Ophthalmic surgery requires high precision and dexterity because of the delicate structure of the eye. Due to the physiological tremor in the surgeon’s hand, certain diseases within the eye can not be treated appropriately today. One example of such a disease is retinal vein occlusion, which can lead to blindness if left untreated. A solution to this problem was proposed in the iRAM!S project. The development of a novel robotic assistant, based on stick-slip piezo-actuators, aims to help surgeons perform complicated clinical procedures accurately and reliably within the eye. In this thesis, an incremental innovation of the current robotic setup is presented. The contribution is a development of a new input device to control the iRAM!S robot in an intuitive way. This work introduces an optimized input device workflow to control an eye surgical robot in a simulated vitreoretinal environment. The input device is a Joystick with four Degrees of Freedom (DOF) that controls a six DOFs robot. This aim is achieved through a segmentation plan for an eye surgeon. In this study, the different surgical phases are defined while each phase includes their specific number of DOFs. The segmentation plan is divided into four surgical phases: Phase I: Approach with three DOFs; Phase II: Introduction with three DOFs; Phase III: Aim with 3+1 DOFs; and Phase IV: Injection with one DOF. Taking these phases into consideration, an eye surgical robot with six DOFs could be controlled through a Joystick with only four DOFs intuitively. In this thesis it is shown that reducing the number of DOFs will decrease the complexity of the surgery with a robotic platform. To evaluate the implemented algorithms, the defined surgical phases and developed Joystick, clinical and non-clinical experiments were performed.The surgical workflow was simulated in MATLAB frame work as a non-clinical experiment. To execute the clinical experiments, four experimental sessions with porcine eyes were considered at the ophthalmology department of the university hospital and the Wet Lab. Significant and overall positive results were gathered, which give valuable input for future development.

La chirurgia oftalmica richiede alta precisione e destrezza a causa della delicata struttura dell’occhio. A causa del tremore fisiologico nella mano del chirurgo, certe malattie con l’occhio non possono essere trattate in modo appropriato oggi. Un esempio di tale malattia `e l’occlusione della retinina, che pu`o portare alla cecit`a se non trattata. Una soluzione a questo problema `e stata proposta nel progetto iRAM! S. Lo sviluppo di un nuovo assistente robotico, basato su piezo-attuatori stick-slip, ha lo scopo di aiutare i chirurghi a eseguire procedure cliniche complicate e affidabili all’interno dell’occhio. In questa tesi viene presentata un’innovazione incrementale dell’attuale configurazione robotica. La collaborazione `e uno sviluppo di un nuovo dispositivo di input per controllare il robot iRAM! S in un modo intuitivo. Questo lavoro introduce un flusso di lavoro ottimizzato del dispositivo di input per controllare un chirurgo chirurgico oculare in un ambiente vitreo-fetale simulato. Il dispositivo di input `e un joystick con quattro gradi di libert`a (DOF) che controlla un robot di sei DOF. Questo obiettivo `e raggiunto attraverso un piano di asegmentazione per un chirurgo oculista. In questo studio, vengono definite le diverse fasi chirurgiche, ogni fase include il loro numero specifico di DOF. Il piano di segmentazione `e diviso in quattro fasi chirurgiche: Fase I: approccio con tre DOF; Fase II: Introduzione a tre DOF; Fase III: Obiettivo con 3 + 1 DOF; e Fase IV: iniezione con un DOF. Considerando queste fasi, un robot chirurgico oculare con sei DOF pu`o essere controllato attraverso un Joystick con solo quattro DOF intuitivamente. In questa tesi viene mostrato che la riduzione del numero di DOF diminuisce la complessit`a della chirurgia con una piattaforma robotica. Per valutare gli algoritmi implementati, sono state eseguite le fasi chirurgiche definite e il Joystick evoluto, sono stati eseguiti esperimenti clinici e non clinici. Il flusso di lavoro chirurgico `e stato simulato nel quadro di MATLAB come esperimento non clinico. Per eseguire gli esperimenti clinici, quattro sessioni sperimentali con gli occhi porcini sono state prese in considerazione nel reparto oftalmologia dell’Ospedale universitario e del Laboratorio di Wet. Sono stati raccolti significativi e positivi risultati

Input device optimization to control an eye surgical robot for achieving an intuitive ophthalmic surgery

ASKARI POOR, HADI
2018/2019

Abstract

Ophthalmic surgery requires high precision and dexterity because of the delicate structure of the eye. Due to the physiological tremor in the surgeon’s hand, certain diseases within the eye can not be treated appropriately today. One example of such a disease is retinal vein occlusion, which can lead to blindness if left untreated. A solution to this problem was proposed in the iRAM!S project. The development of a novel robotic assistant, based on stick-slip piezo-actuators, aims to help surgeons perform complicated clinical procedures accurately and reliably within the eye. In this thesis, an incremental innovation of the current robotic setup is presented. The contribution is a development of a new input device to control the iRAM!S robot in an intuitive way. This work introduces an optimized input device workflow to control an eye surgical robot in a simulated vitreoretinal environment. The input device is a Joystick with four Degrees of Freedom (DOF) that controls a six DOFs robot. This aim is achieved through a segmentation plan for an eye surgeon. In this study, the different surgical phases are defined while each phase includes their specific number of DOFs. The segmentation plan is divided into four surgical phases: Phase I: Approach with three DOFs; Phase II: Introduction with three DOFs; Phase III: Aim with 3+1 DOFs; and Phase IV: Injection with one DOF. Taking these phases into consideration, an eye surgical robot with six DOFs could be controlled through a Joystick with only four DOFs intuitively. In this thesis it is shown that reducing the number of DOFs will decrease the complexity of the surgery with a robotic platform. To evaluate the implemented algorithms, the defined surgical phases and developed Joystick, clinical and non-clinical experiments were performed.The surgical workflow was simulated in MATLAB frame work as a non-clinical experiment. To execute the clinical experiments, four experimental sessions with porcine eyes were considered at the ophthalmology department of the university hospital and the Wet Lab. Significant and overall positive results were gathered, which give valuable input for future development.
NASSERI, M.ALI
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
16-apr-2019
2018/2019
La chirurgia oftalmica richiede alta precisione e destrezza a causa della delicata struttura dell’occhio. A causa del tremore fisiologico nella mano del chirurgo, certe malattie con l’occhio non possono essere trattate in modo appropriato oggi. Un esempio di tale malattia `e l’occlusione della retinina, che pu`o portare alla cecit`a se non trattata. Una soluzione a questo problema `e stata proposta nel progetto iRAM! S. Lo sviluppo di un nuovo assistente robotico, basato su piezo-attuatori stick-slip, ha lo scopo di aiutare i chirurghi a eseguire procedure cliniche complicate e affidabili all’interno dell’occhio. In questa tesi viene presentata un’innovazione incrementale dell’attuale configurazione robotica. La collaborazione `e uno sviluppo di un nuovo dispositivo di input per controllare il robot iRAM! S in un modo intuitivo. Questo lavoro introduce un flusso di lavoro ottimizzato del dispositivo di input per controllare un chirurgo chirurgico oculare in un ambiente vitreo-fetale simulato. Il dispositivo di input `e un joystick con quattro gradi di libert`a (DOF) che controlla un robot di sei DOF. Questo obiettivo `e raggiunto attraverso un piano di asegmentazione per un chirurgo oculista. In questo studio, vengono definite le diverse fasi chirurgiche, ogni fase include il loro numero specifico di DOF. Il piano di segmentazione `e diviso in quattro fasi chirurgiche: Fase I: approccio con tre DOF; Fase II: Introduzione a tre DOF; Fase III: Obiettivo con 3 + 1 DOF; e Fase IV: iniezione con un DOF. Considerando queste fasi, un robot chirurgico oculare con sei DOF pu`o essere controllato attraverso un Joystick con solo quattro DOF intuitivamente. In questa tesi viene mostrato che la riduzione del numero di DOF diminuisce la complessit`a della chirurgia con una piattaforma robotica. Per valutare gli algoritmi implementati, sono state eseguite le fasi chirurgiche definite e il Joystick evoluto, sono stati eseguiti esperimenti clinici e non clinici. Il flusso di lavoro chirurgico `e stato simulato nel quadro di MATLAB come esperimento non clinico. Per eseguire gli esperimenti clinici, quattro sessioni sperimentali con gli occhi porcini sono state prese in considerazione nel reparto oftalmologia dell’Ospedale universitario e del Laboratorio di Wet. Sono stati raccolti significativi e positivi risultati
Tesi di laurea Magistrale
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