[論文レビュー] What Can Spatiotemporal Characteristics of Movements in RAMIS Tell Us?

Yarden Sharon, Ilana Nisky|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2017

Soft Robotics and Applications参考文献 79被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、ロボット支援最小侵襲外科学（RAMIS）における開けた手術と遠隔操作手術の空間的・時間的動き特性を、1/6乗法則を用いて分析した。その結果、遠隔操作が動きのパラメータに顕著な影響を及えることが明らかになり、また、動きの各セグメント間で法則パラメータに有意な差が認められた。これらの発見により、客観的な外科手技評価、遠隔操作装置の設計改善、および運動制御原理に基づく手術タスクの自動セグメンテーションが可能となる。

ABSTRACT

Quantitative characterization of surgical movements can improve the quality of patient care by informing the development of new training protocols for surgeons, and the design and control of surgical robots. Here, we present a novel characterization of open and teleoperated suturing movements that is based on principles from computational motor control. We focus on the extensively-studied relationship between the speed of movement and its geometry. In three-dimensional movements, this relationship is defined by the one-sixth power law that relates between the speed, the curvature, and the torsion of movement trajectories. We fitted the parameters of the one-sixth power law to suturing movements of participants with different levels of surgical experience in open (using sensorized forceps) and teleoperated (using the da Vinci Research Kit / da Vinci Surgical System) conditions from two different datasets. We found that teleoperation significantly affected the parameters of the power law, and that there were large differences between different stages of movement. These results open a new avenue for studying the effect of teleoperation on the spatiotemporal characteristics of the movements of surgeons, and lay the foundation for the development of new algorithms for automatic segmentation of surgical tasks.

研究の動機と目的

• ロボット支援最小侵襲外科学（RAMIS）における遠隔操作が、手術動作の空間的・時間的特性にどのように影響を与えるかを定量化すること。
• 1/6乗法則が、異なる経験水準や手術条件下での手術動作を特徴付ける強固な指標として機能するかどうかを評価すること。
• 1/6乗法則のパラメータが、手順的文脈ではなく運動プリミティブに基づいて、複雑な手術タスクの自動セグメンテーションを支援できるかを調査すること。
• 異なる組織特性（発泡フォームと弾性布地）を有する2つの異なるデータセットを用いて、開けた手術と遠隔操作の間での動きのダイナミクスを比較すること。

提案手法

• 2つのデータセット（dVRK-open：発泡フォーム組織、JIGSAWS：弾性布地組織）から得られた3次元の動き軌跡に1/6乗法則を適合させた。
• 動きの速度が軌跡の幾何的特性とどのように関係するかを特徴付けるために、速度増幅係数（α）、曲率指数（β）、ねじれ指数（γ）の3つのパラメータを抽出した。
• 各データセット内における明確に区別できる動きセグメント（例：移動、挿入、押し込み、引き抜き）ごとに、1/6乗法則のパラメータの変動を分析した。
• 遠隔操作と開けた手術の条件間でパラメータ値を比較し、遠隔操作が運動制御戦略に与える影響を評価した。
• 1/6乗法則のパラメータが、動きセグメントや手術モダリティの違いによって有意に異なるかどうかを統計的検定で評価した。
• 今後の自動タスクセグメンテーションのためのフレームワークを提案し、運動パラメータを運動プリミティブとしてのキネマティックマーカーとして用いることを提唱した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RAMISにおける遠隔操作は、1/6乗法則によって定義される手術動作の空間的・時間的特性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 1/6乗法則のパラメータ（α、β、γ）は、縫合手技の異なる段階で顕著に変化するか？
• RQ3 1/6乗法則のパラメータは、手術タスクの自動セグメンテーションに信頼できる指標として機能できるか？
• RQ4 組織特性の違い（発泡フォーム対弾性布地）は、手術動作における1/6乗法則のパラメータにどのように影響を与えるか？
• RQ5 外科的経験水準の違いは、開けた手術および遠隔操作の両条件下で、1/6乗法則への適合度にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• 遠隔操作は1/6乗法則のパラメータを顕著に変化させ、開けた手術と比較して運動制御戦略の明確な変化が示された。
• すべての1/6乗法則パラメータ（α、β、γ）は、同じ手を用いても、動きのセグメント間で顕著な変動を示した。
• 速度増幅係数α、曲率指数β、ねじれ指数γは、移動と挿入、または位置決めと押し込みといった異なるセグメント間で一貫して異なった。
• 組織特性の違い（発泡フォーム対弾性布地）があっても、同様の動きタイプ（例：dVRKの「押し込み」とJIGSAWSの「G3」）の1/6乗法則パラメータは比較的近い範囲に収束しており、この指標の頑健性が示された。
• セグメント間でのパラメータの差異は、運動プリミティブに基づく手術タスクの自動セグメンテーションに1/6乗法則パラメータを用いる根拠を支持する。
• 本研究では、1/6乗法則が、外科手技の定量的評価、遠隔操作装置の設計改善、およびロボット手術におけるデータ駆動型タスクセグメンテーションを可能にする意味のあるフレームワークを提供することを示した。