Safety-Ensured Robotic Control Framework for Cutting Task Automation in Endoscopic Submucosal Dissection

要約

胃腸癌（GI）がんの治療のための内視鏡検査など、ロボットシステムを使用して手術タスクの自動化に関心が高まっています。
ただし、以前の研究では、主にオブジェクトまたはロボットの検出と分析に焦点を当てており、安全性を確保することに注意が払われています。これは、事故が安全でないロボットモーションによって引き起こされる可能性がある臨床用途にとって重要です。
この研究では、内視鏡ロボットを使用して、初期消化管癌の治療のための代表的な内視鏡外科手術である内視鏡下粘膜分離（ESD）の切断タスクの自動化の安全性を正式に保証できる新しい制御フレームワークを提案します。
提案されたフレームワークは、GI管内の近接性であっても、コントロールバリア関数（CBFS）を利用して個々の腫瘍の境界を正確に識別し、周囲の正常組織を保存しながら正確な治療と除去を確保します。
さらに、モデルのない制御スキームを採用することにより、動的モデリングが困難な内視鏡ロボットシステムでも安全保証が可能になります。
シミュレーションベースの実験環境で提案されたフレームワークを実証します。そこでは、除去される腫瘍が互いに近くにあることを示し、安全上の制約が施行されていることを示します。
モデルのないCBFベースの制御ロボットは、近くの腫瘍に侵入していない一方で、損傷することなく1つの腫瘍を完全に排除することを示します。

要約(オリジナル)

There is growing interest in automating surgical tasks using robotic systems, such as endoscopy for treating gastrointestinal (GI) cancer. However, previous studies have primarily focused on detecting and analyzing objects or robots, with limited attention to ensuring safety, which is critical for clinical applications, where accidents can be caused by unsafe robot motions. In this study, we propose a new control framework that can formally ensure the safety of automating the cutting task in endoscopic submucosal dissection (ESD), a representative endoscopic surgical method for the treatment of early GI cancer, by using an endoscopic robot. The proposed framework utilizes Control Barrier Functions (CBFs) to accurately identify the boundaries of individual tumors, even in close proximity within the GI tract, ensuring precise treatment and removal while preserving the surrounding normal tissue. Additionally, by adopting a model-free control scheme, safety assurance is made possible even in endoscopic robotic systems where dynamic modeling is challenging. We demonstrate the proposed framework in a simulation-based experimental environment, where the tumors to be removed are close to each other, and show that the safety constraints are enforced. We show that the model-free CBF-based controlled robot eliminates one tumor completely without damaging it, while not invading another nearby tumor.

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