Evaluating the dexterity of surgical instruments and performance of the feedbacks

Introduction: Robot-assisted minimally invasive surgery (RAMIS) has gained popularity in the last two decades through use of the da Vinci master-slave surgical system. However, Da Vinci tool has limited degree of freedom and this limits the performance. This system tools can be improved by using different surgical instruments which can make more dexterous motion and have better performance. Also, providing force/visual feedback from slave system to the master system is another important point in RAMIS. In order to guide surgeons better about the forbidden and safe regions inside the patient, feedback which will be used in RAMIS should have good performance. Methods: This master thesis is focused on the evaluation of the dexterity and performance of two different surgical instruments which are Da Vinci tool and the 3 Finger-tool developed at Bristol Robotic Lab and two different feedback types which are visual and haptic. Experimental validation: In order to compare the two surgical instruments, a virtual reality system was used. A virtual environment in which the subject can control the two instruments by using a data glove and perform the virtual task was designed. In this case, the virtual task is “peg transfer”. Subject will perform this virtual task by controlling the Da Vinci tool and 3 Fingers tool. In order to compare feedback types, the same virtual reality system was used. In this virtual environment, while the subject performs the virtual task which is “buzz wire game”, he will get two different feedback types. In buzz wire game, the subject will control the loop by using the controller instead of data glove and try to complete the wire path without touching it in virtual environment. First type is visual feedback which is designed in virtual environment. Second one is haptic feedback. For haptic feedback, a haptic device was designed in order to provide vibrations to the subject’s arm according to his movements and integrated with the virtual environment. While the subject touched to the wire in virtual environment, he will feel the vibrations on his arm in reality. According to these vibrations, he will try to correct its path. In testing part, peg transfer task was experienced two times. First one is with the Da Vinci tool and second one is with 3 Fingers. Quantitative such as duration and speed data and qualitative data which are SUS and NASA-TLX scores was saved in order to assess performance and usability of instruments. Buzz wire task was also experienced two times. First trial is with visual feedback and second trial is with haptic feedback. Again quantitative data which are number of touching and distance between loop and wire and qualitative data which are SUS and NASA-TLX scores was saved in order to assess performance and usability of feedbacks. Results: In results section, the scores of SUS surveys and NASA TLX scores are calculated. Scores of SUS surveys show us the usability. NASA TLX scores show us the workload of the task. Also, quantitative data show us the performance of the subjects while performing the task. When these results are compared each other, it is clearly visible that the Da Vinci tool has better usability than 3 Fingers and its performance is better than the performance of 3 fingers. Another inference is that the visual feedback is more usable and has better performance than haptic feedback.

Introduzione: La chirurgia minimamente invasiva assistita da robot (RAMIS) ha acquistato popolarità negli ultimi due decenni attraverso l'uso del sistema chirurgico master-slave Da Vinci. Tuttavia, lo strumento Da Vinci ha un grado limitato di libertà e questo ne limita le prestazioni. Questo sistema può essere migliorato utilizzando diversi strumenti chirurgici che permettono un movimento più abile e prestazioni migliori. Inoltre, fornire un feedback visivo o di forza dal sistema slave al sistema master è un altro punto importante in RAMIS. Al fine di guidare meglio i chirurghi nelle aree proibite e sicure all'interno del paziente, il feedback che verrà utilizzato in RAMIS dovrebbe avere buone prestazioni. Metodi: Questa tesi di laurea si focalizza sulla valutazione della destrezza e delle prestazioni di due diversi strumenti chirurgici che sono lo strumento Da Vinci e lo strumento a 3 dita sviluppato presso il Bristol Robotic Lab, e due diversi tipi di feedback, ossia quello visivo e quello tattile. Validazione sperimentale: Per confrontare i due strumenti chirurgici, è stato utilizzato un sistema di realtà virtuale. È stato progettato un ambiente virtuale in cui il soggetto può controllare i due strumenti utilizzando un guanto dati ed eseguire l'attività virtuale. In questo caso, l'attività virtuale è stata "trasferimento del piolo". Il soggetto dovrà eseguire questo compito virtuale controllando lo strumento Da Vinci e lo strumento 3 dita. Per confrontare i tipi di feedback, è stato utilizzato lo stesso sistema di realtà virtuale. In questo ambiente virtuale, mentre il soggetto esegue l'attività virtuale. quale "gioco del filo di ronzio”, otterrà due diversi tipi di feedback. Nel gioco del filo di ronzio, il soggetto controllerà l’anello utilizzando il controller anziché il guanto dati e proverà a completare il percorso del filo senza toccarlo in un ambiente virtuale. Il primo tipo è il feedback visivo progettato in ambiente virtuale. Il secondo è il feedback tattile. Per il feedback tattile, è stato progettato e integrato con l'ambiente virtuale un dispositivo tattile per fornire vibrazioni al braccio del soggetto in base ai suoi movimenti . Quando il soggetto avrà toccato il filo nell'ambiente virtuale, in realtà sentirà le vibrazioni direttamente sul suo braccio. Di conseguenza a queste vibrazioni, proverà a correggere il suo percorso. Nella parte di test, l'attività di trasferimento del piolo è stata sperimentata due volte. Prima con lo strumento Da Vinci e poi con lo strumento 3 dita. Sono stati salvati i dati quantitativi relativi alla durata e velocità e dati qualitativi come punteggi SUS e NASA-TLX al fine di valutare le prestazioni e l'usabilità degli strumenti. Anche l'attività di Buzz Wire è stata sperimentata due volte. La prima prova con feedback visivo e la seconda con feedback tattile. Ancora una volta sono stati salvati i dati quantitativi quali il numero di contatto e la distanza tra anello e filo e dati qualitativi come punteggi SUS e NASA-TLX al fine di valutare le prestazioni e l'usabilità dei feedback. Risultati: Nella sezione dei risultati vengono calcolati i punteggi dei sondaggi SUS e i punteggi TLX della NASA. I punteggi dei sondaggi SUS ci mostrano l'usabilità. I punteggi TLX della NASA ci mostrano il carico di lavoro dell'attività. Inoltre, i dati quantitativi ci mostrano le prestazioni dei soggetti durante l'esecuzione dell'attività. Quando questi risultati vengono confrontati tra loro, è chiaramente visibile che lo strumento Da Vinci ha una migliore usabilità rispetto a 3 dita e le sue prestazioni sono migliori delle prestazioni di 3 dita. Un'altra deduzione è che il feedback visivo è più utilizzabile e ha prestazioni migliori rispetto al feedback tattile.