Control system design for a dual-arm magnetic endoscope in robotic surgery

Gastrointestinal cancer remains one of the leading causes of death globally, with high incidence rates for conditions like colorectal and gastric cancer. Early detection and treatment are critical for improving patient outcomes, and minimally invasive procedures, such as Endoscopic Submucosal Dissection (ESD), are increasingly used for this purpose. ESD offers a precise method for removing cancerous regions in the gastrointestinal tract while preserving healthy tissue. However, traditional manual endoscopic techniques are highly operator-dependent and often lack the precision required for navigating complex anatomical regions. This thesis presents a magnetically actuated continuum robot, the Lobsterscope, designed to overcome these limitations by enhancing precision and con trol during endoscopic surgery. The Lobsterscope integrates magnetic multi-actuation, addressing common challenges in robotic endoscopy, such as limited maneuverability in confined spaces and the inability to operate multiple actuators independently within the same workspace. This thesis aims to develop and implement manual and automatic control strategies for the Lobsterscope to enable intuitive and precise control in both 2D and 3D spaces. These strategies were designed to improve the robot’s ability to navigate and perform tasks dur ing minimally invasive procedures accurately. Manual control involves the surgeon directly controlling the robot’s movements through a joystick interface while using visual feedback to guide its navigation. In contrast, automatic control allows the robot to autonomously navigate to a predefined target position, relying on real-time visual information to ad just its movement. Experimental validation demonstrated the effectiveness of the robot’s visual servoing capabilities in both manual and automatic control modes, leading to im proved accuracy in positioning and actuation during surgical procedures. However, the control related to depth adjustments requires further improvements to enhance overall performance. This research contributes to the growing field of robotic endoscopy and sets the groundwork for future multi-actuator systems aimed at improving surgical outcomes.

Il cancro gastrointestinale rimane una delle principali cause di morte a livello globale, con alti tassi di incidenza per il cancro colorettale e gastrico. La rilevazione e il trattamento precoci sono fondamentali per migliorare l’aspettativa di vita, e le procedure minima mente invasive, come la dissezione endoscopica sottomucosa (ESD), vengono sempre più utilizzate. L’ESD offre un metodo preciso per rimuovere le aree cancerose nel tratto gas trointestinale, preservando il tessuto sano. Tuttavia, le tecniche endoscopiche manuali tradizionali sono fortemente dipendenti dall’operatore e spesso mancano della precisione necessaria per navigare in regioni anatomiche complesse. Questa tesi presenta un robot a continuum azionato magneticamente, il Lobsterscope, progettato per superare queste limitazioni migliorando la precisione e il controllo durante la chirurgia endoscopica. Il Lob sterscope integra una multi-azione magnetica, affrontando le sfide comuni nella chirurgia endoscopica robotica, come la manovrabilità limitata in spazi ristretti e l’incapacità di operare più attuatori in modo indipendente. Questa tesi si propone di sviluppare e implementare strategie di controllo manuale e au tomatico per il Lobsterscope al fine di abilitare un controllo preciso in 2D e 3D. Queste strategie sono progettate per migliorare la capacità del robot di navigare e svolgere facil mente le procedure minimamente invasive. Il controllo manuale implica che il chirurgo controlli direttamente i movimenti del robot attraverso un’interfaccia joystick, utilizzando feedback visivo per guidare la navigazione. Al contrario, il controllo automatico consente al robot di navigare autonomamente verso una posizione target predefinita, basandosi su informazioni visive in tempo reale per regolare il movimento. La validazione sperimen tale ha dimostrato l’efficacia delle capacità di servo-controllo visivo del robot in modalità manuale e automatica, portando a maggiore precisione nel posizionamento durante le pro cedure chirurgiche. Tuttavia, il controllo per determinare a quale profondità deve operare il robot richiede ulteriori miglioramenti per aumentare le prestazioni complessive. Questa ricerca contribuisce al crescente campo della chirurgia endoscopica robotica e getta le basi per futuri sistemi con attuatori multipli volti a migliorare gli esiti chirurgici.