用于手術模擬系統的觸覺用戶界面裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于手術模擬系統的用戶界面裝置(user interface device)，且尤其是涉及一種用于模擬腹腔鏡手術的用戶界面裝置。
【背景技術】
[0002]近年來，為了訓練醫生在各種手術中不使病人置于險境，手術模擬系統已經被越來越多地應用。尤其在微創手術領域，如腹腔鏡、內窺鏡、結腸鏡檢查等領域中，這些模擬系統已經獲得了顯著的認可。在微創手術期間，醫生通常依賴于屏幕上的圖像，而不是病人的實際圖像，且在目前功能強大的圖像渲染可用的情況下，這樣的圖像可以以非常高的現實程度模擬。
[0003]為了與模擬軟件交流，模擬系統還需要輸入裝置，也就是醫生可操作的并且模擬實際手術器械的硬件。這樣的輸入裝置的物理外觀和功能應該與實際器械相似。然而，它們也必須提供用于檢測模擬器械的當前位置的傳感器，從而確保模擬軟件在屏幕上提供合適的圖像。此外，這樣的裝置優選地包括觸覺反饋，也就是提供將在實際手術期間遇到的力反饋。
[0004]就腹腔鏡而言，觸覺輸入裝置的例子是來自Immers1n公司的腹腔鏡手術工作站(Laparoscopic Surgical Workstat1n) (LSW)。該裝置包括相當于待插入到病人內部的器械部分的剛性軸以及醫生可以用其移動器械的手柄。為了模擬經過一個小口進入病人體內的實際器械的自由度，軸在具有兩個自由度(旋轉α、β)的樞轉點上由框架支撐。另外，軸可沿著其縱向軸線以線性運動平移(也就是進入和離開模擬體)以及繞該縱向軸線旋轉。輸入裝置包含用于包括軸的旋轉的所有自由度的傳感器，和設置為在所有自由度中提供力反饋的執行機構。力和運動通過線(wire)在執行機構和移動部件之間傳輸。
[0005]線的問題是，隨著用戶移動界面，線跟隨的路徑發生變化。這引起線中的應力，導致過度磨損以及需要頻繁更換。盡管線本身不貴，但是更換線的過程是復雜和昂貴的。
[0006]在這方面的相關專利文件是US 6，323，837和US 6，902, 405。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是解決現有技術的缺點，并提供改進的用戶界面裝置，其功能耐用且制造性價比高。另一個目的是提供用戶界面裝置，其在使用中提供給用戶更接近類似實際手術器械的體驗的體驗。
[0008]根據本發明的實施方式，這些和其他目的通過用于手術模擬系統的觸覺用戶界面裝置實現，觸覺用戶界面裝置包括:框架，其具有固定底座、相對于底座繞第一軸線可旋轉的頸部部分、和相對于頸部部分繞第二軸線可旋轉的懸架部分(suspens1n port1n)，該第二軸線與第一軸線不平行；以及器械，其具有由懸架部分可樞轉地支撐的剛性軸。裝置還具有安裝在框架上且設置為當圍繞第一軸線旋轉器械時提供力反饋給用戶的第一執行機構，以及安裝在框架上且設置為當圍繞第二軸線旋轉器械時提供力反饋給用戶的第二執行機構。第一執行機構和第二執行機構安裝在頸部部分上。
[0009]因為兩個執行機構安裝到頸部部分上，且因此與頸部部分一同繞第一軸線運動，所以這些執行機構的重量可以圍繞第一軸線更對稱地設置。因此，當圍繞第一軸線旋轉器械時，界面裝置提供給用戶改進的平衡感。
[0010]根據本發明的該實施方式的設計還允許馬達沿著頸部部分定向，因此降低了用于底座的空間要求。
[0011]使兩個執行機構都安裝在頸部部分上的另一個優點是兩個馬達的電氣連接件可以設置在框架的相同部分上，也就是頸部部分上。
[0012]為了在第一馬達與底座之間和/或在第二馬達與懸架部分之間傳遞扭矩，可以使用柔性傳動元件，例如傳動帶或者線。
[0013]另外，由于設置為圍繞第二軸線提供力反饋的第二執行機構將隨同器械圍繞第一軸線旋轉，所以第二馬達將以與第二軸線成固定關系定向。在第二執行機構與圍繞第二軸線運動的懸架部分之間延伸的柔性傳動元件，例如傳動帶或線，因此將在固定的路徑中運行，也就是將不會受到扭曲或扭轉。這提高了柔性傳動元件的壽命。
[0014]根據優選的實施方式，剛性軸還是相對于懸架部分沿著剛性軸的縱向軸線可移動的。這提供給界面裝置額外的自由度，在許多類型的模擬中是必須的。
[0015]剛性軸可以就圍繞剛性軸的縱向軸線的旋轉而言相對于懸架部分是固定的。這樣的設計可允許剛性軸簡易化的機械式懸掛。在這種情況下，如果圍繞縱向軸線的旋轉是模擬所必須的，則這種旋轉可以通過器械的手柄提供。
[0016]剛性軸在一側上可具有齒條，齒條嚙合所述框架上的齒輪，從而將軸的線性運動轉換成齒輪的旋轉。這樣的設計可以是確保軸位置的檢測以及通過連接到齒輪的執行機構進行的力反饋的有效方式。
【附圖說明】
[0017]將參照附圖更詳細地描述本發明，附圖示出了本發明的當前優選實施方式。
[0018]圖1為根據本發明實施方式的帶有用戶界面裝置的手術模擬系統的示意圖。
[0019]圖2圖示了圖1中器械的軸的自由度。
[0020]圖3為根據本發明實施方式的帶有用戶界面裝置的手術模擬系統的示意圖。
【具體實施方式】
[0021]圖1示出根據本發明的一個實施方式的用戶界面裝置1，示意性地連接作為模擬系統2的部分。
[0022]模擬系統2包括運行用于模擬手術過程的模擬軟件的處理單元3，和用于向用戶顯示模擬過程可視化的顯示器4。界面裝置I與模擬系統連接，并允許用戶向系統2提供輸入，從而與在顯示裝置中可視的模擬交流。界面是觸覺的，也就是，其適用于在界面的至少一些自由度中提供給用戶來自模擬的力反饋。
[0023]用戶界面裝置I包括可移動器械10，可移動器械10具有手柄20和由框架11可樞轉地懸掛的剛性軸21。如圖2所示，框架11允許軸21繞樞轉點P的樞轉運動，相當于實際手術器械圍繞進入人體的進入點的樞轉運動。在手術模擬界面裝置中，該樞轉運動通常機械地分為圍繞正交于軸的縱向軸線C的兩個不同軸線A和B的旋轉。在圖示的情況中，第一軸線A和第二軸線B彼此正交，但這不是絕對的必要條件。
[0024]另外，框架11允許軸相對于框架的平移運動，且可選地，允許軸繞其縱向軸線C的旋轉。作為軸的該軸向旋轉的替代選擇，為了提供這種自由度給用戶，手柄可以旋轉地連接到軸。
[0025]圖3非常示意性地示出了圖1的用戶界面裝置I的一些部件，以便圖示框架11的各種自由度。
[0026]在圖示的實施方式中，繞第一軸線A的旋轉是通過框架11的可轉動地安裝到固定底座12的頸部部分15提供的。底座的上部包括扭矩傳遞構件，本文中是繞軸線A同軸地形成的盤形部分13。第一執行機構，例如電動馬達14，被固定地安裝到頸部15，并設置為經由盤13傳遞扭矩給底座12。如圖2中示意性地示出的，這可以通過圍繞構件13和馬達軸6設置的傳動帶7完成。優選地，帶為齒形帶，并且構件13在其外表面上具有相應的齒。通過馬達14的操作，力反饋可以被提供用于器械圍繞軸線A的運動。值得注意的是，被安裝到框架11的馬達14因此將與頸部15 —起圍繞軸線A運動。
[0027]旋轉傳感器(未示出)被提供用于檢測頸部15相對于底座12的位置。傳感器可以有利地是集成在馬達14中并設置為檢測馬達軸6的旋轉的旋轉編碼器。
[0028]在頸部15的遠端15a提供了圍繞第二軸線B的旋轉。懸架部分16被安裝到遠端15a上，以便是圍繞軸線B可旋轉的。懸架部分16被設置為懸掛器械10的軸21，且該懸架的細節將在下面討論。第二電動馬達17被安裝到頸部15上，并設置為傳遞扭矩給懸架部分16。如圖3示意性地示出的，這可以通過圍繞部分16和馬達軸9設置的傳動帶8完成。通過馬達17的操作，力反饋可以被提供用于器械10圍繞軸線B的運動。旋轉傳感器(未示出)被提供以檢測懸架部分16相對于頸部15的遠端15a的位置。傳感器可以有利地是集成在馬達17中并設置為檢測馬達軸9的旋轉的旋轉編碼器。
[0029]主要參照圖3，值得注意的是馬達17被安裝在頸部15上，且因此將與頸部15和懸架部分16 —同圍繞軸線A旋轉。在馬達17的軸9與懸架部分16之間延伸的傳動帶8或者傳動線圈的路徑將因此被固定在空間中，且將不會受到任何扭曲或扭轉。這顯著地延長了帶8或者線的壽命。
[0030]還值得注意的是，該設計也有利于馬達17與懸架部分16之間的剛性機械耦合，如齒輪傳動。
[0031]馬達14和17優選地為相似的類型和尺寸，并安裝在頸部15的相反側上。兩個馬達14和17的重量優選地為圍繞軸線A基本平衡，以提供更平衡的系統，以及改善的用戶體驗。
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