CN102306471B - 一种改进的内窥镜仿真装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改进的内窥镜仿真装置，属于手术器械模拟仿真练习设备领域。技术方案为：本发明包括支架，球体和控制杆，球体自由转动的安装在支架内，支架内侧与球体之间至少设有两个方位传感器，所述控制杆一端固定于球体的直径方向上，控制球体转动，另一端套有相对其转动和滑动的手柄套，手柄套内腔和控制杆截面为圆形，控制杆与手柄套之间设有深度传感器和转角传感器；一与球体共圆心的弧形滑杆相对滑动穿插于控制杆在球体与手柄套之间的位置上，弧形滑杆两端转接于支架上。本发明通过手柄套和弧形滑杆的巧妙设计，有效的克服了现有技术的缺陷，能够精确的模拟刀具的各种动作并利用传感器精确测量，结构简单且仿真度高。

Description

一种改进的内窥镜仿真装置

技术领域

本发明涉及手术器械模拟仿真练习设备，具体涉及一种高仿真的改进的内窥镜仿真装置。

背景技术

内窥镜作为一种常用的微创手术器械，在很多中类型的手术中应用。而手术医师灵活的使用内窥镜需要一个漫长的训练过程，由于熟悉的过程需要在活体或在尸体样本上进行，一般在医学院的学生和刚刚参加工作的医师能够进行练习的机会少之又少，所以一般需要学习一段很长的时间，才能做到使用自如。为克服这种实际操作进行练习的缺陷，出现了许多模拟仿真系统，随着计算机技术的发展，仿真系统已经能够实现与仿真图像软件相结合，达到很好的仿真效果。不过现有的仿真设备在内窥镜操作装置上还不能达到真正的仿真效果，其缺陷主要是采用齿轮配合的结构，转动角度受到齿轮的限制，能够自由转动的角度小。而且采用齿轮配合结构十分复杂，故障率和维护成本高，价格也十分昂贵。另一方面现有的结构仅仅是模拟内窥镜的转动和抽插滑动，对于内窥镜在人体内部受到的阻尼和阻碍无法进行模拟。所以现有的模拟仿真装置只能实现操作上的练习，而对于医师在手术过程中最重要的触感，或称为手感，是无法进行练习的，即使是使用这种仿真装置进行练习后，在实际操作过程中也需要很长的一段时间去熟悉操作。

本申请人在中国专利CN201177911Y中公开了一种结构简单且仿真度高的内窥镜仿真装置，具体公开了如下技术特征：一种内窥镜仿真装置包括支架，球体和控制杆，球体自由转动的安装在支架内，控制杆相对球体滑动安装在穿过球体中心的通道中，控制球体转动；支架内侧与球体之间至少设有两个方位传感器，方位传感器用于感应球体绕其圆心的旋转；控制杆上设有深度传感器，测量控制杆在球体中的抽插深度；在控制杆与球体之间装有转角传感器，以测量控制杆绕其轴线转动的角度；通道及控制杆的横截面一般采取非圆形。该装置存在一个问题，非圆形的截面将导致控制杆绕其旋转轴转动时也带动球体转动，当控制杆绕其轴线转动同时控制杆控制球体绕其球心旋转时，两种运动混合，球体绕其直径的转动也被方位传感器识别为绕球心的转动，导致球体上的方位传感器无法准确的识别球体的旋转动作，无法正确测量球体旋转的角度。对此，申请人进行了一个改进，即将通道及控制杆的横截面做成圆形。虽然这样的结构优于非圆形的结构，但是由于控制杆与通道间存在摩擦，控制杆绕其轴心转动时依然难免会带动球体转动，并没有从根本上解决上述问题。因此，该仿真装置对上述运动过程的探测存在死角，无法准确测量该运动过程。

发明内容

本发明解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改进的具有高仿真度且能够准确测量装置所有模拟动作的内窥镜仿真装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种改进的内窥镜仿真装置，包括支架，球体和控制杆，球体自由转动的安装在支架内，支架内侧与球体之间至少设有两个方位传感器，所述控制杆一端固定于球体的直径方向上，控制球体转动，另一端套有相对其转动和滑动的手柄套，手柄套内腔和控制杆截面为圆形，控制杆与手柄套之间设有深度传感器和转角传感器；一与球体共圆心的弧形滑杆相对滑动穿插于控制杆在球体与手柄套之间的位置上，弧形滑杆两端转接于支架上。本发明中手柄套用于模拟手术刀绕其轴线的转动和抽插动作，而控制杆仅控制球体绕其球心的旋转以模拟手术刀的转动。弧形滑杆穿插于控制杆上，可以限制控制杆绕其轴心的转动，从而可防止手柄套转动时带动控制杆转动，同时也能够给控制杆提供足够的运动空间，并没有限制其带动球体的转动动作。本发明采用弧形滑杆配合手柄套的结构，将绕轴线转动和抽插的动作从控制杆上分离出来，有效避免了中国专利CN201177911Y中由于控制杆转动和球体绕其球心的旋转同时进行时，传感器无法准确识别本装置的实际动作的缺陷，仿真度较之前述专利更高。既能精确的模拟刀具绕轴线转动和旋转的动作，也能利用传感器进行精确测量。另外，本发明结构十分简单，构件少，成本低。采用通用的接口，即可将本发明与现有的计算机进行连接，仅需安装相应的仿真软件，即可自行组建仿真系统。学生或医师只需一部安装了模拟软件的计算机，即可进行练习，甚至是在家中，本发明十分适用于教学和训练活动。

为了保证球体滑动的灵敏和自由度，本装置在支架内侧与球体之间设有至少两个转动支撑台，转动支撑台顶部设有滚珠与球体滑动配合。一般是在支架内侧与球体之间设有三个转动支撑台，三个转动支撑台所在平面穿过球体的球心，且相对球心均匀分布，或者设有四个转动支撑台，四个转动支撑台在空间成正四面体分布，所述正四面体的重心与球体的球心重叠。均匀分布转动支撑台的结构，一方面能够保证装置的结构稳定性，另一方面给控制杆提供足够的运动空间，使其自由转动的角度不会受到阻止，从而影响仿真的效果。

本发明的传感器可以采用光学传感器或机械传感器，球体通道可以采用半封闭式或开放式结构。方位传感器可以根据实际需要选用光学传感器或机械传感器，为了不阻碍控制杆的转动，限制其转动角度或范围，方位传感器一般安装在比邻转动支撑台的位置上，优选的是安装在转动支撑台顶部上。

本发明的另一个重要的赶紧是在所述支架底部设有滑动装置，所述滑动装置与支架之间设有位移传感器。滑动装置可以根据需要选用以下两种结构：第一种是在滑动装置顶部设有多个滑动滚珠与支架底部滑动配合来实现，第二种是在滑动装置顶部设有两层相互垂直的辊与支架底部滑动配合来实现。滑动装置的设计，使得本装置可以模拟刀具在水平方向的平移，并利用位移传感器来探测支架移动的距离。

在支架与球体之间或手柄套与控制杆之间或上述两个位置均设有阻尼装置。阻尼装置能够真实模拟内窥镜在人体内部所受到的阻力或被组织阻挡而不能插入或转动。所述阻尼装置设有手动调节器或反馈自动调节器或同时设有手动和反馈自动调节器。手动调节器允许练习者可以根据实际需要调整转动和插入的阻力，反馈自动调节器是与计算机相连的反馈装置，根据模拟软件中人体结构，自动调整阻力和限制转动或插入的位置，达到高质量仿真。加装了阻尼装置的装置能够实现对内窥镜操作的真实触感的仿真，达到真实的仿真效果，甚至能够进一步的将要进行手术的病人信息输入计算机中，实现模拟手术的预练习。

为了不阻碍控制杆的转动，限制其转动角度或范围，与方位传感器一样，阻尼装置一般安装在比邻转动支撑台的位置上，最好是安装在转动支撑台顶部上。

手柄套末端安装有仿真内窥镜手柄及控制按钮，手柄内部设有容纳控制杆滑动的容腔。能够实现内窥镜真实的握感或操作。也可以通过更换不同的内窥镜手柄，来实现对不同种类的内窥镜或类似内窥镜的手术器械，如微创手术电刀，电钳的仿真练习，特别是转角传感器可以测出这些器械转动的角度，传送给计算机进行模拟。

上述传感器和阻尼器的数据线的信号可由串口器整合分析，通过标准接口传入计算机实现对手术仿真软件的控制和操作，方便使用。

本发明的改进的内窥镜仿真装置，还可以有另外一种结构，包括支架，球体和控制杆，球体自由转动的安装在支架内，支架内侧与球体之间至少设有两个方位传感器，其特征在于，所述控制杆一端固定于球体的直径方向上，控制球体转动，另一端套有相对其转动和滑动的手柄套，手柄套内腔和控制杆截面为圆形，控制杆与手柄套之间设有深度传感器和转角传感器；所述控制杆在球体与手柄套之间的位置上固定有第一限位板，所述支架上设有第二限位板，所述第一限位板和第二限位板之间连接有使控制杆转动后复位的弹性装置。该结构的球体的转动利用弹性装置实现，利用弹性装置的可伸缩特性，能够实现控制杆的自由活动，进而带动其上连接的球体转动。而球体会因弹性装置的弹性而自动复位。在该结构的内窥镜装置中，弹簧的弹力还可以进一步充当阻尼的作用，模拟真实手术中的阻尼现象。

所述弹性装置的实现方式有两种：第一种是通过均布于支架外围的多根弹簧实现，在这种结构中，采用普通尺寸的弹簧即可，容易实现且成本低。第二种为或套设于支架外的弹簧。这种需要较大尺寸的弹簧才能实现，可能需要根据支架的尺寸特别定制弹簧的直径，但是相比于前一种弹性装置的结构，该种结构具有弹性力均匀的特点。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明通过手柄套和弧形滑杆的巧妙设计，有效的克服了现有技术的缺陷，能够精确的模拟刀具的各种动作并利用传感器精确测量，实现手术触感的真实模拟，甚至能够应用于手术的预练习中。本发明的仿真度很高，结构简单，使用方便，成本低廉，便于大批量生产，可广泛适用于教学和练习中。相对于现有技术，本装置具有更高的真实性模拟，更易于推广和使用，对培养熟悉的手术医师起到重要的推动作用，具有突出的实质性特点和进步。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图；

图2为图1中主体结构的俯视图；

图3为图1中主体结构的横向剖视图；

图4为图3中A处放大图；

图5为图3中B处放大图；

图6为主体结构的横向剖视图；

图7为图6中C处放大图；

图8为传感器工作原理图；

图9为图1的立体图；

图10为图9的使用状态图；

图11为实施例2中主体结构的纵向剖视图；

图12为实施例2中转动支撑台与球体的位置关系示意图；

图13为图11中D处放大图；

图14为实施例3中主体结构的纵向剖视图；

图15为图14中E处放大图；

图16为实施例4的主体结构纵向剖视图；

图17为实施例5的结构示意图；

图18为实施例5的主体结构纵向剖视图；

图19为图17中F处放大图；

图20为实施例6结构示意图；

图21为实施例6另一种实现方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

一种改进的内窥镜仿真装置，如图1-3所示，包括支架1，球体2和控制杆3，所述支架1为开放式支架，球体2可以在支架1内自由旋转，控制杆3一端固定于球体2的直径方向上，控制球体2在支架1内的旋转，另一端套有手柄套5，手柄套5内腔和控制杆3截面均为圆形，手柄套5可以相对于控制杆3按图1箭头所示方向转动和滑动。一与球体2共圆心的半圆的弧形滑杆4穿插于控制杆3在球体2与手柄套5之间的位置上，弧形滑杆4两端通过转轴41转接于支架1外侧，控制杆3可在弧形滑杆4上相对其滑动，如图2中箭头所示。转轴41的位置在球体2直径所在直线与支架1的壳体相交处，可以按图1所示置于与地面平行的位置，也可以一个置于支架1的壳体偏上的位置，一个置于支架1壳体偏下的位置，只要遵循上述设置原则即可。为了给保证控制杆3提供足够的运动空间，弧形滑杆4的弧度优选为大于等于半圆或者与支架1的开放空间相匹配。弧形滑杆4可绕其转轴41转动，从而提供了控制杆3在该方向的运动。控制杆3这两个方向的运动的合成即构成了带动球体2绕其球心的旋转，控制杆3可以像没有弧形滑杆4的限制一样在支架1的开放空间带动球体2任意旋转。

手柄套5的末端安装有用于使用者把握的手柄6，手柄6是内窥镜的仿真手柄，设置有按钮61，手柄6内部设有容纳控制杆3滑动的容腔，如图3的剖视图所示。通过握持手柄6带动手柄套运动，即可实现绕控制杆3的转动和在控制杆3上的滑动动作，即模拟真实手术刀绕自身轴线的转动动作和抽插动作。所述手柄6与手柄套5之间采用可简易拆装的结构，通过更换不同的手柄6可以实现对不同类型的内窥镜的仿真，也可以更换成其它手术器械的手柄，用于其它类似内窥镜的手术器械的练习，如微创电剪刀，电手术刀等。本装置通过电缆81及其末端的通用接口82，如USB，与计算机连接。在计算机上安装相应的仿真软件，显示虚拟人体内部结构，可以实现内窥镜的仿真练习。

结合图3和图6所示，支架1内侧与球体2之间设有三个转动支撑台9，三个转动支撑台9所在平面穿过球体2的球心，相间270度角均布在支架1内侧。转动支撑台9顶部设有滚珠91与球体2滑动配合，如图7所示，采用滚珠的结构能够提高球体2滑动的灵活性。在支架1内侧与球体2之间设有两个方位传感器71。两个方位传感器71用于测量球体2相对于支架1的转动方位的变化。如图3、图4和图5所示，在控制杆3和手柄套5之间设有深度传感器72和转角传感器73，深度传感器72用于测量手柄套5在控制杆3上的滑动距离，转角传感器73向计算机反馈手柄套5在模拟使用过程中的转角，适用于一些特别类型的内窥镜的仿真练习，或者是其它手术器械，特别是非对称的电手术刀和剪刀等等。这四个传感器将数据输入计算机用于作为仿真软件的参数输入，可以显示出内窥镜在虚拟的人体内部结构中的移动。传感器的工作原理如图8所示，本实施例采用光学传感器，类似光学鼠标的工作原理，以方位传感器为例进行说明。方位传感器71通过发射光线至球体2表面，并通过光学感应器接受从球体2表面反射回来的光线，记录和对比图像数据，得出球体2旋转的角度和距离。其他传感器原理与此相同，不再赘述。

本发明的使用过程如图9和图10所示，通过把握手柄4，控制手柄套5在控制杆3上滑动和转动，以及带动控制杆3在弧形滑杆4所在球面摆动，以控制球体2在支架1内的旋转。也可以在手柄套5内腔设置锁定机构，当只希望控制球体2绕其球心旋转，而不希望手柄套5在控制杆3上运动时，利用该锁定机构将手柄套5在控制杆3上的位置锁定。由于采用球体2的结构，且转动支撑台9和弧形滑杆4的设计合理，为仿真内窥镜的转动提供充分的角度，足以模拟真实的手术设备。通过推拉手柄套5和让手柄套5在控制杆3上转动，来模拟真实手术内窥镜转动和插入深度。本发明的手柄套5在转动时，由于控制杆3被弧形滑杆4限制住，不会被手柄套5带动转动，进而不会引起球体绕其球心的旋转。本发明通过引入手柄套5和弧形滑杆4的结构与控制杆巧妙配合，利用手柄套5的转动和抽插代替前述专利中控制杆3的转动和抽插动作，并利用弧形滑杆限制控制杆绕其轴线的转动，从而避免了前述专利中控制杆的转动动作与球体绕其球心旋转动作叠加导致传感器无法准确测量的问题。

可见本设备具有高仿真度，传感器能准确测量装置的各种仿真动作，而且结构简单，设计合理，能够大批量生产，适用于教学和练习。

实施例2

如图11为另一种内窥镜仿真装置，图中仅示出了球体2处的主体结构。其结构与实施例1类似，区别仅在于本实施例的支架1采用半封闭式结构，在支架1内侧与球体2之间设有四个转动支撑台9，四个转动支撑台9在空间成正四面体分布，正四面体的重心与球体2的球心重叠，如图12示意图所示。这种结构大大提高了装置的稳定性，并且给控制杆3提供足够的运动空间。为了提高结构集成度，本实施例的方位传感器71安装在转动支撑台9的顶部上，如图13所示。

实施例3

本实施例的结构是在实施例2的基础上做进一步的改良，在比邻转动支撑台9的位置上增加手动阻尼装置101，如图14所示。由于人体组织内部不同部位对内窥镜的阻力不同，所以练习者可以通过平时的经验或有经验的医师调节球体2的转动阻力，用于练习使用内窥镜时的力度控制。本实施例采用的手动阻尼装置101包括手柄、螺杆和阻尼块三部分，通过螺杆与支架1的旋转配合来调节阻尼力度的大小，如图15所示。

实施例4

本实施例的结构如图16所示，是在结合上述实施例的各个优点做进一步的改良，采用如实施例1的开放式的支架1结构和三个转动支撑台9的支撑结构，如实施例2一样将两个方位传感器71安装在转动支撑台9的顶部上，这种结构给模拟内窥镜的转动提供足够仿真的角度空间，且保证了结构的稳定性。在第三个转动支撑台9上安装有反馈自动调节阻尼装置102，反馈自动调节阻尼装置102的反馈自动调节器一般采用电机驱动，接收从计算机发送来的控制信息，进行球体2的旋转阻尼调节。在控制杆3与手柄套5之间转角传感器73这侧，还进一步安装有反馈自动调节阻尼装置103，用于接收从计算机发送来的控制信息，进行抽插及绕轴线转动的阻尼调节。上述方位传感器71、深度传感器72、转角传感器73、反馈自动调节阻尼装置102和103的数据线集成通过一个USB接口82与计算机连接。采用反馈自动调节阻尼装置的优点是能够根据计算机仿真软件的驱动，对仿真内窥镜的转动和抽插进行限制，从而实现真实模式内窥镜在人体内部机构的行进及受到的阻力，对于医师的手术触感的培养有极大的初进作用。

实施例5

本实施例是在上述实施例4的基础上做进一步的改良，特别是增加了如实施例3中的手动阻尼装置101，以及支架1底部的滑动装置11，如图17和18所示。

滑动装置11的结构如图17和图19所示，滑动装置11顶部设有四个滑动滚珠111，与支架1配合滑动，使得本发明的内窥镜仿真装置可以在水平方向移动，以模拟手术设备在人体的整体平移。同时，在支架底部和滑动装置顶部之间设置有位移传感器74，用于测量支架在水平方向平移的距离。

如图18所示本实施例的主体结构剖视图，方位传感器71、深度传感器72、转角传感器73、位移传感器74（图中未示出）、反馈自动调节阻尼装置102和103的数据线集成通过一个USB接口82与计算机连接。

实施例6

本实施例与实施例1类似，如图20所示，区别仅在于，所述球体绕其球心的旋转是通过弹簧实现的，具体为：控制杆3在球体2与手柄套5之间的位置上固定有第一限位板41’，所述支架1上设有第二限位板42’，第一限位板41’和第二限位板42’之间连接有使控制杆3转动后复位的弹簧4’。弹簧4’可以只有一根，套设于支架1外。该弹簧的直径4’要大于支架1的直径。

当然，为了采用普通的弹簧即可实现，所述弹簧也可以如图21那样设置，采用四根弹簧均布于支架外围。

这种结构的内窥镜，控制杆3只需克服较小的弹性力即可在空间内朝各个方向摆动，进而带动球体2绕其球心旋转，而在松开控制杆3后，控制杆3在弹簧4’的作用下自动复位。而且弹簧的弹性作用也进一步可以模拟在人体内的阻尼作用。弹簧同时起到了传动和复位作用以及阻尼作用，省略了阻尼装置的设置，大大简化了装置的结构。

Claims (7)

1.一种改进的内窥镜仿真装置，包括支架，球体和控制杆，球体自由转动的安装在支架内，支架内侧与球体之间至少设有两个方位传感器，其特征在于，所述控制杆一端固定于球体的直径方向上，控制球体转动，另一端套有相对其转动和滑动的手柄套，手柄套内腔和控制杆截面为圆形，控制杆与手柄套之间设有深度传感器和转角传感器；一与球体共圆心的弧形滑杆相对滑动穿插于控制杆在球体与手柄套之间的位置上，弧形滑杆两端转接于支架上；所述支架底部设有滑动装置，所述滑动装置和支架之间设有位移传感器。

2.根据权利要求1所述的改进的内窥镜仿真装置，其特征是在支架内侧与球体之间设有至少两个转动支撑台，转动支撑台顶部设有滚珠与球体滑动配合。

3.根据权利要求2所述的改进的内窥镜仿真装置，其特征是支架内侧与球体之间设有三个转动支撑台，三个转动支撑台所在平面穿过球体的球心，且相对球心均匀分布，或者设有四个转动支撑台，四个转动支撑台在空间成正四面体分布，所述正四面体的重心与球体的球心重叠。

4.根据权利要求3所述的改进的内窥镜仿真装置，其特征是所述方位传感器安装在比邻转动支撑台的位置上或转动支撑台顶部上。

5.根据权利要求1所述的改进的内窥镜仿真装置，其特征在是所述滑动装置通过顶部设置的多个滑动滚珠或两层相互垂直的辊与支架底部滑动配合。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的改进的内窥镜仿真装置，其特征是在支架与球体之间或手柄套与控制杆之间或上述两个位置均设有阻尼装置，所述阻尼装置设有手动调节器或反馈自动调节器或同时设有手动和反馈自动调节器，支架与球体之间的阻尼装置安装在比邻转动支撑台的位置上或转动支撑台顶部上。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的内窥镜仿真装置，其特征是手柄套末端安装有仿真内窥镜手柄及控制按钮，手柄内部设有容纳控制杆滑动的容腔。

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