In surgery, suturing is the use of needle and thread to join cut and/or damaged anatomical structures together. This repair strategy is highly versatile and is universal for all types of surgery as the goal is to restore, repair or improve function and/or appearance. The needles are almost always curved in shape, and it is handled and maneuvered by surgeons with a special tool called: needle driver. The versatility of this setup has proven its worth over time as needle drivers are one of the indispensable instruments in all types of surgery. We are entering a future where robots can be programmed to execute tasks with much higher level of precision and speed compared to humans. Medical robotics in surgery has gained ground over the past decades due to promising clinical results. A straightforward step in this direction would be to create a solution that enables the robot to grip needle driver. The purpose of this study was to develop a gripper tool that enables a collaborative robot to perform suturing with one of the most common types of needle drivers used in surgery. The Double Diamond design framework was employed. The selected content in the predefined four phases were: 1) Discover: Observation, MoSCoW Prioritization, Brainstorming, Choosing a Sample, Fast Visualisation, 2) Define: Assessment criteria, 3) Develop: Physical prototyping 4) Deliver: Final testing and Evaluation. In the first phase, Discover, clinical and technical demands were formulated. In the second phase, Define, numerous design ideas were generated and drafted on paper whereof the one with highest assessment score was chosen for physical prototyping. In phase three, Develop, the selected design idea was modelled in cardboard, clay and silicon, and 3D printed. Multiple design iterations were guided by feedback from clinical and technical experts and resulted in a final prototype design that was accepted by the experts. In phase four, Deliver, the final prototype was subjected to final testing and evaluation. Observation of five live and one video recording of surgical procedures on real patients were made. The insights gained were confirmed with the lead and co-surgeons of each procedure and were summarized in 24 clinically important observations relevant for the gripper tool design. Careful analysis of the previously designed gripper tool, live observation of the robot’s motion pattern and range, and interview with robotic engineer were summarized in ten technically important observations. The observations were then used to formulate the clinical and technical demands that the gripper tool design aims to fulfill, followed by prioritizing the demands and design features according by MoSCoW method and brainstorming on how to improve previous gripper tool design. To limit the scope of the design challenge, one of the five types of needle drivers used in pediatric heart surgery in Lund was selected in the method Choosing a Sample. To further characterize the clinical and technical demands, a test bench was set up to Define and measure force vectors applied on the needle driver when held by a surgeon during suturing. The radial forces vectors in six directions perpendicular to the tip of the needle driver ranged from 1.6 N to 3.8 N. The axial force along the length of the needle driver was 7.6 N towards the tip and 8.4 N towards the back end. The clockwise and counterclockwise torque along the length axis of the needle driver was 0.2 Nm and 0.18 Nm, respectively. The set of defined demands were sufficient to sketch numerous ideas of gripper tool designs according to the Fast Visualization method. These designs were then used in the Define phase to communicate the design ideas with surgeons, robotic and product development engineers. The most promising idea was advanced to the Develop phase where physical prototypes were produced in cardboard, clay and silicon and 3D printed. Inadequacies were found during design feedback with interviews and testing together with clinical and technical experts, and design actions were taken to arrive at the final prototype. The final prototype was brought into the Deliver phase for final testing and evaluation. The gripper tool could handle lager force loads than the human surgeon in all the stability tests. However, deflection of the needle driver occurred with the gripper tool unlike when the surgeon was subject to stability testing. One pediatric heart surgeon and one robotic engineer was asked to generate a composite score of fulfillment rate from 1–5, where 1 is bad, 3 satisfactory, and 5 excellent after final testing of the gripper tool was carried out. The final prototype of the gripper tool fulfills all clinical and technical demands at the level of 4, and 3–5, respectively. In conclusion, the design methodology used in this study was useful in the development of a gripper tool design that respects both clinical and technical demands. This suggest that the methodology may be used in similar setting of design challenges in the field between medical and technical innovation. The gripper tool fulfilled the demands, although further refinement in the choice of material, further testing and investigation of regulatory aspects are required before it can be implemented in the operating room. / Vid operation är suturering användningen av nål och tråd för att sammanfoga snittad och/eller skadade anatomiska strukturer. Denna reparationsstrategi är mycket mångsidig och universell för alla typer av kirurgi eftersom målet är att återställa reparera eller förbättra funktion och/eller anatomisk defekt. Nålarna är nästan alltid krökta i sin form och de hanteras och manövreras av kirurgerna med ett speciellt verktyg som kallas: nålförare. Mångsidigheten i denna uppställning har visat sig över tid eftersom nålförare är ett av de oumbärliga instrumenten vid alla typer av operationer. Vi går in i en framtid där robotar kan programmeras för att utföra uppgifter med mycket högre precision och hastighet jämfört med människor. Medicinska robotar inom kirurgi har varit på frammarsch senaste årtionden på grund av goda kliniska resultat. Ett steg i denna riktning skulle vara att skapa en lösning som gör det möjligt för en robot att greppa nålföraren. Syftet med denna studie var att utveckla ett gripdon som möjliggör för en kollaborativ robot att utföra suturering med hjälp av en av de vanligaste typerna av nålförare som används vid operation. Design metodiken Double Diamond användes för att beskriva design processensen. Det valda metoderna i de fyra för definierade faser var: 1) Discover: Observation, MoSCoW Prioritization, Brainstorming, Choosing a Sample, Fast Vissualization, 2) Define: Assessment criteria, 3) Develop: Physical Prototyping, 4) Deliver: Final testing and Evaluation. I första fasen, Discover, formulerades kliniska och tekniska krav. I den andra fasen, Define, definierades flera designidéer som skissades på papper, varav den med den högsta poängen valdes i Assessment criteria. I fas tre, Develop, modellerades den valda designidén i kartong, lera och silikon samt 3D-printades. Flera designiterationer gjordes baserat på feedback från kliniska och tekniska experter vilket resulterade i en slutlig prototypdesign som godkändes av experterna. I fas fyra, Deliver, testades och utvärderades den slutliga prototypen. Observation av fem realtids och en videoinspelning av kirurgiska ingrepp på riktiga patienter gjordes. Insikterna som gjordes bekräftades med kirurgerna som genomförde operationen och sammanfattades i 24 kliniskt viktiga observationer som var relevanta för gripdon designen. Noggrann realtids observation av robotens rörelsemönster samt analys av det tidigare utformade gripdonen och intervju med en robotingenjör sammanfattades i tio tekniskt viktiga observationer. Observationerna användes för att formulera kliniska och tekniska krav som gripdons designen strävar efter att uppfylla, följt av prioritering av kraven och designegenskaper enligt MoSCoW-metoden och brainstorming kring hur tidigare gripdons design kan förbättras. För att begränsa designutmaningens omfattning valdes en av de fem typer av nålförare som används vid barnhjärtkirurgi i Lund genom metoden Chossing a sample. För att ytterligare karakterisera de kliniska och tekniska kraven upprättades en testbänk för att definiera och mäta kraftvektorer som appliceras på nålföraren när den hålls av en kirurg under suturering. De radiella krafterna i sex riktningar vinkelrätt mot nålförarens spets varierade från 1,6 N till 3,8 N. Den axiella kraften längs nålförarens längd var 7,6 N mot spetsen och 8,4 N mot bakänden. Medurs och moturs vridmoment längs nålförarens längdaxel var 0,2 Nm respektive 0,18 Nm. Dom definierade kraven låg till grund för skisser av flertal gripdondesign idéer enligt Fast Visualization. Dessa skisser användes sedan i Define fasen för att kommunicera designidéer med kirurger samt robot- och produktutvecklingsingenjörer. Den mest lovande idén togs till Develop fasen där fysiska prototyper togs fram i kartong, lera och silikon samt genom 3D-printning. Förbättringspunkter hittades under testning och återkoppling med intervjuer tillsammans med kliniska och tekniska experter. Designåtgärder baserat på återkopplingen gjordes för att komma fram till den slutliga prototypen. Slutlig testning och utvärdering av den slutliga prototypen genomfördes i Deliver fasen. Gripdons designen kunde hantera större belastningar än den mänskliga kirurgen i alla stabilitetstester. Böjning av nålföraren uppstod dock i testerna med gripverktyget till skillnad från testerna med kirurgen var föremål för stabilitetsprovning. En barnhjärtkirurg och en robotingenjör poängsatte uppfyllnadsgrad av de kliniska respektive tekniska kraven efter att slutlig testning av gripdonet utförts. Uppfyllnadsgraden poängsattes från 1–5 där 1 var dålig, 3 tillfredsställande och 5 utmärkt. Gripdonets slutliga prototyp uppfyller alla kliniska och tekniska krav på nivå 4 respektive 3–5. Designmetodiken som användes i denna studie var användbar för utvecklingen av gripdon som uppfyller både de kliniska och tekniska kraven. Detta tyder på att denna metod kan användas i liknande designutmaningar inom området mellan medicinsk och teknisk innovation. Gripdonet uppfyllde kraven även om ytterligare förfining i materialvalet, ytterligare testning och undersökning av regulatoriska aspekter krävs innan den kan användas under riktiga operationer i operationssalen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-272827 |
| Date | January 2019 |
| Creators | Andersson, Emma |
| Publisher | KTH, Medicinteknik och hälsosystem |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-CBH-GRU ; 2019:094 |
Page generated in 0.0031 seconds