Force sensing of a bipolar pliers for haptic feedback in robotic surgery

In order to effectively perform surgery, surgeons should be able to feel hardness or tension of different tissues being manipulated; the sense of touch in robotics, known as haptic, can give information on the material properties of a tissue, including stiffness, texture and weight, as well as shape properties. Manipulating tissues with surgical tools without haptic feedback may cause tissue injuries, such as hemorrhage or adhesion formations. The goal of haptic robotic surgery is to provide "transparency", in which the surgeon does not feel as if he is operating a remote device, but rather that his own hands are directly in contact with the patient. The key to obtain said transparency is represented by: sensors that can acquire force and touch information giving corresponding signals to a remote control, means to display to the surgeon the information received from the sensors and haptic devices to control the tools. In the present master thesis work we focused on the sensors able to acquire said force and touch information, realizing and validating a low cost prototype of sensorized surgical pliers by modifying a commercial SPETZLER™-MALIS® Disposable Non-stick Bipolar Forceps, in order to obtain information about reaction forces of biological tissue samples pinched in between the pliers themselves. This information could be used by the surgeon to better distinguish a healthy tissue from a tumor or a damaged tissue; the pliers is a low cost user-friendly tool already known and daily used by surgeons. To this purpose, a first and qualitative finite element analyses of the entity of the forces acting on the pliers was performed, in order to evaluate the most suitable sensors to apply to the surgical tool. From this analyses we obtained that the most sensitive area of the pliers is the area most distal from the tips, in particular on the outer part of each jaws near the distal black cup of the pliers; to make this area more sensitive we lowered down the thickness, where the deformation sensors were to be attached. We opted for four strain gages arranged as full Wheatstone bridge as deformation sensors for sensing strain and stress acting on the pliers, and a pair of LED and photodiode optical sensors as displacement sensor for sensing the relative distance between the jaws of the pliers (12mm to 0mm). Electronic conditioning circuits for each optical sensor were properly arranged and respective calibration procedures were carried out: the optical sensors were calibrated using active markers and the Certus® Motion Capture System in order to convert the volt/time signal into a mm/time signal. Calibration of the deformation sensors comprised: a set of weights (from 0.098N to 0.68 N) hanged at the tips of the pliers, that simulated the tissue samples reaction forces to a closing of the pliers; a gripper actuator properly selected and mounted in order to close the pliers automatically and repeatedly with a same run and force; a servo motor connected to the actuator and to an Arduino DUE board that, in turn, was used to control the opening/closing range of the actuator; a mechanical arm, fixed to the table, onto which the actuator was attached: this step was crucial to close the pliers always in a same site. This experimental calibration set up was left in this position for the entire calibration signals acquisitions and during tests with tissue samples. For calibration, signals representative of 15 opening/closing cycles of the pliers and considered only in the closing phase, were acquired simultaneously from strain gages and optical sensors; these signals were sub-sampled from 1613 Hz to 100 Hz and, thanks to a Labview® graphic interface, it was possible to plot said signals and relate the deformation information to the displacement information of the optical sensors; in this way the characteristic of interest was obtained and represented in a strain/mm graph. We repeated this procedure for each weight hanged at the tips and represented these characteristic in a calibration system composed of weight-lines each representing one of said strain/mm characteristics. Three calibration systems were realized and compared between each other to verify the reliability of the system and a final comprehensive system (comprising data from all the three systems) was used for the experimental trials on biological tissue. We validated the system by testing the tool with different animal tissue samples; in detail we used cow’s heart lung and liver and lamb’s brain samples, each 5mm thick. The samples were repeatedly pinched by the pliers and their respective reaction forces information were acquired; a specific MATLAB software was implemented and used to compare the deformation values of the tissues with the ones obtained during the calibration procedure and represented by the weight-lines of the calibration system; we used an interpolation function to determine and give an estimate of the entity of the interaction forces acting between the tip of the pliers and the tissue pinched; we also used these values to give an approximation of the Youngs modulus values for each tissue analyzed. The results obtained from the comparison of the three calibration systems confirmed that they could be united into said final comprehensive calibration system, suitable for testing with tissue samples; this system showed good linearity, indicating that the forces exerted by the pliers can be monitored rather accurately using a full Wheatstone bridge configuration. During the tests, a comparison, at a fixed distance of the jaws (2, 3, 4 and 5mm), between the deformation values of the tissue sample pinched and the deformation values of the calibration system was performed; the test evidenced that the reaction forces were different for each organ, suggesting that the system is able to distinguish different tissues. In view of these results we calculated and estimate of the Young Modulus for each tissue, considering a contact area between tissue samples and tips of the pliers equal to 10mm2; the averaged Young Modulus obtained for each tissue are approximately equal to: 60.3 kPa for the heart, 29.9 kPa for the lung 33.8 kPa for the liver and 26.9 kPa for the brain; these were much higher compared to those found in literature for studies that measured such values using different techniques and found: cardiac muscle= 20-150 kPa, liver:=0.62-0.24 kPa, brain =260-490 Pa, lung= 5-6 kPa . Such a difference may be caused by different experimental techniques and different approaches, in fact in vivo tissues are known to have mechanical properties significantly different from non-living tissues. The final idea of this project is to attach this tool to a surgical robot: to this purpose, a future development of this work could be the design and realization of an actuator that both substitutes the vise into which the pliers is nowadays inserted and holds the actuator gripper; of course this actuator should be suitable for linking to the surgical robot selected. It would be interesting, once this step has been completed, to evaluate the functionality of the system during in-vivo tests and, at that point, robotic surgeries, in order to help the surgeon to better distinguish a healthy tissue from a tumor or a damaged tissue.

Al fine di svolgere in maniera adeguata un intervento chirurgico, i chirurghi dovrebbero essere in grado di sentire la consistenza o la tensione dei diversi tessuti manipolati; il senso del tatto nella robotica, noto come aptico, ci dà informazioni sulle proprietà di un tessuto, tra cui la rigidità, la consistenza e il peso, così come le proprietà di forma. Manipolare i tessuti con strumenti chirurgici senza feedback aptico (o feedback tattile) può causare lesioni, quali emorragie o formazione di aderenze. Lo scopo della chirurgia robotica aptica è fornire "trasparenza", in cui il chirurgo non si sente come se stesse operando con un dispositivo remoto, ma piuttosto come se le sue mani fossero direttamente a contatto con il paziente. La chiave per ottenere questa trasparenza è rappresentata da: sensori che acquisiscono informazioni di forza e tattili dando segnali utili corrispondenti al dispositivo di controllo remoto, mezzi per mostrare al chirurgo le informazioni ricevute dai sensori e dispositivi tattili per controllare gli strumenti. Nel presente lavoro di tesi di laurea magistrale ci siamo concentrati sui sensori in grado di acquisire dette forze e informazioni tattili, realizzando e validando un prototipo economico di pinze chirurgiche sensorizzate modificando la pinza bipolare commerciale SPETZLER™-MALIS® Disposable Non-stick Bipolar Forceps, al fine di ottenere informazioni sulle forze di reazione dei campioni di tessuti biologici pinzati dalle pinze stesse. Questa informazione potrebbe essere utilizzata dai chirurghi per distinguere meglio un tessuto sano da uno tumorale o danneggiato e la pinza è uno strumento user-friendly a basso costo già nota e ampiamente utilizzata quotidianamente dai chirurghi. A tal fine, è stata eseguita, tramite analisi a elementi finiti, una prima stima qualitativa del'entità delle forze che agiscono sulle pinze, in modo da poter selezionare i sensori più adatti da applicare allo strumento chirurgico. Da questa analisi abbiamo ottenuto che l’area più sensibile della pinza bipolare è la più distale rispetto alle punte, in particolare è situata nella zona esterna di entrambe le ganasce, in corrispondenza del cappuccio di accoppiamento dei bracci delle pinze; per rendere quest’area maggiormente sensibile, è stato necessario assottigliare dette zone esterne delle ganasce, in corrispondenza della zona destinata all’applicazione sensori di deformazione. Abbiamo optato per quattro estensimetri resistivi (strain gages) posti in modalità ponte di Wheatstone intero come sensori di deformazione, i quali rilevano sforzi e stress agenti sulle pinze, e una coppia di sensori ottici (LED e fotodiodi) come sensore di spostamento, per avere informazioni relative alla distanza tra le ganasce della pinza (da configurazione aperta a 12 mm fino a chiusura completa, 0mm). Sono stati realizzati i circuiti elettronici di condizionamento per ciascun sensore e sono state effettuate le relative procedure di calibrazione: i sensori ottici sono stati calibrati usando dei marcatori attivi posti in corrispondenza dei sensori e il sistema di tracking Certus Motion Capture System®, al fine di convertire il segnale da volt/tempo a mm/tempo. Per quanto riguarda la calibrazione dei sensori di deformazione, invece, il set up sperimentale comprende: una serie di pesi (da 0.098N a 0.69N) appesi alle punte delle pinze che simulano le forze dei campioni di tessuto pinzati; un attuatore selezionato appositamente per chiudere le ganasce della pinza automaticamente e ripetutamente con la stessa forza e corsa; un braccio meccanico fissato al banco di lavoro su cui l’attuatore è stato fissato; questo passaggio è stato fondamentale per poter applicare la forza di chiusura della pinza sempre nello stesso punto. Tale set up sperimentale è stato lasciato invariato per l’intera procedura di calibrazione (acquisizione dei segnali di calibrazione) e di test su tessuti biologici. Per la calibrazione, i segnali provenienti da strain gages e sensori ottici sono stati acquisiti simultaneamente durante 15 cicli di chiusura/apertura della pinza e di questi segnali solo la fase di chiusura è stata presa in considerazione e ricampionata da 1613Hz a 100 Hz; grazie ad una interfaccia grafica implementata in Labview®, è stato possibile visualizzare detti segnali e correlare l’informazione di deformazione con l’informazione di distanza dei sensori ottici; è stata cosi ottenuta la caratteristica d’interesse rappresentata in un grafico deformazione/mm. Abbiamo ripetuto tale procedura per ciascun peso di calibrazione appeso alle punte della pinza e rappresentato le corrispondenti caratteristiche in un sistema di calibrazione comprendente tutte le rette-caratteristiche dei pesi. Tre sistemi di calibrazione sono stati realizzati e confrontati tra di loro per verificare l'affidabilità del sistema e uno, finale (comprendente i dati dei tre sistemi), è stato utilizzato per le prove sperimentali su tessuti biologici. I risultati ottenuti dalla comparazione dei tre sistemi di calibrazione hanno confermato che gli stessi potevano essere uniti in un unico sistema di calibrazione risultante, ottimale per le prove effettuate con tessuti biologici; questo sistema ha mostrato una buona linearità, indicando che le forze esercitate dalle pinze sui tessuti, possono essere monitorate in maniera piuttosto accurata utilizzando la configurazione a ponte di Wheatstone intero. Abbiamo validato il sistema testando lo strumento con diversi campioni di tessuto animale; in dettaglio, abbiamo selezionato cuore, polmone e fegato di vitello e cervello di agnello, ciascuno avente spessore pari, circa, a 5mm. I campioni sono stati ripetutamente pinzati e i rispettivi dati di forza di reazione sono state acquisite; uno specifico software è stato implementato in MATLAB e usato per confrontare i valori di deformazione dei tessuti con quelli ottenuti durante la procedura di calibrazione e rappresentati dalle rette del sistema di calibrazione. E’ stata inoltre utilizzata una funzione di interpolazione per dare una stima delle entità delle forze di interazione agenti tra le punte della pinza e il tessuto pinzato. Sulla base di questi valori è stata anche calcolata un’approssimazione dei valori di modulo di Young per ogni tessuto analizzato. Durante i test, è stato effettuato un confronto a distanza fissa tra le ganasce (2, 3, 4, 5mm) tra i valori di deformazione dei campioni di tessuto pinzati e i valori di deformazione del sistema di calibrazione. I test hanno evidenziato che le forze di reazione variano da organo ad organo e che il sistema è in grado di distinguere diversi tessuti pinzati. In vista di questi risultati, abbiamo calcolato una stima dei moduli di Young per ciascun tessuto considerando una superficie di contatto tra le punte della pinza e il tessuto pari a 10mm2 ; la media dei moduli di Young ottenuti per ogni tessuto è approssimativamente: 60.3kPa per il cuore, 29.9kPa per il polmone, 33.8kPa per il fegato e 26.9 kPa per il cervello; questi valori sono molto più elevati rispetto a quelli trovati in letteratura di alcuni studi condotti usando svariate tecniche: da questi infatti è emerso che i moduli di Young sono rispettivamente: 20-150 kPa per il cuore, 5-6 kPa per il polmone, 0.62-0.24 kPa per il fegato, e 260-490 Pa per il cervello. Valori cosi differenti rispetto a quelli trovati in questo sutido possono essere dovuti a diverse tecniche sperimentali e diversi approcci: è noto infatti che tessuti in-vivo hanno proprietà meccaniche significativamente diverse da quelle dei tessuti non viventi. L' idea finale di questo progetto è quella di collegare questo strumento ad un robot chirurgico: a tal fine, uno sviluppo importante per questo lavoro potrebbe essere la progettazione e la realizzazione di un attuatore che sostituisca la morsa in cui la pinza è attualmente inserita e sostenga l’attuatore che permette la chiusura della pinza stessa; naturalmente questo attuatore dovrebbe essere adattato per creare il collegamento al robot chirurgico selezionato. Sarebbe interessante, una volta compiuto questo passo, poter valutare la funzionalità del sistema durante le prove in vivo e, a quel punto, durante interventi chirurgici robotici in modo da poter aiutare il chirurgo a meglio distinguere tessuti sani da tessuti tumorali o danneggiati.