Surgery is shifting towards less invasive techniques, which unfortunately come at the cost of increased complexity. At the same time, surgeons have welcomed robotic tools into the surgical theatre, of which telesurgery is a prominent example. Again, this comes at a cost, namely a decreased or even lost sense of haptic feedback. Fortunately, the increased complexity and loss of haptic feedback can be (partly) compensated by an increased level of ‘intelligent’ information flow to the surgeon, a track followed here.

This PhD thesis introduces the concept of interpreting intra-operatively acquired haptic and visual information by means of biomechanical models, thereby obtaining information on the mechanical loading of the manipulated tissue. The aim is to provide the surgeon with ‘intelligent’ information feedback in the form of safety limits on tissue loading, thereby minimizing unnecessary intra-operative trauma.

Part I of the thesis conceptually outlines a fundamental research track and an applied research track. In the former, an experimental and computational framework is described to define damage thresholds for soft tissues. In the latter, the steps required to actually implement these thresholds as active constraints into a telesurgical setting are formulated.

In the second part of the PhD thesis, the concepts of the fundamental research track are applied to the specific case of arterial clamping. In vivo experiments are performed to clamp and subsequently quantitatively evaluate the induced damage to the contractile capability of the artery, which is related to the integrity of the smooth muscle cells and the endothelial cells. An experimental quantitative relationship is thereby found between mechanical load and different kinds of damage.

To allow a general interpretation of this quantitative relation, the entire experimental process is simulated numerically, using the finite element method. First, the clamping process is simulated using the Holzapfel-material model, thereby evaluating the effect of residual strains, mechanical property variation and clamp design. The clear inhomogeneous distribution of the stress proves the necessity and potential of accurate finite element modelling for damage threshold identification and for ‘smart’ instrument design.

Finally, because the Holzapfel-material model is suited only for the physiological loading regime and does not capture contractility, a new material model is developed. Besides the typical nonlinear behaviour of arterial tissue, this model also captures the active contraction of the smooth muscle cells as well as the degradation of the tissue in response to mechanical overload. The material model is used in a second finite element simulation in which also the damage quantification method is simulated. A comparison with the performed experiments enables a fitting of the parameters of the new material model.

The research performed on the specific case of arterial clamping has demonstrated the potential of the general framework to define damage thresholds for soft tissues. The approach was interdisciplinary, and aimed at bridging the gap between the biomedical empirical reality and engineering design and computation. Hence, the foundations were laid for a broad range of new research tracks in the area of biomechanics, all directed towards enhancing surgical quality by increasing intra-operative safety.

Chirurgie evolueert in de richting van minder invasieve technieken, die jammer genoeg ook extra complexiteit met zich meebrengen. Terzelfdertijd is ook de robot-gesteunde technologie aan een opmars bezig, waarvan telechirurgie een prominent voorbeeld is. Ook hier is er een keerzijde, namelijk een verminderde of zelfs verdwenen tastzin of haptische terugkoppeling. Gelukkig kunnen de nadelen ten gevolge van een toegenomen complexiteit en de verdwenen haptische terugkoppeling (althans gedeeltelijk) gecompenseerd worden door een toegenomen aanbod van ‘intelligente’ informatie die de chirurg intra-operatief aangereikt wordt. Dit doctoraat volgt deze laatste piste.

Dit doctoraat introduceert het concept om intra-operatief opgemeten kracht en visuele gegevens met behulp van biomechanische modellen te gaan interpreteren. Zo wordt informatie verkregen over de mechanische belasting die de gemanipuleerde weefsels op dat ogenblik ondergaan. De bedoeling is om die ‘intelligente’ informatie naar de chirurg terug te koppelen, in de vorm van veiligheidsmarges op weefselbelasting, en zodoende ongewenste intra-operatieve schade te minimalizeren.

Het eerste gedeelte van dit doctoraat omvat de conceptuele omschrijving van een fundamenteel onderzoeksluik en van een toegepast onderzoeksluik. In het eerste luik wordt een experimenteel en computationeel kader uitgewerkt om grenswaarden voor weefselbelasting te definiëren. In het toegepaste luik wordt onderzocht welke stappen er concreet nodig zijn om deze grenswaarden te gebruiken tijdens telechirurgie, in de vorm van actieve begrenzing op de instrumenten.

Het tweede gedeelte van dit doctoraat past de concepten van het fundamenteel onderzoeksluik toe op het specifieke geval van het dichtklemmen van een bloedvat. De uitgevoerde experimenten bestaan uit het in vivo klemmen van bloedvaten, gevolgd door een kwantitatieve evaluatie van de toegediende schade aan de contractiliteit van het bloedvat. Deze contractiliteit heeft te maken met de toestand van de gladde spiercellen en de endotheelcellen. De experimenten zorgden voor een kwantitatief verband tussen mechanische belasting en verschillende soorten schade.

Om dit kwantitatief verband algemeen bruikbaar te maken is een numerieke simulatie van het experimentele proces noodzakelijk, gebruik makende van de eindige-elementenmethode. Een eerste simulatie met het Holzapfel- materiaalmodel bestudeert het process van het klemmen van het bloedvat en evalueert daarbij het effect van residuele spanningen, variaties op de mechanische eigenschappen van het bloedvat en de vorm van de gebruikte klem. De duidelijk inhomogeen verdeelde belasting toont het belang alsook het potentieel van de eindige-elementenmethode aan in de zoektocht naar veiligheidsmarges en voor intelligent ontwerp van chirurgische instrumentatie.

Het Holzapfel-materiaalmodel is enkel geschikt om het gedrag onder fysiologische belasting te beschrijven en houdt ook geen rekening met de contractiliteit van een bloedvat. Hierom werd een nieuw materiaalmodel ontwikkeld, dat naast het typische niet-lineaire gedrag van een bloedvat ook de actieve bijdrage van de gladde spiercellen in rekening brengt, alsook de degradatie van het weefsel als gevolg van overbelasting. Een tweede eindige-elementensimulatie maakt gebruik van dit nieuwe materiaalmodel om dit keer ook de experimentele schadekwantificatie te simuleren. Door experiment en simulatie met elkaar te vergelijken worden de parameters van het nieuwe materiaalmodel gevonden.

Het gevoerde onderzoek op het specifieke geval van het klemmen van een bloedvat heeft het potentieel aangetoond van het voorgestelde algemeen kader voor het definiëren van grenswaarden voor weefselbelasting. Een interdisciplinaire aanpak was hierbij essentieel, waarbij de brug geslagen werd tussen de biomedische empirische realiteit enerzijds en mathematische modellering en mechanisch ontwerp anderzijds. Zodoende werden de fundamenten gelegd voor een brede waaier aan nieuwe biomechanische onderzoekspistes, alle gericht op de kwaliteitsverbetering van chirurgie door toename van de intra-operatieve veiligheid.