Implementazione e testing di feedback aptico per sistema di endoscopia robotica basato su Series Elastic Actuation (SEA)

The lab where I’m doing my thesis has previously developed a novel endoscopic system for safer neurosurgery. The main goal was to reduce interaction forces between the instrument and brain tissue thanks to springs in the transmission between the motors and the movable endoscope tip. Furthermore, the interaction forces can be estimated by measuring the deflection of the springs. To make the telemanipulation of that robotic system safer and more intuitive for the surgeon, they implemented force feedback: When colliding with brain tissue while telemanipulating the robot, the surgeon can now "feel" this interaction through a haptic input device. However, the current force feedback implementation is only a proof-of-concept prototype and should be improved for a future clinical application. Therefore, my project is focused on the implementation and evaluation of an improved haptic feedback system. The thesis is divided into three main work packages. Firstly, the haptic input device is be tested by evaluating delays, both in the communication between the different systems and in the motor control, and the quality of the force rendering. Secondly, I explore options for the mapping between endoscope tip force measurements and force commands to the haptic input device. These algorithms aim to recreate the sensation of touch and force for the surgeon during surgery. Lastly, a user study is carried out to evaluate the final product. Non-medical researchers with an engineering background are recruited for this pilot study to evaluate the usability of the implemented system and whether it fits the imposed requirements.

Il laboratorio dove sto facendo la tesi ha precedentemente sviluppato un nuovo sistema endoscopico per una neurochirurgia più sicura. L'obiettivo principale era quello di ridurre le forze di interazione tra lo strumento e il tessuto cerebrale grazie alle molle nella trasmissione tra i motori e la punta dell'endoscopio mobile. Inoltre, le forze di interazione possono essere stimate misurando la deformazione delle molle. Per rendere la telemanipolazione del sistema robotico più sicura e intuitiva per il chirurgo, hanno implementato il feedback di forza: quando si scontra con il tessuto cerebrale mentre telemanipola il robot, il chirurgo può ora "sentire" questa interazione attraverso un dispositivo di input tattile. Tuttavia, l'attuale implementazione del feedback di forza è solo un prototipo di proof-of-concept e dovrebbe essere migliorato per una futura applicazione clinica. Pertanto, il mio progetto si concentra sull'implementazione e la valutazione di un sistema di feedback tattile migliorato. La tesi è suddivisa in tre pacchetti di lavoro principali. In primo luogo, il dispositivo di input tattile viene testato valutando i ritardi, sia nella comunicazione tra i diversi sistemi che nel controllo del motore, e la qualità del rendering della forza. In secondo luogo, vengono esplorate le opzioni per la mappatura tra le misure della forza di punta dell'endoscopio e i comandi di forza al dispositivo di input aptico. Questi algoritmi mirano a ricreare la sensazione di tocco e forza per il chirurgo durante l'intervento chirurgico. Infine, viene effettuato uno studio per valutare il prodotto finale. Ricercatori non medici con un background ingegneristico sono reclutati per questo studio pilota per valutare l'usabilità del sistema implementato e se soddisfa i requisiti imposti.