Utilizing Surgical Smoke to Improve Cancer Surgery

Abstract

Leikkaus on yleinen ja vakiintunut kiinteiden syöpäkasvaimien hoitomuoto, jossa kasvain pyritään poistamaan siten, että sen ulkoreunaan jää kaistale tervettä kudosta eli poisto tapahtuu ns. tervekudosmarginaalilla. Mikäli marginaalia ei ole tai se ei ole riittävän leveä, kasvain uusiutuu helposti, sillä on erittäin todennäköistä, että elimistöön jää syöpäsoluja, jotka voivat muodostaa uuden kasvaimen. Kuitenkin esimerkiksi aivokasvaimia leikataan pyrkien minimoimaan tervekudoksen poisto, jottei leikkaus aiheuttaisi aivovauriota. Silmämääräisesti tämän rajan tunnistaminen on haastavaa. Verenvuodon vähentämiseksi leikkauksissa käytetään sähköveistä, joka tuottaa savukaasuja. Savukaasut ovat leikkaussalihenkilöstölle haitallisia, ja siksi ne poistetaan savuimulla. Savuimusta voidaan ottaa näytteitä, jotka sisältävät kemiallista informaatiota leikatusta kudoksesta. Niiden avulla on mahdollista optimoida poistettavan kudoksen määrää ja valvoa kasvaimen tervekudosmarginaalia. Menetelmä voi vähentää uusintaleikkauksien tarvetta merkittävästi. Väitöskirjassa tutkitaan savukaasun koostumusta ja sen mahdollisia vaikutuksia leikkausalueen lähellä työskenteleviin ihmisiin sekä kaasun ominaisuuksien käyttöä tervekudosmarginaalin valvonnassa.

Tarkemmin tarkastelemme eri kudostyyppien kuormittavuuseroja henkilökunnalle. Tutkimme DMS:n käyttökelpoisuutta aivokasvaimia tunnistettaessa <i>ex vivo.</i> Matala- asteinen gliooma (luokka II) kyettiin tunnistamaan 94 %:n tarkkuudella verrokkiin nähden. Tutkimme eri putkimateriaalien, lämpötilojen ja mittojen vaikutusta laitteiston kemiallisen signaalin siirtonopeuteen mittausjärjestelmässä. Kemiallisen signaalin viiveet vaikuttavat huomattavasti reaaliaikaisen järjestelmän käytettävyyteen. Siksi tutkimmekin kemiallisen signaalin siirtonopeutta ja siirtonopeuden vaikutusta järjestelmän käytettävyyteen.

A surgical operation is common practice when treating solid cancer tumours. The tumour is removed with a layer of healthy tissue around it to achieve a so-called negative tissue margin. Without the margin or with an incomplete margin, the cancer will likely recur, since some of the leftover cells can regrow into a new tumour. Still, in some tumours, such as brain tumours, minimizing the removal of healthy tissue takes priority over a negative margin to avoid brain damage. It is often difficult to visually recognize the border of the tumour. To decrease bleeding, these operations are performed with an electric knife. The process produces smoke that is harmful to the operating theatre personnel, and the smoke is thus recommended to be removed with a surgical smoke evacuator. During surgical removal, it is possible to distinguish benign from malignant tissue based on the smoke. This makes it possible to detect when the knife hits the tumour and to alert the surgeon, which enables the surgeon to optimize the amount of removed tissue and ensure a sufficient healthy tissue margin. This process should notably decrease the need for reoperations.

In this dissertation, two topics are studied: the structure of surgical smoke as well as the type of risk that operating theatre personnel could be exposed to; and, on the other hand, the possibilities of utilizing the smoke to monitor the tumour resection margin and factors in the analysis equipment affecting its technical performance. More precisely, the studied aspects are the surgical smoke load for the theatre personnel and the classification of tissue types based on surgical smoke.

We studied the utilization of differential mobility spectrometry (DMS) to diagnose brain tumours <i>ex vivo</i>. Low-grade glioma (class II) was classified with an accuracy of 94% when compared to control samples. Furthermore, we studied the effect of different tube materials, tube dimensions and temperature on the recovery speed of the measuring system. Delays in the chemical pathway affect the usability of the whole system. Thus, we also studied the chemical signal delays and their effects on system usability.