Compliant control of a teleoperated endoscope robot

Abstract

With the development of the technology, robots are started to be used in many medical application including minimally invasive surgery to overcome disadvantages of conventional open surgery procedures. This thesis is a part of the research project called “Robot-assisted endoscope control that can be controlled by the surgical tools (NeuRobo- Scope)” for the minimally invasive endoscopic pituitary gland tumor surgery side. During the procedure, endoscope is handled by a robot which moves the endoscope in the human nasal cavity and the movement of the endoscope is constrained by soft tissues. Another operation scenario is the positioning of the endoscope by the surgeon backdriving the endoscope holder robot. In the scope of this thesis, two research problems are addressed which are controlling the interaction between (1) surgeon - robot and (2) robot - soft tissue. First, the interaction of the surgeon and the robot is studied. Effects of the compliant controller parameters are experimentally tested by using a single degree of freedom non-backdrivable experimental set-up. A task is defined to quantitatively compare the effect of the controller parameters on the performance in terms of the energy efficiency and the accuracy. The second research problem involves human nasal tissue modeling in order to design an accurate controller. To acquire data from the human cadaver, a new hand-held measurement device is designed. The external forces and moments and the soft tissue models are obtained in an ex-vivo experiment. After the soft tissue models are identified, a modified interaction control is proposed for the teleoperated endoscope holder robot. The defined surgery procedure is tested with the proposed interaction controller via single degree-of-freedom experimental set-up. Experiments of the proposed controllers were successful for the defined operation scenario and the results show that it is possible to realize the motion control of the surgical robots in a constrained environment.

Teknolojinin gelişmesi ile birlikte robotlar, minimal invazif ameliyatlar da dahil olmak üzere birçok tıbbi alanda kullanılmaya başlanmıştır. Bu tez, ’Cerrahi aletlerle yönlendirilebilen robot yardımlı endoskop kontrol sistemi (NeuRoboScope)’ isimli bilimsel araştırma projesinin bir parçasıdır. Proje kapsamında endoskopik hipofiz bezi ameliyatı vakası ele alınmıştır. Bu ameliyat sırasında, endoskobunu hareketi insanın burun boşluğundaki hassas dokular sebebiyle sınırlıdır. Bu tezin kapsamında araştırma preoblemleri, (1) cerrah - robot ve (2) robot-hasta olmak üzere iki ana başlık altında toplanmıştır. Öncelikle doktorun endoskop tutucu robot ile olan etkileşimi ele alınmıştır. Uyumlu kontrolcünün parametrelerinin etkileri, tek serbestlik dereceli geri sürülemeyen bir cihazda deneysel olarak test edilmiştir. Bu etkileri nicel olarak karşılaştırabilmek için bir yöntem önerilmiştir. Ele alınan ikinci araştırma konusu ise robot ve hastanın etkileşimidir. Etkili bir uyumlu kontrolcü tasarımı yapabilmek için insana ait burun dokusunun viskoelastik modeli çıkartılmıştır. Bu amaçla kadavra üzerinden ölçüm alabilecek taşınabilir bir düzenek önerilmiştir. Ayrıca ameliyat sırasında karşılaşılabilecek kuvvet ve moment limitleri tespit edilmiştir. Elde edilen bu bilgiler doğrultusunda, uzaktan kontrol edilebilen robot ile burun dokusu arasıda gerçekleşen uyumlu denetim, deneysel ve benzetim yöntemleri kullanılarak test edilmiştir. Belirli bir senaryo dikkate alınarak yapılan deney sonuçları göstermiştir ki, hassas dokular etrafında çalışacak bir robot güvenli bir şekilde kontrol edilebilir.