Surgery simulator design for minimally invasive pituitary gland surgery

Abstract

Today, interest in robotics applications in the medical field has increased as well as in every field of the industry due to the development in robotic technology and control. The use of robots in surgeries has become widespread. Researchers in Izmir Institute of Technology and Hacettepe University have produced a surgical assistance robot named NeuRoboScope for minimal invasive pituitary gland tumor surgeries. This robot handles and directs the endoscope during the surgery by receiving motion demands from the surgeon via a master system that is composed of a wearable ring and a foot pedal This thesis study aims to develop a simulator to train the surgeons for using the NeuRoboScope system. For this purpose, NeuRoboScope Surgery Simulator v2 (NSSv2) has been developed in which it is aimed to simulate operation conditions as well as the ideal conditions for NeuRoboScope education. To simulate the operation conditions, surgical instruments, endoscope and NeuRoboScope system controlling this endoscope are included in the simulator replicating the process of minimally invasive pituitary gland tumor surgery. NSSv2 system uses 2 haptic devices, a specially designed control ring that controls the active part of the NeuRoboScope system and has an inertial measurement unit and also wirelessly communicates with the system, a foot pedal activating the control of the ring, a model skull to determine the surgery region and a monitor that receives the visual feedback of the simulation to control the surgical instruments from the physical environment. In addition to training, it is aimed to customize the NeuRo boScope's teleoperation system with respect to user needs and operation styles. In line with this objective, the user calibration mode is generated. In this way, an efficient and customized control system is created for the use of the NeuRoboScope system. A training procedure is developed with several scenarios within the NSSv2 system. When users carry out this training, the completion time of the scenario, the number of pedal usage, and the amount of motion of the surgical tools are recorded by the system. Improvements in the capabilities of users can be observed and the efficiency of NSSv2 can be evaluated owing to these data.

Günümüzde robot teknolojisi ve kontrolündeki gelişmelere bağlı olarak endüstrinin her alanında olduğu gibi tıp alanında da robotik uygulamalara olan ilgi artmıştır. Ameliyatlarda robot kullanımı yaygınlaşmıştır. İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü ve Hacettepe Üniversitesi araştırmacıları, minimal invaziv hipofiz bezi tümörü ameliyatları için NeuRoboScope adlı bir cerrahi yardım robotu üretmiştir. Bu robot, giyilebilir bir yüzük ve ayak pedalından oluşan bir kumanda sistemi aracılığıyla cerrahtan hareket taleplerini alarak ameliyat esnasında endoskopu yönetmektedir. Bu tez çalışması, cerrahları NeuRoboScope sistemini kullanma konusunda eğitmek için bir simülatör geliştirmeyi amaçlamaktadır. Bu amaçla, operasyon koşullarının yanı sıra NeuRoboScope eğitimi için ideal koşulların simüle edilmesinin amaçlandığı NeuRoboScope Surgery Simulator v2 (NSSv2) geliştirilmiştir. Operasyon koşullarını simüle etmek için, cerrahi aletler, endoskop ve endoskobu kontrol eden NeuRoboScope sistemi, minimal invaziv hipofiz bezi tümörü cerrahisi sürecini kopyalayan simülatöre dahil edilmiştir. NSSv2 sistemi, 2 dokunsal cihaz, NeuRoboScope sisteminin aktif kısmını kontrol eden ve bir atalet ölçüm birimine sahip olup, ayrıca sistemle kablosuz olarak iletişim kuran özel olarak tasarlanmış bir kontrol yüzüğü, yüzük kontrolünü etkinleştiren bir ayak pedalı, ameliyat bölgesini belirlemek için bir model kafatası ve cerrahi aletleri fiziksel ortamdan kontrol etmek için simülasyonun görsel geri bildirimini alan bir monitör kullanmaktadır. Eğitime ek olarak, NeuRoboScope'un teleoperasyon sisteminin kullanıcı ihtiyaçları ve çalışma stillerine göre özelleştirilmesi hedeflenmektedir. Bu amaç doğrultusunda kullanıcı kalibrasyon modu oluşturulmuştur. Bu şekilde, NeuRoboScope sisteminin kullanımı için verimli ve özelleştirilmiş bir kontrol sistemi oluşturulur. NSSv2 sistemi içinde çeşitli senaryolarla bir eğitim prosedürü geliştirilmiştir. Kullanıcılar bu eğitimi gerçekleştirirken senaryonun tamamlanma süresi, pedal kullanım sayısı ve cerrahi aletlerin hareket miktarı sistem tarafından kayıt altına alınmaktadır. Bu veriler sayesinde kullanıcıların yeteneklerindeki gelişmeler gözlemlenebilir ve NSSv2'nin verimliliği değerlendirilebilir.