[논문 리뷰] Task Dynamics of Prior Training Influence Visual Force Estimation Ability During Teleoperation of a Minimally Invasive Surgical Robot.

Zonghe Chua, Anthony Jarc외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 28.

Surgical Simulation and Training인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 로봇 보조 미세외과 수술(RMIS)에서 힘 추정에 영향을 미치는 이전 훈련 동역학을 조사한다. 수동 수술 경험이 있는 외과의사들은 원격 조작 훈련을 받은 동료들보다 저력도 촉지 정확도가 뛰어났으며, 이는 유사한 작업 동역학 하에서 형성된 촉각 경험은 원격 조작 중 힘 피드백이 없더라도 힘 추정을 향상시킨다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

The lack of haptic feedback in Robot-assisted Minimally Invasive Surgery (RMIS) is a potential barrier to safe tissue handling during surgery. Bayesian modeling theory suggests that surgeons with experience in open or laparoscopic surgery can develop priors of tissue stiffness that translate to better force estimation abilities during RMIS compared to surgeons with no experience. To test if prior haptic experience leads to improved force estimation ability in teleoperation, 33 participants were assigned to one of three training conditions: manual manipulation, teleoperation with force feedback, or teleoperation without force feedback, and learned to tension a silicone sample to a set of force values. They were then asked to perform the tension task, and a previously unencountered palpation task, to a different set of force values under teleoperation without force feedback. Compared to the teleoperation groups, the manual group had higher force error in the tension task outside the range of forces they had trained on, but showed better speed-accuracy functions in the palpation task at low force levels. This suggests that the dynamics of the training modality affect force estimation ability during teleoperation, with the prior haptic experience accessible if formed under the same dynamics as the task.

연구 동기 및 목표

• 오픈 수술 또는 복강경 수술에서의 이전 촉각 경험 여부가 RMIS의 원격 조작 중 힘 추정 능력에 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 훈련 방식—수동 조작 대비 원격 조작(힘 피드백 유무에 관계없이)—이 힘 추정 성능에 어떤 영향을 미치는지 규명하기 위해.
• 이전 경험의 유무가 원격 조작 중 힘 피드백이 없는 상황에서 새로운 힘 작업에 대한 성능 향상에 기여하는지 평가하기 위해.
• 작업 동역학이 수술 로봇 사용 중 조직 경도에 대한 내부 사전 지식을 형성하는 데 어떤 역할을 하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 참가자들은 세 가지 훈련 그룹으로 배정되었다: 수동 조작, 힘 피드백이 있는 원격 조작, 힘 피드백이 없는 원격 조작.
• 모든 참가자는 원격 조작 수술 로봇을 사용하여 실리콘 조직 샘플에 특정 힘을 가하는 데 훈련을 받았다.
• 훈련 후 참가자들은 힘 피드백이 없는 원격 조작 조건에서 두 가지 작업을 수행했다: 긴장도 작업과 새로운 촉지 작업.
• 다양한 힘 수준에서 적용된 힘과 목표값을 비교하여 힘 추정 정확도를 측정하였다.
• 특히 촉지 작업에서 저력 수준에서의 속도-정확도 상충 관계를 분석하였다.
• 베이지안 모델링 이론을 활용하여 이전 촉각 경험은 조직 경도에 대한 작업 특화 내부 사전 지식을 형성한다는 가설을 설정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수동 수술 경험을 가진 참가자가 원격 조작 전용 훈련을 받은 참가자들보다 RMIS에서 원격 조작 중 힘 추정 정확도가 높아지는가?
• RQ2 훈련 방식(수동 조작 대비 힘 피드백 유무에 관계없이 원격 조작)이 새로운 힘 작업에서의 힘 추정 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이전 훈련 기간 동안 형성된 조직 경도에 대한 내부 사전 지식이 힘 피드백이 없는 원격 조작 작업으로 얼마나 잘 전이되는가?
• RQ4 이전 훈련의 동역학이 힘 추정의 속도-정확도 상충 관계에 영향을 미치는가?

주요 결과

• 수동 훈련 그룹은 훈련 범위 외의 힘을 적용할 때 원격 조작 그룹보다 긴장도 작업에서 더 높은 힘 추정 오차를 보였다.
• 긴장도 작업에서 오차가 더 높았음에도 불구하고, 수동 그룹은 저력 수준에서 촉지 작업에서 더 뛰어난 속도-정확도 성능을 보였다.
• 이전 수동 경험을 가진 참가자들은 저력 수준에서 더 나은 힘 추정을 보였으며, 이는 유사한 작업 동역학 하에서 그들의 촉각 사전 지식가 더 효과적이라는 것을 시사한다.
• 이 연구는 이전 촉각 경험을 유사한 작업 동역학 하에서 형성하면 원격 조작 중 힘 추정 능력이 향상된다는 가설을 지지한다.
• 시험 중 힘 피드백이 없더라도 수동 훈련의 이점은 저력도 촉지 작업에서 유지되었다.
• 훈련 동역학은 원격 조작 수술 작업에서 조직 경도에 대한 내부 사전 지식의 형성과 활용에 있어 중요한 영향을 미친다.