Shared control with haptic feedback for robotic-assisted minimally invasive surgery

Abstract

Robotic-Assisted Minimally Invasive Surgery (RAMIS) replaces more and more open-surgical procedures. However, there are still limitations to the possibilities offered by current technology in terms of control methods and haptic feedback to the surgeon. In RAMIS, tiny incisions in the patient’s body are used to insert surgical instruments through elongated, thin tools into the internal human anatomy. The one end of the tool reaches the patient’s internal organs that need to be operated on and which are usually surrounded by sensitive structures such as arteries or veins. The other end of the tool is being held by a robot and is manipulated by the surgeon either directly through hands-on setup or indirectly through a telemanipulation setup. In this thesis, control methods were designed for general purpose robotic manipulators aiming at constraining or augmenting the motions specified by the surgeon both in the case of direct (hands-on) and indirect (teleoperation) manipulation. The control objectives include imposing the entry port as a remote center of motion (RCM) so as to avoid the lateral motion of the surgical tool that could harm the surrounding tissues, protecting the sensitive structures via haptic feedback so as to avoid injuries by unintentional motions as well as achieving a smooth manipulation performance. The proposed methods were examined theoretically and validated through simulations and experiments. The experimental setup includes a 7-dof KUKA LWR4+ robotic manipulator with a force/torque sensor (ATI Mini40) attached at its end-effector, a UR5e robot, a Force Dimension Sigma7 haptic device, and two virtual intraoperative environments

Η ελάχιστα επεμβατική χειρουργική υποβοηθούμενη από ρομποτικά συστήματα κερδίζει σε δημοτικότητα την παραδοσιακή ελάχιστα επεμβατική χειρουργική. Παρά το γεγονός αυτό υπάρχουν περιορισμοί στις δυνατότητες που προσφέρει η τρέχουσα τεχνολογία σε θέματα μεθόδων ελέγχου και ανάδρασης δύναμης στον χειρούργο. Σε μια τέτοιου είδους εργασία χρησιμοποιούνται μακριά και λεπτά εργαλεία που εισάγονται μέσα στο σώμα του ασθενούς μέσω μικροσκοπικών τομών στο δέρμα του. Έτσι το ένα άκρο του εργαλείου βρίσκεται μέσα στα ζωτικά όργανα του ασθενούς στα οποία χρειάζεται να γίνει η χειρουργική επέμβαση τα οποία συνήθως περιβάλλονται από ευαίσθητες δομές όπως αρτηρίες. Το άλλο άκρο του εργαλείου το οποίο είναι προσαρτημένο στο ρομπότ χειρίζεται από τον χειρουργό είτε άμεσα ασκώντας δυνάμεις στον καρπό του ρομπότ που φέρει το χειρουργικό εργαλείο είτε έμμεσα χρησιμοποιώντας μια απτική συσκευή σε ένα τηλερομποτικό σύστημα. Σε αυτήν την διδακτορική διατριβή σχεδιάστηκαν και αναπτύχθηκαν μέθοδοι ελέγχου ρομποτικού βραχίονα γενικού σκοπού με στόχο την ελαχιστοποίηση του τραυματισμού του ασθενούς με την αποφυγή των ευαίσθητων δομών μέσω ανάδρασης δύναμης και της πλευρικής κίνησης της θύρας εισόδου του εργαλείου καθώς και την επίτευξη ομαλής επίδοσης. Οι προτεινόμενοι μέθοδοι εξετάστηκαν θεωρητικά και επικυρώθηκαν μέσω προσομοιώσεων και πειραμάτων. Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε περιλαμβάνει ένα ρομποτικό βραχίονα ΚUKA LWR4+ με αισθητήρα δύναμης/ροπής (ATI Mini40) προσαρτημένο στην φλάντζα του, ένα ρομποτικό βραχίονα UR5e, μια απτική συσκευή Force Dimension Sigma7 και εικονικά ενδοχειρουργικά περιβάλλοντα.