrated the importance of PVDF topography on HUVEC behavior, which can be used for the design of vascular implants.This work has been partially funded by the Junta de Extremadura (Spain), the Spanish Ministry of Science and Innovation, the European Social Fund, the European Regional Development Fund, and the European Next Generation Funds (Grant Numbers PD18077, TA18023, and GR21201). The authors also thanks to Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT) for financial support under grants SFRH/BD/140698/2018 (RP), 2020.04163. CEECIND (CR). The also authors acknowledge funding by Spanish State Research Agency (AEI) and the European Regional Development Fund (ERFD) through the project PID 2019-106099RB-C43/AEI/10.13039/501100011033 and from the Basque Government Industry Departments under the ELKARTEK program