CN101653356B - 虚拟手术力觉信息采集装置 - Google Patents

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Abstract

一种虚拟仿真技术领域的虚拟手术力觉信息采集装置，包括：支架组件、滑动组件、操作机构和检测模块，其中：滑动组件固定设置于支架组件上，操作机构与滑动组件活动连接，滑动组件与操作机构与检测模块相连接以传输控制指令及传感信号。本发明能够采集手术针、刀、夹钳等小型手术器械在操作手术器官组织时的力觉信息，可以采集不同速度，不同角度和高度操作的力觉信息，为虚拟手术提供仿真参数依据。

Description

虚拟手术力觉信息采集装置
技术领域
本发明涉及的是一种虚拟仿真技术领域的信息采集装置，具体是一种虚拟手术力觉信息采集装置。
背景技术
现代科学的发展越来越多体现多学科的交叉和渗透。虚拟现实在医学领域的应用，使得虚拟手术成为正在发展起来的研究方向。虚拟手术可以帮助医生制定手术方案；也可以重复练习，降低手术训练费用，缩短培养外科医生的周期，虚拟手术克服了依靠传统临床观摩实践来训练医生时遇到的操作机会少、操作对象昂贵等问题，对医学手术培训具有重要意义。
虚拟手术的力觉反馈是体现其真实性的关键，为了达到逼真的虚拟手术力觉感觉效果，除了力反馈硬件装置外，还需给力反馈装置提供实时的力觉信息。有限元法被应用到生物力学的计算，这些物理模型的计算较为繁复，不适用于要求高更新率、实时可视化的虚拟手术应用。通过力觉采集装置获取力觉信息，是一种更有效的获取力觉参数的方法。
经对现有技术的文献与专利检索发现，中国专利申请号：200410031486.1，名称为：一种手术刀的力采集装置，该装置将手术切割过程中手术刀刃对人体组织器官施加的力，以及手术刀姿态、位置和运动信息都通过传感器记录下来，用于试验后分析和统计结果，但只适合手术刀的力觉信息采集。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种虚拟手术力觉信息采集装置，能够应用于手术中穿透力觉信息的采集以及手术夹钳、手术刀、手术缝针等操作力觉信息的采集。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：支架组件、滑动组件、操作机构和检测模块，其中：滑动组件固定设置于支架组件上，操作机构与滑动组件活动连接，滑动组件和操作机构分别与检测模块相连接以传输控制指令及传感信号。
所述的支架组件包括：底座、两组镜像对称相同结构的第一连接板、第二连接板和第三连接板，其中：两个第一连接板分别固定底座的两端，第二连接板分别转动设置于第一连接板上，第三连接板转动设置于第二连接板上。
所述的滑动组件包括：丝杠、丝杠滑块、光杠、光杠滑块、联轴器和电机，其中：光杠两端垂直固定在支架组件上，丝杠一端垂直固定在支架组件上，另一端与联轴器的一端连接，联轴器的另一端与电机的输出轴同轴连接，电机固定在支架组件上，丝杠滑块与光杠滑块分别活动设置于丝杠与光杠上。
所述的丝杆左右两端分别设有左旋外螺纹和右旋外螺纹，两个丝杠滑块的内螺纹分别为左旋与右旋螺母。
所述的操作机构包括：两组镜像对称相同结构的等强度梁、钳口和操作头，其中：等强度梁的一端分别与滑动组件活动连接，钳口分别固定设置于等强度梁的另一端，两个操作头相互镜像对称固定设置于钳口上。
所述的操作头为针头、刀片或者单面钳夹。
所述的检测模块包括：两个应变片、位置与速度传感器和信号采集卡，其中：两个应变片分别固定设置于操作机构上且其输出端与信号采集卡相连以输出压力传感信息，位置与速度传感器安装在滑动组件上且其输出端与信号采集卡相连以输出转速信息，信号采集卡实时采集应变片和位置与速度传感器的输出信息。
本发明通过以下方式进行工作：电机驱动下带动两个丝杠滑块相聚或相离运动，从而带动两个等强度梁以及固定在其上的两个钳口相聚或相离运动。在两个钳口相聚运动情况下：当只有一个钳口上安装针头操作头，则进行手术缝针实验；当只有一个钳口上安装刀片操作头，则进行手术切割实验；当两个钳口上安装刀片操作头，则进行手术剪切实验；当两个钳口上安装单面钳夹操作头，则进行手术钳夹实验；实验过程中等强度梁受到的外力导致梁体材料产生应变。等强度梁上贴附的应变片将应变转化为电学参数变化，输入到信号采集卡，经处理分析后可知器官组织的受力状况。位置与速度传感器可采集到运动的位置和速度，从而可以测出在不同速度下的受力状况。调整第二连接板与第一连接板的固定角度，第三连接板与第二连接板的固定高度，可测出对器官的不同操作角度和高度的受力状况。
本发明能够采集手术针、刀、夹钳等小型手术器械在操作手术器官组织时的力觉信息，可以采集不同速度，不同角度和高度操作的力觉信息，为虚拟手术提供仿真参数依据。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明结构示意图。
图3为本发明的检测控制模块的结构框图；
其中：1支架模块、2滑动模块、3操作模块、4检测模块、11底座、12第一连接板、13第二连接板、14第三连接板、21丝杠、22丝杠滑块、23光杠、24光杠滑块、25联轴器、26电机、31等强度梁、32钳口、33操作头、41应变片，42位置与速度传感器，43信号采集卡。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1和图2所示，本实施例包括：支架组件1、滑动组件2、操作机构3和检测模块4，其中：滑动组件2固定设置于支架组件1上，操作机构3与滑动组件2活动连接，滑动组件2与操作机构3与检测模块4相连接以传输控制指令及传感信号。
所述的支架组件1包括：底座11，两个第一连接板12，两个第二连接板13，两个第三连接板14，两个第一连接板12分别固定底座11上，两个第二连接板13固定在两个第一连接板12上，第二连接板13可以呈现不同角度与第一连接板12固定，两个第三连接板14分别固定在两个第二连接板13上。第三连接板14可以呈现不同高度与第二连接板13固定。
所述的滑动组件2包括：丝杠21、丝杠滑块22、光杠23、光杠滑块24、联轴器25、电机26，其中：光杠23两端垂直固定在两个第三连接板14上，丝杠21一端垂直固定在1个第三连接板14上，另一端与联轴器25的一端连接，联轴器25的另一端与电机26的轴，电机26固定在另一个第三连接板14上，电机26的轴垂直于第三连接板14。丝杠滑块22与光杠滑块24分别活动设置于丝杠21与光杠23上。
所述的丝杆21左右两端分别设有左旋外螺纹和右旋外螺纹，两个丝杠滑块22的内螺纹分别为左旋与右旋螺母。
所述的操作机构3包括：两个等强度梁31、两个钳口32，两个操作头33，其中：两个等强度梁31的一端与丝杠滑块22和光杠滑块24固定并垂直于丝杠21，钳口32固定设置于等强度梁31的另一端，操作头33固定在钳口32上。
所述的操作头33可以是针头、或者刀片、或者单面钳夹。
如图2和图3所示，所述的检测模块4包括：两个应变片41，位置与速度传感器42，信号采集卡43，应变片41贴附设置于等强度梁31的中部，应变片41的输出线与信号采集卡43相连以输出压力传感信息，位置与速度传感器42安装在电机26的轴的另一端，位置与速度传感器42的输出线与信号采集卡43相连以输出转速信息。信号采集卡43实时采集应变片41和位置与速度传感器42的输出信息。
电机26驱动下带动两个丝杠滑块22相聚或相离运动，从而带动两个等强度梁31以及固定在其上的两个钳口32相聚或相离运动。在两个钳口32相聚运动情况下：当只有一个钳口32上安装针头操作头33，则进行手术缝针实验；当只有一个钳口32上安装刀片操作头33，则进行手术切割实验；当两个钳口32上安装刀片操作头33，则进行手术剪切实验；当两个钳口32上安装单面钳夹操作头33，则进行手术钳夹实验；实验过程中等强度梁31受到的外力导致梁体材料产生应变。等强度梁31上贴附的应变片41将应变转化为电学参数变化，输入到信号采集卡43，经处理分析后可知器官组织的受力状况。位置与速度传感器42可采集到运动的位置和速度，从而可以测出在不同速度下的受力状况。调整第二连接板13与第一连接板12的固定角度，第三连接板14与第二连接板13的固定高度，可测出对器官的不同操作角度和高度的受力状况。

Claims (4)

1.一种虚拟手术力觉信息采集装置，其特征在于，包括：支架组件、滑动组件、操作机构和检测模块，其中：滑动组件固定设置于支架组件上，操作机构与滑动组件活动连接，滑动组件和操作机构分别与检测模块相连接以传输控制指令及传感信号；
所述的滑动组件包括：丝杠、丝杠滑块、光杠、光杠滑块、联轴器和电机，其中：光杠两端垂直固定在支架组件上，丝杠一端垂直固定在支架组件上，另一端与联轴器的一端连接，联轴器的另一端与电机的输出轴同轴连接，电机固定在支架组件上，丝杠滑块与光杠滑块分别活动设置于丝杠与光杠上；
所述的操作机构包括：两组镜像对称相同结构的等强度梁、钳口和操作头，其中：等强度梁的一端分别与滑动组件活动连接，钳口分别固定设置于等强度梁的另一端，两个操作头相互镜像对称固定设置于钳口上；
所述的检测模块包括：两个应变片、位置与速度传感器和信号采集卡，其中：两个应变片分别固定设置于操作机构上且其输出端与信号采集卡相连以输出压力传感信息，位置与速度传感器安装在滑动组件上且其输出端与信号采集卡相连以输出转速信息，信号采集卡实时采集应变片和位置与速度传感器的输出信息。
2.根据权利要求1所述的虚拟手术力觉信息采集装置，其特征是，所述的支架组件包括：底座、两组镜像对称相同结构的第一连接板、第二连接板和第三连接板，其中：两个第一连接板分别固定底座的两端，第二连接板分别转动设置于第一连接板上，第三连接板转动设置于第二连接板上。
3.根据权利要求1所述的虚拟手术力觉信息采集装置，其特征是，所述的丝杆左右两端分别设有左旋外螺纹和右旋外螺纹，两个丝杠滑块的内螺纹分别为左旋与右旋。
4.根据权利要求1所述的虚拟手术力觉信息采集装置，其特征是，所述的操作头为针头、刀片或者单面钳夹。
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