Three-Dimensional Force Perception of Robotic Bipolar Forceps for Brain Tumor Resection

手术器械 医学 接触力 感知 模拟 镊子 人工智能 机器人 计算机科学 计算机视觉 生物医学工程 物理 心理学 外科 工程类 机械工程 神经科学 量子力学
作者
Xiuheng Zhang,Heng Zhang,Zhen Li,Gui‐Bin Bian
出处
期刊:Journal of Medical Devices-transactions of The Asme [ASME International]
卷期号:15 (3) 被引量:6
标识
DOI:10.1115/1.4051361
摘要

Abstract Three-dimensional force perception is critically important in the enhancement of human force perception to minimize brain injuries resulting from excessive forces applied by surgical instruments in robot-assisted brain tumor resection. And surgeons are not responsive enough to interpret tool-tissue interaction forces. In previous studies, various force measurement techniques have been published. In neurosurgical scenarios, there are still some drawbacks to these presented approaches to forces perception. Because of the narrow, and slim configuration of bipolar forceps, three-dimensional contact forces on forceps tips are not easy to be traced in real-time. Five fundamental acts of handling bipolar forceps are poking, opposing, pressing, opening, and closing. The first three acts independently correspond to the axial force of z, x, y. So, in this paper, typical interactions between bipolar forceps and brain tissues have been analyzed. A three-dimensional force perception technique to collect force data on bipolar forceps tips by installing three fiber Bragg grating sensors (FBGs) on each prong of bipolar forceps in real-time is proposed. Experiments using a tele-neurosurgical robot were performed on an in vitro pig brain. In the experiments, three-dimensional forces were tracked in real-time. It is possible to experience forces at a minimum of 0.01 N. The three-dimensional force perception range is 0–4 N. The calibrating resolution on x, y, and z, is 0.01, 0.03, 0.1 N, separately. According to our observation, the measurement accuracy precision is over 95%.
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