Keep Your Eye on the Best: Contrastive Regression Transformer for Skill Assessment in Robotic Surgery

计算机科学 人工智能 变压器 特征(语言学) 机器人 帧(网络) 特征向量 回归 手势 模式识别(心理学) 机器学习 统计 数学 电信 语言学 哲学 物理 量子力学 电压
作者
Dimitrios Anastasiou,Yueming Jin,Danail Stoyanov,Evangelos B. Mazomenos
出处
期刊:IEEE robotics and automation letters 卷期号:8 (3): 1755-1762 被引量:12
标识
DOI:10.1109/lra.2023.3242466
摘要

This letter proposes a novel video-based, contrastive regression architecture, Contra-Sformer, for automated surgical skill assessment in robot-assisted surgery. The proposed framework is structured to capture the differences in the surgical performance, between a test video and a reference video which represents optimal surgical execution. A feature extractor combining a spatial component (ResNet-18), supervised on frame-level with gesture labels, and a temporal component (TCN), generates spatio-temporal feature matrices of the test and reference videos. These are then fed into an action-aware Transformer with multi-head attention that produces inter-video contrastive features at frame level, representative of the skill similarity/deviation between the two videos. Moments of sub-optimal performance can be identified and temporally localized in the obtained feature vectors, which are ultimately used to regress the manually assigned skill scores. Validated on the JIGSAWS dataset, Contra-Sformer achieves competitive performance (Spearman 0.65–0.89), with a normalized mean absolute error between 5.8%-13.4% on all tasks and across validation setups.
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