Design, development, and validation of a novel intraperitoneal monitoring tool for laparoscopic surgery

Laparoscopic surgery, a gold-standard in minimally invasive procedures, offers significant advantages over traditional open surgery, including reduced patient trauma, faster recovery, and improved cosmetic outcomes [1]. However, despite its clinical benefits, laparoscopy introduces several physiological challenges due to the creation of a pneumoperitoneum, an intra-abdominal working space obtained with insufflated carbon dioxide. During the surgery, the intraperitoneal homeostasis is altered, affecting parameters such as pressure, temperature, humidity, air quality, and composition. Their variations can lead to systemic effects [2], tissue desiccation and hypothermia, while the accumulation of smoke and volatile organic compounds, can compromise both patient safety and surgical visibility. Nowadays, no integrated system exists for real-time intraperitoneal monitoring of these variables during laparoscopic surgery. This thesis, part of a collaboration between Politecnico di Milano and Erasmus MC (Rotterdam, NL), addresses the gap by designing, developing, and validating a novel sensorised intraperitoneal probe. Its main innovation is about the integration of multiple sensors into a compact probe, compatible with standard surgical trocars, that enables continuous monitoring of intraperitoneal parameters. The device interfaces with a user-friendly platform for real-time control, during laparoscopy, and data storage to support surgery physiological effects’ analysis. Following initial in-vitro validation on a glass-box simulated abdominal model, an in-vivo animal study has been performed aiming to evaluate performance under realistic surgical scenarios. Results confirm the probe’s functionality throughout the procedures, demonstrating its potential to monitor and respond to dynamic changes within the intraperitoneal environment, such as smoke production, tissue manipulation, pressure fluctuations, and thermic deviations caused by cold, dry CO₂ insufflation.

Nel contesto della Chirurgia Mini-Invasiva, la chirurgia laparoscopica offre numerosi vantaggi rispetto alla chirurgia laparotomica, tra cui un minor trauma per il paziente, un recupero post-operatorio più rapido e risultati estetici superiori [1]. Tuttavia, nonostante i benefici clinici, la laparoscopia può comportare diverse alterazioni fisiologiche dovute alla creazione dello pneumoperitoneo, tramite insufflazione controllata di anidride carbonica. Durante le procedure laparoscopiche, l’omeostasi intra-addominale è alterata rispetto alle condizioni basali, in termini di parametri quali pressione, temperatura, umidità, qualità e composizione dell’aria. Queste variazioni possono portare a effetti sistemici [2], disseccamento dei tessuti, ipotermia e accumulo di fumi chirurgici e composti organici volatili, compromettendo sia la salute che la visibilità chirurgica. Attualmente non esiste un sistema integrato per il monitoraggio in tempo reale di questi parametri durante la laparoscopia. Questa tesi, frutto della collaborazione tra il Politecnico di Milano e l’Erasmus MC di Rotterdam (Paesi Bassi), propone la progettazione, realizzazione e validazione di una sonda intraperitoneale sensorizzata innovativa. La sonda integra sensori multiparametrici in un design compatto e compatibile con trocar chirurgici standard, permettendo il monitoraggio continuo delle condizioni intraperitoneali. Il dispositivo è dotato di un’interfaccia utente per visualizzare e registrare i dati acquisiti, utili per analizzare gli effetti della chirurgia. Dopo una fase iniziale di validazione in vitro su un modello addominale in vetro, è stato eseguito uno studio in vivo su modello animale presso l’Erasmus MC, per valutare le prestazioni della sonda in condizioni chirurgiche. I risultati hanno confermato la funzionalità e la capacità del dispositivo di monitorare in tempo reale i cambiamenti dinamici dell’ambiente intraperitoneale, quali produzione di fumo, manipolazione dei tessuti, fluttuazioni di pressione e variazioni termiche causate dall’insufflazione di gas freddo e secco.