Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2009. / ENGLISH ABSTRACT: Minimal invasive surgery (MIS) enables surgeons to operate through a few small incisions made in the patient’s body. Through these incisions, long rigid instruments are inserted into the body and manipulated to perform the necessary surgical tasks. Conventional instruments, however, are constrained by having only five degrees of freedom (DOF), as well as having scaled and mirrored movements, thereby limiting the surgeon’s dexterity. Surgeons are also deprived of depth perception and hand-eye coordination due to only having two-dimensional visual feedback. Surgical robotics attempt to alleviate these drawbacks by increasing dexterity, eliminating the fulcrum effect and providing the surgeon with three-dimensional visualisation. This reduces the risks to the patient as well as to the surgeon. However, existing MIS systems are extremely expensive and bulky in operating rooms, preventing their more widespread adoption. In this thesis, a new, inexpensive seven-DOF primary slave manipulator (PSM) is presented. The four-DOF wrist is actuated through a tendon mechanism driven by five 12 VDC motors. A repeatability study on the wrist’s joint position was done and showed a standard deviation of 0.38 degrees. A strength test was also done and demonstrated that the manipulator is able to resist a 10 N opposing tip force and is capable of a theoretical gripping force of 15 N. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Minimale indringende chirurgie (MIC) maak dit vir chirurge moontlik om operasies uit te voer deur ’n paar klein insnydings wat op die pasiënt se liggaam gemaak word. Deur hierdie insnydings word lang onbuigsame instrumente in die liggaam ingesit en gemanipuleer om die nodige chirurgiese take uit te voer. Konvensionele instrumente is egter beperk vanweë die feit dat hulle net vyf vryheidsgrade het, asook afgeskaalde bewegings en spieëlbewegings, en gevolglik die chirurg se handvaardigheid beperk. Chirurge word ook ontneem van dieptewaarneming en hand-oog-koördinasie, want hulle is beperk tot tweedimensionele visuele terugvoer. Chirurgiese robotika poog om hierdie nadele aan te spreek deur handvaardigheid te vermeerder, die hefboomeffek uit te skakel en die chirurg driedimensionele visualisering te bied. Dit verminder die risiko’s vir die pasiënt én vir die chirurg. Bestaande MIC-stelsels is egter uiters duur en neem baie plek op in teaters, wat verhoed dat hulle op ’n groter skaal gebruik word. In hierdie tesis word ’n nuwe, goedkoop sewevryheidsgrade- primêre slaafmanipuleerder (PSM) voorgelê. Die viervryheidsgrade-pols word beweeg deur ’n tendonmeganisme wat aangedryf word deur vyf 12 VDC-motors. ’n Herhaalbaarheidstudie is op die pols se gewrigsposisie gedoen, wat ’n standaardafwyking van 0.38 grade aangetoon het. ’n Sterktetoets is ook gedoen en het gewys dat die manipuleerder in staat is om ’n 10 N-teenkantelkrag te weerstaan en dat dit oor ’n teoretiese greepsterkte van 15 N beskik.

Zur Diagnostik von Rupturen der Rotatorenmanschette wird häufig die im Vergleich zur Sonografie deutlich kostenintensivere Magnetresonanztomografie durchgeführt. Ein Grund hierfür ist, dass es zum Teil schwierig ist, standardisierte statische Sonografie-Bilder zu gewinnen, was die reproduzierbare, untersucherunabhängige diagnostische Information verringert. Ziel des ersten Teils der Arbeit war es einerseits, zu analysieren, ob mit der 3D-Sonografie diese Probleme verringert werden könnten und andererseits die Sensitivität mit dem 2D-Ultraschall zur Diagnostik von Komplett- und Partialrupturen zu vergleichen. Bei der Untersuchung von 114 Patienten konnten mit dem 3D-Ultraschall Rupturen der Rotatorenmanschette gut dargestellt werden. Der Vergleich zwischen 2D- und 3D-Ultraschall ergab keinen statistisch signifikanten Unterschied zwischen beiden Verfahren für die Diagnostik von Komplett- und Partialrupturen. Ein Vorteil war die Möglichkeit der untersucherunabhängigen simultanen Auswertung von drei standardisierten Schnittebenen zu einem späteren Zeitpunkt. Bei der Verwendung biodegradierbarer Anker zur Fixierung von Weichteilen können ossäre Reaktionen auftreten. Ziel war es, die frühen Reaktionen des umgebenden Gewebes auf einen Poly-(L-co-D/L-Lactid) 70/30 Anker im Vergleich zu einem Titananker im Schafsknochen zu analysieren. Innerhalb von 20 Wochen nach Implantation zeigte sich keinerlei Verlust von Knochensubstanz im Bereich des distalen Schafsfemur bei Ankern aus Titan oder aus Polylactid. Vielmehr zeigte sich eine ausgeprägte Neuformation von spongiösem Knochen in die Implantathohlräume vor allem für das biodegradierbare Material. Daher sollten neben materialbedingten Ursachen auch biomechanische Ursachen wie zyklische Belastungen für mögliche Osteolysen in Betracht gezogen werden. Die arthroskopische subacromiale Dekompression (ASD) ist ein häufig durchgeführtes Verfahren zur Therapie von Subachromialsyndromen. Es sollten die eigenen Ergebnisse seit 1993 unter Berücksichtigung von Nebendiagnosen sowie die Möglichkeit, verschiedene Scores und VAS auch telefonisch erheben zu können, analysiert werden. Die Untersuchung von 422 Schultern zwischen 1,5 und 9,5 Jahren (durchschnittlich 4,8 Jahre) nach der Operation zeigte, dass die ASD mit überwiegend guten und sehr guten subjektiven und objektiven Resultaten (ca. 75%) ein zuverlässiges operatives Verfahren ist. Im Gegensatz zu einem laufenden Rentenverfahren hatten Rupturen der Rotatorenmanschette zum Zeitpunkt der Operation keinen negativen Einfluss auf das Operationsergebnis. Bei Nichtbeachtung der Pathologie des superioren Labrums und bei Rezidivoperation kam es zu einem erhöhten Anteil an Therapieversagern. Die telefonische Erhebung verschiedener Schulter-Scores (ausgenommen Constant-Score) und der VAS lieferte valide Resultate, die eine klinische Untersuchung entbehrlich machen und insbesondere bei Langzeitstudien eine wesentlich höhere Nachuntersuchungsrate ermöglichen. Das Konzept der winkelstabilen Osteosynthese ermöglicht eine weichteilschonende, minimal-invasive Frakturstabilisierung. Um eine sichere Verankerung von winkelstabilen Schrauben zu erreichen, ist eine korrekte Positionierung der Schraube in der Platte erforderlich. In biomechanischen Testungen konnte gezeigt werden, dass bei einer geringen Abweichung des Insertionswinkels winkelstabiler Schrauben von bis zu 5° vom optimalen Winkel immer noch eine hohe Stabilität der Schrauben-/Plattenverbindung gewährleistet war. Ab einem Winkel von über 5° kam es zu einer signifikanten Abnahme der Festigkeit dieser Verbindung. Um eine optimale Festigkeit der Verbindung Schraube/Platte zu erreichen und das Risiko der Schraubenlockerung zu minimieren, ist die konsequente Benutzung eines Zielgerätes zu empfehlen. Die klinische Nachuntersuchung von 53 Patienten mit winkelstabiler Osteosynthese bei proximaler Humerusfraktur zeigte eine mit der Literatur vergleichbare Komplikationsrate bei verringertem sekundären Dislokationsrisiko. Es zeigte sich aber auch die Problematik dieser Fakturen mit langer Nachbehandlungsdauer und dem Risiko einer Humeruskopfnekrose im Verlauf. Winkelstabile Implantate ermöglichten eine sichere Stabilisierung von proximalen Humerusfrakturen, konnten jedoch eine insuffiziente Anwendung - wie eine fehlerhafte Verankerung der Kopfverriegelungsschrauben - nicht kompensieren. Erhöht war das Risiko einer Schraubenperforation durch die Sinterung des Kopfes auf das rigide Implantat. / Goal of the study was evaluation of advantages and limitations of shoulder diagnosis and different techniques of minimal invasive shoulder surgery. MRI has become the standard for diagnosis of rotator cuff lesions, since it can be difficult to obtain standardized ultrasound images. Goal of the study was analysis of sensitivity of 3D- in comparison to 2D-ultrasound. Examination of 114 patients showed excellent visualization of rotor cuff defects with 3D-ultrasound. Comparison to 2D-ultrasound showed no statistical significant difference between both methods for diagnosis of full- and partial thickness defects of the rotator cuff. Advantage of 3D-ultrasound was the possibility of simultaneous visualization of three standardized planes. For the reattachment of ligaments and tendons biodegradable implants are increasingly used today. However, with the use of biodegradable implants early and late osteolysis has been reported. Goal of this study was to analyze the early osseous integration of a newly designed suture anchor in comparison to a titanium implant. The implants made of Poly-(L-co-D/L-lactide) 70/30 or titanium were inserted into the cancellous bone of the distal femoral condyle in four sheep. The animals were followed radiographically over a period of 20 weeks in which no final implant degradation was anticipated. After sacrifice new bone formation was quantitatively and local tissue response qualitatively analyzed from microradiographs and histological sections were examined. New bone formation was seen around both implant materials within 20 weeks. Inside the recess of the polylactide suture anchor there was significantly higher bony ingrowth (p = 0.026) as compared to the titanium implant. Histologically non of the materials did show any inflammatory reaction. These data indicate that early osteolysis around Poly-(L-co-D/L-lactide) 70/30 suture anchors in cancellous bone may not be attributable to the material properties but rather to other reasons such as the mechanical situation at the implant-bone interface. Arthroscopic subacromial decompression (ASD) has become a well established procedure to treat chronic subacromial impingement syndrome. Goal of the study was to retrospectively evaluate the outcome and to evaluate the validity of data collection by telephone interview. The examination of 422 patients average 4.8 years after peration showed in 75% goog and excellent results. The average Constant score (raw score) improved from 46 to 80 Pts. Patients who had a second ASD had good results in only 25%. Patients with running workers compensation application showed no satisfying outcome. Lesions of the rotator cuff were shown to have no significant influence on the outcome in comparison to patients with intact rotator cuff. Additionally, it was shown that the assessment of various shoulder scores (except Constant Score) by telephone interview is possible. Internal fixators with angular stability have been developed in order to provide high stability without compression of the plate on to the bone. The insertion angle of the screw must correspond precisely to the axis of the screw hole. The objective of this study was to examine the relationship between the stability of the locked screw-plate on the insertion angle of the screw. Locking screws were inserted in a isolated or combined locking hole with the use of an aiming device. The screws were inserted with an axis deviation of 0°(optimal condition), 5° and 10°. The samples were tested under shear or axial (push out) loading conditions until failure occurred. Locking screws inserted in the isolated locking hole (PC-Fix) showed a significant decrease of failure load if inserted at 5° and 10° angle. Screws inserted in the combined locking hole (LCP) also showed a significant decrease of push-out force of 77% with 10° axis deviation. A locking head screw exhibits a high stability with a moderate axis deviation in the angle of insertion of up to 5°. However there is a significant decrease in stability with increasing axis deviation (>5°). A aiming device is recommended to provide an optimal fixation with angular stability. Clinical Examination of 53 patients with angular stable osteosynthesis of proximal humeral fractures showed a rate of complications, which can be compared with literature with lower risk of secondary dislocation. Implants with angular stability allow stable fixation of proximal humeral fractures however the risk of screw perforation is higher.

Das Dokument ist ein Corrigendum zu dem veröffentlichten Paper ”Data-Driven Digital Twins in Surgery utilizing Augmented Reality and Machine Learning”. Es enthält Korrekturen zu den fehlerhaften Abschnitten des Originalpapers. / This document is a corrigendum for the published paper 'Data-Driven Digital Twins in Surgery utilizing Augmented Reality and Machine Learning'. It contains corrections for faulty sections of the original paper.

[ES] La cirugía laparoscopia está considerada uno de los principales avances quirúrgicos en las últimas décadas. Esta técnica ha demostrado numerosas ventajas comparadas con la cirugía convencional abierta y ha sido extensamente usada para procesos quirúrgicos en el área abdominal. Para el paciente, la cirugía laparoscópica supone diversas ventajas, como por ejemplo menor dolor post operativo, tiempos de recuperación menores, menor riesgo de infección, o reducción del trauma. Para el cirujano en cambio, la situación es completamente diferente, esta práctica requiere mayor esfuerzo, concentración y estrés mental que la práctica convencional abierta. Además fuerza al cirujano a adoptar posiciones no-neutras en falanges, manos, muñecas, y brazos. Estas posturas no-neutras son la principal causa de fatiga muscular y aumentan el riesgo de problemas musculo-esqueléticos. Estos problemas han sido ampliamente estudiados por diferentes equipos de investigación, los cuales están tratando de mejorar la experiencia del cirujano en el quirófano. El enfoque utilizado en este estudio es diferente del utilizado anteriormente por la mayoría de estos equipos, los cuales suelen propones soluciones basadas en cambios ergonómicos con la intención de mejorar la geometría del mango de pistola convencional, ya que se considera ergonómicamente deficiente. El problema con este enfoque, es que las deficiencias no se encuentran únicamente en el mango, sino en la utilización de un punto de entrada fijo que fuerza a los cirujanos a mantener posiciones desfavorables. En este trabajo, se introduce el concepto "Libertad Postural" en el ámbito de la cirugía, este se basa en la hipótesis de que, si las herramientas no forzaran la posición de los cirujanos, estos mantendrían posiciones más favorables y cercanas al rango de posiciones neutras durante los procesos laparoscópicos. Los beneficios de este concepto han sido demostrados por medio de análisis de movimiento y de electromiografía de superficie, los cuales indican que la "Libertad Postural" es causante de un claro aumento de las posiciones neutras y de la reducción de la fatiga muscular, y han sido testeados por cirujanos en entornos simulados, los cuales encuentran beneficioso utilizar la "Libertad Postural" como característica base de este nuevo diseño de herramienta laparoscópica. En la sección final de este trabajo se propone un diseño que implementa el concepto de libertad postura con el cual se reduciría la fatiga muscular y los problemas musculo esqueléticos asociados a la práctica laparoscópica. Este diseño tiene la característica de actuar como una nueva sección del brazo, siendo una articulación que soporta los giros y grandes desplazamientos que normalmente tienen que desarrollar los brazos del cirujano. Además, esta solución es económica y fácil de fabricar, lo cual permitiría su uso por cirujanos de todo el mundo. / [CA] La cirurgia laparoscòpia està considerada un dels principals avanços quirúrgics en les últimes dècades. Aquesta tècnica ha demostrat nombrosos avantatges comparats amb la cirurgia convencional oberta i ha sigut extensament usada per a processos quirúrgics en l'àrea abdominal. Per al pacient, la cirurgia laparoscòpica suposa diversos avantatges, com per exemple menor dolor post operatiu, temps de recuperació menors, menor risc d'infecció, o reducció del trauma. Per al cirurgià en canvi, la situació és completament diferent, aquesta pràctica requereix major esforç, concentració i estrés mental que la pràctica convencional oberta. A més força al cirurgià a adoptar posicions no-neutres en falanges, mans, nines, i braços. Aquestes postures no-neutres són la principal causa de fatiga muscular i augmenten el risc de problemes musculo-esquelètics. Aquests problemes han sigut àmpliament estudiats per diferents equips d'investigació, els quals estan tractant de millorar l'experiència del cirurgià en el quiròfan. L'enfocament utilitzat en aquest estudi és diferent de l'utilitzat anteriorment per la majoria d'aquests equips, els quals solen proposes solucions basades en canvis ergonòmics amb la intenció de millorar la geometria del mànec de pistola convencional, ja que es considera ergonòmicament deficient. El problema amb aquest enfocament, és que les deficiències no es troben únicament en el mànec, sinó en la utilització d'un punt d'entrada fix que força als cirurgians a mantindre posicions desfavorables. En aquest treball, s'introdueix el concepte "Llibertat Postural" en l'àmbit de la cirurgia, aquest es basa en la hipòtesi que, si les eines no forçaren la posició dels cirurgians, aquests mantindrien posicions més favorables i pròximes al rang de posicions neutres durant els processos laparoscòpics. Els beneficis d'aquest concepte han sigut demostrats per mitjà d'anàlisi de moviment i de electromiografía de superfície, els quals indiquen que la "Llibertat Postural" és causant d'un clar augment de les posicions neutres i de la reducció de la fatiga muscular, i han sigut testats per cirurgians en entorns simulats, els quals troben beneficiós utilitzar la "Llibertat Postural" com a característica base d'aquest nou disseny d'eina laparoscòpica. En la secció final d'aquest treball es proposa un disseny que implementa el concepte de llibertat postura amb el qual es reduiria la fatiga muscular i els problemes *musculo esquelètics associats a la pràctica laparoscòpica. Aquest disseny té la característica d'actuar com una nova secció del braç, sent una articulació que suporta els girs i grans desplaçaments que normalment han de desenvolupar els braços del cirurgià. A més, aquesta solució és econòmica i fàcil de fabricar, la qual cosa permetria el seu ús per cirurgians de tot el món. / [EN] Laparoscopic surgery is considered one of the main surgical advances in the last decades, this technique has demonstrated numerous advantages compared to open conventional surgery and it is widely used in abdominal procedures around the world. For the patient, laparoscopic surgery suppose less post-operative pain, shorter recovery time, lower risk of infection, and reduction of the trauma among other benefits. For the surgeon, the situation is completely different, this practice requires more effort, concentration and mental stress than conventional open procedures. It forces the surgeon to adopt non-neutral postures with phalanges, hands, wrists, and arms being this non-neutral postures the main cause of muscular fatigue and high risk of musculoskeletal disorders. The poor ergonomic postures accelerate muscle fatigue and pain because, outside the neutral range, muscles require more energy to generate the same contractile force than in neutral position. This increase of muscular fatigue is associated with the potential to commit errors that may harm the patient during the surgery. Because this problem is widely studied and different research centers are already trying to improve their surgeons experience in the operation room, the approach used during this work is different than most of the ones presented in previous works. Generally, the solutions proposed are based on ergonomic changes in the handle shape of the instrument, because the conventional pistol-grip handle is considered ergonomically poor. But the problem is not only in the shape of the handle but also in the fixed point of entrance that force the positions for the surgeon despite the handle¿s shape. In this work, the concept of postural freedom in laparoscopic surgery is introduced and evaluated. The postural freedom concept is based on the hypothesis that the surgeon involuntarily would maintain neutral postures if the instrument does not force him or her to reach extreme position with the upper limbs. The benefits of this concept has been demonstrated, by means of electromyography and motion capture. It reduces the localized muscular fatigue and increases the number of neutral postures during laparoscopic simulations. In the final section it is proposed a design that implements the postural freedom concept with, according on the results, the potential to reduce the localized muscular fatigue and the musculoskeletal problems associated to the practice. The design proposed here acts as a new section on the arm, being an articulation that support the turns and big displacements that currently suffer the surgeon¿s body. The solution is affordable and easy to manufacture and could be used by surgeons worldwide. / Pace Bedetti, HM. (2019). The effect of "Postural Freedom" in laparoscopic surgery [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/122312