[논문 리뷰] Instrument Orientation-Based Metrics for Surgical Skill Evaluation in Robot-Assisted and Open Needle Driving.

Yarden Sharon, Thomas S. Lendvay외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 27.

Surgical Simulation and Training참고 문헌 46인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 로봇 보조 및 개방 수술에서의 바늘 장착 작업에 대해 도구의 방향성에 기반한 평가 지표를 제안하며, 도구의 회전과 각도 변화를 통해 숙련된 외과의사와 초보자 외과의사를 구분한다. 특히 작업 시간과 방향 변화 속도와 같은 지표들이 숙련도 수준을 효과적으로 구분하며, 기존의 운동 기반 평가 방법과 보완적인 접근을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 수술 작업에서 숙련된 기술적 기량을 정교하게 반영하지 못하는 기존 운동 기반 지표의 한계를 해결하기 위해.
• 기존의 고전적 운동 지표가 포착하지 못하는 수술 교육 원칙을 반영하는 방향성 특화 지표를 개발하기 위해.
• 로봇 보조 및 개방 수술에서의 바늘 장착 작업에서 도구의 방향성 동역학이 기술 평가를 향상시킬 수 있는지 평가하기 위해.
• 방향성 기반 지표가 숙련자와 초보자 성과를 구분하는 데 있어 기존의 운동 기반 지표와 비교하여 성능을 어떻게 냉각시키는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 다빈치 리서치 킷(로봇 수술) 및 개방 수술 환경에서 바늘 장착 작업 중 도구의 방향성을 고급 추적 시스템을 사용해 추적하였다.
• 주요 방향성 기반 지표로는 방향 변화 속도, 정규화된 각도 이동 거리, 도구 회전 경로 길이가 포함되었다.
• 작업 시간은 기준 성과 지표로 사용되었으며, 방향성 기반 지표와 비교되었다.
• 통계 분석을 통해 각 지표가 숙련자와 초보자 외과의사를 구분하는 능력을 평가하였다.
• 일반화 가능성 평가를 위해 로봇 수술 및 개방 수술 조건에서 모두 지표를 평가하였다.
• 이 접근법은 수술 교육에서 강조하는 도구 제어의 기술적 측면에 초점을 맞추었으며, 제어력과 정밀도를 중시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 바늘 장착 작업에서 도구의 방향성 동역학은 숙련자와 초보자 외과의사를 효과적으로 구분할 수 있는가?
• RQ2 방향성 기반 지표는 고전적 운동 기반 지표와 비교해 기술 구분 능력에서 어떻게 다른가?
• RQ3 방향 변화 속도, 각도 이동 거리, 경로 길이 중 어떤 지표가 수술 기술 차이를 가장 잘 반영하는가?
• RQ4 방향성 기반 지표는 작업 시간과 같은 기존 성과 측정 지표 외에도 추가적인 가치를 제공하는가?

주요 결과

• 방향 변화 속도와 작업 시간은 로봇 수술에서 숙련된 외과의사와 초보자 사용자를 성공적으로 구분하였다.
• 정규화된 각도 이동 거리와 경로 길이는 실험 조건의 일부에서만 양호한 분리 효과를 보였다.
• 방향성 기반 지표는 수술 교육에서 강조하는 도구 제어의 기술적 측면을 반영하였다.
• 이러한 지표들은 고전적 운동 기반 지표와 보완적으로 기능하며, 더 정교한 기술 구분 능력을 제공한다.
• 결과적으로 도구의 방향성은 객관적인 수술 기술 평가를 위한 가치 있는, 그러나 아직 충분히 활용되지 않은 차원임을 시사한다.
• 이 지표들은 로봇 수술 및 개방 수술 환경 모두에서 기존 평가 도구의 보조 수 Mittel로 잠재력을 보였다.