Important challenges in retinal microsurgery include prolonged operating time, inadequate force feedback, and poor depth perception due to a constrained top-down view of the surgery. The introduction of robot-assisted technology could potentially deal with such challenges and improve the surgeon's performance. Motivated by such challenges, this work develops a strategy for autonomous needle navigation in retinal microsurgery aiming to achieve precise manipulation, reduced end-to-end surgery time, and enhanced safety. This is accomplished through real-time geometry estimation and chance-constrained Model Predictive Control (MPC) resulting in high positional accuracy while keeping scleral forces within a safe level. The robotic system is validated using both open-sky and intact (with lens and partial vitreous removal) ex vivo porcine eyes. The experimental results demonstrate that the generation of safe control trajectories is robust to small motions associated with head drift. The mean navigation time and scleral force for MPC navigation experiments are 7.208 s and 11.97 mN, which can be considered efficient and well within acceptable safe limits. The resulting mean errors along lateral directions of the retina are below 0.06 mm, which is below the typical hand tremor amplitude in retinal microsurgery.


翻译:视网膜微外科的重要挑战包括:长时间的操作时间、力量反馈不足、以及由于对外科手术的自上而下观点有限而导致的深度感知差等。采用机器人辅助技术有可能应对此类挑战并改进外科医生的性能。受此类挑战的驱动,这项工作为视网膜微外科手术的自主针头导航制定了战略,目的是实现精确操纵、减少端到端手术时间和加强安全。通过实时几何估计和受机率限制的模型预测控制(MPC),导致高度定位精确,同时将神灵力保持在安全水平上。机器人系统使用开放天空和完整(透视和部分振动)的外阴孔眼进行验证。实验结果显示,安全控制轨迹的生成对于与头漂移有关的小动作是强大的。MPC导航实验的平均导航时间和锐力是7.208秒和11.97米N,这可以被视为高效且完全在可接受的安全限度内。导致的超音率误误差,其结果发生在平面方向(透视和微流)下。

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