Intraoperative safety constraints definition system for robotic minimally invasive surgery

The research theme of this work is driven by a strong clinical need for new and improved technologies to help the modern surgeon. Surgical techniques are evolving rapidly and, thanks to the advent of minimally invasive surgery and robot-assisted surgery, the outcomes for patients are continually improving with faster recovery, reduced postoperative pain, and better cosmetic results. However, the outcome of minimally invasive surgery, even when performed with a robotic system, is affected by intraoperative bleeding and postoperative dysfunctions. The primary cause is the accidental damage to vessels and nerves. The outcome of the surgical procedure falls then entirely on the surgeon’s skill, dexterity, and experience. For such a reason, there is an increasing need to develop innovative en- gineering solutions to help surgeons to achieve the best possible clinical outcome. This thesis presents an “Intraoperative Safety Constraints Definition System for Robotic Minimally Invasive Surgery” which gives the surgeon the possibility to define an intraoperative safety area. The 3D information, enclosed inside the area, is exploited to reconstruct the surface of a safety volume, a region of space in which the robotic tool should not enter. Augmented reality is used to visualize the safety volume projected on the image and to display the distance between the tissue and the instrument tip, while force feedback steers the robotic tool away from the selected critical structure. The system was integrated on the da Vinci Research Kit (dVRK, provided by Intuitive Surgical to Politecnico di Milano) that comprises five manipulators (two masters, two slaves, one camera arm), a stereo endoscope and a stereo vision console. To validate the system usability under realistic conditions, a virtual environment was developed for the experimentation. A virtual partial nephrectomy simulation was created with anatomically correct models of a renal tumor and renal arteries, both placed on a stand-in for the kidney. Ten volunteer candidates were asked to perform the removal of the tumor whilst trying to avoid the collision of the robotic tool with the renal arteries. Each candidate performed the task in two different modalities: in the first unconstrained modality, the simulation provided for the simple removal of the tumor without the help of any visual or tactile feedback; in the second constrained modality, the candidate had to define a safety area so that the execution of the task was supported by the force feedback generated from the surface of the safety volume, as well as visual aids indicating the distance between the tool and the tissue. To evaluate the utility and efficiency of the system, the number of collisions of the robotic tool with the renal arteries, the total duration of the collisions and the percentage of healthy tissue removed in addition to the tumor were analyzed for each candidate and each modality. The results highlighted how the system conceived increased the accuracy of completing the tumor removal task. In fact, the number of collisions, the total duration of the latter and the percentage of healthy tissue removed in addition to the tumor were lower in the constrained test. Also, the tumor removal times showed how the candidates completed the task faster thanks to the safety constraints, highlighting a reduction of the cognitive load. The results obtained are encouraging and allow us to infer that the system conceived has improved the pre-existing methods, exceeding the limits that characterize them. To conclude, the work presented in this thesis could represent not only a valid intraoperative tool for robotic surgery but also a starting point for future research in the field of new surgical technologies.

Il tema di ricerca del seguente lavoro è guidato da una forte necessità clinica di nuove ed efficienti tecnologie per aiutare la figura del chirurgo moderno. Le tecniche chirurgiche si stanno evolvendo rapidamente e, grazie all’avvento della chirurgia robotica mininvasiva, gli esiti per i pazienti sono in conti- nuo miglioramento, caratterizzati da recuperi più rapidi, dolori postoperatori ridotti e risultati estetici migliori. Tuttavia, l’esito della chirurgia mininvasiva, anche quando eseguita con un sistema robotico, è influenzato dal sanguinamento intraoperatorio e dalle disfunzioni postoperatorie. La causa primaria è attribuita al danno accidentale a vasi e nervi. L’esito della procedura chirurgica dipende quindi interamente dall’abilità e dalla destrezza del chirurgo. Per tale motivo vi è una crescente necessità di sviluppare soluzioni ingegneristiche innovative per aiutare i chirurghi a raggiungere il miglior risultato clinico possibile. Questa tesi presenta un “Sistema di Definizione dei Vincoli di Sicurezza Intraoperatori per la Chirurgia Robotica Mininvasiva” che offre al chirurgo la possibilità di definire un’area di sicurezza intraoperatoria. L’informazione 3D, racchiusa all’interno dell’area, viene sfruttata per ricostruire la superficie di un volume di sicurezza, ovvero una regione di spazio in cui lo strumento robotico non deve entrare. La realtà aumentata viene utilizzata per visualizzare il volume di sicurezza proiettato sull’immagine e la distanza tra il tessuto e lo strumento chirurgico, mentre un feedback di forza allontana quest’ultimo dalla struttura critica selezionata. Il sistema è stato integrato nel da Vinci Research Kit (dVRK, fornito da Intuitive Surgical al Politecnico di Milano) che comprende cinque manipolatori (due master, due slave, un braccio per la camera), un endoscopio e una console di visione stereoscopica. Per convalidare l’utilità del sistema, è stato sviluppato un ambiente virtuale dove poter condurre gli esperimenti. È stata ricreata una simulazione di nefrectomia parziale con modelli anatomicamente corretti di tumore renale e arterie renali, entrambi posizionati su una superficie rappresentante il rene. A dieci candidati volontari è stato chiesto di eseguire la rimozione del tumore cercando di evitare la collisione dello strumento robotico con le arterie renali. Ogni candidato ha eseguito la prova in due modalità diverse: nella prima la simulazione prevedeva la semplice rimozione del tumore senza l’aiuto di alcun feedback visivo o tattile; nella seconda il candidato doveva definire un’area di sicurezza in modo che l’esecuzione della prova fosse supportata dal feedback di forza generato dalla superficie del volume di sicurezza e dagli aiuti visivi che indicano la distanza dello strumento dal tessuto. Per valutare l’utilità e l’efficienza del sistema sono stati analizzati il nu- mero di collisioni dello strumento robotico con le arterie renali, la durata totale delle collisioni e la percentuale di tessuto sano rimosso in aggiunta al tumore per ciascun candidato e ciascuna prova. I risultati hanno sottolineato come il sistema concepito abbia aumentato l’accuratezza dell’esecuzione della prova di rimozione del tumore. Infatti, il numero di collisioni, la durata totale di quest’ultime e la percentuale di tessuto sano rimosso oltre al tumore sono risultati inferiori nella prova svolta in presenza dei vincoli di sicurezza. Inoltre, i tempi di rimozione del tumore delle prove hanno mostrato come i candidati abbiano completato l’esperimento più velocemente grazie ai vincoli, evidenziando una riduzione sul carico cognitivo. I risultati ottenuti sono incoraggianti e permettono di supporre che il sistema concepito abbia migliorato i metodi preesistenti, superando i limiti che li caratterizzano. Per concludere, il lavoro presentato in questa tesi potrebbe rappresenta- re non solo un valido strumento per la chirurgia robotica, ma un punto di partenza per le future ricerche nel campo delle nuove tecnologie chirurgiche.