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

Zonghe Chua, Anthony Jarc+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2020

Surgical Simulation and Training被引用 1

一句话总结

本研究探讨了先前训练动态对机器人辅助微创手术（RMIS）中力觉估计的影响。具有开放手术经验的外科医生在低力觉触诊中的准确性优于仅接受远程操作训练的同行，表明在相似任务动态下形成的触觉经验可提升力觉估计能力，即使在远程操作中没有力反馈的情况下也是如此。

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.

研究动机与目标

• 检验来自开放手术或腹腔镜手术的先前触觉经验是否能提升在RMIS远程操作中的力觉估计能力。
• 确定训练方式（手动操作与带或不带力反馈的远程操作）对力觉估计表现的影响。
• 评估先前经验在无力反馈的远程操作中对新型力觉任务表现的迁移程度。
• 评估任务动态在塑造使用手术机器人时组织硬度内部先验认知中的作用。

提出的方法

• 参与者被分配至三个训练组：手动操作组、带力反馈的远程操作组，以及不带力反馈的远程操作组。
• 所有参与者均使用远程操作外科机器人，对硅胶组织样本施加特定力值进行训练。
• 训练结束后，参与者在无力反馈的远程操作条件下完成两项任务：张力任务和新型触诊任务。
• 通过比较不同力值水平下施加力与目标值之间的差异，测量力觉估计的准确性。
• 特别分析了触诊任务中低力水平下的速度-准确性权衡。
• 采用贝叶斯建模理论，提出假设：先前的触觉经验会形成针对组织硬度的任务特异性内部先验。

实验结果

研究问题

• RQ1 与仅接受远程操作训练相比，先前具有开放手术经验是否能提升RMIS中远程操作下的力觉估计准确性？
• RQ2 训练方式（手动操作与带/不带力反馈的远程操作）如何影响在新型力觉任务上的力觉估计表现？
• RQ3 先前训练中形成的组织硬度内部先验，在无力反馈的远程操作任务中能多大程度上实现迁移？
• RQ4 先前训练的动态是否会影响力觉估计中的速度-准确性权衡？

主要发现

• 在施加超出其训练范围的力时，手动训练组在张力任务中的力觉估计误差高于远程操作组。
• 尽管在张力任务中误差较高，但手动组在低力水平下的触诊任务中表现出更优的速度-准确性表现。
• 具有先前手动经验的参与者在低力水平下表现出更好的力觉估计能力，表明其触觉先验在相似任务动态下更具有效性。
• 本研究支持假设：在相似任务动态下形成的先前触觉经验可增强远程操作中的力觉估计能力。
• 测试期间缺乏力反馈并未削弱手动训练在低力觉触诊任务中的优势。
• 训练动态显著影响了在远程操作外科任务中组织硬度内部先验的形成及其应用效能。