Development of a Synthetic Uterus Model with Embedded Sensing for Multiport Spina Bifida Surgery

Olivier Schottey Lara Piers
Ontwikkeling van een prototype voor een chirurgische trainingssimulator voor een minimaal invasieve ingreep ter behandeling van Spina Bifida.. Interdisciplinaire samenwerking en validatie.

Biotechnologische Innovatie Traint Chirurgen

Waar staan we?

Elk  jaar wordt er in Europa 1 kind op 2000 geboren met Spina Bifida. Deze aangeboren aandoening aan het centraal zenuwstelsel kan leiden tot ernstige, levenslange gevolgen. Wereldwijd is deze diagnose voor bijna 30% van de getroffen boorlingen een doodsvonnis.

Om deze gevolgen te vermijden wordt er na +/- 20 weken zwangerschap overgegaan tot een openbuikoperatie. Deze ingreep is zeer invasief en gaat gepaard met een significante kans om de foetus af te stoten. Daarnaast leidt het voor de moeders vaak tot een lang herstelproces met vaak permanente schade aan de buik- en baarmoederwand

Sinds enkele jaren ontwikkelt de medische wereld een minimaal invasieve operatie om Spina Bifida te behandelen. Het principe hiervan is om via één of meerdere kleine openingen een camera en instrumenten in het lichaam te brengen. Met deze innovatieve ingreep wilt men de risico’s voor moeder en kind verminderen en de levenskwaliteit van het kind maximaliseren.

Deze nog steeds evoluerende en complexe werkwijze vergt echter enorm veel training. Het kost naar zeggen meer dan €200 000 om een opgeleid chirurg bij te scholen tot minimaal invasieve chirurg met de nodige competenties om deze ingreep tot een goed eind te brengen. Een groot deel van deze kosten gaan naar proefdieren die gebruikt worden om een realistisch in vivo trainingsscenario te verschaffen.

In deze interdisciplinaire masterproef ontwikkelden we een synthetisch trainingsmodel dat de chirurgen kan helpen om effectiever te trainen voor de Spina Bifida ingreep. Door chirurgen te kunnen tracken terwijl ze oefenen op een herbruikbaar specimen, zorgen we voor een waardevolle en duurzame bijdrage aan hun trainingsprogramma. 

 

Kunststof, sensoren en een snuifje wiskunde

Bij Spina Bifida groeit de wervelkolom niet helemaal samen en is er daardoor een zone op de onderrug die misvormd is. Het resultaat is een delicaat defect dat een zeer preciese behandeling vereist. Het door ons ontwikkeld trainingsmodel bootst deze gedetailleerde structuur na met verschillende laagjes van polymeren. Door het incorporeren van enkele sensoren kunnen we ook meten of de krachten en handelingen van de chirurg de delicate zones van de foetus niet beschadigen. 

Om de kans op afstoting van de vrucht tijdens de operatie te minimaliseren voegden we daarnaast ook een synthetische uteruswand gekoppeld met een numerieke simulatie toe. Hierdoor kunnen chirurgen bij elke beweging weten hoeveel kracht ze uitoefenen op de delicate vruchtzak en bijgevolg hun werkwijze aanpassen.

In de toekomst is het de bedoeling dat dit model deel wordt van het trainingsprogramma voor de minimaal invasieve operatie voor Spina Bifida. Door het gedetailleerder trainen en opvolgen van de chirurg hopen we de kost en het dierenleed dat gepaard gaat met de opleiding te verminderen.

Dit resultaat is een bescheiden schakel in het geheel van deze evolutie in de medische wereld. Desalniettemin is het een stap verder in de richting van een situatie waar we geen kinderen of moeders meer verliezen en is het een kans om als biomedisch ingenieur een bijdrage te leveren aan deze steeds innoverende wereld..

Bibliografie

Adzick, N. S., Thom, E. A., Spong, C. Y., Brock, J. W., Burrows, P. K., Johnson, M. P., Howell, L. J., Farrell, J. A., Dabrowiak, M. E., Sutton, L. N., Gupta, N., Tulipan, N. B., D’Alton, M. E., and Farmer, D. L. (2011). A Randomized Trial of Prenatal versus Postnatal Repair of Myelomeningo- cele. New England Journal of Medicine, 364(11):993–1004.
Aggarwal, R., Moorthy, K., and Darzi, A. (2004). Laparoscopic skills training and assessment. British Journal of Surgery, 91(12):1549–1558.
Akoury, H. and Sherman, C. (2008). Uterine Wall Partial Thickness Necrosis Following Combined B-Lynch and Cho Square Sutures for the Treatment of Primary Postpartum Hemorrhage.
Bauman, J. A., Schwartz, D. M., Welch, W. C., and Sutton, L. N. (2016). Congenital anomalies of the spinal cord.
Beck, V., Lewi, P., Gucciardo, L., and Devlieger, R. (2012). Preterm prelabor rupture of membranes and fetal survival after minimally invasive fetal surgery: A systematic review of the literature. Fetal Diagnosis and Therapy, 31(1):1–9.
Belfort, M. A., Whitehead, W. E., Bednov, A., and Shamshirsaz, A. A. (2018). Low-Fidelity Sim- ulator for the Standardized Training of Fetoscopic Meningomyelocele Repair. Obstetrics and gynecology, 131(1):125–129.
Bhandari, S., Ganguly, I., Agarwal, P., Singh, A., and Gupta, N. (2016). Effect of myomectomy on endometrial cavity: A prospective study of 51 cases.
Bibin, L., Anquez, J., Angelini, E., and Bloch, I. (2010). Hybrid 3D pregnant woman and fetus modeling from medical imaging for dosimetry studies. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery, 5(1):49–56.
Burrows, P. K., Johnson, M. P., Howell, L. J., Farrell, J. A., Dabrowiak, M. E., Sutton, L. N., Gupta, N., Ph, D., Tulipan, N. B., Alton, M. E. D., Farmer, D. L., and Investigators, M. (2011). new england journal. pages 993–1004.
Cai, C. and Jerry Oakes, W. (2006). Hindbrain herniation syndromes: The Chiari malformations (I and II). Seminars in Pediatric Neurology, 4(3):179–191.
65

66 BIBLIOGRAPHY
 Chmarra, M. K., Bakker, N. H., Grimbergen, C. a., and Dankelman, J. (2007). Optical mouse. (1):38–41.
Copp, A. J., Stanier, P., and Greene, N. D. E. (2013). Neural tube defects : recent advances , unsolved questions , and controversies. The Lancet Neurology, 12(8):799–810.
Danzer, E., Gerdes, M., Bebbington, M. W., Sutton, L. N., Melchionni, J., Adzick, N. S., Wilson, R. D., and Johnson, M. P. (2009). Lower Extremity Neuromotor Function and Short-Term Ambu- latory Potential following in utero Myelomeningocele Surgery. pages 47–53.
Derossis, A. M., Bothwell, J., Sigman, H. H., and Fried, G. M. (1998). The effect of practice on performance in a laparoscopic simulator. Surgical Endoscopy, 12(9):1117–1120.
Dickson, R. A., Butt, W. P., Dickson, R. A., and Butt, W. P. (2009). Anatomy of the Spine. The Medico-Legal Back: An Illustrated Guide, pages 7–36.
Foley, J. D., van Dam, A., Hughes, J. F., and Feiner, S. K. (1990). Computer Graphics: principle and practice. Reading (Massachusets): Addison-Wesley, 2nd ed. edition.
Foster, M. R. and Goldstein, J. A. (2017). Surgery for Spina Bifida. pages 1–7.
Goldberg, A. M., Zurlo, J., and Rudacille, D. (1996). The three Rs and biomedical research. Sci-
ence, 272(5267):1403.
Gupta, N. and Ross, M. E. (2017). Disorders of Neural Tube Development. In Swaiman’s Pediatric
Neurology, pages 183–191. Elsevier.
Gupta, P., Kumar, A., and Kumar, A. (2013). Congenital Spinal Cord Anomalies : A Pictorial Review.
YMDR, 42(2):57–66.
Heuer, G. G., Scott, N., and Sutton, N. (2014). Fetal Myelomeningocele Closure :. 19104:166–171.
Hilliard, N. J., Hawkes, R., Patterson, A. J., Graves, M. J., Priest, A. N., Hunter, S., Lees, C., Set, P. A., and Lomas, D. J. (2016). Amniotic fluid volume: Rapid MR-based assessment at
ˆ
28-32A weeks gestation. European Radiology, 26(10):3752–3759.
Javaux, A., Bouget, D., Gruijthuijsen, C., Stoyanov, D., Vercauteren, T., Ourselin, S., Deprest, J., Denis, K., and Vander Poorten, E. (2018). A mixed-reality surgical trainer with comprehensive sensing for fetal laser minimally invasive surgery. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery, 13(12):1949–1957.
Javaux, A., Denhaen, M., Hagenimana, Y., Devreker, A., Gruijthuijsen, C., Vercauteren, T., Ourselin, S., Stoyanov, D., Deprest, J., Denis, K., Reynaerts, D., and Vander Poorten, E. (2016). Estimating the interaction forces on the body wall during minimal invasive fetal surgery. Pro- ceedings of the 6th Joint Workshop on New Technologies for Computer/Robot Assisted Surgery, pages 110–111.

BIBLIOGRAPHY 67
 Javaux, A., Esteveny, L., Bouget, D., Gruijthuijsen, C., Stoyanov, D., Vercauteren, T., Ourselin, S., Reynaerts, D., Denis, K., Deprest, J., and Poorten, E. V. (2017). Body wall force sensor for simulated minimally invasive surgery: Application to fetal surgery. IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2017-Septe(July):145–152.
Jiang, W., Li, G., and Lin, L. (2007). Uterine electromyogram topography to represent synchroniza- tion of uterine contractions. pages 120–124.
Joyeux, L., Danzer, E., Flake, A. W., and Deprest, J. (2018). Fetal surgery for spina bifida. Archives of Disease in Childhood - Fetal and Neonatal Edition, 10(1136):1–7.
Kim, S., Choi, J., Choi, B., and Lee, J. (2015). Hyperelastically stretchable strain gauges based on liquid metals and platinum-catalyzed silicone elastomers. 2015 Transducers - 2015 18th Interna- tional Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, TRANSDUCERS 2015, (c):1093–1096.
Kohl, T. (2014). Percutaneous minimally invasive fetoscopic surgery for spina bifida aperta. Part I: Surgical technique and perioperative outcome. Ultrasound in Obstetrics and Gynecology, 44(5):515–524.
Lloyd, B. A., Sze ́kely, G., and Harders, M. (2007). Identification of spring parameters for deformable object simulation. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 13(5):1081– 1093.
Magann, E. F. and Martin J.N., J. (1999). Amniotic fluid volume assessment in singleton and twin pregnancies. Obstetrics and Gynecology Clinics of North America, 26(4):579–593.
Marieb, E. N., Smith, L. A., Mitchell, S. J., and Zao, P. Z. (2015). Human anatomy & physiology laboratory manual. Cat version. Pearson, 12th editi edition.
Menguc, Y. and Wood, R. J. (2014). Characterizing an elastomeric strain sensor at large strains and strain rates. Workshop on Advances on Soft Robotics, pages 1–3.
Miller, J. L., Ahn, E. S., Garcia, J. R., Miller, G. T., Satin, A. J., and Baschat, A. A. (2018). Ultrasound-based three-dimensional printed medical model for multispecialty team surgical re- hearsal prior to fetoscopic myelomeningocele repair. Ultrasound in Obstetrics and Gynecology, 51(6):836–837.
Mitchell, L. E., Adzick, N. S., Melchionne, J., Pasquariello, P. S., Sutton, L. N., and Whitehead, A. S. (2004). Spina bifida. pages 1885–1895.
Mizrahi, J., Karni, Z., and Polishuk, W. Z. (1980). Isotropy and anisotropy of uterine muscle during labor contraction. Journal of Biomechanics, 13(3):211–218.
Munz, Y., Kumar, B. D., Moorthy, K., Bann, S., and Darzi, A. (2004). Laparoscopic virtual reality and box trainers: Is one superior to the other? Surgical Endoscopy and Other Interventional Techniques, 18(3):485–494.

68 BIBLIOGRAPHY
 Muth, J. T., Vogt, D. M., Truby, R. L., Mengu ̈c ̧, Y., Kolesky, D. B., Wood, R. J., and Lewis, J. A. (2014). Embedded 3D printing of strain sensors within highly stretchable elastomers. Advanced Materials, 26(36):6307–6312.
Northern Digital Inc. (2011). Aurora.
Overvelde, J. T., Mengu ̈c ̧, Y., Polygerinos, P., Wang, Y., Wang, Z., Walsh, C. J., Wood, R. J., and Bertoldi, K. (2014). Mechanical and electrical numerical analysis of soft liquid-embedded deformation sensors analysis. Extreme Mechanics Letters, 1:42–46.
Pediatrics, N. (2013). Design of a synthetic simulator for pediatric lumbar spine pathologies. 12(August):192–201.
Peiro, J. L., Fontecha, C. G., Ruano, R., Esteves, M., Fonseca, C., Marotta, M., Haeri, S., and Belfort, M. A. (2013). Single-Access Fetal Endoscopy (SAFE) for myelomeningocele in sheep model I: Amniotic carbon dioxide gas approach. Surgical Endoscopy, 27(10):3835–3840.
Peirs, J., Clijnen, J., Reynaerts, D., Van Brussel, H., Herijgers, P., Corteville, B., and Boone, S. (2004). A micro optical force sensor for force feedback during minimally invasive robotic surgery. Sensors and Actuators, A: Physical, 115(2-3 SPEC. ISS.):447–455.
Persson, P.-o. and Strang, G. (2004). A simple mesh generator in MATLAB. Society, 46(2):329– 345.
Puangmali, P., Liu, H., Althoefer, K., and Seneviratne, L. D. (2008). Optical fiber sensor for soft tissue investigation during minimally invasive surgery. 2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pages 2934–2939.
Qiao, B., Chen, G., and Ye, X. (2009). The research of soft tissue deformation based on mass- spring model. 2009 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, ICMA 2009, pages 4655–4660.
Seibold, U., Ku ̈bler, B., and Hirzinger, G. (2005). Prototype of instrument for minimally invasive surgery with 6-axis force sensing capability. Proceedings - IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2005(April):496–501.
Shim, J.-h., Hwang, N.-h., Yoon, E.-s., Dhong, E.-s., Kim, D.-w., and Kim, S.-d. (2016). Closure of Myelomeningocele Defects Using a Limberg Flap or Direct Repair Original Article. pages 0–5.
Song, R. B., Glass, E. N., and Kent, M. (2016). Spina Bifida, Meningomyelocele, and Meningocele. Veterinary Clinics of North America - Small Animal Practice, 46(2):327–345.
Stabin, M., Watson, E., Cristy, M., Ryman, J., Eckerman, K., Davis, J., Marshall, D., and Gehlen, M. (1995). Mathematical models and specific absorbed fractions of photon energy in the non- pregnant adult female and at the end of each trimester of pregnancy.
Sutton, L. N., Bauman, J. A., and Macyszyn, L. J. (2015). Spinal Dysraphism and Tethered Spinal Cord.

BIBLIOGRAPHY 69
 Uppal, N. and Saldanha, S. (2012). Training model for low-cost suturing for use in developing nations. British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery, 50(1):2011–2012.
Van Loocke, M., Lyons, C. G., and Simms, C. K. (2006). A validated model of passive muscle in compression. Journal of Biomechanics, 39(16):2999–3009.
Van Loocke, M., Simms, C. K., and Lyons, C. G. (2009). Viscoelastic properties of passive skeletal muscle in compression-Cyclic behaviour. Journal of Biomechanics, 42(8):1038–1048.
Venkataramana, N. K. (2011). Spinal dysraphism. Journal of pediatric neurosciences, 6(Suppl 1):31–40.
Walsh, C. J. and Wood, R. J. (2014). Design for manufacturability of soft sensors with discretized stiffness gradients. 10(3).
Wang, L. L. and Bierbrauer, K. S. (2017). Congenital and Hereditary Diseases of the Spinal Cord. Seminars in Ultrasound, CT, and MRI, 38(2):105–125.
Weiss, S., Jaermann, T., Schmid, P., Staempfli, P., Boesiger, P., Niederer, P., Caduff, R., and Bajka, M. (2006). Three-dimensional fiber architecture of the nonpregnant human uterus determined ex vivo using magnetic resonance diffusion tensor imaging. Anatomical Record - Part A Discoveries in Molecular, Cellular, and Evolutionary Biology, 288(1):84–90.
Williams, B. (1981). Chronic herniation of the hindbrain. Annals of the Royal College of Surgeons of England, 63(1):9–17.
Williams, H. (2008). A unifying hypothesis for hydrocephalus, Chiari malformation, syringomyelia, anencephaly and spina bifida. Cerebrospinal Fluid Research, 5:1–11.
Xu, S., Liu, X., and Zhang, H. (2009). Simulation of soft tissue using mass-spring model with simulated annealing optimization. Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Automation and Logistics, ICAL 2009, (August):1543–1547.
Zhang, S., Gu, L., Huang, P., and Xu, J. (2005). Real-Time Simulation of Deformable Soft Tissue Based on Mass-Spring and Medial Representation. pages 419–426.

Universiteit of Hogeschool
Master Industriële Wetenschappen: elektromechanica
Publicatiejaar
2019
Promotor(en)
Prof. Dr. ir. Emmanuel Vander Poorten
Kernwoorden
Share this on: