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Please use this identifier to cite or link to this thesis: http://hdl.handle.net/10589/107248

Author: BERETTA, ELISA
Supervisor: DE MOMI, ELENA
Coordinator: ALIVERTI, ANDREA
Tutor: CERVERI, PIETRO
Department : DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA, INFORMAZIONE E BIOINGEGNERIA
PhD course: BIOINGEGNERIA
Cycle: 27
Scientific Disciplinary Sector: ING-INF/06 BIOINGEGNERIA ELETTRONICA E INFORMATICA
Date: 17-Mar-2015
Title: Advanced human-robot cooperation in neurosurgery
Italian abstract: Negli ultimi decenni, l’introduzione di tecniche di navigazione basate su immagini e di sistemi robotici in sala operatoria ha portato numerosi benefici alla neurochirurgia. Grazie alla loro notevole risoluzione, accuratezza geometrica e resistenza, gli assistenti robotici sono utilizzati soprattutto come strumenti di supporto e allineamento di precisione durante interventi di chirurgia mini-invasiva. Al contrario, le procedure a cranio aperto per resezione/disconnessione cerebrale sono tradizionalmente svolte a mano libera con l’ausilio di tecniche intra-operatorie di monitoraggio fisiologico, per identificare le aree corticali/subcorticali funzionali (eloquenti) da preservare durante l’operazione. In particolare, la stimolazione elettrica corticale consiste nell’esecuzione ripetuta di movimenti di puntamento. L’approccio chirurgico convenzionale può trarre vantaggio dall’utilizzo di un assistente robotico controllato in modalità cooperata, che permetta di aumentare la precisione nel posizionamento e di ridurre la fatica del chirurgo nel mantenere stabile la posa dello strumento durante la stimolazione. Inoltre, renderebbe possibile l’acquisizione dei siti di stimolazione ed un successivo riposizionamento dello strumento con elevata accuratezza, aumentando notevolmente l’affidabilità della tecnica intraoperatoria di monitoraggio. In questa tesi, sono state investigate e sviluppate nuove metodologie per il controllo di interazione uomo-robot e robot-tessuto, progettate in modo specifico per aumentare le capacità del chirurgo durante l’esecuzione assistita di gesti di puntamento su tessuti molli. Diversamente dagli schemi di controllo forza-movimento standard, la strategia di controllo proposta in questo lavoro ha sfruttato l’elevata “complianza” di un manipolatore industriale ridondante a giunti flessibili. La validazione è stata effettuata in un setup realistico con fantocci di cervello, includendo nel protocollo sia utenti generici sia chirurghi novizi ed esperti. Gli argomenti di ricerca principali sono stati i seguenti: (i) investigare la miglior strategia di controllo per garantire una cooperazione efficace ed intuitiva durante la fase di avvicinamento al tessuto di interesse. E’ stato dimostrato in condizioni sperimentali di laboratorio che il gesto assistito con il controllo a smorzamento variabile proposto viene eseguito con minor errore di puntamento, garantendo il rispetto del requisito clinico di accuratezza, e minor fatica dell’operatore, assicurando all’utente la percezione di una traiettoria naturale ed intuitiva. (ii) investigare la miglior strategia di controllo per il posizionamento stabile e sicuro dello strumento chirurgico sul tessuto molle cerebrale. E’ stato verificato che il controllo cooperato con ritorno aumentato di forza migliora l’abilità dell’operatore nell’eseguire il posizionamento dello strumento su fantocci di cervello, in termini di stabilità del contatto, i.e. riduzione del tremore della mano di un fattore 10, e di sicurezza del contatto, i.e. riduzione dell’indentazione del tessuto del 50%. (iii) studio preliminare di fattibilità per l’utilizzo delle strategie di controllo proposte per assistere procedure di stimolazione elettrica corticale. I criteri di controllo proposti hanno mostrato performance equivalenti alla strategia di controllo in ammettenza stato dell’arte, i.e. accuratezza di puntamento (<1mm) e reiezione di fenomeni di “overshoot” durante l’indentazione del tessuto, garantendo il posizionamento accurato, sicuro e stabile dello strumento a contatto col tessuto molle. Allo stesso tempo, gli sforzi richiesti all’utente durante la guida sono stati ridotti di più del 60%. Tutti i controllori sviluppati sono stati testati nel contesto del progetto europeo ACTIVE (FP7-ICT-2009-6-270460) per neurochirurgia. Questo lavoro di ricerca supporta la fattibilità dell’utilizzo di un sistema robotico controllato in modalità cooperata per assistere gesti di puntamento durante procedure neurochirurgiche a cranio aperto, ed è in linea con l’attuale trend di ricerca nell’ambito della robotica medica, che propone strumenti che siano efficaci e sicuri, sia per il paziente sia per lo staff clinico di sala operatoria, e allo stesso tempo il più possibile intuitivi e di facile utilizzo, per ridurre il periodo di training e facilitare l’accettazione della tecnologia in clinica.
English abstract: Over the last decades, neurosurgery has greatly benefitted from the introduction of image-guided techniques and robotic devices. Thanks to their superior resolution, geometric accuracy and indefatigability, robotic systems are mainly used as an accurate and repeatable tool support system during keyhole procedures. Conversely, open-skull procedures for brain resection/disconnection are traditionally performed free-hand with intraoperative physiological monitoring techniques to identify the functional (eloquent) cortical/subcortical areas, which has to be preserved during the surgery. In particular, direct electrical brain cortex stimulation encompasses the repetitive execution of target reaching gestures on delicate tissue. The conventional approach can benefit from the introduction of a cooperatively controlled robotic assistant, to provide increased positional accuracy and reduce the surgeon’s fatigue during the holding phase. Moreover, it could allow the acquisition of the target positions and guide the surgeon towards the recorded sites, thus increasing the reliability of the intraoperative monitoring technique. In this thesis, we investigated and developed new methodologies for human-robot and robot-tissue interaction control, specifically designed to augment surgeon's skills during cooperatively assisted targeting tasks on soft tissues. Differently from the standard force-to motion control schema, the control approach proposed exploited the high compliance of a redundant flexible joints industrial manipulator. The validation was performed in a realistic setup with brain-mimicking phantoms, enrolling naïve users as well as novice and expert neurosurgeons. The research was focused on these particular research topics: (i) investigate the best control strategy for a comfortable and effective cooperation during patient targeting approaching. The reaching task with the proposed space variable damping controller was shown under laboratory condition to result in reduced targeting error, which guarantees the respect of the position accuracy requirement, and user efforts, which ensure that assisted tool trajectories feel natural to the user. (ii) investigate the best control strategy for a safe and stable placement of surgical instruments on soft tissue during the tool placement. The proposed non-linear force feedback controller was shown to improve the user’s skill in performing tool’s placement on brain-mimicking soft tissue, both in terms of contact stability, i.e. reduction of the free-hand tremor by a factor of 10, and contact safety, i.e. 50% reduction of the tissue’s indentation. (iii) preliminarily study the feasibility of the proposed control approaches for brain cortex stimulation procedures. The proposed control criteria resulted in comparable performances with respect to state-of-the-art admittance schema with fixed parameters, in terms of pointing accuracy (<1mm) and tissue’s indentation overshooting rejection, allowing for the accurate, stable and safe contact with the soft tissue, but at the same time the user efforts during the guidance were reduced by more than 60%. All the developed controllers were tested in the scope of the EU funded project for brain surgery ACTIVE (FP7-ICT-2009-6-270460). This work support the feasibility of the use of a cooperatively controlled manipulator to assist targeting tasks in open-skull neurosurgery and is in line with the actual research trend in medical robotics, which propose devices that are effective, safe, both for the patient and the clinical staff in the operating room, and at the same time that provide the surgeon with interfaces as intuitive and familiar as possible, in order to reduce the training period and facilitate the acceptance of the technology in clinics.
Italian keywords: chirurgia robotica; neurochirurgia robotica cooperata; stimolazione elettrica corticale; interazione uomo-robot; controllo cooperato di impedenza; ritorno di forza aumentato
English keywords: robotic surgery; hands-on robotic neurosurgery; brain cortex stimulation; human-robot interaction; impedance-based cooperative control; force feedback enhancement
Language: eng
Publisher: Politecnico di Milano
Type of document: Tesi di dottorato
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