TIMS: A Tactile Internet-Based Micromanipulation System with Haptic Guidance for Surgical Training

要約

顕微手術では、顕微鏡下で繊細な組織や小さな血管、神経などの脆弱な構造を巧みに操作します。
人間の手の不正確な操作の限界に対処するために、外科医がより正確かつ安全に複雑な顕微手術作業を実行できるように支援するロボット システムが開発されてきました。
しかし、ロボット支援顕微手術 (RAMS) の学習曲線は急峻であり、十分な訓練を受けた外科医の不足が、RAMS の普及には大きな課題となっています。
したがって、外科医と患者の両方に具体的な利益をもたらす、RAMS 用の多用途トレーニング システムの開発が必要です。
この論文では、顕微手術トレーニング用の ROS-Django Web ベース アーキテクチャに基づく触覚インターネット ベースの顕微操作システム (TIMS) を紹介します。
このシステムは、ウェアラブル触覚ディスプレイ (WTD) を介してオペレーターに触覚フィードバックを提供でき、リアルタイム データは ROS-Django フレームワークを介してインターネット経由で送信されます。
さらに、TIMS は触覚ガイダンスを統合し、熟練の外科医が提供する望ましい軌道に従うように研修生を「ガイド」します。
ガウス過程回帰 (GPR) に基づくデモンストレーションからの学習を使用して、目的の軌道を生成しました。
また、私たちが提案する TIMS の有効性を検証するためにユーザー調査も実施され、触覚フィードバックや触覚ガイダンスがある場合とない場合のユーザーのパフォーマンスを比較しました。

要約(オリジナル)

Microsurgery involves the dexterous manipulation of delicate tissue or fragile structures such as small blood vessels, nerves, etc., under a microscope. To address the limitation of imprecise manipulation of human hands, robotic systems have been developed to assist surgeons in performing complex microsurgical tasks with greater precision and safety. However, the steep learning curve for robot-assisted microsurgery (RAMS) and the shortage of well-trained surgeons pose significant challenges to the widespread adoption of RAMS. Therefore, the development of a versatile training system for RAMS is necessary, which can bring tangible benefits to both surgeons and patients. In this paper, we present a Tactile Internet-Based Micromanipulation System (TIMS) based on a ROS-Django web-based architecture for microsurgical training. This system can provide tactile feedback to operators via a wearable tactile display (WTD), while real-time data is transmitted through the internet via a ROS-Django framework. In addition, TIMS integrates haptic guidance to `guide’ the trainees to follow a desired trajectory provided by expert surgeons. Learning from demonstration based on Gaussian Process Regression (GPR) was used to generate the desired trajectory. User studies were also conducted to verify the effectiveness of our proposed TIMS, comparing users’ performance with and without tactile feedback and/or haptic guidance.

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