Photoelastic Stress Analysis Error Quantification in Vasculature Models for Robot Feedback Control

Abstract-Real-time and accurate stress calculation in walls of vasculature is desired to provide catheter insertion robots of feedback control without changing the catheter stiffness and lumen. This feedback source has also applications in endovascular surgery simulation for human skills and medical tools evaluation. For that purpose we consider photoelastic effect, as birefringence produced by light retardation relates with the stress inside the photoelastic materials. In this research a polariscope was designed for urethane elastomer vasculature models, the photoelastic coefficient of urethane elastomer was measured, and the camera system was calibrated to quantify and reduce error of the measurement system. An average error of 3.6% was found for the pressure range of 70-189 mmHg inside the model of urethane elastomer, this enables to calculate accurately stress in vasculature models during Human Blood Pressure Simulation (HBPS). That way we will be able to compare in a closed loop stress produced by HBPS and by the catheter motion when manipulated by a robot. I. INTRODUCTION RAINING with simulators reduces risks of injury and costs during practice for minimally invasive surgery C. Tercero is with Nagoya University, Aiichi-ken Nagoya-shi Chikusa-ku Furo-cho 1, 464-8603 JAPAN (phone: +81-52-788-6013; fax: +81-52-788-6013; e-mail: [email protected]). S. Ikeda is with Nagoya University, Aiichi-ken Nagoya-shi Chikusa-ku Furo-cho 1, 464-8603 JAPAN (phone: +81-52-788-6013; fax: +81-52-788-6013; e-mail: ikeda @robo.mein.nagoya-u.ac.jp). In previous studies photoelastic effect was used with a catheter insertion robot to evaluate catheters In this research we will present a calibration method for the transmittance equation to measure the optical path length, a polariscope designed for our simulation purpose, the deduction of the photoelastic coefficient of urethane elastomer, and the normalization parameters calibration to calculate the principal component of stress in the vasculature model with an inner pressure range of 40-189mmHg. It is desirable to measure stress with an error below 5% for the HBPS range, to use it as reference for control loop illustrated in figure 2. Photoelastic Stress Analysis Error Quantification i

HUMAN-ROBOT COLLABORATION IN ROBOTIC-ASSISTED SURGICAL TRAINING

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Modelos de simulação clínica virtual : revisão de escopo

Orientador: Prof. Dr. Jorge Vinícius Cestari FelixCoorientador: Profª Drª Shirley BollerDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências da Saúde, Programa de Pós-Graduação em Enfermagem. Defesa : Curitiba, 25/03/2022Inclui referências: p. 90-100Área de concentração: Prática Profissional de EnfermagemResumo: O objetivo deste presente estudo foi identificar quais modelos de simulação clínica virtual descritos na literatura científica são utilizados como estratégia de ensino em estudantes e profissionais de enfermagem. A simulação clínica, é uma técnica que substitui as experiências reais por experiências guiadas replicáveis permitindo aos estudantes e profissionais de enfermagem vivenciarem a representação de um acontecimento real. Uma vez que a simulação clínica virtual utiliza um computador de alto nível, fazendo com que essa técnica viabilize condições de maior segurança e autoconfiança do estudante durante sua formação teórica e prática, consolidando seus conhecimentos, habilidades e competências. Método: Revisão sistematizada do tipo Scoping Review, que consiste nas cinco etapas: (1) formulação da questão de pesquisa (2) identificação dos estudos relevantes; (3) seleção de estudos; (4) mapeamento de evidências científicas; (5) apresentação e interpretação dos resultados. As bibliotecas digitais e bases de dados escolhidas para este estudo foram: PubMed, Medline, Scielo, Scopus, BvS, Web of Science, Lilacs, Embase, Ebsco. Os descritores utilizados foram: Simulação/ Simulação clínica/ Simulação clínica virtual/ Realidade virtual /Treinamento por Simulação/ Treinamento com Simulação de Alta Fidelidade/ Simulação por Computador/ Estudante de Enfermagem/ Estratégias de ensino/ Educação. A coleta de dados ocorreu no período de 1° de maio até 1° de novembro do ano de 2020. Foram descritos os seguintes critérios de seleção: trabalhos de qualquer natureza que retratam estudos sob simulação clínica virtual em estudantes de enfermagem da graduação e pós-graduação; artigos publicados na literatura nacional e internacional nos idiomas português, inglês e espanhol dos últimos 20 anos, desde janeiro 2000 até agosto 2020, todos estes disponíveis online nas bases de dados consultados e aqueles que respondem ao problema ou questão de revisão. Os dados extraídos foram analisados e sintetizados narrativamente. Resultados: Dos 711 artigos recuperadas na busca, foram salvas para revisão e conteúdo, onde apenas 52 artigos duplicados e excluídas por não contribuírem com elementos para a análise temática desta revisão, 507 estudos foram excluídos com base no título e resumo, dos quais 152 foram selecionados, assim 99 estudos foram excluídos com base no conteúdo. Apenas 53 estudos atenderam os critérios de seleção para o estudo. Destes, 16 foram selecionados no Scopus, 17 no Medline/PubMed, 1 no Embase, 11 no Ebesco, 1 no BvS, 7 no Web Of Science e 5 no PubMed Central. Conclusão: Esta revisão de escopo fornece uma avaliação abrangente do uso de diferentes modelos de simulação clínica virtual no ensino de enfermagem, esses modelos podem melhorar o conhecimento de estudantes e profissionais de enfermagem. Em geral, o uso da simulação de realidade virtual deve ser considerado para aprimorar o conhecimento e como complemento a outras estratégias de simulação para melhorar a qualidade e a segurança da prática clínica. No entanto, a heterogeneidade e o risco de viés entre os estudos incluídos devem ser levados em consideração. Estudos de grande escala rigorosamente desenhados são necessários para confirmar ainda mais os resultados desta revisão.Abstract: The objective of this present study was to identify which virtual clinical simulation models described in the scientific literature are used as a teaching strategy for nursing students and professionals. Clinical simulation is a technique that replaces real experiences with replicable guided experiences, allowing nursing students and professionals to experience the representation of a real event. Since the virtual clinical simulation uses a high-level computer, making this technique possible conditions of greater security and self-confidence of the student during their theoretical and practical training, consolidating their knowledge, skills and competences. Method: Systematized review of the Scoping Review type, which consists of five steps: (1) formulation of the research question (2) identification of relevant studies; (3) selection of studies; (4) mapping of scientific evidence; (5) presentation and interpretation of results. The digital libraries and databases chosen for this study were: PubMed, Medline, Scielo, Scopus, BvS, Web of Science, Lilacs, Embase, Ebesco. The descriptors used were: Simulation / Clinical Simulation / Virtual Clinical Simulation / Virtual Reality / Training by Simulation / Training with High Fidelity Simulation / Computer Simulation / Nursing Student / Teaching Strategies / Education. Data collection took place from May 1st to November 1st, 2020. The following selection criteria were described: works of any nature that portray studies under virtual clinical simulation in undergraduate and graduate nursing students graduation; articles published in national and international literature in Portuguese, English and Spanish for the last 20 years, from January 2000 to August 2020, all of which are available online in the consulted databases and those that respond to the problem or review question. The extracted data were analyzed and synthesized narratively. Results: Of the 711 articles retrieved in the search, they were saved for review and content, where only 52 articles were duplicated and excluded for not contributing elements to the thematic analysis of this review, 507 studies were excluded based on title and abstract, of which 152 were selected, thus 99 studies were excluded based on content. Only 53 studies met the selection criteria for the study. Of these, 16 were selected from Scopus, 17 from Medline/PubMed, 1 from Embase, 11 from Ebesco, 1 from BvS, 7 from Web Of Science and 5 from PubMed Central. Conclusion: This scoping review provides a comprehensive assessment of the use of different virtual clinical simulation models in nursing education, these models can improve the knowledge of nursing students and professionals. In general, the use of virtual reality simulation should be considered to enhance knowledge and as a complement to other simulation strategies to improve the quality and safety of clinical practice. However, heterogeneity and risk of bias among included studies must be taken into account. Large-scale rigorously designed studies are needed to further confirm the results of this review

Shared control for natural motion and safety in hands-on robotic surgery

Hands-on robotic surgery is where the surgeon controls the tool's motion by applying forces and torques to the robot holding the tool, allowing the robot-environment interaction to be felt though the tool itself. To further improve results, shared control strategies are used to combine the strengths of the surgeon with those of the robot. One such strategy is active constraints, which prevent motion into regions deemed unsafe or unnecessary. While research in active constraints on rigid anatomy has been well-established, limited work on dynamic active constraints (DACs) for deformable soft tissue has been performed, particularly on strategies which handle multiple sensing modalities. In addition, attaching the tool to the robot imposes the end effector dynamics onto the surgeon, reducing dexterity and increasing fatigue. Current control policies on these systems only compensate for gravity, ignoring other dynamic effects. This thesis presents several research contributions to shared control in hands-on robotic surgery, which create a more natural motion for the surgeon and expand the usage of DACs to point clouds. A novel null-space based optimization technique has been developed which minimizes the end effector friction, mass, and inertia of redundant robots, creating a more natural motion, one which is closer to the feeling of the tool unattached to the robot. By operating in the null-space, the surgeon is left in full control of the procedure. A novel DACs approach has also been developed, which operates on point clouds. This allows its application to various sensing technologies, such as 3D cameras or CT scans and, therefore, various surgeries. Experimental validation in point-to-point motion trials and a virtual reality ultrasound scenario demonstrate a reduction in work when maneuvering the tool and improvements in accuracy and speed when performing virtual ultrasound scans. Overall, the results suggest that these techniques could increase the ease of use for the surgeon and improve patient safety.Open Acces

De la neurochirurgie guidée par l'image,<br />au processus neurochirurgical assisté par la connaissance et l'information

La totalité des services français de neurochirurgie est aujourd'hui équipée de systèmes de neuronavigation. Ces systèmes de chirurgie guidée par l'image permettent le lien direct entre le patient, en salle d'opération, et ses images pré opératoires ; c'est-à-dire que le neurochirurgien, en salle d'opération et à tout instant, connaît, à partir d'un point désigné sur le patient par un outil, le point correspondant dans ses images d'IRM ou de Scanner X. Ceci est possible grâce à des localisateurs tridimensionnels et des logiciels de recalage d'images. Les bénéfices de tels systèmes pour le patient ont déjà été montrés. Ils rendent notamment la chirurgie plus sûre et moins invasive.Il est important de considérer le concept de chirurgie guidée par l'image comme un processus qui ne se réduit pas à la seule étape de réalisation du geste chirurgical. Depuis près d'une dizaine d'années, il existe un consensus sur l'importance de l'étape de préparation pour anticiper la réalisation du geste. Ce processus peut aussi inclure des étapes de choix de la stratégie chirurgicale, de simulation ou de répétition du geste et de suivi post opératoire du patient. Chaque étape de ce processus se fonde sur des observations liées au patient, comme ses images pré opératoires, sur des connaissances génériques explicites, comme des livres ou des atlas numériques d'anatomie, et sur des connaissances implicites résultant de l'expérience du chirurgien. Malgré cela, dans les systèmes actuels de chirurgie guidée par l'image, la seule information explicite utilisée est, le plus souvent, réduite à une simple imagerie anatomique. Alors que si l'on introduisait dans ces systèmes les images multimodales du patient, on prendrait mieux en compte la complexité anatomique, physiologique et métabolique des structures cérébrales. Sans compter que dans ces systèmes, la préparation de la procédure chirurgicale se réduit principalement à la définition de la cible et d'une trajectoire d'accès rectiligne. Si l'on considérait la procédure comme une succession d'étapes et d'actions, on permettrait au neurochirurgien de mieux préparer et, donc, de mieux réaliser son geste. Son savoir-faire implicite pourrait être explicité. Enfin, ces systèmes ne tiennent pas compte des déformations anatomiques intra opératoires dues, notamment, au geste chirurgical. Ainsi, les images pré opératoires du patient deviennent rapidement obsolètes et ne correspondent plus à la réalité anatomique du patient.Il existe donc un fossé entre la chirurgie telle qu'elle est vue par ces systèmes et la réalité chirurgicale. C'est ce fossé que je cherche à combler.Mes travaux de recherche se situent dans le domaine du génie biologique et médical. Ils incluent des aspects liés au traitement d'images et à l'informatique médicale. Le domaine d'application est la neurochirurgie. Les méthodes mises en oeuvre dans les travaux que je présenterai s'appuient sur un concept de coopération entre observations et connaissances. Ainsi, sur l'aspect observations, je présenterai l'introduction d'images multimodales du patient, dans le processus chirurgical, qu'elles soient pré ou intra opératoires. Sur l'aspect connaissances, je présenterai une démarche qui permet de formaliser certaines connaissances relatives à la neurochirurgie.La méthodologie de recherche que j'ai utilisée suit une approche itérative, où l'application clinique est centrale. A partir des connaissances médicales, les spécifications d'un nouveau projet sont définies. Ces spécifications entraînent le développement de nouvelles méthodes et leur implémentation par le biais d'un prototype d'application. Ce prototype permet, grâce àune utilisation pré clinique, d'évaluer ces méthodes. Cette implémentation et cette phase d'utilisation autorisent aussi un retour vers la méthode, pour vérifier la pertinence des choix réalisés et pour contribuer à son amélioration. Enfin, cette boucle permet une validation des connaissances initiales et un possible enrichissement de celles-ci. Les objectifs de mes recherches sont donc, à la fois, l'élaboration de nouveaux systèmes d'intérêt thérapeutique et la génération de nouvelles connaissances chirurgicales.Ce document aborde trois domaines principaux : la neurochirurgie guidée par l'image, la neurochirurgie guidée par l'information et la validation des outils de traitement d'images médicales en chirurgie guidée par l'image. Pour chacun de ces domaines, je présenterai le contexte et l'état de l'art, les contributions personnelles apportées au domaine et ses perspectives d'évolution.Dans le premier chapitre, je présenterai comment l'imagerie médicale peut assister la chirurgie. Pour cela, j'introduirai les méthodes de traitement d'images, plus particulièrement le recalage et la fusion d'images médicales. Ces dernières sont incontournables en neurochirurgie guidée par l'image, le principe même de ce type de chirurgie étant cette mise en correspondance géométrique entre repère des images et repère du patient. Puis, je présenterai le principe du processus chirurgical assisté par l'image, en décrivant les différentes étapes mises en jeu dans un tel processus. Je présenterai mes contributions : 1) l'introduction du concept de neuronavigation multimodale et multi informationnelle, et 2) l'introduction du concept de virtualité augmentée, en complément aux approches de réalité augmentée.Dans le deuxième chapitre, je présenterai le concept récent de chirurgie guidée par l'information, qui s'appuie sur une formalisation du processus chirurgical et des connaissances associées. Nous verrons que ce processus peut être étudié selon différents angles, chaque angle d'étude correspondant à un objectif applicatif précis. Je présenterai une méthodologie complète permettant supervision et apprentissage par : 1) la prise en compte, dans le processus de chirurgie guidée par l'image multimodale, de certaines connaissances implicites du chirurgien, notamment liées à son expertise chirurgicale, en les rendant explicites, et 2) la génération de connaissances sur la chirurgie.Les deux premiers chapitres démontrent comment il peut être intéressant de faire coopérer images et connaissances. Dans le troisième chapitre, nous proposerons d'appliquer ce concept de coopération entre observations et connaissances au contexte des déformations anatomiques intra opératoires. Nous montrerons la complexité de ce phénomène, et de ses causes, et les limites des méthodes présentées dans la littérature. Nous décrirons succinctement comment ce concept pourra être appliqué dans le cadre d'un projet de recherche qui débute.Dans le quatrième chapitre, j'insisterai sur l'importance de la validation des outils de traitement d'images en chirurgie guidée par l'image. J'introduirai la terminologie et la méthodologie liées à la validation principalement technique des outils de traitement d'images, en soulignant le besoin de standardisation. Je présenterai mes contributions au domaine : la définition d'une méthodologie standardisée pour la validation des méthodes de recalage d'images médicales, basée sur la comparaison avec une référence.Je terminerai, dans le cinquième chapitre, par une ébauche de description des évolutions à court et à long terme de la chirurgie, s'inspirant des réflexions et résultats des chapitres précédents

University of South Alabama College of Medicine Annual Report for 2017-2018

This Annual Report of the College of Medicine catalogues accomplishments of our faculty, students, residents, fellows and staff in teaching, research, scholarly and community service during the 2017-2018 fiscal year.https://jagworks.southalabama.edu/com_report/1002/thumbnail.jp