CN102622935B - 一种微创手术仿真装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于微创手术领域，具体涉及一种微创手术仿真装置。本发明包括基座以及可转动的安装于基座上的第一操作端，第一操作端上可转动的架设有第二操作端，第一操作端和第二操作端的转动轴线垂直设置，所述仿真装置还包括操作杆，操作杆设置于第二操作端处，操作杆可沿其自身长度方向产生位移动作且其长度方向垂直第二操作端转动轴线设置，各操作端以及操作杆处均设置可读取其转动角度或位移信号的信息反馈单元。由于操作杆以及各操作端间已经构成空间操作系统，通过操作杆动作并带动各操作端动作，信息反馈单元读取各操作端位移信号并传输至外部设备，从而实现三维空间上的仿真数据采集功能，以实现对现实的外科手术的模拟仿真。

Description

一种微创手术仿真装置

技术领域

本发明属于微创手术领域，具体涉及一种微创手术仿真装置。

背景技术

近年来，以腹腔镜技术为代表的微创外科手术迅速兴起，许多传统手术都开始采用微创外科技术。所谓的微创外科手术是指外科医生在病人身体上开四个小孔，一个用于插入内窥镜，另两个用于插入细长的手术工具，剩下的一个孔用于辅助操作，借助于一定的视觉图像设备来完成手术过程。目前，通过使用内窥镜和改进的工具，微创外科手术广泛地应用于血管外科、心脏搭桥、器官移植、胸外、内分泌等各种外科手术中。由于微创手术受到视野视察范围小、术者缺乏触觉感觉、手术区域灵活性小、人机协调困难等方面的限制，因此，要达到专业手术医生的水平，较传统手术而言需要更长时间的学习和训练。在传统的手术训练中，实习医生往往是在经验丰富的医生演示后对人造模型、尸体、动物等对象进行练习；然而，人造模型真实感不够，尸体资源有限且昂贵，动物活体组织及结构与人体差异较大等等，均极大制约了其实际培训效率，不利于提高培训者的外科手术基本技能。

针对上述情况，申请人于2008年01月10日申请的名称为“内窥镜微创手术仿真系统”（申请号：200820030701.X）的实用新型专利公布了如下技术方案：包括手术器械模拟器、空间定位传感器、数据采集及发送通信硬件、数据处理中心服务器、显示装置；空间定位传感器固定于手术器械模拟器上，手术器械模拟器的空间位移经空间定位传感器转换成电信号，经过数据采集及发送通信硬件处理后发送至数据处理中心服务器，数据处理中心服务器对数据处理后产生三维仿真图像送至显示装置显示。上述技术方案克服了现有技术内窥镜手术训练不够真实,训练效果不理想的缺陷，效果显著，然而，现有市场上并没有能够完整实现上述方案中手术器械模拟器和空间定位传感器功能的相关器械，以致往往难以完整而有效的实现其高仿真性以及适时获取数据功能，从而给实际使用者带来极大困扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单的微创手术仿真装置，能够完整实现仿真微创手术的适时数据获取功能。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种微创手术仿真装置，其特征在于：包括基座以及可转动的安装于基座上的第一操作端，所述基座包括矩形底板以及设置与底板上的空心圆柱状底座，所述底座内设置第一伺服电机，所述第一伺服电机转轴向上并与第一操作端转动轴重合固接设置，第一伺服电机旁侧设置第一角度传感器且两者转轴间构成齿轮式配合，所述第一操作端的转动轴线位于铅垂线上，所述第一操作端上可转动的架设有第二操作端，所述第一操作端和第二操作端的转动轴线垂直设置，所述仿真装置还包括操作杆，所述操作杆包括握持操作部以及配合部，握持操作部外形呈圆柱状，配合部呈现与第二操作端相配合的长方体杆体状，所述操作杆设置于第二操作端处，所述操作杆可沿其自身长度方向产生位移动作且其长度方向垂直第二操作端转动轴线设置，所述各操作端以及操作杆处均设置可读取其转动角度或位移信号的信息反馈单元，所述信息反馈单元包括设置于第一操作端转轴处的第一角度传感器和设置于第二操作端转轴处的第二角度传感器，所述各角度传感器均与相应的操作端转动轴线平行或重合设置，所述操作杆处相应设置有传感器。

本发明的主要优点在于；由于操作杆以及各操作端间已经构成空间操作系统，通过操作杆动作并带动各操作端动作，信息反馈单元读取各操作端位移信号并传输至外部设备，从而实现三维空间上的仿真数据采集功能，以实现对现实的外科手术的模拟仿真；较之传统的老式器械，本发明可给予培训者或培训团队以亲自练习、实践外科手术的机会，从而提高培训者的外科手术基本技能，积累大量的外科手术经验，极大的提高了培训者的操作能力，可对其医学判断、改善技能和扩展自己的医学知识产生有益效果。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是操作杆以及与第二操作端配合处结构示意图；

图3为图2的牵引绳结构的沿操作杆轴向方向的半剖视图；

图4为图2的牵引绳结构的沿滚筒部轴向方向的半剖视图；

图5为图2的齿轮齿条结构的沿操作杆轴向方向的半剖视图；

图6为图2的划线电阻片式结构的沿操作杆轴向方向的半剖视图；

图7为图6的I部分局部放大图；

图8为第一操作端和第二操作端配合示意图；

图9为图8的沿第二操作端转动轴线方向剖切的半剖视图；

图10为基座结构示意图；

图11为图10的半剖视图。

具体实施方式

一种微创手术仿真装置，包括基座10以及可转动的安装于基座10上的第一操作端20，所述第一操作端20上可转动的架设有第二操作端30，所述第一操作端20和第二操作端30的转动轴线垂直设置，所述仿真装置还包括操作杆40，所述操作杆40设置于第二操作端30处，所述操作杆40可沿其自身长度方向产生位移动作且其长度方向垂直第二操作端30转动轴线设置，所述各操作端以及操作杆40处均设置可读取其转动角度或位移信号的信息反馈单元，具体结构如图1所示。

作为本发明的进一步优选方案：所述第一操作端20的转动轴线位于铅垂线上，所述信息反馈单元包括设置于第一操作端20转轴处的第一角度传感器51和设置于第二操作端30转轴处的第二角度传感器52，所述各角度传感器均与相应的操作端转动轴线平行或重合设置，所述操作杆40处相应设置有传感器53，具体如图1、图3、图9以及图11所示。也就是说，在实际操作中，无论是各操作端和操作杆40独立动作还是各部分联动动作，位于其各部件边侧的各传感器都会适时监测到对应的各部件的转动角度或位移量的动作信息，并将其传输于外部设备，从而实现其动作数据的适时监测，并经由外部的数据处理单元将其对数据处理后产生的具象化的三维仿真图像表现至计算机屏幕上，最终实现对现实的外科手术的模拟仿真。

为具体实现操作杆40的动作监测，保证其位移量测量的准确可靠性，本发明对其具体结构作如下限定：所述第二操作端30包括壳体31以及设置于壳体31内的滚筒部32，所述滚筒部32轴线垂直操作杆40长度方向设置，所述滚筒部32两端与壳体31间构成可转动配合，所述滚筒部32上缠绕有牵引绳33，所述操作杆40贯穿壳体31设置，所述缠绕于滚筒部32上的牵引绳33的两端部分别沿其缠绕方向顺延并固接于操作杆40两端处，所述传感器53为角度传感器，所述传感器53的轴线与滚筒部32轴线同轴设置。具体结构可参照图2-4所示，这样，当使用者操纵操作杆40沿其长度方向作推拉动作时，操作杆40拉动牵引绳33并最终带动滚筒部32产生转动动作；此时与滚筒部32同轴设置的角度传感器53则忠实记录下滚筒部32的转动角度并将其数据信息传输出去，经由外部设备换算，最终获得操作杆40的推拉位移量。

进一步的，为降低其成本并保证其结构紧凑，所述滚筒部32两端与壳体31间构成轴承式配合，具体可如图4所示，将其滚筒部32两侧外轴设置有与其构成配合的轴承，轴承内圈与滚筒部32构成过盈配合，同时其壳体31构成两半式结构并合拢卡接住轴承外圈部，从而最终实现滚筒部32相对壳体31的可转动的轴承式配合；所述壳体31外形呈方箱状，考虑到牵引绳33在操作杆40动作时可能与壳体31产生的干涉现象，所述壳体31内与滚筒轴线平行设置有辊轮34，所述辊轮34分布于滚筒部32上端部的壳体31两角端处，所述牵引绳33两端分别经辊轮34导向并最终连接至操作杆40两端处；这样，当牵引绳33被操作杆40拽动而带动滚筒部32转动时，其辊轮34则起到了对于牵引绳33活动路径的导向和制约作用，从而保证操作杆40整体的可靠正常工作。

更进一步的，如图3-4所示，为便于实际操作，所述操作杆40包括握持操作部41以及配合部42，握持操作部41外形呈圆柱状，配合部42呈现与第二操作端30相配合的长方体杆体状；同时，为保证操作杆40沿壳体31的正确动作，其配合部42处开设有导向槽421，所述第二操作端30相对应处相应开设有导轨部35，两者间构成滑轨式配合。

当然，上述只是其中一种操作杆40的推拉位移量的监测结构的描述，相应的，如图5所示也即为另外一种操作杆40位移量监测的结构图，具体为：所述第二操作端30包括壳体31以及设置于壳体31内的滚筒部32，所述滚筒部32轴线垂直操作杆40长度方向设置，所述滚筒部32两端与壳体31间构成可转动配合，所述滚筒部32呈直齿轮状且其齿形方向平行其转动轴线设置，所述操作杆40贯穿壳体31且其杆体上相应设置齿条部，所述操作杆40与滚筒部32间构成齿轮齿条配合，所述传感器53为角度传感器，所述传感器53的轴线与滚筒部32轴线同轴设置。由图示可看出，当使用者操纵操作杆40沿其长度方向作推拉动作时，由于位于操作杆40上的齿条部与滚筒部32上的齿形啮合并构成配合，此时滚筒部32即在操作杆40推拉作用下作转动动作，其转动的实现可参考第一种操作杆40监测结构中的轴承转动原理，此时与滚筒部32同轴设置的角度传感器53则忠实记录下滚筒部32的转动角度并将其数据信息传输出去，经由外部设备换算，最终获得操作杆40的推拉位移量。

相应的，所述操作杆40位移量监测的结构还可以由以下结构来实现：所述第二操作端30包括壳体31，所述操作杆40贯穿壳体31一侧壁并延伸至壳体31内，所述操作杆40顶端固接有滑块43，所述壳体31内相应设置滑轨部36且与操作杆40上的滑块43间构成滑轨式配合，所述传感器53为位移传感器，具体如图6-7所示。也就是说，在抛开角度传感器监测的前提下，本发明也可以借由位移传感器来实现对于操作杆40的位移量的适时监测，当操作杆40动作时，位移传感器直接读取操作杆40位移信息并实现其数据的对外传输，实现其监测功能。

为具体实现上述位移传感器构造，如图6-7所示，所述传感器53包括贴附于壳体31内壁上的其长度方向平行操作杆40位移路径设置的划线电阻片531，所述操作杆40上设置滚珠44，所述滚珠44通过设置于操作杆40内的压簧45压靠于划线电阻片531上。实际操作时，使用者推拉操作杆40，操作杆40沿其滑轨部36产生动作，同时，位于其上的滚珠44则产生在划线变阻片上滑动动作，这时划线变阻片531的阻值就会产生变化，通过连接在划线变阻片531上的监测端检测出阻值的线型变量，最终可在外部设备上通过比例模拟出操作杆40推拉的位移数量。

上述构造均为实现各操作端以及操作杆40的动作数据监控，同样，为实现本发明操作杆40的仿真效果，提高其操作真实性和实验效率，如图1-6所示，所述第二操作端30的壳体31内还设置有可对操作杆40产生反馈作用力的电磁阀37。此时的电磁阀37构成力反馈电气原件，当在外界特定软件触发时，电磁阀37产生吸合反应，从而对滚筒部32乃至操作杆40本身产生一定反向外力施加，以模拟在人体中力反馈效果。

同理，为增强第一操作端20和第二操作端30操作时的动作真实性，如图9-11所示，所述仿真装置还包括可对第一操作端20产生反馈作用力的第一伺服电机21以及可对第二操作端30产生反馈作用力的第二伺服电机38，所述各伺服电机的转动轴线与各相应操作端的转动轴线平行或重合设置。当在外界特定软件触发时，所以伺服电机会通过转轴带动相应操作端转轴一起转动，形成对抗使用者操作力的反向扭力，从而实现对人体中力反馈效果的模拟功能。

进一步的，如图8-9所示，所述第二操作端30还包括用于限定其转动角度范围的限位部39，所述限位部39为螺纹限位销，所述限位部39与第一操作端20间构成螺纹配合，所述限位部39轴线方向垂直第二操作端30转动轴线设置，所述限位部39的上部位于第二操作端30转动路径上。当第二操作端30转动时，其转动角度范围会受限于限位部39；由于限位部39可通过自带螺纹相对第二操作端30进行上下调整，从而最终实现对于第二操作端30的转动角度限定的可调操作，以便于实际培训需求。

更进一步的，为具体化伺服电机的位置及结构，如图9-11所示，所述基座10包括矩形底板11以及设置与底板11上的空心圆柱状底座12，所述底座12内设置第一伺服电机21，所述第一伺服电机21转轴向上并与第一操作端20转动轴重合固接设置，第一伺服电机21旁侧设置第一角度传感器51且两者转轴间构成齿轮式配合。当第一操作端20转动并带动位于其下的固定齿轮转动时，相啮合的另一齿轮部则将该转动传输至第一角度传感器51转轴上，以实现其转动角度的适时监测功能；而与第一操作端20同轴设置的第一伺服电机，则如同第二操作端20的第二伺服电机21功能一样，在外界触发情况下，自动形成对抗使用者操作力的反向扭力，从而实现对人体中力反馈效果的模拟功能，增强其操作逼真性，可极大提高其操作真实性和实验效率。

实际使用时，可参考图1-2及图8所示，将第二操作端30分解为与操作杆40配合的操作部30a以及与第一操作端20配合的连接部30b，两者间则通过十字连接件30c来实现其连接功能，从而简化其结构；此外，其操作杆40的相关监测部件则设置于操作部30a内，而第二操作端30的相应监测部件也相应设置于连接部30b内，各部件各司其职，互不干涉，整体结构简单，生产装配乃至后期维护均极为快捷方便。另一方面，第一操作端20与第二操作端30间的配合关系可参照图8-9所示结构，第一操作端20可转动固接于基座10上，而在第一操作端20板面上设置相对的倒“T”形台，第二操作端30设置于倒“T”形台之间且其两端转轴分别与其中一个构成可转动配合，从而实现其转动效果，为防止第二操作端30与倒“T”形台间的摩擦磨损，则相应在两者间安置缓冲片60，以实现其缓冲功能。

Claims (10)

1.一种微创手术仿真装置，其特征在于：包括基座（10）以及可转动的安装于基座（10）上的第一操作端（20），所述基座（10）包括矩形底板（11）以及设置与底板（11）上的空心圆柱状底座（12），所述底座（12）内设置第一伺服电机（21），所述第一伺服电机（21）转轴向上并与第一操作端（20）转动轴重合固接设置，第一伺服电机（21）旁侧设置第一角度传感器（51）且两者转轴间构成齿轮式配合，所述第一操作端（20）的转动轴线位于铅垂线上，所述第一操作端（20）上可转动的架设有第二操作端（30），所述第一操作端（20）和第二操作端（30）的转动轴线垂直设置，所述仿真装置还包括操作杆（40），所述操作杆（40）包括握持操作部（41）以及配合部（42），握持操作部（41）外形呈圆柱状，配合部（42）呈现与第二操作端（30）相配合的长方体杆体状，所述操作杆（40）设置于第二操作端（30）处，所述操作杆（40）可沿其自身长度方向产生位移动作且其长度方向垂直第二操作端（30）转动轴线设置，所述各操作端以及操作杆（40）处均设置可读取其转动角度或位移信号的信息反馈单元，所述信息反馈单元包括设置于第一操作端（20）转轴处的第一角度传感器（51）和设置于第二操作端（30）转轴处的第二角度传感器（52），所述各角度传感器均与相应的操作端转动轴线平行或重合设置，所述操作杆（40）处相应设置有传感器（53）。

2.根据权利要求1所述的仿真装置，其特征在于：所述第二操作端（30）包括壳体（31）以及设置于壳体（31）内的滚筒部（32），所述滚筒部（32）轴线垂直操作杆（40）长度方向设置，所述滚筒部（32）两端与壳体（31）间构成可转动配合，所述滚筒部（32）上缠绕有牵引绳（33），所述操作杆（40）贯穿壳体（31）设置，所述缠绕于滚筒部（32）上的牵引绳（33）的两端部分别沿其缠绕方向顺延并固接于操作杆（40）两端处，所述传感器（53）为角度传感器，所述传感器（53）的轴线与滚筒部（32）轴线同轴设置。

3.根据权利要求2所述的仿真装置，其特征在于：所述滚筒部（32）两端与壳体（31）间构成轴承式配合，所述壳体（31）外形呈方箱状，所述壳体（31）内与滚筒轴线平行设置有辊轮（34），所述辊轮（34）分布于滚筒部（32）上端部的壳体（31）两角端处，所述牵引绳（33）两端分别经辊轮（34）导向并最终连接至操作杆（40）两端处。

4.根据权利要求3所述的仿真装置，其特征在于：所述配合部（42）处开设有导向槽（421），所述第二操作端（30）相对应处相应开设有导轨部（35），两者间构成滑轨式配合。

5.根据权利要求1所述的仿真装置，其特征在于：所述第二操作端（30）包括壳体（31）以及设置于壳体（31）内的滚筒部（32），所述滚筒部（32）轴线垂直操作杆（40）长度方向设置，所述滚筒部（32）两端与壳体（31）间构成可转动配合，所述滚筒部（32）呈直齿轮状且其齿形方向平行其转动轴线设置，所述操作杆（40）贯穿壳体（31）且其杆体上相应设置齿条部，所述操作杆（40）与滚筒部（32）间构成齿轮齿条配合，所述传感器（53）为角度传感器，所述传感器（53）的轴线与滚筒部（32）轴线同轴设置。

6.根据权利要求1所述的仿真装置，其特征在于：所述第二操作端（30）包括壳体（31），所述操作杆（40）贯穿壳体（31）一侧壁并延伸至壳体（31）内，所述操作杆（40）顶端固接有滑块（43），所述壳体（31）内相应设置滑轨部（36）且与操作杆（40）上的滑块（43）间构成滑轨式配合，所述传感器（53）为位移传感器。

7.根据权利要求6所述的仿真装置，其特征在于：所述传感器（53）包括贴附于壳体（31）内壁上的其长度方向平行操作杆（40）位移路径设置的划线电阻片（531），所述操作杆（40）上设置滚珠（44），所述滚珠（44）通过设置于操作杆（40）内的压簧（45）压靠于划线电阻片（531）上。

8.根据权利要求2或3或4或5或6所述的仿真装置，其特征在于：所述第二操作端（30）的壳体（31）内还设置有可对操作杆（40）产生反馈作用力的电磁阀（37）。

9.根据权利要求8所述的仿真装置，其特征在于：所述仿真装置还包括可对第一操作端（20）产生反馈作用力的第一伺服电机（21）以及可对第二操作端（30）产生反馈作用力的第二伺服电机（38），所述各伺服电机的转动轴线与各相应操作端的转动轴线平行或重合设置。

10.根据权利要求9所述的仿真装置，其特征在于：所述第二操作端（30）还包括用于限定其转动角度范围的限位部（39），所述限位部（39）为螺纹限位销，所述限位部（39）与第一操作端（20）间构成螺纹配合，所述限位部（39）轴线方向垂直第二操作端（30）转动轴线设置，所述限位部（39）的上部位于第二操作端（30）转动路径上。

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