Training in Robot-Assisted Surgery: Design and Evaluation of Adaptive Methods

Nowadays, Robot-Assisted Surgery has become adopted in a wide area of surgical interventions. The introduction of this technology requires a preliminary efficient training and simulation for the development and refinement of general surgical skills has come to the forefront in recent years. Nevertheless, there exists no globally accepted training approach. The thesis addresses this lack by implementing and evaluating adaptive strategies in terms of physical guidance and training curriculum. After the development of a versatile platform to perform and study training in virtual reality environments, two user studies were carried out on novice, non medical participants using the surgeon console of a da Vinci Research Kit (Intuitive Surgical Inc.). The former one aimed at testing whether the application of a performance-based adaptive physical guidance following the assistance-as-needed framework positively affects the training procedure; the latter focused on an adaptive training curriculum and its possibility to reach better final performances compared to a self-managed training. The results of the first study showed similar final performances of the assisted and non assisted subjects in terms of accuracy, but the former were characterized by faster learning rates in terms of execution time of the training task. The second experiment led to the conclusion that the adaptive training achieved its goal of structuring the training curriculum to fill the subject’s gaps in each trained skill (all these skills were characterized by higher final performances in the subjects who underwent the adaptive training compared to the ones who self managed their training). Additional research could increase the reliability of the study by addressing wider study populations, eventually composed by medical residents.

Oggigiorno, la robotica chirurgica è stata adottata in un ampio spettro di operazioni chirurgiche. L'introduzione di questa tecnologia richiede un efficiente programma di training e l'utilizzo di ambienti di simulazione per lo sviluppo e la rifinitura delle abilità pratiche di chirurgia ha assunto primaria importanza negli ultimi anni. Tuttavia, non esiste un approccio globalmente riconosciuto a tale allenamento. La tesi si propone di affrontare questo problema andando ad implementare e valutare strategie adattive in termini di guida aptica e curriculum di training. In seguito allo sviluppo di una piattaforma versatile per eseguire e studiare il training in realtà virtuale, due studi sono stati compiuti su soggetti inesperti e non medici, usando la 'surgeon console' del da Vinci Research Kit (Intuitive Surgical Inc.). Il primo si è proposto di testare se l'applicazione di una guida fisica basata sulle performance dell'utente seguendo l'approccio di 'assistance-as-needed', influisca positivamente sulla procedura di training; il secondo si è soffermato su un curriculum di training adattivo e la sua possibilità di raggiungere risultati migliori che un training auto-gestito dal soggetto. I risultati del primo studio hanno mostrato simili performance finali degli utenti assistiti e non, in termini di accuratezza; tuttavia, i primi sono stati caratterizzati da un apprendimento più rapido in termini di tempo di esecuzione dell'esercizio a cui erano stati sottoposti durante il training. Il secondo esperimento ha portato a concludere che il training adattivo avesse raggiunto il suo proposito di strutturare l'allenamento per colmare le lacune dei soggetti nelle diverse skill coinvolte (in ciascuna di esse gli utenti che avevano seguito il training adattivo hanno figurato performance finali maggiori rispetto ai soggetti che avevano auto-gestito l'allenamento). Ulteriori ricerche potrebbero aumentare la validità dello studio andando ad includere un campionario più ampio, eventualmente composto da tirocinanti medici.