[논문 리뷰] What Can Spatiotemporal Characteristics of Movements in RAMIS Tell Us?

Yarden Sharon, Ilana Nisky|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 16.

Soft Robotics and Applications참고 문헌 79인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 열린 수술과 원격 조작 수술 과제에서의 시공간적 이동 특성을 분석하기 위해 일분의육제곱법을 적용하여, 원격 조작이 이동 파arameter에 상당한 영향을 미치고, 이동 단계 간에 제곱법 파arameter가 유의미하게 변동함을 규명하였다. 이러한 발견들은 객관적인 수술 기량 평가, 개선된 원격 조작 설계, 그리고 운동 제어 원리에 기반한 수술 과제의 자동 분할을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 로봇 보조 미세외과수술(RAMIS)에서의 원격 조작이 수술 이동의 시공간적 특성에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 일분의육제곱법이 다양한 경험 수준과 수술 조건에서 수술 이동을 특성화하는 데 있어 강력한 지표가 될 수 있는지 평가하는 것.
• 제곱법 파arameter가 절차적 맥락이 아닌 운동 기초 단위에 기반해 복잡한 수술 과제의 자동 분할을 지원할 수 있는지 조사하는 것.
• 다른 조직 특성(foam 조직 대 비틀림성 직물 조직)을 가진 두 개의 별도 데이터셋을 사용하여 열린 수술과 원격 조작 간의 이동 역학을 비교하는 것.

제안 방법

• dVRK-open(foam 조직) 및 JIGSAWS(탄성 직물 조직) 데이터셋에서의 3차원 이동 궤적에 일분의육제곱법을 적합화하였다.
• 이동 속도가 궤적 기하학성과 관련하여 특성화되기 위해 속도 이득 계수(α), 곡률 지수(β), 비틀림 지수(γ)의 세 가지 파arameter를 추출하였다.
• 각 데이터셋 내에서 다양한 이동 단계(예: 이동, 삽입, 밀기, 당기기) 간의 제곱법 파arameter 변화를 분석하였다.
• 원격 조작 조건과 열린 수술 조건 간의 파arameter 값을 비교하여 원격 조작이 운동 제어 전략에 미치는 영향을 평가하였다.
• 이동 단계 및 수술 방식 간의 제곱법 파arameter 유의미한 차이를 평가하기 위해 통계적 검정을 실시하였다.
• 운동 기초 단위에 기반한 자동 수술 과제 분할을 위한 향후 프레임워크를 제안하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RAMIS에서의 원격 조작은 일분의육제곱법에 의해 정의된 수술 이동의 시공간적 특성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 일분의육제곱법의 파arameter(α, β, γ)는 봉합 과제의 다양한 단계에서 유의미하게 변하는가?
• RQ3 일분의육제곱법 파arameter는 수술 과제의 자동 분할을 위한 신뢰할 수 있는 지표가 될 수 있는가?
• RQ4 조직 특성의 차이(foam 대 비틀림성 직물)는 수술 이동에서 제곱법 파arameter에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 수술 경험 수준은 열린 수술과 원격 조작 조건에서 일분의육제곱법 준수 정도에 어느 정도 영향을 미치는가?

주요 결과

• 원격 조작은 일분의육제곱법의 파arameter를 상당히 변화시켜 열린 수술과 비교해 운동 제어 전략에 명백한 변화가 있음을 시사한다.
• 모든 제곱법 파arameter(α, β, γ)는 동일한 손으로 수행된 이동 단계 간에도 유의미한 변동을 보였다.
• 속도 이득 계수 α, 곡률 지수 β, 비틀림 지수 γ는 이동과 삽입, 또는 위치 조정과 밀기 사이와 같이 서로 다른 단계 간에 일관되게 다름을 보였다.
• 조직 특성의 차이(foam 대 비틀림성 직물)가 있었음에도 불구하고, 유사한 이동 유형(예: dVRK의 밀기 대 G3의 JIGSAWS)에 대해 제곱법 파arameter는 유사한 범위 내에 있었으며, 이는 지표의 강건성을 시사한다.
• 단계 간의 관찰된 파arameter 차이는 운동 기초 단위에 기반한 수술 과제의 자동 분할을 위한 제곱법 파arameter의 활용 가능성을 뒷받침한다.
• 본 연구는 일분의육제곱법이 수술 기량 평가, 원격 조작 설계 향상, 그리고 로봇 수술에서 데이터 기반 과제 분할을 가능하게 하는 정량적으로 의미 있는 프레임워크를 제공함을 입증한다.