Admittance control of a handheld microsurgical instrument

In neurosurgical procedures for blunt dissection, minute and accurate operations in poor visibility conditions have to be performed. Bleeding caused by tools misplacement with respect to the vessels is one of the most common complications (10.2%). Preservation of large vessels and bleeding avoidance remain of primary importance: numerous robotic systems have been developed to assist surgeons in neurosurgical interventions. Robotic arms are pointless due to drawbacks such as large size and high cost, limited functions, inability to adapt to changing conditions and increased operative time. All these issues can be overcome by using an active handheld instrument, used like a scalpel and which guarantees dexterous manipulation capability, hand-tool coordination, tremor compensation and ability to adapt. The present work investigates the use of a robotic handheld tool (Micron) designed by the Robotics Institute of the Carnegie Mellon University: designed to perform surgery while compensating tremor and reducing the contact forces. An admittance system has been designed to achieve a reliable and effective control strategy, which reduces the interaction forces between the end effector and the tissues. An experimental set-up has been developed in order to simulate Micron-tissues interaction in a surgical environment: tests have been performed to examine the efficiency and reliability of the admittance control. The results suggested that the presented work is helpful in reducing the tissues damages, supporting surgeons in performing safe vessels avoidance in neurosurgical procedures.

Nelle procedure di dissezione in neurochirurgia, vengono eseguite operazioni ad elevato grado di precisione ed accuratezza in condizioni di scarsa visibilità. Il sanguinamento causato dall’errato posizionamento degli strumenti rispetto ai vasi sanguigni è una delle complicanze più comuni (10.2%). La protezione dei vasi sanguigni e la prevenzione del sanguinamento rimangono di primaria importanza: numerosi sistemi robotici sono stati sviluppati per assistere i chirurghi negli interventi neurochirurgici. I bracci robotici sono di difficile utilizzo a causa delle grandi dimensioni, dei costi elevati, dell’incapacità di adattarsi alle mutevoli condizioni e dell’aumento rilevante del tempo di esecuzione delle operazioni. Tutti questi problemi possono essere risolti utilizzando uno strumento robotico impugnabile, utilizzato come un bisturi: facilmente manovrabile, garantisce una coordinazione intuitiva dei movimenti e la compensazione del tremore. Il seguente progetto riguarda l’utilizzo di uno strumento impugnabile robotizzato (Micron) progettato dal Robotics Institute della Carnegie Mellon University: il suo obiettivo principale è garantire la compensazione del tremore e la riduzione delle forze esercitate sui tessuti durante gli interventi chirurgici. Un controllo di ammettenza è stato progettato e implementato con lo scopo di ridurre le forze di interazione tra end-effector e i tessuti. Inoltre, un test sperimentale è stato utilizzato per simulare un ambiente chirurgico e l’interazione tra Micron e i tessuti: sono state valutate efficacia e adattabilità del controllo implementato. I risultati evidenziano come il progetto presentato aiuti a ridurre i danni ai tessuti, supportando i chirurghi nell’eseguire le operazioni, evitando, in modo sicuro, i vasi sanguigni durante le procedure neurochirurgiche.