Development of novel non-invasive intraoperative tools for the personalization of insufflation pressure in laparoscopy

Laparoscopy is a minimally invasive surgery technique that allows the access to the abdominal structures through smaller incisions compared to open surgery and offers the advantages of less abdominal trauma, decrease risk of infection, and shorter hospital stay. To operate in the abdominal cavity, insufflation of carbon dioxide (CO_2) is required to create volume workspace (pneumoperitoneum), but the increased intra-abdominal pressure can create side effects and worsen the recovery process. The relationship between the workspace volume and its pressure depends on the mechanical properties of the abdominal wall and can have significant differences between patients. In the current surgical practice, there are no available tools to assess the mechanical properties of the abdominal wall. In this thesis work, we propose two novel intraoperative tools for evaluating the mechanical effects of insufflation during laparoscopic surgery. The first system is based on 3D Camera technology and can track the sagittal displacement of the abdominal wall as an indicator of workspace volume. The second method is based on the application of accelerometer sensors on the surface of the abdominal wall which, by means of Forced Oscillation Technique (FOT), can estimate the mechanical impedance of the abdominal cavity, and thus provide an estimation of the behaviour of the compliance of the cavity. Both systems have been tested in animal model of laparoscopic surgery at Erasmus MC (Rotterdam, NL), and compared with workspace volume data from Computed Tomography. The proposed tools proved to be able to provide accurate and reliable information about of the behaviour of the compliance of the abdominal wall.

La laparoscopia è una tecnica chirurgica mininvasiva(MIS) che permette l'accesso agli organi addominali attraverso incisioni più piccole rispetto alla chirurgia tradizionale, provocando un minore trauma addominale e mitigando il rischio di infezioni, e riducendo al tempo stesso, la durata della degenza ospedaliera. Per operare all’interno della cavità addominale è necessaria l'insufflazione di anidride carbonica (CO_2), che permette di creare un di lavoro (pneumoperitoneo) adatto alla manipolazione degli strumenti. Tuttavia, l'aumento della pressione intra-addominale può creare effetti collaterali e peggiorare il processo di recupero post-operatorio. La relazione tra il volume dello spazio di lavoro e la sua pressione dipende dalle proprietà meccaniche della parete addominale e può presentare differenze significative tra un paziente e l’altro. Nella pratica chirurgica non sono al momento disponibili strumenti per valutare le proprietà meccaniche della parete addominale. In questo lavoro di tesi sono proposti due nuovi strumenti intraoperatori per valutare gli effetti meccanici dell'insufflazione durante la chirurgia laparoscopica. Il primo sistema si basa sull’uso di telecamere 3D in grado di tracciare lo spostamento sagittale della parete addominale, parametro che può essere usato come indicatore del volume dello spazio di lavoro. Il secondo metodo si basa sull’uso accelerometri applicati alla superficie addominale che, attraverso la tecnica delle oscillazioni forzate (FOT), possono stimare l'impedenza meccanica della cavità addominale al fine di fornire una stima dell’andamento della compliance della cavità. Entrambi i sistemi sono stati testati in modello animalo di chirurgia laparoscopica presso Erasmus MC (Rotterdam, NL), e confrontati con i dati di volume dello spazio di lavoro ottenuti tramite tomografia computerizzata. Gli strumenti di misura proposti si sono dimostrati in grado di fornire informazioni accurate e affidabili sul comportamento della compliance della parete addominale.