This paper provides a broad overview of medical robot systems used in surgery. After introducing basic concepts of computer-integrated surgery, surgical CAD/CAM, and surgical assistants, it discusses some of the major design issues particular to medical robots. It then illustrates these issues and the broader themes introduced earlier with examples of current surgical CAD/CAM and surgical assistant systems. Finally, it provides a brief synopsis of current research challenges and closes with a few thoughts on the research/industry/clinician teamwork that is essential for progress in the field.

Active compliance enables robots to carry out tasks in the presence of significant sensing and control errors. Compliant motions are quite difficult for humans to specify, however. Furthermore, robot programs are quite sensitive to details of geometry and to error characteristics and must, therefore, be constructed anew for each task. These factors motivate the search for automatic synthesis tools for robot program ming, especially for compliant motion. This paper describes a formal approach to the synthesis of compliant-motion strategies from geometric descriptions of assembly operations and explicit estimates of errors in sensing and control. A key aspect of the approach is that it provides criteriafor correct ness of compliant-motion strategies.

This paper reports the development of a robotic system designed to extend a human’s ability to perform small-scale (sub-millimeter) manipulation tasks requiring human judgment, sensory integration, and hand-eye coordination. Our novel approach, which we call steady-hand micromanipulation, is for tools to be held simultaneously both by the operator’s hand and a specially designed actively controlled robot arm. The robot’s controller senses forces exerted by the operator on the tool and by the tool on the environment, and uses this information in various control modes to provide smooth, tremor-free, precise positional control and force scaling. Our goal is to develop a manipulation system with the precision and sensitivity of a machine, but with the manipulative transparency and immediacy of hand-held tools for tasks characterized by compliant or semi-rigid contacts with the environment.

COVID-19 may drive sustained research in robotics to address risks of infectious diseases.

A proposed framework for regulatory, ethical, and legal discussions identifies six levels of autonomy for medical robotics.

We present a telerobotics research platform that provides complete access to all levels of control via open-source electronics and software. The electronics employs an FPGA to enable a centralized computation and distributed I/O architecture in which all control computations are implemented in a familiar development environment (Linux PC) and low-latency I/O is performed over an IEEE-1394a (FireWire) bus at speeds up to 400 Mbits/sec. The mechanical components are obtained from retired first-generation da Vinci ® Surgical Systems. This system is currently installed at 11 research institutions, with additional installations underway, thereby creating a research community around a common open-source hardware and software platform.

The goal of the work described is to develop a new generation of "intelligent" surgical systems that can work cooperatively with a human surgeon to off-load routine tasks, reduce the number of people needed in the operating room, and provide new capabilities that complement the surgeon's own skills. An underlying premise of this work is that machine capabilities coupled with human judgement can accomplish many tasks better than either could do alone. A further premise is that such a partnership is synergistic with present trends toward geometrically precise, image guided, and minimally invasive therapies. The net result will be better clinical results, lower net costs through shorter hospital stays and recovery times, and reducing the chances for repeated surgery.< >

This paper introduces Surgical Data Science as an emerging scientific discipline. Key perspectives are based on discussions during an intensive two-day international interactive workshop that brought together leading researchers working in the related field of computer and robot assisted interventions. Our consensus opinion is that increasing access to large amounts of complex data, at scale, throughout the patient care process, complemented by advances in data science and machine learning techniques, has set the stage for a new generation of analytics that will support decision-making and quality improvement in interventional medicine. In this article, we provide a consensus definition for Surgical Data Science, identify associated challenges and opportunities and provide a roadmap for advancing the field.

In this paper we present the clinical motivation, design specifications, kinematics, statics, and actuation compensation for a newly constructed telerobotic system for Minimally Invasive Surgery (MIS) of the throat. A hybrid dual-arm telesurgical slave, with 20 joint-space Degrees-of-Freedom (DoFs), is used in this telerobotic system to provide the necessary dexterity in deep surgical fields such as the throat. The telerobotic slave uses novel continuum robots that use multiple super-elastic backbones for actuation and structural integrity. We present the kinematics of the telesurgical slave and methods for actuation compensation to cancel the effects of backlash, friction, and flexibility of the actuation lines. A method for actuation compensation is presented in order to overcome uncertainties of modeling, friction, and backlash. This method uses a tiered hierarchy of two novel approaches of actuation compensation for remotely actuated snake-like robots. The tiered approach for actuation compensation uses compensation in both joint space and configuration space of the continuum robots. These hybrid actuation compensation schemes use intrinsic model information and external data through a recursive linear estimation algorithm and involve compensation using configuration space and joint space variables. Experimental results validate the ability of our integrated telemanipulation system through experiments of suturing and knot tying in confined spaces.

Purpose: Intensity modulated radiation therapy (IMRT) treatment plan quality depends on the planner's level of experience and the amount of time the planner invests in developing the plan. Planners often unwittingly accept plans when further sparing of the organs at risk (OARs) is possible. The authors propose a method of IMRT treatment plan quality control that helps planners to evaluate the doses of the OARs upon completion of a new plan. Methods: It is achieved by comparing the geometric configurations of the OARs and targets of a new patient with those of prior patients, whose plans are maintained in a database. They introduce the concept of a shape relationship descriptor and, specifically, the overlap volume histogram (OVH) to describe the spatial configuration of an OAR with respect to a target. The OVH provides a way to infer the likely DVHs of the OARs by comparing the relative spatial configurations between patients. A database of prior patients is built to serve as an external reference. At the conclusion of a new plan, planners search through the database and identify related patients by comparing the OAR‐target geometric relationships of the new patient with those of prior patients. The treatment plans of these related patients are retrieved from the database and guide planners in determining whether lower doses delivered to the OARs in the new plan are feasible. Results: Preliminary evaluation is promising. In this evaluation, they applied the analysis to the parotid DVHs of 32 prior head‐and‐neck patients, whose plans are maintained in a database. Each parotid was queried against the other 63 parotids to determine whether a lower dose was possible. The 17 parotids that promised the greatest reduction in (DVH dose at 50% volume) were flagged. These 17 parotids came from 13 patients. The method also indicated that the doses of the other nine parotids of the 13 patients could not be reduced, so they were included in the replanning process as controls. Replanning with an effort to reduce was conducted on these 26 parotids. After replanning, the average reductions for of the 17 flagged parotids and nine unflagged parotids were 6.6 and 1.9 Gy, respectively. These results demonstrate that the quality control method has accurately identified not only the parotids that require dose reductions but also those for which dose reductions are marginal. Originally, 11 of out the 17 flagged parotids did not meet the Radiation Therapy Oncology Group sparing goal of . Replanning reduced them to three. Additionally, PTV coverage and OAR sparing of the original plans were compared to those of the replans by using pairwise Wilcoxon test. The statistical comparisons show that replanning compromised neither PTV coverage nor OAR sparing. Conclusions: This method provides an effective quality control mechanism for evaluating the DVHs of the OARs. Adoption of such a method will advance the quality of current IMRT planning, providing better treatment plan consistency.