[論文レビュー] Instrument Orientation-Based Metrics for Surgical Skill Evaluation in Robot-Assisted and Open Needle Driving.

Yarden Sharon, Thomas S. Lendvay+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2017

Surgical Simulation and Training参考文献 46被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、ロボット支援手術およびオープンなニューブドライブタスクにおける外科手技のスキルを評価するための方向性に基づく指標を導入し、器具の回転と角度変化を用いて経験豊富な外科医と初心者の区別を図った。特にタスク時間と方向変化率という指標は、スキルレベルの区別に効果的であり、従来の運動ベースの評価とは補完的である。

ABSTRACT

The technical skill of surgeons directly impacts patient outcomes. Advanced tracking systems enable the development of objective motion-based metrics for skill evaluation, but these metrics are not sufficient to evaluate the performance in complex surgical tasks. In this study, we developed metrics for surgical skill evaluation that are based on the orientation of the surgical instruments. Experienced robotic surgeons and novice users performed teleoperated (using the da Vinci Research Kit) and open needle-driving. Task time and the rate of orientation change successfully distinguished between experienced surgeons and novice users. Path length and the normalized angular displacement allowed for a good separation only in part of the experiment. Our new promising metrics for surgical skill evaluation captured technical aspects that are taught during surgeons' training. They provide complementing evaluation to those of classical metrics. Orientation-based metrics add value to skill assessment and may be an adjunct to classic objective metrics providing more granular discrimination of skills.

研究の動機と目的

• 複雑な外科手術タスクにおける繊細な技術的スキルを捉えることができない既存の運動ベースの指標の限界を解消すること。
• 古典的な運動指標では捉えきれない外科手術トレーニングの原則を反映する、方向性に特化した指標を開発すること。
• 器具の方向性ダイナミクスが、ロボット支援およびオープン手術の両方におけるスキル評価をどのように向上させるかを評価すること。
• 方向性ベースの指標が、熟練者と初心者のパフォーマンスを区別する能力において、従来の運動ベースの指標と比較してどのように性能を発揮するかを検証すること。

提案手法

• ダ・ビンチ・リサーチ・キット（ロボット支援）およびオープン手術環境の両方で、ニューブドライブタスク中に器具の方向性を高度な追跡システムを用いて追跡した。
• 主な方向性ベースの指標には、方向変化率、正規化された角度的変位、器具回転の経路長が含まれる。
• タスク時間はベンチマークとしてのパフォーマンス指標として用いられ、方向性ベースの指標と比較された。
• 統計的分析により、各指標が経験豊富な外科医と初心者を区別する能力が評価された。
• 一般化可能性を評価するために、ロボット手術およびオープン手術の両条件で指標が評価された。
• 本アプローチは、外科手術トレーニングで強調される器具操作の技術的側面に焦点を当てており、制御性と正確性を重視した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 器具の方向性ダイナミクスは、ニューブドライブタスクにおいて経験豊富な外科医と初心者を効果的に区別できるか？
• RQ2 方向性ベースの指標は、古典的な運動ベースの指標と比較して、スキルの区別能力においてどのように優れているか？
• RQ3 方向変化率、角度的変位、経路長のうち、どの方向性指標が外科手技の違いを最もよく捉えているか？
• RQ4 方向性ベースの指標は、タスク時間のような従来のパフォーマンス指標を超えて、追加の価値を提供するか？

主な発見

• 方向変化率とタスク時間は、ロボット支援手術における熟練外科医と初心者ユーザーを成功裏に区別した。
• 正規化された角度的変位と経路長は、実験条件の一部でのみ良好な分離を示した。
• 方向性ベースの指標は、外科手術トレーニングで強調される器具制御の技術的側面を捉えていた。
• これらの指標は、古典的な運動ベースの指標とは補完的であり、より細分化されたスキルの区別を可能にする有望なアプローチを提供している。
• 結果から、器具の方向性は、客観的な外科手技評価において価値がありながらも、未だ十分に活用されていない次元であると考えられる。
• これらの指標は、ロボット手術およびオープン手術の両環境において、既存の評価ツールの補完としての潜在的価値を示した。