[论文解读] Control of Surgical Gesture under Lingual Electro-Tactile Stimulation

Fabien Robineau, Frédéric Boy+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2006

Tactile and Sensory Interactions被引用 3

一句话总结

本研究评估了舌部电触觉感官替代装置——舌部显示器（TDU），用于引导微创手术穿刺。结果表明，TDU反馈可在无需先前使用视觉系统训练的情况下实现精确的穿刺定位，证明其在通过舌部触觉反馈提升手术动作控制方面的有效性与可用性。

ABSTRACT

Performing minimal-invasive surgical punctures require guiding a needle toward an intracorporeal clinically-defined target. As this technique does not involve cutting the body open, a visualization system is employed to provide the surgeon with indirect visual spatial information about the intracorporeal positions of the tool. One may consider that such systems reduce the ergonomics of the situation as they generate a decorrelation between the actual movement of the needle and the displayed information about this movement. The present study aims at assessing the guidance of an intracorporeal puncture under a lingual electrotactile sensory substitution device - the Tongue Display Unit (TDU) - with respect to the performance evidenced under a computer-rendered visualization system. The TDU device provides information about the deviation of the needle movement with regard to a pre-planned "optimal" trajectory. Experimental results show that - (1) the stimulations furnished by the TDU are efficient enough to guide accurately one's puncture, - and (2) that previous training using the visualization system does not improve performances obtained under subsequent TDU guidance. Finally, results are discussed in terms of efficiency and usability of the TDU in the context of guiding minimally-invasive surgical gesture.

研究动机与目标

• 评估通过舌部显示器（TDU）实现的舌部电触觉反馈在引导微创手术穿刺方面的有效性。
• 将使用TDU的反馈与传统的计算机渲染可视化系统进行性能对比。
• 确定在先前使用视觉反馈系统训练后，是否能提升后续在TDU引导下的表现。
• 评估触觉感官替代在手术动作控制中的可用性与效率。

提出的方法

• 使用感官替代装置——舌部显示器（TDU），通过电刺激模式将针头偏离理想轨迹的空间偏差信息传递至舌面。
• 参与者使用计算机渲染系统提供的视觉反馈或基于TDU的触觉反馈，执行向预设体内目标的穿刺任务。
• TDU将空间偏差信息编码为舌面电刺激模式，提供实时触觉引导。
• 通过穿刺目标的准确度与针道偏离的一致性来衡量性能。
• 在测试TDU条件前，参与者先接受视觉系统的训练，以评估学习迁移效果。
• 通过统计分析比较两种反馈模式下的性能指标，以及不同训练条件下的表现差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过TDU实现的电触觉反馈是否能有效引导外科医生完成微创穿刺？
• RQ2 先前使用视觉反馈系统训练是否能提升切换至TDU触觉反馈后的表现？
• RQ3 视觉反馈系统与基于TDU的反馈系统在穿刺准确度与路径一致性方面表现如何比较？
• RQ4 TDU在手术动作控制中的可用性与感知效率如何？

主要发现

• TDU提供的电触觉反馈足够充分，可实现高精度的穿刺引导，证明其在手术动作控制中的有效性。
• 参与者在TDU反馈下的表现准确度与视觉反馈下相当，表明TDU作为替代引导系统的可行性。
• 先前使用视觉系统训练并未显著提升切换至TDU反馈后的表现，表明触觉反馈本身具有自足性。
• 本研究证实，舌头可有效解码来自TDU的空间偏差信息，支持其在微创手术感官替代中的应用。
• TDU系统被评价为可用且高效，在实验环境中未报告显著的人体工程学缺陷。