variable impedance control of a surgical robot for spinal surgery

Over the last decades, research has been focused on introducing robotic systems in surgical operations. This is supported by the idea that such systems can bring great advantages to both the patient and the surgeon, improving the accuracy and safety of the procedure. The use of robotic systems in spinal surgery is currently limited to a few procedures, such as pedicle screw placement. This is mainly due to the complexity of the spine structure which poses significant challenges in surgical operations, requiring a high level of precision from the surgeon and carrying a significant risk of injury to the patient. The objective of this work was to introduce a robotic manipulator that can assist surgeons in performing vertebral osteotomy procedures, a type of spinal surgery that involves the removal of a section of the vertebral bone while ensuring the preservation of delicate surrounding tissues such as the spinal cord, nerve root, and blood vessels. The proposed approach involved a variable impedance control scheme within a shared-control framework. This enabled the surgeon to manually guide the robot, whose stiffness was adjusted in real-time based on two control laws that considered the human intention, as extracted from the EMG signal, and the contact force measured during the procedure. The control laws enabled the robot to exhibit compliant behavior when in contact with bone-like material, and increased stiffness parameters when in contact with critical tissues. The system was validated by means of a user study in order to test the research hypothesis, i.e. the introduction of a variable impedance control law could prevent users from damaging delicate structures while allowing them to operate on a bone-like material. The proposed approach was compared with a constant parameter impedance control, and the task was performed on different materials with varying mechanical properties. The results indicated that the system successfully reduced contact force and in-contact displacement when in contact with delicate materials, demonstrating its ability to avoid damaging delicate structures. Furthermore, a subjective survey showed that the proposed approach successfully prevented movement when needed, as users felt unable to complete the task.

Negli ultimi anni, numerose ricerche sono state svolte nell'ambito della chirurgia robotica, con lo scopo di introdurre dei sistemi robotici a supporto del chirurgo. Questo è supportato dall'idea che tali sistemi possano portare grandi vantaggi sia al paziente che al chirurgo, migliorando la precisione e la sicurezza della procedura. L'uso di sistemi robotici in chirurgia spinale è attualmente limitato a poche procedure, come il posizionamento delle viti peduncolari. Questo è principalmente dovuto alla complessità della struttura spinale, che rende le operazioni chirurgiche particolarmente difficili, richiedendo un elevato livello di precisione da parte del chirurgo e comportando un significativo rischio di lesioni per il paziente. L'obiettivo di questo lavoro è stato quello di introdurre un manipolatore robotico in grado di assistere i chirurghi nell'esecuzione di procedure di osteotomia vertebrale, un tipo di intervento di chirurgia spinale che comporta la rimozione di una sezione dell'osso vertebrale, garantendo la conservazione dei tessuti circostanti più delicati, come il midollo spinale, tessuti nervosi e i vasi sanguigni. L'approccio proposto ha previsto uno schema di controllo ad impedenza variabile, in un framework di controllo condiviso tra robot e chirurgo. Ciò ha permesso al chirurgo di guidare manualmente il robot, la cui rigidità è stata regolata in tempo reale in base a due leggi di controllo, che tenevano conto dell'intenzione umana, estratta dal segnale EMG, e della forza di contatto misurata durante la procedura. Le leggi di controllo hanno permesso al robot di mostrare un comportamento flessibile quando era a contatto con materiale simile all'osso e di aumentare i parametri di rigidità quando era a contatto con tessuti critici. Il sistema è stato validato mediante uno studio sperimentale per testare l'ipotesi di ricerca, ovvero che l'introduzione di una legge di controllo ad impedenza variabile potesse prevenire gli utenti dal danneggiare le strutture delicate consentendo loro di operare su un materiale simile all'osso. L'approccio proposto è stato confrontato con un controllo ad impedenza a parametro costante e il compito è stato eseguito su diversi materiali con proprietà meccaniche variabili. I risultati hanno indicato che il sistema ha ridotto con successo la forza di contatto e lo spostamento durante il contatto con i materiali più delicati, dimostrando la sua capacità di evitare danni a tali strutture. Inoltre, un sondaggio soggettivo ha mostrato che l'approccio proposto ha impedito con successo il movimento quando necessario, in quanto gli utenti si sono sentiti incapaci di completare il compito.