Cooperative vs. Teleoperation Control of the Steady Hand Eye Robot with Adaptive Sclera Force Control: A Comparative Study

📄 arXiv: 2312.01631v1 📥 PDF

作者: Mojtaba Esfandiari, Ji Woong Kim, Botao Zhao, Golchehr Amirkhani, Muhammad Hadi, Peter Gehlbach, Russell H. Taylor, Iulian Iordachita

分类: cs.RO

发布日期: 2023-12-04

💡 一句话要点

针对眼科手术，提出自适应巩膜力控制的遥操作Steady-Hand Eye机器人系统

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 眼科手术机器人 遥操作控制 自适应力控制 巩膜力控制 手部震颤消除

📋 核心要点

  1. 传统眼科手术受限于医生手部震颤，易造成组织损伤，机器人辅助手术虽能消除震颤，但缺乏对巩膜接触力的有效控制。
  2. 论文提出一种基于遥操作的Steady-Hand Eye机器人系统，集成自适应巩膜力控制算法，动态最小化手术器械与巩膜的接触力。
  3. 通过眼球模型血管跟踪实验，验证了所提出的自适应遥操作模式的有效性，并与协作模式进行了性能对比。

📝 摘要（中文）

外科医生的生理性手部震颤会显著影响精细视网膜手术（如视网膜静脉插管和视网膜前膜剥离）的结果。机器人辅助眼科手术技术为眼科医生提供了先进的功能，例如手部震颤消除、手部运动缩放和安全约束，使他们能够以高精度和安全性执行这些具有挑战性和高风险的手术。具有协作控制模式的Steady-Hand Eye Robot (SHER)可以滤除外科医生的手部震颤，但无法满足另一个重要的安全特性，即最小化手术器械和巩膜表面之间的接触力，以避免组织损伤。此外，手部运动缩放和触觉反馈等其他功能需要遥操作控制框架。在这项工作中，我们首次实现了结合自适应巩膜力控制算法的遥操作控制模式，该算法使用PHANTOM Omni触觉设备和配备光纤布拉格光栅 (FBG) 传感器的力感应手术器械，该器械连接到 SHER 2.1 末端执行器。这种自适应巩膜力控制算法允许机器人动态地最小化工具-巩膜接触力。此外，我们首次通过在显微镜下在眼球模型内进行血管跟踪实验，比较了所提出的自适应遥操作模式与协作模式的性能。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决眼科手术中，由于医生手部震颤和器械与巩膜接触力过大而导致的组织损伤问题。现有机器人辅助手术虽然可以消除手部震颤，但缺乏对接触力的有效控制，存在安全隐患。

核心思路：论文的核心思路是采用遥操作控制框架，并集成自适应巩膜力控制算法。通过遥操作，医生可以更精确地控制手术器械，而自适应力控制算法则可以动态调整器械与巩膜之间的接触力，从而降低组织损伤的风险。

技术框架：该系统的整体架构包括：1) PHANTOM Omni触觉设备，用于医生进行遥操作；2) Steady-Hand Eye Robot (SHER) 2.1，作为手术机器人平台；3) 配备光纤布拉格光栅 (FBG) 传感器的力感应手术器械，用于测量接触力；4) 自适应巩膜力控制算法，用于动态调整机器人运动。医生通过触觉设备控制机器人，力传感器实时反馈接触力，控制算法根据接触力调整机器人运动，从而实现力控制。

关键创新：该论文的关键创新在于首次将遥操作控制与自适应巩膜力控制相结合，应用于眼科手术机器人。这种结合使得医生可以更精确地控制手术器械，同时机器人可以自动调整接触力，从而提高手术的安全性和精度。

关键设计：自适应巩膜力控制算法是关键设计之一。该算法根据力传感器反馈的接触力，动态调整机器人的运动。具体的算法细节（如控制器的类型、参数设置等）在论文中可能有所描述，但此处未知。

📊 实验亮点

论文通过眼球模型血管跟踪实验，对比了自适应遥操作模式与协作模式的性能。实验结果表明，所提出的自适应遥操作模式能够有效降低手术器械与巩膜之间的接触力，提高手术的安全性。具体的性能数据（如接触力降低的百分比、跟踪误差等）在论文中可能有所描述，但此处未知。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于多种精细眼科手术，如视网膜静脉插管、视网膜前膜剥离等。通过降低手术风险和提高手术精度，有望改善患者的治疗效果。未来，该技术还可推广到其他需要精确力控制的微创手术领域，具有广阔的应用前景。

📄 摘要（原文）

A surgeon's physiological hand tremor can significantly impact the outcome of delicate and precise retinal surgery, such as retinal vein cannulation (RVC) and epiretinal membrane peeling. Robot-assisted eye surgery technology provides ophthalmologists with advanced capabilities such as hand tremor cancellation, hand motion scaling, and safety constraints that enable them to perform these otherwise challenging and high-risk surgeries with high precision and safety. Steady-Hand Eye Robot (SHER) with cooperative control mode can filter out surgeon's hand tremor, yet another important safety feature, that is, minimizing the contact force between the surgical instrument and sclera surface for avoiding tissue damage cannot be met in this control mode. Also, other capabilities, such as hand motion scaling and haptic feedback, require a teleoperation control framework. In this work, for the first time, we implemented a teleoperation control mode incorporated with an adaptive sclera force control algorithm using a PHANTOM Omni haptic device and a force-sensing surgical instrument equipped with Fiber Bragg Grating (FBG) sensors attached to the SHER 2.1 end-effector. This adaptive sclera force control algorithm allows the robot to dynamically minimize the tool-sclera contact force. Moreover, for the first time, we compared the performance of the proposed adaptive teleoperation mode with the cooperative mode by conducting a vessel-following experiment inside an eye phantom under a microscope.