Enhancing Grasping Force Training in daVinci Surgical Simulator: Integrating Visual Feedback to Prevent Tissue Damage

In the last decades, the continuous growth of surgical robotic procedures has led to an higher demand for specialized surgeons and with it the need for fast and efficient training systems. Virtual Reality simulators have proved to be a solution as they provide a risk- free, scalable, immersive training environment, in which the trainee can both enhance their abilities through advanced skill tasks and learn how to perform surgeries with surgical robotic systems thanks to surgical procedure simulations. However, only few and very novel simulators include realistic soft tissue models, with no force feedback system to help the trainee in understanding how much force he is applying to the simulated anatomy. This can slow down the learning process of the future surgeons, leading to an higher risk of tissue damage during surgeries and, thus, worse outcomes for the patient. This work presents the implementation of human tissue simulation in advanced skill tasks in a Virtual Reality training simulator for the daVinci® surgical robot, providing visual feedback about the force used to grasp the handled object. The simulator features 3 different skill tasks, each of which is strongly modeled on the ones used in the SimNow® simulator commercialized by Intuitive Surgical: the trainee can realistically interact with simulated soft tissue objects thanks to the embedded physics engine. While handling them, a visual feedback system changes the color of the object based on the grasping force applied by the trainee, letting them know in real-time if they are employing undesirable magnitudes of force and, thus, damaging the tissue. A validating experimental study is carried out, demonstrating that the introduction of the visual feedback system into the training phase allows the trainees to improve their tissue damage prevention skill without excessively hindering performance and, as a consequence, promotes the transfer of the acquired skill to an unassisted scenario, as the clinical one. This study contributes to the surgical education and training field, demonstrating that the grasping force visual feedback system can be a promising approach to improve future surgeons’ training and enhance their tissue damage prevention skill.

La continua crescita delle procedure di chirurgia robotica ha portato negli ultimi decenni a una maggiore richiesta di chirurghi specializzati e, con essa, alla necessità di sistemi di formazione veloci ed efficienti. I simulatori di Realtà Virtuale si sono dimostrati un’ottima soluzione in quanto forniscono un ambiente di allenamento privo di rischi, scalabile ed immersivo, nel quale il praticante può sia migliorare le proprie capacità eseguendo esercizi ad abilità avanzate che imparare a svolgere operazioni chirurgiche con sistemi chirurgici robotici grazie alle simulazioni di procedure chirurgiche. Nonostante ciò, solo pochi ed innovativi simulatori includono modelli realistici di tessuti soffici, senza alcun tipo di feedback che aiuti il praticante a capire quanta forza sta esercitando sui tessuti anatomici simulati. Questo può rallentare il processo di apprendimento dei futuri chirurghi, portando quindi a un maggior rischio di danneggiamento dei tessuti durante le operazioni chirurgiche e, di conseguenza, a peggiori esiti per il paziente. Questo studio presenta l’implementazione della simulazione dei tessuti umani negli es ercizi ad abilità avanzate in un simulatore a Realtà Virtuale per il robot chirurgico daVinci®, fornendo al praticante un feedback visivo riguardo alla forza esercitata per afferrare l’oggetto da manipolare. Il simulatore include 3 esercizi diversi, ciascuno dei quali è fortemente modellizzato su quelli presenti nel simulatore SimNow® commercial izzato dalla Intuitive Surgical: il praticante può interagire realisticamente con gli oggetti che simulano i tessuti soffici grazie al motore fisico integrato. Mentre il praticante maneg gia l’oggetto desiderato, un sistema di feedback visivo modifica in tempo reale il colore dell’oggetto in funzione della forza di presa esercitata, permettendo così di capire se si sta applicando una forza troppo elevata e, di conseguenza, danneggiando il tessuto. Uno studio sperimentale di validazione è stato eseguito, dimostrando che l’introduzione del sistema di feedback visivo nella fase di allenamento permette ai praticanti di migliorare la loro capacità di prevenire il danneggiamento dei tessuti senza andare a limitare ecces sivamente le prestazioni e, di conseguenza, favorendo il trasferimento delle competenze acquisite a uno scenario chirurgico non assistito, come quello clinico. Questo studio contribuisce significativamente al campo della formazione ed educazione chirurgica, dimostrando che il sistema di feedback visivo della forza di presa può essere un metodo promettente per migliorare l’allenamento dei futuri chirurghi e la loro capacità di prevenire il danneggiamento dei tessuti.