Non-invasive cognitive workload assessment in robotic teleoperated surgery using eye-tracking

Recent advancements in robotic surgery are driving the need to assess the cognitive and physiological demands placed on surgeons in order to enhance efficiency and safety. Traditional methods of monitoring workload can often be subjective or intrusive. Non-invasive eye-tracking, which has demonstrated sensitivity to cognitive fluctuations in various fields, presents a promising alternative for continuous and objective monitoring during surgeries. Despite its potential, its use in actual robotic procedures remains limited. This work presents a non-invasive methodology for assessing cognitive workload during robotic-assisted surgery using eye-tracking data. The integrated eye tracker on the Senhance® Surgical System was employed to collect raw eye-tracking data from 48 robotic-assisted cholecystectomies performed by 13 experienced surgeons across six hospital centers. These data were pre-processed to derive six normalized ocular metrics (pupil diameter, gaze entropy, blink count, fixation count, saccade count, and fixation duration) computed over discrete time windows. These metrics were then used to calculate a Euclidean-based workload metric. The workload metric was subsequently validated against surgeons’ self-reported phase difficulty ratings using Spearman’s rank correlation and Two One-Sided Tests, revealing a moderate (0.30 ± 0.05) yet statistically significant correlation across various temporal resolutions. While the approach demonstrated robustness across different window sizes used for data segmentation, shorter procedure durations appeared to reduce the sensitivity of the estimation. An imbalance in the distribution of surgical phases, with a higher frequency of elevated difficulty levels, may also have influenced the strength and generalizability of the workload-difficulty relationship. Overall, these findings suggest that non-invasive eye-tracking can provide valuable insights into surgeon cognitive load, potentially guiding future strategies to improve surgical performance and safety.

I recenti progressi nella chirurgia robotica evidenziano l’importanza di monitorare il livello di stress dei chirurghi per rendere le operazioni più efficienti e sicure. I metodi tradizionali per valutare il carico di lavoro sono spesso soggettivi o invasivi. In questo contesto, l’eye-tracking ha dimostrato di riuscire a rilevare le fluttuazioni cognitive in vari contesti, rappresentando un’alternativa promettente e non invasiva per un monitoraggio continuo e oggettivo durante gli interventi. Tuttavia, il suo impiego nella chirurgia robotica è ancora limitato. Questo studio propone un approccio non invasivo per valutare il carico mentale dei chirurghi durante operazioni robotiche, sfruttando i dati raccolti dall’eye-tracker integrato nel sistema Senhance® Surgical System. Sono stati analizzati i dati oculari di 48 interventi di colecistectomia robotica, eseguiti da 13 chirurghi esperti in sei ospedali. Da questi dati sono state estratte sei metriche, calcolate su finestre temporali di diversa lunghezza: diametro della pupilla, entropia dello sguardo, numero di battiti di ciglia, numero di fissazioni e saccadi, e durata delle fissazioni. Queste metriche sono state poi impiegate per definire un indice di carico di lavoro basato sulla distanza euclidea. L’indice è stato validato confrontandolo con le valutazioni soggettive della difficoltà delle fasi operatorie, utilizzando il coefficiente di correlazione di Spearman e il Two One-Sided Test. I risultati hanno evidenziato una correlazione moderata (0.30 ± 0.05) statisticamente significativa su diverse risoluzioni temporali. Sebbene il metodo si sia dimostrato robusto anche variando le dimensioni delle finestre di segmentazione, le procedure più brevi hanno ridotto la sensibilità della stima. Inoltre, una distribuzione squilibrata delle fasi chirurgiche, con una prevalenza di quelle considerate più impegnative, potrebbe aver influenzato i risultati. In sintesi, lo studio suggerisce che l’eye-tracking rappresenta uno strumento valido per monitorare il carico mentale dei chirurghi, offrendo interessanti prospettive per migliorare le prestazioni e la sicurezza in sala operatoria.