Tesi sperimentale per valutare l'esperienza chirurgica nell'uso del robot Da Vinci Si

Questa tesi si compone di due parti tra loro correlate. Nella prima viene analizzato l’attuale stato dell’arte in ambito di robot chirurgici e, successivamente, sono illustrate le caratteristiche tecniche e funzionali del robot chirurgico Da Vinci Si e ne viene evidenziata la mancanza di sensori in grado di fornire all’utilizzatore un feedback aptico. La seconda parte propone uno studio che ha lo scopo di dimostrare come l’esperienza del chirurgo riesca a sopperire alla mancanza di un sensore in grado di fornire un riscontro della forza impressa sugli strumenti nel campo operatorio. A questo proposito, vengono illustrati i risultati del test appositamente costruito, cui è stato sottoposto un campione di chirurghi di diversi ambiti specialistici, per dimostrare come l’esperienza e la destrezza consentono all’utilizzatore del robot Da Vinci Si di ricevere un’indicazione della forza impressa sui tessuti del campo operatorio tramite un riscontro visivo.

Sviluppo di un ambiente software di test e analisi delle prestazioni di INS di livello navigation e tactical grade

In questa tesi abbiamo provato a definire fino a che punto le misure di sensori siano affidabili, creando un simulatore che sia in grado di analizzare, qualitativamente e quantitativamente, le prestazioni di sensori inerziali facenti parte di sistemi di navigazione inerziale. Non ci siamo soffermati troppo sulle dinamiche dovute agli errori deterministici, che sono eliminabili facilmente mediante prove sperimentali e test, ma abbiamo puntato ad uno studio approfondito riguardante gli errori dovuti a processi stocastici casuali. Il simulatore, programmato sulla piattaforma MATLAB/Simulink, prende i dati grezzi contenuti all’interno dei datasheets dei sensori e li simula, riportando risultati numerici e grafici degli errori risultanti dall’utilizzo di quei specifici sensori; in particolare, esso mette in luce l’andamento degli errori di posizione, velocità ed assetto ad ogni istante di tempo della simulazione. L’analisi effettuata all’interno dell’elaborato ha successivamente condotto all’identificazione dei giroscopi laser come i sensori che soffrono meno di questi disturbi non-sistematici, portandoli ad un livello sopraelevato rispetto ai MEMS ed ai FOG.

Un’applicazione di elaborazione del linguaggio naturale per il gioco di "Indovina chi?" su robot umanoide

La tesi è stata incentrata sul gioco «Indovina chi?» per l’identificazione da parte del robot Nao di un personaggio tramite la sua descrizione. In particolare la descrizione avviene tramite domande e risposte L’obiettivo della tesi è la progettazione di un sistema in grado di capire ed elaborare dei dati comunicati usando un sottoinsieme del linguaggio naturale, estrapolarne le informazioni chiave e ottenere un riscontro con informazioni date in precedenza. Si è quindi programmato il robot Nao in modo che sia in grado di giocare una partita di «Indovina chi?» contro un umano comunicando tramite il linguaggio naturale. Sono state implementate regole di estrazione e categorizzazione per la comprensione del testo utilizzando Cogito, una tecnologia brevettata dall'azienda Expert System. In questo modo il robot è in grado di capire le risposte e rispondere alle domande formulate dall'umano mediante il linguaggio naturale. Per il riconoscimento vocale è stata utilizzata l'API di Google e PyAudio per l'utilizzo del microfono. Il programma è stato implementato in Python e i dati dei personaggi sono memorizzati in un database che viene interrogato e modificato dal robot. L'algoritmo del gioco si basa su calcoli probabilistici di vittoria del robot e sulla scelta delle domande da proporre in base alle risposte precedentemente ricevute dall'umano. Le regole semantiche realizzate danno la possibilità al giocatore di formulare frasi utilizzando il linguaggio naturale, inoltre il robot è in grado di distinguere le informazioni che riguardano il personaggio da indovinare senza farsi ingannare. La percentuale di vittoria del robot ottenuta giocando 20 partite è stata del 50%. Il data base è stato sviluppato in modo da poter realizzare un identikit completo di una persona, oltre a quello dei personaggi del gioco. È quindi possibile ampliare il progetto per altri scopi, oltre a quello del gioco, nel campo dell'identificazione.

Analysis of robot dynamics through complexity measures: an application in automatic design

L'applicazione di misure, derivanti dalla teoria dell'informazione, fornisce un valido strumento per quantificare alcune delle proprietà dei sistemi complessi. Le stesse misure possono essere utilizzate in robotica per favorire l'analisi e la sintesi di sistemi di controllo per robot. In questa tesi si è analizzata la correlazione tra alcune misure di complessità e la capacità dei robot di portare a termine, con successo, tre differenti task. I risultati ottenuti suggeriscono che tali misure di complessità rappresentano uno strumento promettente anche nel campo della robotica, ma che il loro utilizzo può diventare difficoltoso quando applicate a task compositi.

The use of flat panel angioCT (DynaCT) for navigation through a deformed and fractured carotid stent

Navigation through a previously deployed and deformed stent is a difficult interventional task. Inadvertent navigation through the struts of a stent can potentially lead to incomplete secondary stent extension and vessel occlusion. Better visualisation of the pathway through the stent can reduce the risks of the procedural complications and reduce the reluctance of the interventionalist to navigate through a previously deployed stent. We describe a technique of visualisation of the pathway navigated by a guidewire through a previously deployed deformed and fractured carotid stent by the use of DynaCT. Three-dimensional reconstruction of the stent/microwire allows excellent visualisation of the correct pathway of the microwire within the stent.

Radiation dose reduction in computer assisted navigation for functional endoscopic sinus surgery--cadaver head experiments and clinical implementation

Computed tomography based navigation for endoscopic sinus surgery is inflationary used despite of major public concern about iatrogenic radiation induced cancer risk. Studies on dose reduction for CAS-CT are almost nonexistent. We validate the use of radiation dose reduced CAS-CT for clinically applied surface registration.

Comparison of three optical tracking systems in a complex navigation scenario

Three-dimensional rotational X-ray imaging with the SIREMOBIL Iso-C3D (Siemens AG, Medical Solutions, Erlangen, Germany) has become a well-established intra-operative imaging modality. In combination with a tracking system, the Iso-C3D provides inherently registered image volumes ready for direct navigation. This is achieved by means of a pre-calibration procedure. The aim of this study was to investigate the influence of the tracking system used on the overall navigation accuracy of direct Iso-C3D navigation. Three models of tracking system were used in the study: Two Optotrak 3020s, a Polaris P4 and a Polaris Spectra system, with both Polaris systems being in the passive operation mode. The evaluation was carried out at two different sites using two Iso-C3D devices. To measure the navigation accuracy, a number of phantom experiments were conducted using an acrylic phantom equipped with titanium spheres. After scanning, a special pointer was used to pinpoint these markers. The difference between the digitized and navigated positions served as the accuracy measure. Up to 20 phantom scans were performed for each tracking system. The average accuracy measured was 0.86 mm and 0.96 mm for the two Optotrak 3020 systems, 1.15 mm for the Polaris P4, and 1.04 mm for the Polaris Spectra system. For the Polaris systems a higher maximal error was found, but all three systems yielded similar minimal errors. On average, all tracking systems used in this study could deliver similar navigation accuracy. The passive Polaris system showed ? as expected ? higher maximal errors; however, depending on the application constraints, this might be negligible.

Improving cup positioning using a mechanical navigation instrument

Although surgical navigation reduces the rate of malpositioned acetabular cups in total hip arthroplasty (THA), its use has not been widely adopted. As a result of our perceived need for simple and efficient methods of navigation, we developed a mechanical navigation device for acetabular cup orientation.

Retraining of interjoint arm coordination after stroke using robot-assisted time-independent functional training

We have developed a haptic-based approach for retraining of interjoint coordination following stroke called time-independent functional training (TIFT) and implemented this mode in the ARMin III robotic exoskeleton. The ARMin III robot was developed by Drs. Robert Riener and Tobias Nef at the Swiss Federal Institute of Technology Zurich (Eidgenossische Technische Hochschule Zurich, or ETH Zurich), in Zurich, Switzerland. In the TIFT mode, the robot maintains arm movements within the proper kinematic trajectory via haptic walls at each joint. These arm movements focus training of interjoint coordination with highly intuitive real-time feedback of performance; arm movements advance within the trajectory only if their movement coordination is correct. In initial testing, 37 nondisabled subjects received a single session of learning of a complex pattern. Subjects were randomized to TIFT or visual demonstration or moved along with the robot as it moved though the pattern (time-dependent [TD] training). We examined visual demonstration to separate the effects of action observation on motor learning from the effects of the two haptic guidance methods. During these training trials, TIFT subjects reduced error and interaction forces between the robot and arm, while TD subject performance did not change. All groups showed significant learning of the trajectory during unassisted recall trials, but we observed no difference in learning between groups, possibly because this learning task is dominated by vision. Further testing in stroke populations is warranted.

PS-GANS: A Patient-Specific, Gravity Assisted Navigation System for Acetabular Cup Placement

In this paper we propose a new system that allows reliable acetabular cup placement when the THA is operated in lateral approach. Conceptually it combines the accuracy of computer-generated patient-specific morphology information with an easy-to-use mechanical guide, which effectively uses natural gravity as the angular reference. The former is achieved by using a statistical shape model-based 2D-3D reconstruction technique that can generate a scaled, patient-specific 3D shape model of the pelvis from a single conventional anteroposterior (AP) pelvic X-ray radiograph. The reconstructed 3D shape model facilitates a reliable and accurate co-registration of the mechanical guide with the patient’s anatomy in the operating theater. We validated the accuracy of our system by conducting experiments on placing seven cups to four pelvises with different morphologies. Taking the measurements from an image-free navigation system as the ground truth, our system showed an average accuracy of 2.1 ±0.7 o for inclination and an average accuracy of 1.2 ±1.4 o for anteversion.