Force sensing and display in robotic driven needles for minimally invasive surgery

Minimally invasive surgical procedures, such as laparoscopy, have been facilitated by tele-operated robotic systems, which provide augmented dexterity in narrow spaces. However, the physical separation between the operating surgeon and the patient body does not provide the surgeon with direct force and tactile feedback. Together with costs and safety issues, one of the reasons that has prevented the proliferation of robotic devices inside the operating room is the need of changing the standard workflow of the surgical procedures and the standard instruments, together with the need of surgeon training. Needle insertion is a minimally invasive procedure, involving several applications such as blood sampling, anaesthesia, biopsy, brachytherapy, and placement of electrodes. Force feedback for needle insertion tasks has been widely investigated to build surgical simulators, but has not been translated into the real surgical scenario. In this thesis, we studied and developed new methods for integrating force sensing with robotic devices, for needle insertion procedures, without requiring any changes in the standard surgical needle and in surgical workflow modality, thus increasing the intervention outcome, safety and performances with relative low costs. In particular, we developed sensors and sensing modalities integrated in the robotic devices, force control algorithms for force feedback enhancement and needle insertion task improvement and design of experimental protocol for testing and validation. Teleoperation and comanipulation control schemes were tested in custom made mock surgical environments, considering neurosurgical requirements as the envisaged clinical application. Both the operation schemes allowed to accurately identify small force differences when the needle is inserted into soft tissues. In the teleoperation scenario new force sensing modalities were integrated in a small linear piezo-driver with high positioning accuracy and proved to be suitable for the neurosurgical applications. In the comanipulation approach force feedback scaling and enhanced needle tip force perception were validated with human subject experiments and proved to be suitable for detecting small tissue property changes, thus increasing procedure accuracy and safety. Attention was carefully paid to test the systems with mimicking soft tissue materials, whose mechanical characteristics are close to reality. The developed systems should be carefully tested in preclinical conditions, such as ex vivo biological tissues, to better evaluate clinical relevance, however we showed that enhanced force feedback can help the surgeon in a variety of different experimental conditions using different control modalities and force sensing principles.

Nell’ultimo decennio, le procedure di chirurgia minimamente invasive, come la laparoscopia, sono state migliorate grazie allla presenza di sistemi robotici in grado di fornire una maggior destrezza in spazi ristretti. Tuttavia, la separazione fisica tra il chirurgo e il paziente non fornisce al chirurgo la percezione tattile dell’interazione tra tessuto e strumento chirurgico. Insieme agli elevati costi e alle problematiche di sicurezza, una delle ragioni che non ha permesso un ampio utilizzo di dispositivi robotici in chirurgia è rappresentata dalla necessità di cambiare i protocolli standard delle procedure chirurgiche e lo strumentario chirurgico, nonché la necessità di un training chirurgico. Nell’ambito delle procedure minimamente invasive, l’inseriimento di aghi o sonde comprende numerose applicazioni in campo medico come il prelievo di sangue, l’anestesia, la biopsia, la brachiterapia e il posizionamento di elettrodi.. Il feedback di forza per procedure di inserimento di aghi è stato ampiamente studiato al fine di creare simulatori chirurgici, ma tali risultati non sono stati trasferito nello scenario chirurgico reale. In questo lavoro di tesi, sono stati studiati e sviluppati nuovi metodi e nuove tecnologie di misura della forza per l'integrazione con dispositivi robotici in procedure di inserimento di aghi, senza dover apportare modifiche agli standard chirurgici, migliorando così l'esito dell'intervento, la sicurezza e le prestazioni con costi relativamente contenuti. In particolare, sono stati sviluppati sensori e modalità di rilevamento della forza integrati nei dispositivi robotici, algoritmi di controllo di forza per il miglioramento della percezione tattile e delle procedure di inserimento dell'ago, nonché la progettazione di protocolli sperimentali dedicati alla verifica e alla validazione di tali metodologie. Schemi di controllo in tele-operazione e in co-manipulazione sono stati valutati in circostanze simili a quelle delle procedure chirurgiche reali, considerando la neurochirurgia il paradigma clinico di applicazione. Entrambe le modalità di controllo consentito al chirurgo di identificare accuratamente piccole differenze di forza durante l’inserimento dell’ago nei tessuti molli. Nello scenario di tele-operazione nuove modalità di misura della forza sono state integrate in un piccolo attuatore lineare piezo-elettrico con elevata precisione di posizionamento. Nella modalità di co-manipulazione la possibilità di scalare la percezione della forza di interazione tessuto-ago e una percezione aumentata delle forze di interazione sulla punta dell'ago hanno dimostrato di essere adatte per la rilevazione di piccole variazioni nelle proprietà dei tessuti molli attraversati, aumentando così la precisione e la sicurezza delle procedure chirurgiche. Particolare attenzione è stata dedicata alla scelta dei materiali in grado di imitare le caratteristiche meccaniche dei tessuti molli, sui quali sono stai validati i dispositivi robotici sviluppati. Tali dispositivi dovranno essere accuratamente provati in condizioni precliniche, come tessuti biologici ex-vivo, per meglio valutarne l’effettiva rilevanza clinica, tuttavia è stato dimostrato che il feedback di forza amplificato è efficace nell’aiutare il chirurgo in una ampia varietà di condizioni sperimentali.