一種具有柔和力反饋的內(nèi)窺鏡仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于在微創(chuàng)手術(shù)中用于仿真訓(xùn)練教學(xué)的一種具有柔和力反饋的內(nèi)窺鏡仿 真訓(xùn)練系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來,W腹腔鏡技術(shù)為代表的微創(chuàng)外科手術(shù)迅速興起,許多傳統(tǒng)手術(shù)都開始采 用微創(chuàng)外科技術(shù)。然而,微創(chuàng)手術(shù)受到視野視察范圍小、術(shù)者缺乏觸覺感覺、手術(shù)區(qū)域靈活 性小、人機(jī)協(xié)調(diào)困難等方面的限制。因此,要達(dá)到專業(yè)手術(shù)醫(yī)生的水平,較傳統(tǒng)手術(shù)而言需 要更長(zhǎng)時(shí)間的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。同時(shí),在傳統(tǒng)的手術(shù)訓(xùn)練中,實(shí)習(xí)醫(yī)生往往是在經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生 演示后對(duì)人造模型、尸體、動(dòng)物等對(duì)象進(jìn)行練習(xí)。然而,人造模型真實(shí)感不夠,尸體資源有限 且昂貴,動(dòng)物活體組織及結(jié)構(gòu)與人體差異較大。
[0003] 繼而就出現(xiàn)了 W微創(chuàng)手術(shù)為藍(lán)本的模擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng),大多數(shù)的仿真系統(tǒng)中仿真 度不高,一方面因?yàn)樘摂M模型不夠逼真,而另一方面在于模擬操作中力的反饋真實(shí)程度。因 為在微創(chuàng)手術(shù)過程中,醫(yī)生不僅僅是依靠視覺來判斷器械和人體腔體內(nèi)壁的相對(duì)位置W及 最適合的操作位置,而更多的時(shí)候是依靠手感來作為處理病灶點(diǎn)的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)。所W在 傳統(tǒng)的電機(jī)反饋中無法形象的模擬在真實(shí)人體中器械和腔體內(nèi)壁交設(shè)時(shí)所產(chǎn)生的柔體變 形的力點(diǎn),使操作者失去對(duì)手感的培養(yǎng),達(dá)不到模擬培訓(xùn)的效果。
[0004] 臨床手術(shù)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練在醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域一直是個(gè)難題,因?yàn)樵撽P(guān)系到人的生命安 全,在病人身上學(xué)習(xí)和訓(xùn)練是絕對(duì)不可能的。動(dòng)物和尸體解剖固然能起到一定的練習(xí)作用, 但畢竟和真正的臨床手術(shù)有很大區(qū)別。因此,=維模擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生了。但傳 統(tǒng)的電機(jī)反饋中無法形象的模擬在真實(shí)人體中器械和腔體內(nèi)壁交設(shè)時(shí)所產(chǎn)生的柔體變形 的力點(diǎn),使操作者失去對(duì)手感的培養(yǎng),達(dá)不到模擬培訓(xùn)的效果。本發(fā)明利用專口設(shè)計(jì)的硬件 結(jié)構(gòu),將仿真手術(shù)器械、傳感器和力反饋結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合起來,達(dá)到仿真模擬各種臨床手術(shù)的 模擬和訓(xùn)練效果的系統(tǒng)。
[0005] 本申請(qǐng)人曾于2013. 11. 27公開了一份專利號(hào)為化201320068523. 0的發(fā)明專利, 名為"一種力反饋內(nèi)窺鏡手術(shù)訓(xùn)練裝置",其方案采用了一種磁性力反饋控制裝置,通過驅(qū) 動(dòng)電路使力反饋線圈通電產(chǎn)生電流一定的電場(chǎng),進(jìn)而產(chǎn)生一與真實(shí)腔體內(nèi)壁觸感相似的磁 場(chǎng),從而使得醫(yī)務(wù)訓(xùn)練者在學(xué)習(xí)過程中真正體驗(yàn)到手術(shù)過程的真實(shí)手感。但在實(shí)際使用時(shí), 發(fā)現(xiàn)該訓(xùn)練裝置存在失真問題,需要操作桿通過接觸腔體內(nèi)壁模型后才能激發(fā)力反饋,有 一定滯后性,使得手柄運(yùn)動(dòng)過程缺乏真實(shí)感,同時(shí)手柄運(yùn)動(dòng)過程不能全程監(jiān)控,手柄圖像會(huì) 產(chǎn)生跳動(dòng)、竄動(dòng)等現(xiàn)象,嚴(yán)重影響了訓(xùn)練效果。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處,本發(fā)明提供一種具有柔和力反饋的內(nèi)窺鏡仿真訓(xùn)練 系統(tǒng),W解決現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題。
[0007] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種具有柔和力反饋的內(nèi)窺鏡仿真訓(xùn)練系統(tǒng),該系 統(tǒng)包括:
[000引一立體轉(zhuǎn)動(dòng)操作臺(tái),所述的立體轉(zhuǎn)動(dòng)操作臺(tái)由一垂直轉(zhuǎn)動(dòng)支架和一水平轉(zhuǎn)動(dòng)支架 組成,其中,所述水平轉(zhuǎn)動(dòng)支架包括底座、轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)和兩塊夾板組成,所述底座中間設(shè)有立軸, 所述轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)設(shè)有一中屯、孔,孔內(nèi)設(shè)有軸承,所述轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)套裝在于所述立軸,所述立軸上端穿 過所述轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)中屯、孔與固定于所述轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)上端面的水平方向圓光柵旋轉(zhuǎn)編碼器聯(lián)接;所述 垂直轉(zhuǎn)動(dòng)支架包括一手術(shù)器械固定板和U形支架,所述手術(shù)器械固定板兩側(cè)各設(shè)有一根橫 軸,分別插入所述U形支架兩側(cè)立板上的通孔中,所述U形支架底部通過兩塊所述夾板與所 述轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)固定為一體,兩塊所述夾板之間通過螺栓連接;所述手術(shù)器械固定板的一根橫軸 外端與設(shè)置于所述U形支架的一側(cè)的上下方向光柵編碼器固接,所述手術(shù)器械固定板的另 一根橫軸外端與固定在所述U形支架另一側(cè)的上下方向電磁剎車器固接;
[0009] 一固定于該立體轉(zhuǎn)動(dòng)操作臺(tái)上的仿真內(nèi)窺鏡手術(shù)器械,包括操作手柄和與之連接 的操縱桿,所述操縱桿外部套裝有一直線軸承,所述直線軸承固定于所述手術(shù)器械固定板 的上端;所述操縱桿的外圓面設(shè)有齒條,所述直線軸承底部中間開有一缺口,缺口內(nèi)裝有一 直齒輪,該直齒輪與所述操縱桿的外圓面齒條曬合;所述直齒輪同軸裝有上圓錐齒輪和前 后方向圓光柵旋轉(zhuǎn)編碼器,二者分別位于所述直線軸承的兩側(cè);該上圓錐齒輪與下圓錐齒 輪曬合;所述下圓錐齒輪固定于一根磁性軸端部,該磁性軸下端與一固定于所述手術(shù)器械 固定板上的永磁鐵固定圓筒活動(dòng)聯(lián)接,所述永磁鐵固定圓筒底部通過螺絲與前后方向電磁 剎車器固定聯(lián)接;所述永磁鐵固定圓筒內(nèi)腔中開有=個(gè)大體排列成一直線的盲孔,所述磁 性軸下部安裝于中屯、盲孔中,可在該中屯、盲孔中自由轉(zhuǎn)動(dòng);所述中屯、盲孔兩側(cè)盲孔中均固 定有永磁體,所述永磁體的磁極與所述磁性軸的磁極異性相對(duì),通過磁力將所述永磁鐵固 定圓筒吸附于所述磁性軸上,所述永磁鐵固定圓筒兩端通過軸承座定位,可隨所述磁性軸 一起轉(zhuǎn)動(dòng);
[0010] 所述磁性軸與所述永磁鐵固定圓筒依靠磁力吸附在一起,在不滿足產(chǎn)生力反饋的 條件時(shí),永磁鐵固定圓筒與前后方向電磁剎車器的轉(zhuǎn)子隨磁性軸同步轉(zhuǎn)動(dòng),前后方向電磁 剎車器的定子固定在手術(shù)器械固定板上的安裝座上;一旦遇到滿足力反饋的條件(即需要 發(fā)生力反饋)時(shí),單片機(jī)系統(tǒng)會(huì)將電信號(hào)傳遞給前后方向電磁剎車器,電磁剎車器一般采 用電磁粉末剎車器,激磁線圈通電時(shí)形成磁場(chǎng),磁粉在磁場(chǎng)作用下磁化,形成磁粉鏈,并在 固定的導(dǎo)磁體與轉(zhuǎn)子間聚合,靠磁粉的結(jié)合力和摩擦力實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。激磁電流消失時(shí)磁粉處 于自由松散狀態(tài),制動(dòng)作用解除。該種剎車器體積小,重量輕,激磁功率小,而且制動(dòng)力矩 與轉(zhuǎn)動(dòng)件轉(zhuǎn)速無關(guān),便于自動(dòng)控制,適用于各種機(jī)器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。前后方向電磁剎車器鎖死 后停止旋轉(zhuǎn),所述永磁鐵固定圓筒也被鎖死,該樣本來同步旋轉(zhuǎn)的磁性軸就會(huì)與兩側(cè)的永 磁體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),手柄端就會(huì)感覺到磁性軸傳遞過來的因磁極分離而產(chǎn)生的吸力,從而 達(dá)到柔和力反饋的作用,手柄停止操作后,所述磁性軸在兩側(cè)的永磁體吸引下自動(dòng)復(fù)位。
[0011] 一磁性力反饋控制裝置,包括單片機(jī)系統(tǒng),所述單片機(jī)系統(tǒng)的信號(hào)輸入端分別與 所述上下方向光柵編碼器、前后方向光柵編碼盤W及水平方向光柵編碼器的信號(hào)輸出端連 接,用于接收=個(gè)所述光柵編碼盤發(fā)出的旋轉(zhuǎn)參數(shù);所述單片機(jī)系統(tǒng)的信號(hào)輸出端分別與 所述前后方向電磁剎車器、上下方向電磁剎車器的控制端連接,用于控制兩個(gè)所述電磁剎 車器的狀態(tài)切換。
[0012] 操縱桿外圓面設(shè)計(jì)成齒條形式,在直線軸承的支承下自由的做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),操 縱桿的齒條與直齒輪曬合,該使得手柄的直線運(yùn)動(dòng)被轉(zhuǎn)換成圓周運(yùn)動(dòng),與直齒輪同軸安裝 的前后方向圓光柵旋轉(zhuǎn)編碼器就可W通過讀取直齒輪圓周運(yùn)動(dòng)的參數(shù),獲得器械手柄的伸 縮運(yùn)動(dòng)參數(shù)。同時(shí),上下方向光柵編碼器可獲取手術(shù)器械固定板的前后運(yùn)行參數(shù),水平方向 光柵編碼器可獲取手術(shù)器械固定板的水平旋轉(zhuǎn)參數(shù),手柄在=個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)參數(shù)均通過 上述=個(gè)編碼器反饋給單片機(jī),單片機(jī)將手柄位置參數(shù)代入手術(shù)模擬場(chǎng)景,并在顯示屏上 顯示出手柄在虛擬人體模型內(nèi)運(yùn)動(dòng),當(dāng)手柄位置參數(shù)錯(cuò)誤,接觸到虛擬的人體部位,單片機(jī) 即發(fā)出控制信號(hào),控制相應(yīng)的電磁剎車器剎車,使手柄產(chǎn)生力反饋。上述=個(gè)光柵編碼盤采 用的光柵盤均為在圓周上等分為1000個(gè)單位,精度完全可W滿足仿真夾錯(cuò)的位移檢測(cè)需 要。
[0013] 有益效果;1.本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理,而且體積相對(duì)較小,便于攜帶和運(yùn)輸。
[0014] 2.傳感器精度高,模擬過程真實(shí)。由于傳感器光柵盤劃分單位非常小,該就使得手 柄運(yùn)動(dòng)可W實(shí)時(shí)傳遞給模擬圖像,過程柔和真實(shí),不會(huì)有跳動(dòng)、竄動(dòng)等現(xiàn)象。
[0015] 3.模型逼真細(xì)膩。本系統(tǒng)??诟鶕?jù)真實(shí)的手術(shù)視頻模擬設(shè)計(jì)的仿真效果,無論是 手柄的力反饋感覺還是視覺上的體驗(yàn),都非常完美地還原了臨床手術(shù)的真實(shí)感覺。
【附圖說明】