SCAN : system for camera autonomous navigation in robotic-assisted surgery. Development and testing for training optimization and clinical translation

Robot-Assisted Minimally Invasive Surgery (RAMIS) systems are able to extend the surgeons’ capabilities. However, direct control over both the surgical tools and the endoscope requires specific training and it can result in a cognitive overload and longer operation times. This thesis investigates the introduction of SCAN (System for Camera Autonomous Navigation) to address two principal issues. Firstly, the system was adopted to optimize the early stage of training for surgeons approaching RAMIS. The hypothesis behind this attempt is that the level of assistance provided by the SCAN is optimal to fasten the novice users’ learning curve associated to the fundamental robotic surgery skills. Secondly, this tool was deployed in a scenario closer to the operating theater, to improve surgeons’ performances. This means to shorten the procedures time and to sharpen the users’ focus ability by means of a reduction of their workload, while mantaining them in full control thanks to a human-centered design. To investigate the Aim 1, a user study involving 26 novice participants was carried out using the master console of the da Vinci Research Kit and a virtual reality training environment. The subjects were randomly divided into two groups: the control group that manually controlled the camera as in the current clinical practice and the experimental group that underwent the autonomous camera navigation. The results showed that, the time-accuracy metrics of the users who take advantage of the autonomous system during training, were significantly higher with respect to the control group in the evaluation phase. Additionally, autonomous camera navigation seemed to be capable to provide an imprinting about how to correct manipulate the endoscope. Regarding the Aim 2, an experimental study involving 12 participants was carried out with the da Vinci Research Kit. Each user tested two novel camera control modalities, autonomous and semi-autonomous, as well as the classic manual control approach of the endoscope, while carrying out a dry-lab task. Among the camera control modalities, the autonomous navigation achieved better objec- tive performances. Moreover, the autonomous control obtained the highest user confidence.

I sistemi per chirurgia robotica mini-invasiva sono in grado di amplificare le capacità dei chirurghi. Tuttavia, avere diretto controllo sia sugli strumenti chirurgici sia sull’endoscopio, richiede una preparazione specifica e può comportare un carico cognitivo eccessivo e tempi di operazione prolungati. Questa tesi indaga l’introduzione dello SCAN (System for Camera Autonomous Navigation; sistema di navigazione autonoma della camera) per risolvere due quesiti principali. Anzitutto, il sistema viene utilizzato per ottimizzare le prime fasi dell’apprendimento dei chirurghi che si approcciano per la prima volta al mondo della chirurgia robotica. L’ipotesi che giustifica questo tentativo è che il livello di assistenza fornito da tale sistema sia in grado di velocizzare la curva di apprendimento associata alle abilità fondamentali della chirurgia robotica dei nuovi utenti. In secondo luogo, questo strumento è utilizzato in uno scenario prossimo all’applicazione chirurgica, per migliorare le prestazioni dei chirurghi. Questo è reso possibile dalla riduzione dei tempi delle procedure e dal miglioramento della capacità di concentrazione dell’utente dovuto a una riduzione del suo carico di lavoro, lasciandolo tuttavia in pieno controllo grazie alla proprietà del sistema di essere incentrato sull’utente con un’architettura di semi-automazione. Per investigare lo Scopo 1 di questa tesi, uno studio su 26 utenti insesperti è stato condotto utilizzando la master console del da Vinci Research Kit e un ambiente di training in realtà virtuale. I soggetti sono stati divisi in maniera casuale in due gruppi: il gruppo di controllo manipolava l’endoscopio direttamente, come avviene nell’attuale pratica chirurgica e il gruppo sperimentale identificato invece dall’utilizzo dal sistema autonomo. I risultati hanno mostrato che le metriche di tempo e accuratezza degli utenti che hanno utilizzato il sistema di navigazione autonoma della camera durante la fase di apprendimento, sono state significativamente migliori rispetto a quelle del gruppo di controllo nella fase di valutazione. Inoltre, il sistema di navigazione autonoma sembra sia stato in grado di favorire l’apprendimento di alcune delle abilità relative alla corretta manipolazione dell’endoscopio. Per quanto riguarda invece lo Scopo 2, uno studio sperimentale è stato condotto sul da Vinci Research Kit coinvolgendo 12 utenti. Ciascun utente ha testato due nuovi tipi di controllo della camera, autonomo e semi-autonomo, insieme all’approccio di manipolazione classico dell’endoscopio, durante lo svolgimento di un eserecizio. Tra tutte le modalità di controllo della camera, la navigazione autonoma ha permesso di ottenere le migliori prestazioni oggettive. Inoltre il controllo autonomo è risultato essere il preferito dagli utenti.