Finite element analysis of pectus carinatum surgical correction via a minimally invasive approach

Pectus carinatum (PC) is a chest deformity caused by a disproportionate growth of the costal cartilages compared to the bony thoracic skeleton, pulling the sternum towards, which leads to its protrusion. There has been a growing interest on using the ‘reversed Nuss’ technique as minimally invasive procedure for PC surgical correction. A corrective bar is introduced between the skin and the thoracic cage and positioned on top of the sternum highest protrusion area for continuous pressure. Then, it is fixed to the ribs and kept implanted for about 2–3 years. The purpose of this work was to (a) assess the stresses distribution on the thoracic cage that arise from the procedure, and (b) investigate the impact of different positioning of the corrective bar along the sternum. The higher stresses were generated on the 4th, 5th and 6th ribs backend, supporting the hypothesis of pectus deformities correction-induced scoliosis. The different bar positioning originated different stresses on the ribs’ backend. The bar position that led to lower stresses generated on the ribs backend was the one that also led to the smallest sternum displacement. However, this may be preferred, as the risk of induced scoliosis is lowered.

A comunicação multimédia e a construção mediada da mensagem

O objectivo da presente dissertação é a análise do desenvolvimento e utilização do acto de comunicar inserido num contexto da Cultura Digital. O processo de investigação procura a análise e compreensão da comunicação e das novas características conferidas à mensagem pelo factor multimédia. Reflecte-se sobre os modos como a prática comunicativa realizada com base no multimédia digital impulsiona uma nova forma de interacção comunicativa. A presente dissertação envolveu uma reflexão sobre a dinâmica relacional que se estabelece entre Comunicação, Design e Multimédia. Por um lado, procuram- -se definições estruturantes para a comunicação multimédia e a construção das suas mensagens, num processo mediado pela Semiótica e seu estudo de signos e ampliado pela Mediologia para um conceito de transmissão cultural. Por outro lado, apresenta- -se a Cultura Digital numa perspectiva histórica-evolutiva, contextualizando em termos tecnológicos e conceptuais o percurso que define a comunicação multimédia como a concebemos hoje. É, finalmente, analisado o novo espaço de comunicação digital, onde o design e arte multimédia se assumem como processo de investigação. O acto de comunicar entre indivíduos é um processo construído e adquirido. Além de tornar as mensagens em códigos úteis e compreensíveis, o multimédia é, fundamentalmente, comunicação, e as interacções resultantes deste processo reformulam o modelo de comunicação, tornando-o um campo de criação colectiva da mensagem.

PHB-PEO electrospun fiber membranes containing chlorhexidine for drug delivery applications

Fiber meshes of poly(hydroxybutyrate) (PHB) and poly(hydroxybutyrate)/ poly(ethylene oxide) (PHB/PEO) with different concentrations of chlorhexidine (CHX) were prepared by electrospinning, for assessment as a polymer based drug delivery system. The electrospun fibers were characterized at morphological, molecular and mechanical levels. The bactericidal potential of PHB and PHB/PEO electrospun fibers with and without CHX was investigated against Escherichia coli (E. coli) and Staphylococcus aureus (S. aureus) by disk diffusion susceptibility tests. Electrospun fibers containing CHX exhibited bactericidal activity. PHB/PEO-1%CHX displayed higher CHX release levels and equivalent antibacterial activity when compared to PHB/PEO with 5 and 10 wt% CHX. Bactericidal performance of samples with 1 wt% CHX was assessed by Colony Forming Units (CFU), where a reduction of 100 % and 99.69 % against E. coli and S. aureus were achieved, respectively.

Effect of neutralization and cross-linking on the thermal degradation of chitosan electrospun membranes

Thermal degradation of as electrospun chitosan membranes and samples subsequently treated with ethanol and cross-linked with glutaraldehyde (GA) have been studied by thermogravimetry (TG) coupled with an infrared spectrometer (FTIR). The influence of the electrospinning process and cross-linking in the electrospun chitosan thermal stability was evaluated. Up to three degradation steps were observed in the TG data, corresponding to water dehydration reaction at temperatures below 100 ºC, loss of side groups formed between the amine groups of chitosan and trifluoroacetic acid between 150 – 270 ºC and chitosan thermal degradation that starts around 250 ºC and goes up to 400 ºC. The Kissinger model was employed to evaluate the activation energies of the electrospun membranes during isothermal experiments and revealed that thermal degradation activation energy increases for the samples processed by electrospinning and subsequent neutralization and cross-linking treatments with respect to the neat chitosan powder.

Automated image analysis of lung branching morphogenesis from microscopic images of fetal rat explants

Background: Regulating mechanisms of branching morphogenesis of fetal lung rat explants have been an essential tool for molecular research. This work presents a new methodology to accurately quantify the epithelial, outer contour and peripheral airway buds of lung explants during cellular development from microscopic images. Methods: The outer contour was defined using an adaptive and multi-scale threshold algorithm whose level was automatically calculated based on an entropy maximization criterion. The inner lung epithelial was defined by a clustering procedure that groups small image regions according to the minimum description length principle and local statistical properties. Finally, the number of peripheral buds were counted as the skeleton branched ends from a skeletonized image of the lung inner epithelial. Results: The time for lung branching morphometric analysis was reduced in 98% in contrast to the manual method. Best results were obtained in the first two days of cellular development, with lesser standard deviations. Non-significant differences were found between the automatic and manual results in all culture days. Conclusions: The proposed method introduces a series of advantages related to its intuitive use and accuracy, making the technique suitable to images with different lightning characteristics and allowing a reliable comparison between different researchers.

Automatic modeling of pectus excavatum corrective prosthesis using artificial neural networks

Pectus excavatum is the most common deformity of the thorax. Pre-operative diagnosis usually includes Computed Tomography (CT) to successfully employ a thoracic prosthesis for anterior chest wall remodeling. Aiming at the elimination of radiation exposure, this paper presents a novel methodology for the replacement of CT by a 3D laser scanner (radiation-free) for prosthesis modeling. The complete elimination of CT is based on an accurate determination of ribs position and prosthesis placement region through skin surface points. The developed solution resorts to a normalized and combined outcome of an artificial neural network (ANN) set. Each ANN model was trained with data vectors from 165 male patients and using soft tissue thicknesses (STT) comprising information from the skin and rib cage (automatically determined by image processing algorithms). Tests revealed that ribs position for prosthesis placement and modeling can be estimated with an average error of 5.0 ± 3.6 mm. One also showed that the ANN performance can be improved by introducing a manually determined initial STT value in the ANN normalization procedure (average error of 2.82 ± 0.76 mm). Such error range is well below current prosthesis manual modeling (approximately 11 mm), which can provide a valuable and radiation-free procedure for prosthesis personalization.

Contributo do design nos dispositivos de intervenção cirúrgica

Hoje em dia a técnica de cirurgia laparoscópica é bastante comum no tratamento de várias doenças ao nível do abdómen. Um ponto forte em relação a outras técnicas cirúrgicas é a rápida recuperação do paciente após a cirurgia, como também o fato de as marcas provocadas pela cirurgia serem bastante mais discretas. Sendo assim, é de elevada importância que esta técnica evolua e seja aperfeiçoada para que o erro humano seja minimizado e o tratamento dos pacientes melhorado. As dificuldades encontradas na realização destas cirurgias são causa direta dos tipos de instrumentos utilizados, sendo a interação com os aparelhos um fator importante para que a intervenção cirúrgica seja realizada com sucesso. Como tal, devido a natureza ergonómica dos instrumentos, os cirurgiões sentem dificuldades na execução das suas tarefas ao longo da cirurgia, acusando dores musculares nas mãos e nos braços. Este trabalho tem como principal objetivo melhorar este tipo de cirurgia através do design aliado à ergonomia de aparelhos manuais, tendo as formas e funções dos instrumentos existentes como base de estudo para a criação de um aparelho mais ergonómico e eficaz. Também a existência de tecnologias capazes de reproduzir os conceitos criados pelo designer são uma mais valia para a criação das formas desenvolvidas. Desta forma, ao longo do desenvolvimento do produto são tidas em conta questões de ergonomia, mas também a higiene é considerada de relativa importância devido a facilidade de transmissão de doenças através do toque, sendo assim pertinente ter em consideração os pré requisitos necessários para a criação de um aparelho de natureza cirúrgica. O protótipo criado possui um componente eletromecânico já desenvolvido para este tipo de intervenção cirúrgica, desta forma o desenvolvimento da carcaça tem a forma do corpo eletromecânico como base para a criação da melhor ergonomia possível. Esta segue um conceito minimalista e orgânico, procurando adaptar-se à mão do utilizador com o intuito de proporcionar um melhor manuseio do aparelho e através das interfaces conferir uma utilização intuitiva, mais eficaz e menos demorada.

Contributo do design nos dispositivos de intervenção cirúrgica

Hoje em dia a técnica de cirurgia laparoscópica é bastante comum no tratamento de várias doenças ao nível do abdómen. Um ponto forte em relação a outras técnicas cirúrgicas é a rápida recuperação do paciente após a cirurgia, como também o fato de as marcas provocadas pela cirurgia serem bastante mais discretas. Sendo assim, é de elevada importância que esta técnica evolua e seja aperfeiçoada para que o erro humano seja minimizado e o tratamento dos pacientes melhorado. As dificuldades encontradas na realização destas cirurgias são causa direta dos tipos de instrumentos utilizados, sendo a interação com os aparelhos um fator importante para que a intervenção cirúrgica seja realizada com sucesso. Como tal, devido a natureza ergonómica dos instrumentos, os cirurgiões sentem dificuldades na execução das suas tarefas ao longo da cirurgia, acusando dores musculares nas mãos e nos braços. Este trabalho tem como principal objetivo melhorar este tipo de cirurgia através do design aliado à ergonomia de aparelhos manuais, tendo as formas e funções dos instrumentos existentes como base de estudo para a criação de um aparelho mais ergonómico e eficaz. Também a existência de tecnologias capazes de reproduzir os conceitos criados pelo designer são uma mais valia para a criação das formas desenvolvidas. Desta forma, ao longo do desenvolvimento do produto são tidas em conta questões de ergonomia, mas também a higiene é considerada de relativa importância devido a facilidade de transmissão de doenças através do toque, sendo assim pertinente ter em consideração os pré requisitos necessários para a criação de um aparelho de natureza cirúrgica. O protótipo criado possui um componente eletromecânico já desenvolvido para este tipo de intervenção cirúrgica, desta forma o desenvolvimento da carcaça tem a forma do corpo eletromecânico como base para a criação da melhor ergonomia possível. Esta segue um conceito minimalista e orgânico, procurando adaptar-se à mão do utilizador com o intuito de proporcionar um melhor manuseio do aparelho e através das interfaces conferir uma utilização intuitiva, mais eficaz e menos demorada.

A importância da certificação do sistema de gestão ambiental para a melhoria do desempenho das empresas operadoras de resíduos em Portugal

A crescente preocupação e consciencialização do pensamento global, acerca dos problemas ambientais, por sua vez associados à rápida depleção dos recursos naturais, criaram uma forte aliança entre as pressões legais, sociais e políticas e a necessidade das organizações em preservar a sua imagem face a uma opinião pública cada vez mais exigente e atenta a esta problemática. Como resposta a este propósito, diversas organizações e entidades internacionais viram-se forçadas a criar padrões internacionais de qualidade ao nível ambiental. Nessa medida, a International Organization for Standardization (ISO) criou a família de normas ISO14000 como forma de procurar garantir aos legisladores, aos clientes e ao público em geral, produtos e/ou serviços ambientalmente mais sustentáveis. Para as empresas e organizações, este combinado de normas surge como uma ferramenta estratégica capaz de proporcionar a identificação, controlo e a melhoria contínua do seu desempenho ambiental. Por outras palavras, visam a implementação de um Sistema de Gestão Ambiental (SGA) mais eficiente. Atendendo a este contexto, a implementação da ISO 14001, e respetiva certificação, têm vindo a adquirir uma importância crescente dentro das organizações. Motivo pelo qual este trabalho teve como objetivo primordial estudar e avaliar a relevância da certificação através da norma ISO 14001 no sistema de gestão ambiental das empresas operadoras de resíduos em Portugal. O resultado deste estudo contribuiu para edificar o conhecimento dos motivos que levam as empresas a adotar esta norma, identificar os benefícios e dificuldades daí resultantes, bem como avaliar possíveis impactos na melhoria contínua do desempenho por parte das organizações, após a obtenção da certificação ambiental. Para almejar tal objetivo, realizou-se uma análise dos resultados obtidos através da aplicação de dois inquéritos por questionário, constituídos por questões autoresposta que fizeram face ao objetivo do estudo e que permitiram dar resposta ao mesmo. O inquérito por questionário, direcionado às empresas, foi enviado à totalidade das empresas operadoras de resíduos em Portugal, certificadas segundo a referida norma. A amostra estudada foi constituída por 22 empresas. A análise aos inquéritos por questionário direcionado aos colaboradores destas mesmas empresas decorreu de 429 inquéritos válidos. Sendo a aplicação dos mesmos efetuada via correio CTT, durante os meses de dezembro de 2013 e janeiro de 2014 e a respetiva análise com recurso ao Statistical Package for the Social Science (SPSS). Tornou-se, ainda, possível efetuar um conjunto de recomendações destinadas a orientar e facilitar o processo de adoção de sistemas de gestão ambiental neste setor. Conclui-se que a obtenção da certificação ambiental é potenciada pela melhoria da imagem pública da empresa e a melhoria do desempenho ambiental da mesma. Esta melhoria reflete-se no aumento das preocupações ambientais, ou seja, a minimização/eliminação dos impactos ambientais decorrentes das atividades destas organizações. No entanto, e apesar da possibilidade de obtenção de benefícios e ganhos esperados, entre os quais se incluem o aumento da consciencialização sobre os impactos ambientais entre os funcionários, a melhoria no desempenho da empresa e a influência positiva em algum processo de gestão interno (melhoria na otimização dos fluxos processuais), convém destacar que o processo poderá ser dificultado pelo aumento da quantidade de documentação interna da empresa, pela exigência de uma elevada formação pessoal dos colaboradores e pelas dificuldades inerentes ao próprio cumprimento da legislação ambiental. Mais do que explicar quais os fenómenos que levam as empresas a convergir na adoção de Sistemas de Gestão Ambiental, este estudo releva que as empresas detentoras da certificação ambiental exercem uma cultura ambiental que possibilita influenciar os colaboradores acerca das decisões a albergar em relação às práticas ambientais do quotidiano.

Remote Patient Monitoring Based on ZigBee: Lessons from a Real-World Deployment

AIM: This work presents detailed experimental performance results from tests executed in the hospital environment for Health Monitoring for All (HM4All), a remote vital signs monitoring system based on a ZigBee® (ZigBee Alliance, San Ramon, CA) body sensor network (BSN). MATERIALS AND METHODS: Tests involved the use of six electrocardiogram (ECG) sensors operating in two different modes: the ECG mode involved the transmission of ECG waveform data and heart rate (HR) values to the ZigBee coordinator, whereas the HR mode included only the transmission of HR values. In the absence of hidden nodes, a non-beacon-enabled star network composed of sensing devices working on ECG mode kept the delivery ratio (DR) at 100%. RESULTS: When the network topology was changed to a 2-hop tree, the performance degraded slightly, resulting in an average DR of 98.56%. Although these performance outcomes may seem satisfactory, further investigation demonstrated that individual sensing devices went through transitory periods with low DR. Other tests have shown that ZigBee BSNs are highly susceptible to collisions owing to hidden nodes. Nevertheless, these tests have also shown that these networks can achieve high reliability if the amount of traffic is kept low. Contrary to what is typically shown in scientific articles and in manufacturers' documentation, the test outcomes presented in this article include temporal graphs of the DR achieved by each wireless sensor device. CONCLUSIONS: The test procedure and the approach used to represent its outcomes, which allow the identification of undesirable transitory periods of low reliability due to contention between devices, constitute the main contribution of this work.

Automated image analysis of lung branching morphogenesis

Regulating mechanisms of branchingmorphogenesis of fetal lung rat explants have been an essential tool formolecular research.This work presents a new methodology to accurately quantify the epithelial, outer contour, and peripheral airway buds of lung explants during cellular development frommicroscopic images. Methods.Theouter contour was defined using an adaptive and multiscale threshold algorithm whose level was automatically calculated based on an entropy maximization criterion. The inner lung epithelium was defined by a clustering procedure that groups small image regions according to the minimum description length principle and local statistical properties. Finally, the number of peripheral buds was counted as the skeleton branched ends from a skeletonized image of the lung inner epithelia. Results. The time for lung branching morphometric analysis was reduced in 98% in contrast to themanualmethod. Best results were obtained in the first two days of cellular development, with lesser standard deviations. Nonsignificant differences were found between the automatic and manual results in all culture days. Conclusions. The proposed method introduces a series of advantages related to its intuitive use and accuracy, making the technique suitable to images with different lighting characteristics and allowing a reliable comparison between different researchers.

Variations of the soft tissue thicknesses external to the ribs in pectus excavatum patients

Background: Surgical repair of pectus excavatum (PE) has become more popular due to improvements in the minimally invasive Nuss procedure. The pre-surgical assessment of PE patients requires Computerized Tomography (CT), as the malformation characteristics vary from patient to patient. Objective: This work aims to characterize soft tissue thickness (STT) external to the ribs among PE patients. It also presents a comparative analysis between the anterior chest wall surface before and after surgical correction. Methods: Through surrounding tissue segmentation in CT data, STT values were calculated at different lines along the thoracic wall, with a reference point in the intersection of coronal and median planes. The comparative analysis between the two 3D anterior chest surfaces sets a surgical correction influence area (SCIA) and a volume of interest (VOI) based on image processing algorithms, 3D surface algorithms, and registration methods. Results: There are always variations between left and right side STTs (2.54±2.05 mm and 2.95±2.97 mm for female and male patients, respectively). STTs are dependent on age, sex, and body mass index of each patient. On female patients, breast tissue induces additional errors in bar manual

Collecting system percutaneous access using real-time tracking sensors: first pig model in vivo experience

Purpose: Precise needle puncture of the renal collecting system is an essential but challenging step for successful percutaneous nephrolithotomy. We evaluated the efficiency of a new real-time electromagnetic tracking system for in vivo kidney puncture. Materials and Methods: Six anesthetized female pigs underwent ureterorenoscopy to place a catheter with an electromagnetic tracking sensor into the desired puncture site and ascertain puncture success. A tracked needle with a similar electromagnetic tracking sensor was subsequently navigated into the sensor in the catheter. Four punctures were performed by each of 2 surgeons in each pig, including 1 each in the kidney, middle ureter, and right and left sides. Outcome measurements were the number of attempts and the time needed to evaluate the virtual trajectory and perform percutaneous puncture. Results: A total of 24 punctures were easily performed without complication. Surgeons required more time to evaluate the trajectory during ureteral than kidney puncture (median 15 seconds, range 14 to 18 vs 13, range 11 to 16, p ¼ 0.1). Median renal and ureteral puncture time was 19 (range 14 to 45) and 51 seconds (range 45 to 67), respectively (p ¼ 0.003). Two attempts were needed to achieve a successful ureteral puncture. The technique requires the presence of a renal stone for testing. Conclusions: The proposed electromagnetic tracking solution for renal collecting system puncture proved to be highly accurate, simple and quick. This method might represent a paradigm shift in percutaneous kidney access techniques.

Automatic modeling of pectus excavatum corrective prosthesis using artificial neural networks

Pectus excavatum is the most common deformity of the thorax. Pre-operative diagnosis usually includes Computed Tomography (CT) to successfully employ a thoracic prosthesis for anterior chest wall remodeling. Aiming at the elimination of radiation exposure, this paper presents a novel methodology for the replacement of CT by a 3D laser scanner (radiation-free) for prosthesis modeling. The complete elimination of CT is based on an accurate determination of ribs position and prosthesis placement region through skin surface points. The developed solution resorts to a normalized and combined outcome of an artificial neural network (ANN) set. Each ANN model was trained with data vectors from 165 male patients and using soft tissue thicknesses (STT) comprising information from the skin and rib cage (automatically determined by image processing algorithms). Tests revealed that ribs position for prosthesis placement and modeling can be estimated with an average error of 5.0 ± 3.6 mm. One also showed that the ANN performance can be improved by introducing a manually determined initial STT value in the ANN normalization procedure (average error of 2.82 ± 0.76 mm). Such error range is well below current prosthesis manual modeling (approximately 11 mm), which can provide a valuable and radiation-free procedure for prosthesis personalization.

Automatic prebent customized prosthesis for pectus excavatum minimally invasive surgery correction

Pectus excavatum is the most common deformity of the thorax. A minimally invasive surgical correction is commonly carried out to remodel the anterior chest wall by using an intrathoracic convex prosthesis in the substernal position. The process of prosthesis modeling and bending still remains an area of improvement. The authors developed a new system, i3DExcavatum, which can automatically model and bend the bar preoperatively based on a thoracic CT scan. This article presents a comparison between automatic and manual bending. The i3DExcavatum was used to personalize prostheses for 41 patients who underwent pectus excavatum surgical correction between 2007 and 2012. Regarding the anatomical variations, the soft-tissue thicknesses external to the ribs show that both symmetric and asymmetric patients always have asymmetric variations, by comparing the patients’ sides. It highlighted that the prosthesis bar should be modeled according to each patient’s rib positions and dimensions. The average differences between the skin and costal line curvature lengths were 84 ± 4 mm and 96 ± 11 mm, for male and female patients, respectively. On the other hand, the i3DExcavatum ensured a smooth curvature of the surgical prosthesis and was capable of predicting and simulating a virtual shape and size of the bar for asymmetric and symmetric patients. In conclusion, the i3DExcavatum allows preoperative personalization according to the thoracic morphology of each patient. It reduces surgery time and minimizes the margin error introduced by the manually bent bar, which only uses a template that copies the chest wall curvature.