[论文解读] Instrument Orientation-Based Metrics for Surgical Skill Evaluation in Robot-Assisted and Open Needle Driving.

Yarden Sharon, Thomas S. Lendvay+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2017

Surgical Simulation and Training参考文献 46被引用 16

一句话总结

本研究提出基于方向的指标，用于评估机器人辅助和开放性缝合针穿刺任务中的外科手术技能，通过器械旋转和角度变化来区分经验丰富的外科医生与新手。这些指标，尤其是任务时间和方向变化率，能有效区分技能水平，并为传统基于运动的评估提供补充方法。

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.

研究动机与目标

• 解决现有基于运动的指标在捕捉复杂外科任务中细微技术技能方面的局限性。
• 开发反映传统运动指标未能捕捉的外科训练原则的方向特定指标。
• 评估器械方向动态是否能增强机器人辅助和开放性外科缝合针穿刺任务中的技能评估。
• 将基于方向的指标与传统运动指标进行比较，以区分专家与新手的表现。

提出的方法

• 在达芬奇研究套件（机器人）和开放性外科环境中，使用先进跟踪系统记录缝合针穿刺任务中的器械方向。
• 关键的方向相关指标包括方向变化率、归一化角位移和器械旋转路径长度。
• 任务时间用作基准性能指标，并与基于方向的指标进行比较。
• 统计分析评估了每项指标区分经验丰富与新手外科医生的能力。
• 在机器人和开放性外科条件下评估指标，以评估其泛化能力。
• 该方法聚焦于外科训练中强调的器械操作技术方面，强调控制与精确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 器械方向动态是否能有效区分缝合针穿刺任务中经验丰富与新手外科医生？
• RQ2 基于方向的指标与经典基于运动的指标相比，在技能区分方面表现如何？
• RQ3 在方向变化率、角位移和路径长度中，哪项指标最能捕捉外科技能的差异？
• RQ4 基于方向的指标是否在传统性能指标（如任务时间）之外提供额外价值？

主要发现

• 方向变化率和任务时间成功区分了经验丰富的机器人外科医生与新手用户。
• 归一化角位移和路径长度仅在部分实验条件下提供了良好区分。
• 基于方向的指标捕捉了外科训练中强调的器械控制技术方面。
• 这些指标为经典基于运动的指标提供了有前景的补充，实现了更细致的技能区分。
• 结果表明，器械方向是客观外科手术技能评估中一个有价值但尚未被充分利用的维度。
• 这些指标在机器人和开放性外科环境中均显示出作为现有评估工具补充的潜力。