An Intraoperative Force Perception and Signal Decoupling Method on Capsulorhexis Forceps

要約

医療機器における力の認識は、量子化された力の情報をフィードバックするための手術器具と組織の間のメカニズムを理解するために重要であり、これはロボット自律手術における誘導と監視に不可欠です。
特に連続曲線嚢切開術（CCC）では、術中力を追跡するための高感度で正確な多次元測定を提供する力測定方法が常に欠けています。
さらに、キャリブレーションから得られたデカップリング行列は、許容可能な精度で信号を非相関化できますが、この計算方法は、CCC などの一部の敏感な測定状況下で完全にデカップリングするための強力な方法ではありません。
本論文では、これらの問題を解決するために、プロングにファイバーブラッググレーティングセンサー（FBG）を設置することによる嚢裂鉗子の三次元力知覚法とFASTICAと組み合わせた信号デカップリング法を初めて提案する。
実験結果によると、測定範囲は最大 1 N (センサーの波長シフトの範囲に応じて) で、x、y、z 軸力の分解能はそれぞれ 0.5、0.5、2 mN です。
多軸力の測定におけるセンサー間の結合効果を最小限に抑えるには、特定のパラメーターを単位化し、混合行列内の対応するベクトルと FastICA からの回復信号をスケーリングすることにより、センサーからの信号を無相関化し、軸力の誤差を減少させて回復できます。
少なくとも 50% まで。
計算に必要なパラメータを半分にすることで、校正と計算を簡素化することもできます。
薄いシートと in vitro のブタの眼について実験を行ったところ、ほぼ円形の亀裂が伝播する間、引裂き力は安定しており、引裂き鉗子の時系列は定常または一次差分で定常であることが判明した。

要約(オリジナル)

Force perception on medical instruments is critical for understanding the mechanism between surgical tools and tissues for feeding back quantized force information, which is essential for guidance and supervision in robotic autonomous surgery. Especially for continuous curvilinear capsulorhexis (CCC), it always lacks a force measuring method, providing a sensitive, accurate, and multi-dimensional measurement to track the intraoperative force. Furthermore, the decoupling matrix obtained from the calibration can decorrelate signals with acceptable accuracy, however, this calculating method is not a strong way for thoroughly decoupling under some sensitive measuring situations such as the CCC. In this paper, a three-dimensional force perception method on capsulorhexis forceps by installing Fiber Bragg Grating sensors (FBGs) on prongs and a signal decoupling method combined with FASTICA is first proposed to solve these problems. According to experimental results, the measuring range is up to 1 N (depending on the range of wavelength shifts of sensors) and the resolution on x, y, and z axial force is 0.5, 0.5, and 2 mN separately. To minimize the coupling effects among sensors on measuring multi-axial forces, by unitizing the particular parameter and scaling the corresponding vector in the mixing matrix and recovered signals from FastICA, the signals from sensors can be decorrelated and recovered with the errors on axial forces decreasing up to 50% least. The calibration and calculation can also be simplified with half the parameters involved in the calculation. Experiments on thin sheets and in vitro porcine eyes were performed, and it was found that the tearing forces were stable and the time sequence of tearing forceps was stationary or first-order difference stationary during roughly circular crack propagating.

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