Review. Technologies for robot grippers in pick and place operations for fresh fruits and vegetables

[EN] Robotics has been introduced in industry to replace humans in arduous and repetitive tasks, to reduce labour costs and to ensure consistent quality control of the process. Nowadays robots are cheaper, can work in hostile and dirty environments and they are able to manipulate products at high speed. High speed and reliability and low robot gripper costs are necessary for a profitable pick and place (P&P) process. However, current grippers are not able to handle these products properly because they have uneven shapes, are flexible and irregular, have different textures and are very sensitive to being damaged. This review brings together the requirements and phases used in the process of manipulation, summarises and analyses of the existing, potential and emerging techniques and their possibilities for the manipulation of fresh horticultural products from a detailed study of their characteristics. It considers the difficulties and the lack of engineers to conceive of and implement solutions. Contact grippers with underactuated mechanism and suction cups could be a promising approach for the manipulation of fresh fruit and vegetables. Ongoing study is still necessary on the characteristics and handling requirements of fresh fruit and vegetables in order to design grippers which are suitable for correct manipulation, at high speed, in profitable P&P processes for industrial applications.This work has been partially funded by research project with reference DPI2010-20286 financed by the Spanish Ministerio de Ciencia e Innovacion.Blanes Campos, C.; Mellado Arteche, M.; Ortiz Sánchez, MC.; Valera Fernández, Á. (2011). Review. Technologies for robot grippers in pick and place operations for fresh fruits and vegetables. SPANISH JOURNAL OF AGRICULTURAL RESEARCH. REVISTA DE INVESTIGACION AGRARIA. 9(4):1130-1141. https://doi.org/10.5424/sjar/20110904-501-10S1130114194Akella, S., & Mason, M. T. (1999). Using Partial Sensor Information to Orient Parts. The International Journal of Robotics Research, 18(10), 963-997. doi:10.1177/02783649922067663Akella, S., Huang, W. H., Lynch, K. M., & Mason, M. T. (s. f.). Sensorless parts orienting with a one-joint manipulator. Proceedings of International Conference on Robotics and Automation. doi:10.1109/robot.1997.619318Allende, A., Desmet, M., Vanstreels, E., Verlinden, B. E., & Nicolaı̈, B. M. (2004). Micromechanical and geometrical properties of tomato skin related to differences in puncture injury susceptibility. Postharvest Biology and Technology, 34(2), 131-141. doi:10.1016/j.postharvbio.2004.05.007R. W. Bajema, G. M. Hyde, & A. L. Baritelle. (1998). TEMPERATURE AND STRAIN RATE EFFECTS ON THE DYNAMIC FAILURE PROPERTIES OF POTATO TUBER TISSUE. Transactions of the ASAE, 41(3), 733-740. doi:10.13031/2013.17201Barreiro, P., Steinmetz, V., & Ruiz-Altisent, M. (1997). Neural bruise prediction models for fruit handling and machinery evaluation. Computers and Electronics in Agriculture, 18(2-3), 91-103. doi:10.1016/s0168-1699(97)00022-7Bicchi, A. (2000). Hands for dexterous manipulation and robust grasping: a difficult road toward simplicity. IEEE Transactions on Robotics and Automation, 16(6), 652-662. doi:10.1109/70.897777Bielza, C., Barreiro, P., Rodrı́guez-Galiano, M. I., & Martı́n, J. (2003). Logistic regression for simulating damage occurrence on a fruit grading line. Computers and Electronics in Agriculture, 39(2), 95-113. doi:10.1016/s0168-1699(03)00021-8Bloss, R. (2006). How do you quickly load cases and trays with tough to handle product? Industrial Robot: An International Journal, 33(5), 339-341. doi:10.1108/01439910610684990Brantmark, H., & Hemmingson, E. (2001). FlexPicker with PickMaster revolutionizes picking operations. Industrial Robot: An International Journal, 28(5), 414-420. doi:10.1108/eum0000000005844Brown, E., Rodenberg, N., Amend, J., Mozeika, A., Steltz, E., Zakin, M. R., … Jaeger, H. M. (2010). Universal robotic gripper based on the jamming of granular material. Proceedings of the National Academy of Sciences, 107(44), 18809-18814. doi:10.1073/pnas.1003250107G. H. Brusewitz, & J. A. Bartsch. (1989). Impact Parameters Related to Post Harvest Bruising of Apples. Transactions of the ASAE, 32(3), 0953. doi:10.13031/2013.31097Ceccarelli, M., Figliolini, G., Ottaviano, E., Mata, A. S., & Criado, E. J. (2000). Designing a robotic gripper for harvesting horticulture products. Robotica, 18(1), 105-111. doi:10.1017/s026357479900226xChen, P., & Sun, Z. (1991). A review of non-destructive methods for quality evaluation and sorting of agricultural products. Journal of Agricultural Engineering Research, 49, 85-98. doi:10.1016/0021-8634(91)80030-iChua, P. Y., Ilschner, T., & Caldwell, D. G. (2003). Robotic manipulation of food products – a review. Industrial Robot: An International Journal, 30(4), 345-354. doi:10.1108/01439910310479612Davis, S., Gray, J. O., & Caldwell, D. G. (2008). An end effector based on the Bernoulli principle for handling sliced fruit and vegetables. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 24(2), 249-257. doi:10.1016/j.rcim.2006.11.002Erzincanli, F., & Sharp, J. M. (1997). A classification system for robotic food handling. Food Control, 8(4), 191-197. doi:10.1016/s0956-7135(97)00048-0R. Feller, E. Margolin, A. Zacharin, & H. Pasternak. (1985). Development of a Clod Separator for Potato Packing Houses. Transactions of the ASAE, 28(4), 1019-1023. doi:10.13031/2013.32380Fischer, I. H., Ferreira, M. D., Spósito, M. B., & Amorim, L. (2009). Citrus postharvest diseases and injuries related to impact on packing lines. Scientia Agricola, 66(2), 210-217. doi:10.1590/s0103-90162009000200010Foglia, M. M., & Reina, G. (2006). Agricultural robot for radicchio harvesting. Journal of Field Robotics, 23(6-7), 363-377. doi:10.1002/rob.20131Garcı́a, J. L., Ruiz-Altisent, M., & Barreiro, P. (1995). Factors Influencing Mechanical Properties and Bruise Susceptibility of Apples and Pears. Journal of Agricultural Engineering Research, 61(1), 11-17. doi:10.1006/jaer.1995.1025Garcı́a-Ramos, F. ., Ortiz-Cañavate, J., & Ruiz-Altisent, M. (2004). Evaluation and correction of the mechanical aggressiveness of commercial sizers used in stone fruit packing lines. Journal of Food Engineering, 63(2), 171-176. doi:10.1016/s0260-8774(03)00297-8Grunert, K. G. (2005). Food quality and safety: consumer perception and demand. European Review of Agricultural Economics, 32(3), 369-391. doi:10.1093/eurrag/jbi011Han, I. (2007). Vibratory orienting and separation of small polygonal parts. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, 221(12), 1743-1753. doi:10.1243/09544054jem846HAYASHI, S., GANNO, K., ISHII, Y., & TANAKA, I. (2002). Robotic Harvesting System for Eggplants. Japan Agricultural Research Quarterly: JARQ, 36(3), 163-168. doi:10.6090/jarq.36.163Hayashi, S., Shigematsu, K., Yamamoto, S., Kobayashi, K., Kohno, Y., Kamata, J., & Kurita, M. (2010). Evaluation of a strawberry-harvesting robot in a field test. Biosystems Engineering, 105(2), 160-171. doi:10.1016/j.biosystemseng.2009.09.011Herold, B., Truppel, I., Siering, G., & Geyer, M. (1996). A Pressure Measuring Sphere for monitoring handling of fruit and vegetables. Computers and Electronics in Agriculture, 15(1), 73-88. doi:10.1016/0168-1699(96)00004-xHirose, S., & Umetani, Y. (1978). The development of soft gripper for the versatile robot hand. Mechanism and Machine Theory, 13(3), 351-359. doi:10.1016/0094-114x(78)90059-9Kondo, N. (2010). Automation on fruit and vegetable grading system and food traceability. Trends in Food Science & Technology, 21(3), 145-152. doi:10.1016/j.tifs.2009.09.002Lewis, R., Yoxall, A., Marshall, M. B., & Canty, L. A. (2008). Characterising pressure and bruising in apple fruit. Wear, 264(1-2), 37-46. doi:10.1016/j.wear.2007.01.038M. J. Lichtensteiger, R. G. Holmes, M. Y. Hamdy, & J. L. Blaisdell. (1988). Evaluation of Kelvin Model Coefficients for Viscoelastic Spheres. Transactions of the ASAE, 31(1), 0288-0292. doi:10.13031/2013.30702Alejandro Isabel Luna Maldonado. (2010). Automation and robots for handling, storing and transporting fresh horticulture produce. Stewart Postharvest Review, 6(3), 1-6. doi:10.2212/spr.2010.3.14Mantriota, G. (2007). Theoretical model of the grasp with vacuum gripper. Mechanism and Machine Theory, 42(1), 2-17. doi:10.1016/j.mechmachtheory.2006.03.003Mantriota, G. (2007). Optimal grasp of vacuum grippers with multiple suction cups. Mechanism and Machine Theory, 42(1), 18-33. doi:10.1016/j.mechmachtheory.2006.02.007Menesatti, P., & Paglia, G. (2001). PH—Postharvest Technology. Journal of Agricultural Engineering Research, 80(1), 53-64. doi:10.1006/jaer.2000.0669Monta, M., Kondo, N., & Ting, K. C. (1998). Artificial Intelligence Review, 12(1/3), 11-25. doi:10.1023/a:1006595416751MORROW, C. T., & MOHSENIN, N. N. (1968). Dynamic Viscoelastic Characterization of Solid Food Materials. Journal of Food Science, 33(6), 646-651. doi:10.1111/j.1365-2621.1968.tb09093.xMuscato, G., Prestifilippo, M., Abbate, N., & Rizzuto, I. (2005). A prototype of an orange picking robot: past history, the new robot and experimental results. Industrial Robot: An International Journal, 32(2), 128-138. doi:10.1108/01439910510582255PELEG, M., & CALZADA, J. F. (1976). STRESS RELAXATION OF DEFORMED FRUITS AND VEGETABLES. Journal of Food Science, 41(6), 1325-1329. doi:10.1111/j.1365-2621.1976.tb01163.xPeterson, C. L., & Hall, C. W. (1975). Dynamic mechanical properties of the Russet Burbank potato as related to temperature and bruise susceptibility. American Potato Journal, 52(10), 289-312. doi:10.1007/bf02874443Petterson, A., Ohlsson, T., Caldwell, D. G., Davis, S., Gray, J. O., & Dodd, T. J. (2010). A Bernoulli principle gripper for handling of planar and 3D (food) products. Industrial Robot: An International Journal, 37(6), 518-526. doi:10.1108/01439911011081669Pettersson, A., Davis, S., Gray, J. O., Dodd, T. J., & Ohlsson, T. (2010). Design of a magnetorheological robot gripper for handling of delicate food products with varying shapes. Journal of Food Engineering, 98(3), 332-338. doi:10.1016/j.jfoodeng.2009.11.020Ruiz-Altisent, M., Ruiz-Garcia, L., Moreda, G. P., Lu, R., Hernandez-Sanchez, N., Correa, E. C., … García-Ramos, J. (2010). Sensors for product characterization and quality of specialty crops—A review. Computers and Electronics in Agriculture, 74(2), 176-194. doi:10.1016/j.compag.2010.07.002Saadat, M., & Nan, P. (2002). Industrial applications of automatic manipulation of flexible materials. Industrial Robot: An International Journal, 29(5), 434-442. doi:10.1108/01439910210440255Sarig, Y. (1993). Robotics of Fruit Harvesting: A State-of-the-art Review. Journal of Agricultural Engineering Research, 54(4), 265-280. doi:10.1006/jaer.1993.1020Sharma, M. G., & Mohsenin, N. N. (1970). Mechanics of deformation of a fruit subjected to hydrostatic pressure. Journal of Agricultural Engineering Research, 15(1), 65-74. doi:10.1016/0021-8634(70)90111-3Studman, C. J. (2001). Computers and electronics in postharvest technology — a review. Computers and Electronics in Agriculture, 30(1-3), 109-124. doi:10.1016/s0168-1699(00)00160-5Van Henten, E. J., Van Tuijl, B. A. J., Hemming, J., Kornet, J. G., Bontsema, J., & Van Os, E. A. (2003). Field Test of an Autonomous Cucumber Picking Robot. Biosystems Engineering, 86(3), 305-313. doi:10.1016/j.biosystemseng.2003.08.002Van Henten, E. J., Van’t Slot, D. A., Hol, C. W. J., & Van Willigenburg, L. G. (2009). Optimal manipulator design for a cucumber harvesting robot. Computers and Electronics in Agriculture, 65(2), 247-257. doi:10.1016/j.compag.2008.11.004Van Zeebroeck, M., Van linden V., Darius, P., De Ketelaere, B., Ramon, H., & Tijskens, E. (2007). The effect of fruit factors on the bruise susceptibility of apples. Postharvest Biology and Technology, 46(1), 10-19. doi:10.1016/j.postharvbio.2007.03.017Wallin, P. J. (1997). Robotics in the food industry: an update. Trends in Food Science & Technology, 8(6), 193-198. doi:10.1016/s0924-2244(97)01042-xWilson, M. (2010). Developments in robot applications for food manufacturing. Industrial Robot: An International Journal, 37(6), 498-502. doi:10.1108/01439911011081632Wurdemann, H. A., Aminzadeh, V., Dai, J. S., Reed, J., & Purnell, G. (2011). Category-based food ordering processes. Trends in Food Science & Technology, 22(1), 14-20. doi:10.1016/j.tifs.2010.10.003Zhong, Z. W., & Yeong, C. K. (2006). Development of a gripper using SMA wire. Sensors and Actuators A: Physical, 126(2), 375-381. doi:10.1016/j.sna.2005.10.017Zhu, T., Liu, R., Wang, X. D., & Wang, K. (2006). Principle and Application of Vibrating Suction Method. 2006 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. doi:10.1109/robio.2006.34024

FlexPicker con PickMaster, una revolución en las operaciones de toma y dejada

Durante muchos años ABB ha venido definiendo los estándares de la automatización flexible en numerosos ramos industriales. Gracias a su combinación de rapidez y precisión el robot IRB FlexPicker¿, por ejemplo, está abriendo nuevos mercados y reduciendo drásticamente los costes de las operaciones de toma y dejada para la selección de productos. Una serie de perfeccionamientos, entre los que se cuenta un paquete de software combinado radicalmente nuevo, el llamado PickMaster¿, una nueva versión, lavable, del robot IRB 340 y un controlador modernizado para el control no paralelo del movimiento y de la velocidad, han aumentado enormemente la capacidad robótica de FlexPicker¿

Parental influence on the development of overweight and obesity in children

Övervikt och fetma hos barn är ett allvarligt och växande problem. Det är ett tillstånd som för med sig många olika sjukdomar och i och med att antalet överviktiga barn ökar hastigt kommer det att vara en stor belastning för den framtida hälso- och sjukvården. Prevalensen är särskilt stor i vissa delar av världen och inom vissa grupper i samhället. Föräldrar spelar en väsentlig roll i huruvida barnen lever hälsosamma liv eftersom de bär ansvaret för barnen. Syftet med denna litteraturstudie var att undersöka föräldrars påverkan i utvecklingen av övervikt och fetma hos barn och genom en systematisk bearbetning av litteraturen granskades och bearbetades slutligen 19 vetenskapliga artiklar till resultatdelen i studien. Socioekonomiska faktorer, faktorer inom familjen och föräldrars roll var tre teman som utmärkte sig där det under varje rubrik beskrivs hur föräldrar påverkar med att bidra till eller motverka riskfaktorer till en ohälsosam viktstatus hos barn. Föräldrar har ett behov av stöd i form av information och kunskap och hälso- och sjukvården bär ett stort ansvar i att stödja föräldrar, förebygga sjukdom och främja hälsa.  Overweight and obesity in children are serious conditions, with many negative consequences to the health of individuals and the health care system as a whole. The prevalence is particularly great in certain groups of people and the frequency of these conditions is increasing at an alarming rate. Parents, as the primary caregivers, play a vital role in determining whether or not their children lead a healthy lifestyle. The aim of this literature review was to establish the influence that parents have on the development of overweight and obesity in their children. 19 articles were systematically reviewed and the results showed three main areas of influence; socio-economic factors, factors within the family and the role of the parent. In each of these areas, risk factors of developing overweight and obesity in children were identified. In general, parents lack information about these conditions and are in need of support from nurses and other health care professionals, who in turn carry the responsibility to support the parents, promote good health and prevent disease

Registered nurses experience of working with oral health and oral care in municipality care : a qualitative interview studya qualitative interview study

Bakgrund: Fysiska och kognitiva handikapp kan leda till minskad förmåga att klara sin munvård och risken att drabbas av ohälsa i munnen ökar. Omsorgspersonal har bristande kunskaper inom munhälsa och munvården prioriteras lägre än andra omvårdnadsåtgärder. Sjuksköterskan är ytterst ansvarig för omvårdnaden men det saknas studier om hur sjuksköterskor arbetar med munhälsa inom kommunal hälso- och sjukvård. Syftet med studien var att undersöka sjuksköterskors erfarenhet av att arbeta med munhälsa och munvård i kommunal hälso- och sjukvård. Metoden som användes var en kvalitativ innehållsanalys med induktiv ansats med en fokusgruppsintervju samt sju enskilda intervjuer. Resultat: Tre kategorier identifierades: Munhälsa är att främja hälsa, Arbetar med munhälsa vid egenvårdsbrist och Aktörer i omvårdnadssystemet. Slutsats: De intervjuade sjuksköterskorna ansåg att munhälsa är något självklart och att det är viktigt att värna om patientens egenvård och integritet. I arbetet med kvalitetsregister ökade sjuksköterskornas delaktighet i munhälsoarbetet men de arbetade främst med munhälsa först när ett problem uppstått. Stort fokus lades på munhälsa och munvård hos palliativa patienter medan arbetet med munhälsa kunde bli lidande hos patienter som till viss del sköter sig själva. För att förbättra munhälsan, hos patienter i den kommunala hemsjukvården, finns ett behov av ökad kunskap hos både omsorgspersonal och sjuksköterskor, bättre rutiner och ökat samarbete med tandvården.Background: Physical and cognitive disabilities may affect patients’ ability to cope with oral health and increase the risk of suffering from illness in the mouth. Studies show that staff in municipality provided care have poor knowledge in oral health and that oral health is less prioritized than other nursing interventions. Registered Nurses (RN) have the ultimate responsibility for providing care but there are few studies that describe how nurses experience working with oral health. Aim: To examine the experience of RN’s with regards to oral health and oral care in municipal health care. Method: A qualitative content analysis with an inductive approach including one focus group discussion, with five RN’s participating, and seven patientual interviews. Results: Three categories were identified: Oral health promotes general health, Works with oral health when self-care deficit and Agents in the nursing system. Conclusion: The RN’s believed that oral health is self-evident and that it is important to safeguard the patient's self-care and integrity. When working in quality registers, the RN participation in oral health work increase, but they primarily work with oral health when a problem arises. Great focus was placed on oral health and oral care in palliative patients, but the work with oral health could be suffering in patients who to some extent manage themselves. To improve oral health, the study showed that there is a need for more education for health care workers providing municipality care and RN’s, there is also a need for better routines and better collaboration with the dental care

Registered nurses experience of working with oral health and oral care in municipality care : a qualitative interview studya qualitative interview study

Bakgrund: Fysiska och kognitiva handikapp kan leda till minskad förmåga att klara sin munvård och risken att drabbas av ohälsa i munnen ökar. Omsorgspersonal har bristande kunskaper inom munhälsa och munvården prioriteras lägre än andra omvårdnadsåtgärder. Sjuksköterskan är ytterst ansvarig för omvårdnaden men det saknas studier om hur sjuksköterskor arbetar med munhälsa inom kommunal hälso- och sjukvård. Syftet med studien var att undersöka sjuksköterskors erfarenhet av att arbeta med munhälsa och munvård i kommunal hälso- och sjukvård. Metoden som användes var en kvalitativ innehållsanalys med induktiv ansats med en fokusgruppsintervju samt sju enskilda intervjuer. Resultat: Tre kategorier identifierades: Munhälsa är att främja hälsa, Arbetar med munhälsa vid egenvårdsbrist och Aktörer i omvårdnadssystemet. Slutsats: De intervjuade sjuksköterskorna ansåg att munhälsa är något självklart och att det är viktigt att värna om patientens egenvård och integritet. I arbetet med kvalitetsregister ökade sjuksköterskornas delaktighet i munhälsoarbetet men de arbetade främst med munhälsa först när ett problem uppstått. Stort fokus lades på munhälsa och munvård hos palliativa patienter medan arbetet med munhälsa kunde bli lidande hos patienter som till viss del sköter sig själva. För att förbättra munhälsan, hos patienter i den kommunala hemsjukvården, finns ett behov av ökad kunskap hos både omsorgspersonal och sjuksköterskor, bättre rutiner och ökat samarbete med tandvården.Background: Physical and cognitive disabilities may affect patients’ ability to cope with oral health and increase the risk of suffering from illness in the mouth. Studies show that staff in municipality provided care have poor knowledge in oral health and that oral health is less prioritized than other nursing interventions. Registered Nurses (RN) have the ultimate responsibility for providing care but there are few studies that describe how nurses experience working with oral health. Aim: To examine the experience of RN’s with regards to oral health and oral care in municipal health care. Method: A qualitative content analysis with an inductive approach including one focus group discussion, with five RN’s participating, and seven patientual interviews. Results: Three categories were identified: Oral health promotes general health, Works with oral health when self-care deficit and Agents in the nursing system. Conclusion: The RN’s believed that oral health is self-evident and that it is important to safeguard the patient's self-care and integrity. When working in quality registers, the RN participation in oral health work increase, but they primarily work with oral health when a problem arises. Great focus was placed on oral health and oral care in palliative patients, but the work with oral health could be suffering in patients who to some extent manage themselves. To improve oral health, the study showed that there is a need for more education for health care workers providing municipality care and RN’s, there is also a need for better routines and better collaboration with the dental care

Health-Related Quality of Life one year after Heart Transplant

Bakgrund: Patienter som är aktuella för hjärttransplantation har en nedsatt livskvalitet vilket förbättras avsevärt vid transplantation men är fortsatt sämre jämfört med den övriga befolkningen. Syfte: Att undersöka hälsorelaterad livskvalitet (HRQoL) hos vuxna personer ett år efter hjärttransplantation. Metod: Patienter som genomgått hjärttransplantation vid Sahlgrenska universitetssjukhuset i Göteborg under åren 2010-2013 och som skattat sin hälsorelaterade livskvalitet vid 1-årskontrollen (n=64) inkluderades i studien. EuroQol (EQ-5D) är ett validerat, standardiserat och välanvänt instrument som användes för att mäta självskattad HRQoL där dimensionerna; rörlighet, hygien, huvudsakliga aktiviteter, smärtor/besvär samt oro/nedstämdhet ingår. För att undersöka hur olika faktorer påverkar patientens HRQoL samlades information om hjärt- och njurfunktion samt arbetsförmåga vid arbets-EKG in. Deskriptiv statistik samt korrelationsanalys med Spearman’s Rho användes för att undersöka eventuella samband. All data analyserades med det statistiska programmet SPSS (IBM Corp. Riverton, NJ, USA version 25). Resultat: Majoriteten (34,4%) av patienterna skattade ett år efter hjärttransplantation att de upplevde en god HRQoL med en självskattad hälsostatus mellan 90-100 på den visuella analoga skalan (VAS) i EQ-5D-3L och ungefär hälften av alla patienter (43,7%) hade inga svårigheter eller problem inom de 5 dimensioner som ingår i EQ-5D-3L. Det mest besvärande symtomet var smärtor och besvär där 43,7% upplevde vissa eller stora svårigheter inom dimensionen. Oro och nedstämdhet (p=0.000) var vanligare hos kvinnor. Patienter som presterat sämre vid arbets-EKG hade även en sämre självskattad HRQoL (p=0.003). Slutsats: HRQoL var relativt god hos patienter 1 år efter hjärttransplantation, däremot upplevde kvinnor mer oro och nedstämdhet. Nedsatt fysisk funktion var associerad med sämre HRQoL. Kunskap om faktorer som påverkar HRQoL efter hjärttransplantation är en förutsättning för att stödja patienten och för att anpassa insatser som kan förbättra HRQoL. Nyckelord: Hälsorelaterad livskvalitet, EQ-5D, hjärttransplantation, organfunktion, arbetsförmåga, kö

Evaluation of a Fiber-Optic Fluorescence Spectroscopy System to Assist Neurosurgical Tumor Resections

The highly malignant brain tumor, glioblastoma multiforme, is difficult to totally resect without aid due to its infiltrative way of growing and its morphological similarities to surrounding functioning brain under direct vision in the operating field. The need for an inexpensive and robust real-time visualizing system for resection guiding in neurosurgery has been formulated by research groups all over the world. The main goal is to develop a system that helps the neurosurgeon to make decisions during the surgical procedure. A compact fiber optic system using fluorescence spectroscopy has been developed for guiding neurosurgical resections. The system is based on a high power light emitting diode at 395 nm and a spectrometer. A fiber bundle arrangement is used to guide the excitation light and fluorescence light between the instrument and the tissue target. The system is controlled through a computer interface and software package especially developed for the application. This robust and simple instrument has been evaluated in vivo both on healthy skin but also during a neurosurgical resection procedure. Before surgery the patient received orally a low dose of 5-aminolevulinic acid, converted to the fluorescence tumor marker protoporphyrin IX in the malignant cells. Preliminary results indicate that PpIX fluorescence and brain tissue autofluorescence can be recorded with the help of the developed system intraoperatively during resection of glioblastoma multiforme