The effects of surgery on gastrointestinal motor activity

Gastrointestinal surgical procedures have the potential to disrupt motor activity in various organs of the gastrointestinal tract or, indeed, throughout the entire alimentary canal. Several of these motor effects have important clinical consequences and have also served to advance our understanding of the regulation of gastrointestinal motor activity. This review will focus, in particular, on the effects of surgery on the small intestine, and will attempt to emphasize the implications of these studies for our understanding of small intestinal motility, in general.

Morphologic and biochemical changes in male rat lung after surgical and pharmacological castration

The morphology of the rat lung was studied by light microscopy in different situations: after surgical and pharmacological castration and after administration of testosterone to the castrated rat to determine if the androgen is required to maintain the normal morphology of the lung. We also determined the effect of flutamide on the phospholipid composition of both the surfactant and microsomes of the lung. Rats were separated into five groups: I - control non-castrated rats, II - castrated rats sacrificed 21 days after castration, III - castrated rats that received testosterone daily from day 2 to day 21 after castration, IV - castrated rats that received testosterone from day 15 to day 21 after castration, and V - control rats injected with flutamide for 7 days. The amount of different phospholipids in the surfactant and microsomes of the lung was measured in group I and V rats. At the light microscopy level, the surgical and pharmacological castration provoked alterations in the morphology of the lung, similar to that observed in human lung emphysema. The compositions of surfactant and microsomes of the lung were similar to those previously reported by us for the surgically castrated rats. These results indicate that androgens are necessary for the normal morphology as well as for some metabolic aspects of the lung.

Oxygen consumption of rats with broad intestinal resection

The study was performed to investigate possible alterations in oxygen consumption in an animal model with broad intestinal resection. Oxygen consumption and the thermal effect of a short meal were measured in rats subjected to short bowel syndrome. Four groups of rats were used. Group I was the control group, group II was sham operated, group III was submitted to 80% jejunum-ileum resection, and group IV was submitted to 80% jejunum-ileum resection with colon interposition. Ninety days after surgery, oxygen consumption was measured over a period of 6 h with the animals fasted overnight. The thermal effect of feeding was determined in another session of oxygen consumption measurement in animals fasted for 12 h. A 12-kcal meal was then introduced into the animal chamber and oxygen consumption was measured for a further 4 h. No differences in fasting oxygen consumption or in the thermal effect of the meal were detected among the groups studied. It is concluded that short bowel syndrome does not affect the overall energy expenditure of rats.

Effect of lung resection and sham surgery on the frequency of infection in alloxan-diabetic rats

The present study was carried out in order to determine the effect of lung resection on the frequency of infections in alloxan-diabetic rats. Adult female Wistar rats were injected with alloxan (40 mg/kg, iv) to induce diabetes mellitus (group D; N = 45) or with vehicle (1.0 ml/kg, iv) to be used as controls (group C; N = 45). Thirty-six days after receiving alloxan both groups were randomly divided into three subgroups: no operation (NO; N = 15), sham operation (SO; N = 15), and left pneumonectomy (PE; N = 15). The rats were sacrificed 36 days after surgery and their lungs were examined microscopically and macroscopically. The occurrence of thoracic wall infection, thoracic wall abscess, lung abscess and pleural empyema was similar in groups D and C. In contrast, the overall infection rate was higher (P<0.05) in the diabetic rats (SO-D and PE-D subgroups, but not in the NO-D subgroup). Considering that the overall infection rate was similar in the SO-D and PE-D subgroups, we suggest that surgery but not pneumonectomy was related to the higher prevalence of infection in diabetic rats.

Long-chain n-3 fatty acids and inflammation: potential application in surgical and trauma patients

Lipids used in nutritional support of surgical or critically ill patients have been based on soybean oil, which is rich in the n-6 fatty acid linoleic acid (18:2n-6). Linoleic acid is the precursor of arachidonic acid (20:4n-6). In turn, arachidonic acid in cell membrane phospholipids is the substrate for the synthesis of a range of biologically active compounds (eicosanoids) including prostaglandins, thromboxanes, and leukotrienes. These compounds can act as mediators in their own right and can also act as regulators of other processes, such as platelet aggregation, blood clotting, smooth muscle contraction, leukocyte chemotaxis, inflammatory cytokine production, and immune function. There is a view that an excess of n-6 fatty acids should be avoided since this could contribute to a state where physiological processes become dysregulated. One alternative is the use of fish oil. The rationale of this latter approach is that fish oil contains long chain n-3 fatty acids, such as eicosapentaenoic acid. When fish oil is provided, eicosapentaenoic acid is incorporated into cell membrane phospholipids, partly at the expense of arachidonic acid. Thus, there is less arachidonic acid available for eicosanoid synthesis. Hence, fish oil decreases production of prostaglandins like PGE2 and of leukotrienes like LTB4. Thus, n-3 fatty acids can potentially reduce platelet aggregation, blood clotting, smooth muscle contraction, and leukocyte chemotaxis, and can modulate inflammatory cytokine production and immune function. These effects have been demonstrated in cell culture, animal feeding and healthy volunteer studies. Fish oil decreases the host metabolic response and improves survival to endotoxin in laboratory animals. Recently clinical studies performed in various patient groups have indicated benefit from this approach.

IL-6 upregulation contributes to the reduction of miR-26a expression in hepatocellular carcinoma cells

A recent study showed that miR-26a is downregulated in hepatocellular carcinoma tissues and that this downregulation is an independent predictor of survival. Interestingly, the same study also reported that miR-26a downregulation causes a concomitant elevation of IL-6 expression. Because miR-26a expression was found to be transcriptionally downregulated by oncogene c-Myc in various cancers, and the expression of c-Myc was increased by IL-6 stimulation, we hypothesized that IL-6 contributes to reduction of miR-26a in hepatocellular carcinoma. Serum IL-6 was measured by ELISA and miR-26a was detected by qRT-PCR. The data of 30 patients with hepatocellular carcinoma who had undergone surgical tumor resection revealed that serum IL-6 could be considered to be a predictor of survival up to 5 years for hepatocellular carcinoma patients (log-rank test, P < 0.05). We observed that the serum IL-6 concentration was inversely correlated with miR-26a expression in cancerous tissues (Pearson correlation test, r = -0.651, P < 0.01). Furthermore, by in vitro experiments with HepG2 cells, we showed that IL-6 stimulation can lead to miR-26a suppression via c-Myc activation, whereas in normal hepatocyte LO2 cells incubation with IL-6 had no significant effect on miR-26a expression. Taken together, these results indicate that miR-26a reduction in hepatocellular carcinoma might be due to IL-6 upregulation.

Surgical principles and minor surgery

UANL

Thérapie prolongée au mesylate d'imatinib avant la chirurgie pour les tumeurs stromales gastrointestinales avancées : résultats d'une étude prospective de phase II

Les tumeurs stromales gastrointestinales (GIST) sont les néoplasies mésenchymateuses les plus complexes du système gastrointestinal. Le traitement curatif standard de cette pathologie est la chirurgie avec l'obtention de marges microscopiques négatives. Les résultats impressionnants obtenus sur la prolongation de la survie avec l'administration d'imatinib (IM) chez les patients atteints de maladie métastatique et non-réséquable ont suggéré aux cliniciens que ce même médicament pourrait aussi collaborer à l'obtention de marges négatives plus aisément lors de cancer avancé. Jusqu'à présent, aucune étude prospective n'a caractérisée l'effet d'une thérapie néoadjuvante prolongée à l'IM sur la qualité de la résection chirurgicale subséquente. L'objectif de ce projet de maîtrise était d'évaluer l'efficacité de l'imatinib utilisé avant la chirurgie (néoadjuvant) jusqu'à l'obtention d'une réponse maximale, en vue d'augmenter le taux de résection microscopique complète (R0) dans le traitement chirurgical des GIST à haut risque de résection microscopique incomplète (R1) ou impossible (R2). Pour ce faire, une étude prospective multicentrique de phase II a été réalisée. Le traitement néoadjuvant à l'IM a été instauré chez des patients porteurs d'une GIST localement avancée ou métastatique. Au total, quatorze patients ont reçu une dose de 400-600 mg/d d'IM pour une durée de 6-12 mois avant la chirurgie. Quatorze patients ont été inclus dans l'étude. Onze ont eu une chirurgie à visée curative, un patient a démontré une maladie non-réséquable suite à une laparotomie exploratrice et deux patients ont refusé la chirurgie. Après un suivi moyen de 48 mois, tous les patients opérés étaient vivants et sept sans évidence de récidive. L'utilisation prolongée (12 mois) d'IM dans un contexte néoadjuvant est faisable, sécuritaire, efficace et comporte peu de toxicité. De plus, cette approche est associée à des hauts taux de résection complète (R0), tout en permettant une chirurgie moins extensive. Des études de phase III actuellement en cours sont nécessaires afin de confirmer nos résultats.

Caractérisation des lymphopénies post-chirurgies cardiaques de type Fontan

La thymectomie est un geste chirurgical fréquemment nécessaire lors des interventions cardiaques en période néonatale. Il est connu que la résection du thymus entraîne une lymphopénie ne semblant pas avoir de conséquences cliniques graves. La lymphopénie constatée serait plus importante chez les patients ayant eu une chirurgie cardiaque de type Fontan. Toutefois, on ignore si la lymphopénie est uniquement secondaire à la thymectomie ou si elle est liée à ce type particulier de chirurgie cardiaque. La présente recherche porte sur 19 patients opérés selon l'approche Fontan; ils ont été comparés à 6 patients "contrôle" ayant eu une thymectomie au cours d'une chirurgie cardiaque d'un autre type. Les résultats indiquent que les patients de type Fontan accusent une diminution du nombre de cellules naïves CD4+ et CD8+ et plus particulièrement une baisse de leurs émigrants thymiques (CD45RA+CD31+/CD4+). On note en contrepartie une expansion du répertoire mémoire (CD45RO+). Ces altérations lymphocytaires sont comparables aux contrôles. Il semble donc que les anomalies lymphocytaires relevées soient reliées principalement à la thymectomie et non pas au type de chirurgie. Les infections plus importantes chez les Fontan, quant à elles, pourraient s'expliquer par une évolution post-opératoire défavorable.

The use of artificial intelligence algorithms to guide surgical treatment of adolescent idiopathic scoliosis

La scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est une déformation tri-dimensionelle du rachis. Son traitement comprend l’observation, l’utilisation de corsets pour limiter sa progression ou la chirurgie pour corriger la déformation squelettique et cesser sa progression. Le traitement chirurgical reste controversé au niveau des indications, mais aussi de la chirurgie à entreprendre. Malgré la présence de classifications pour guider le traitement de la SIA, une variabilité dans la stratégie opératoire intra et inter-observateur a été décrite dans la littérature. Cette variabilité s’accentue d’autant plus avec l’évolution des techniques chirurgicales et de l’instrumentation disponible. L’avancement de la technologie et son intégration dans le milieu médical a mené à l’utilisation d’algorithmes d’intelligence artificielle informatiques pour aider la classification et l’évaluation tridimensionnelle de la scoliose. Certains algorithmes ont démontré être efficace pour diminuer la variabilité dans la classification de la scoliose et pour guider le traitement. L’objectif général de cette thèse est de développer une application utilisant des outils d’intelligence artificielle pour intégrer les données d’un nouveau patient et les évidences disponibles dans la littérature pour guider le traitement chirurgical de la SIA. Pour cela une revue de la littérature sur les applications existantes dans l’évaluation de la SIA fut entreprise pour rassembler les éléments qui permettraient la mise en place d’une application efficace et acceptée dans le milieu clinique. Cette revue de la littérature nous a permis de réaliser que l’existence de “black box” dans les applications développées est une limitation pour l’intégration clinique ou la justification basée sur les évidence est essentielle. Dans une première étude nous avons développé un arbre décisionnel de classification de la scoliose idiopathique basé sur la classification de Lenke qui est la plus communément utilisée de nos jours mais a été critiquée pour sa complexité et la variabilité inter et intra-observateur. Cet arbre décisionnel a démontré qu’il permet d’augmenter la précision de classification proportionnellement au temps passé à classifier et ce indépendamment du niveau de connaissance sur la SIA. Dans une deuxième étude, un algorithme de stratégies chirurgicales basé sur des règles extraites de la littérature a été développé pour guider les chirurgiens dans la sélection de l’approche et les niveaux de fusion pour la SIA. Lorsque cet algorithme est appliqué à une large base de donnée de 1556 cas de SIA, il est capable de proposer une stratégie opératoire similaire à celle d’un chirurgien expert dans prêt de 70% des cas. Cette étude a confirmé la possibilité d’extraire des stratégies opératoires valides à l’aide d’un arbre décisionnel utilisant des règles extraites de la littérature. Dans une troisième étude, la classification de 1776 patients avec la SIA à l’aide d’une carte de Kohonen, un type de réseaux de neurone a permis de démontrer qu’il existe des scoliose typiques (scoliose à courbes uniques ou double thoracique) pour lesquelles la variabilité dans le traitement chirurgical varie peu des recommandations par la classification de Lenke tandis que les scolioses a courbes multiples ou tangentielles à deux groupes de courbes typiques étaient celles avec le plus de variation dans la stratégie opératoire. Finalement, une plateforme logicielle a été développée intégrant chacune des études ci-dessus. Cette interface logicielle permet l’entrée de données radiologiques pour un patient scoliotique, classifie la SIA à l’aide de l’arbre décisionnel de classification et suggère une approche chirurgicale basée sur l’arbre décisionnel de stratégies opératoires. Une analyse de la correction post-opératoire obtenue démontre une tendance, bien que non-statistiquement significative, à une meilleure balance chez les patients opérés suivant la stratégie recommandée par la plateforme logicielle que ceux aillant un traitement différent. Les études exposées dans cette thèse soulignent que l’utilisation d’algorithmes d’intelligence artificielle dans la classification et l’élaboration de stratégies opératoires de la SIA peuvent être intégrées dans une plateforme logicielle et pourraient assister les chirurgiens dans leur planification préopératoire.

Patient-specific model of a scoliotic torso for surgical planning

A method for the construction of a patient-specific model of a scoliotic torso for surgical planning via inter- patient registration is presented. Magnetic Resonance Images (MRI) of a generic model are registered to surface topography (TP) and X-ray data of a test patient. A partial model is first obtained via thin-plate spline registration between TP and X-ray data of the test patient. The MRIs from the generic model are then fit into the test patient using articulated model registration between the vertebrae of the generic model’s MRIs in prone position and the test patient’s X-rays in standing position. A non-rigid deformation of the soft tissues is performed using a modified thin-plate spline constrained to maintain bone rigidity and to fit in the space between the vertebrae and the surface of the torso. Results show average Dice values of 0.975 ± 0.012 between the MRIs following inter-patient registration and the surface topography of the test patient, which is comparable to the average value of 0.976 ± 0.009 previously obtained following intra-patient registration. The results also show a significant improvement compared to rigid inter-patient registration. Future work includes validating the method on a larger cohort of patients and incorporating soft tissue stiffness constraints. The method developed can be used to obtain a geometric model of a patient including bone structures, soft tissues and the surface of the torso which can be incorporated in a surgical simulator in order to better predict the outcome of scoliosis surgery, even if MRI data cannot be acquired for the patient.

Multimodal image registration of the scoliotic torso for surgical planning

Background This paper presents a method that registers MRIs acquired in prone position, with surface topography (TP) and X-ray reconstructions acquired in standing position, in order to obtain a 3D representation of a human torso incorporating the external surface, bone structures, and soft tissues. Methods TP and X-ray data are registered using landmarks. Bone structures are used to register each MRI slice using an articulated model, and the soft tissue is confined to the volume delimited by the trunk and bone surfaces using a constrained thin-plate spline. Results The method is tested on 3 pre-surgical patients with scoliosis and shows a significant improvement, qualitatively and using the Dice similarity coefficient, in fitting the MRI into the standing patient model when compared to rigid and articulated model registration. The determinant of the Jacobian of the registration deformation shows higher variations in the deformation in areas closer to the surface of the torso. Conclusions The novel, resulting 3D full torso model can provide a more complete representation of patient geometry to be incorporated in surgical simulators under development that aim at predicting the effect of scoliosis surgery on the external appearance of the patient’s torso.

Enhanced Reality Visualization in a Surgical Environment

Enhanced reality visualization is the process of enhancing an image by adding to it information which is not present in the original image. A wide variety of information can be added to an image ranging from hidden lines or surfaces to textual or iconic data about a particular part of the image. Enhanced reality visualization is particularly well suited to neurosurgery. By rendering brain structures which are not visible, at the correct location in an image of a patient's head, the surgeon is essentially provided with X-ray vision. He can visualize the spatial relationship between brain structures before he performs a craniotomy and during the surgery he can see what's under the next layer before he cuts through. Given a video image of the patient and a three dimensional model of the patient's brain the problem enhanced reality visualization faces is to render the model from the correct viewpoint and overlay it on the original image. The relationship between the coordinate frames of the patient, the patient's internal anatomy scans and the image plane of the camera observing the patient must be established. This problem is closely related to the camera calibration problem. This report presents a new approach to finding this relationship and develops a system for performing enhanced reality visualization in a surgical environment. Immediately prior to surgery a few circular fiducials are placed near the surgical site. An initial registration of video and internal data is performed using a laser scanner. Following this, our method is fully automatic, runs in nearly real-time, is accurate to within a pixel, allows both patient and camera motion, automatically corrects for changes to the internal camera parameters (focal length, focus, aperture, etc.) and requires only a single image.