CN103473977B - 用于虚拟手术训练实现人机交互的手术刀接口装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于虚拟手术训练实现人机交互的手术刀接口装置，包括安装底座（1）以及安装底座（1）上设置的手术刀装置（14），所述安装底座（1）上还设置有多个主/被动混合驱动器以及连杆，手术刀装置（14）通过主/被动混合驱动器以及连杆机构与安装底座（1）连接。本发明的目的是提供一种保真度高、能够模拟手术过程中对肌体组织切割、针刺等现象实现虚拟手术训练中人机交互的手术刀接口装置，本发明利用主动驱动器补偿被动力觉交互设备的非有益综合阻尼力是一个较好的解决方案，而且有效地解决了被动力觉交互装置无法模拟储能元件问题。
Description
技术领域
本发明涉及辅助医疗器械技术领域，具体涉及用于虚拟手术训练实现人机交互的手术刀接口装置。
背景技术
随着科技的发展，人们对生命健康品质的要求越来越高，世界各国对医疗技术特别是外科手术的安全性提出更高的要求，统计数据表明，临床手术的失误80%是人为失误引起的。美国一家医疗保健评级机构HealthGrades开展了一项为期3年的调查，结果表明：在调查期间，共有23万人死于手术失误，所以手术训练对于年轻外科医生的成长极为重要，然而传统手术训练方式存在诸多问题，为了解决传统手术训练方式的局限性，虚拟手术技术成为近年研究热点之一。
传统的手术训练依赖于活体动物、动物和人的尸体、病人、无机材料合成模型等，许多问题使手术训练面临严峻的挑战，活体动物一般不能准确反应出人体解剖学特征，成本较高并受动物保护相关法律的制约；动物尸体较为便宜，仍然存在与人体的解剖学特征相差甚远的问题；人的尸体数量较少，与活体的器官组织具有不同的生理特征，不能产生流血、血压等生理现象，并且具有不可重复性特点，还涉及到道德和伦理问题；在针对病人进行手术训练时，不良的深度触觉、有限的视觉区域和不当的手眼协调性很容易对病人产生伤害，存在着很大的危险性；无机材料合成模型的缺点较为明显，包括存在生理特征重现性差和解剖学特征有限的变化性等问题。因此年轻外科医生参与手术训练的机会和次数受到了很大的限制，而想要达到必须的技能水平需要长时间的学习和反复的训练，例如，一个医生要想使锁孔手术达到熟练的程度需要至少750次的手术过程训练。随着机器人技术、计算机图形学、生物工程学和数学建模技术的高速发展，基于虚拟现实的虚拟手术训练系统为医护人员的手术训练提供了机会，也为传统手术训练所面临的一系列问题提供了一种具有潜力的解决方案。虚拟手术训练过程中，医生通过力触觉设备对虚拟的器官进行手术，感觉好像他们处在真实的环境当中对真实的器官操作一样，虚拟手术不仅可以毫无限制的重复操作，而且可以根据需要设置不同训练难度，让不同级别的医疗人员反复训练，训练的结果也可以保存起来方便以后的学习，训练所花的成本也非常低。同时可以用来评估手术结果，包括完成手术时间、手术操作的精确度、动作的简洁性、人为失误的数量、手术路径的长度、患者的安全性、受训者个人满意程度等，通过这些基本参数的提高，可以保证手术成功和减低病人痛苦，提高手术成功率。虚拟手术中获得的经验可以应用于实际手术中， Reznick 和MacRae的研究表明：通过虚拟手术训练的医生在做解剖手术时其速度更快，失误更少并且动作更简洁性得分更高，根据Larsen和 Soerensen等人的评估，从虚拟手术训练中获得的经验可以直接用于手术室中，在初次手术中，经过一定程度训练的医生操作水平能够达到经过一年或更长时间临床训练医生的水准。因为虚拟手术训练系统提供了种既安全又节省的训练方案并被实践证明行之有效，已得到世界各国越来越多的关注。
目前存在的用于虚拟手术训练实现人机交互的手术工具接口装置中，不管是已商业化的力觉交互装置，还是基于这些设备开发的力触觉交互装置，或是其它新开发的力触觉交互装置，大多数由电机驱动的主动力触觉交互装置，主动型力触觉交互装置用于虚拟手术训练时具有很大的灵活性，但存在着以下问题：
（1）稳定性相对较差，这主要是由电机或其它主动驱动器自身固有的特性造成的；
（2）保真性相对较差，在模拟硬接触如对牙齿或骨骼手术时电机处于堵转状态易产生振动，造成与真实环境手术相比，失真较大，在模拟人体肌体软组织手术时，因为人体肌体组织特别是内脏组织不是完全意义上的弹性体，在受压、切割或针刺时是非线性的弹性形变，存在一定的粘滞性特征，因此利用主动交互设备对这些组织手术过程的模拟存在较大的失真；
（3）存在一定的危险性，尽管目前的虚拟手术训练交互装置集成了许多冗余部件以确保整个系统操作的安全性，事实上这些冗余设计策略也大大地减少了手术事故的风险性，但可能存在的系统失效会使患者受到伤害，导致系统失效的因素有电机、放大器、传感器等故障，也有可能是复杂控制算法中存在的未被发觉的程序错误，另一方面电机的反冲力容易对操作者产生伤害；
（4）体积较大，研究表明，产生相同大小的力，主动驱动器的体积要比被动驱动器大得多，由此造成驱动机构的惯量、摩擦力都比较大，也容易造成较大的失真；
（5）能耗较大，一个电机驱动的小型商业化力反馈操纵杆对操作者施加连续的力消耗功率达到10~30瓦，而一个台式的力反馈设备消耗的能量将更多，因此需要配备外部电源适配器，使设备的便携性大打折扣，这也是主动力觉交互设备设计中一个很大的问题。
被动式力交互装置应用于虚拟手术训练中能够保持较好的稳定性、安全性和较低的能耗，但因为反馈力的产生完全依赖于机械接触，所以当使用快速开关控制器控制时容易造成系统的振动，模拟肌体组织柔顺性也存在很大难度。更有甚者，摩擦材料具有比较高的动摩擦系数，容易导致粘滑现象发生，这种现象能够造成反馈力的不连续，使模拟过程出现失真。另外，被动力式触觉交互设备也具有天生的缺点，即无法模拟储能物体如弹性体。尽管磁流变液能够较好的模拟粘滞性物体，但人的肌体组织同时具有弹性和粘滞性，利用被动驱动器设计的力触觉交互设备存在一定的非有益综合阻尼力，设备固有的不足使得这些非有益综合阻尼力无法得到补偿，因此无法模拟小于其非有益综合阻尼力的力，如在模拟无约束空间运动时产生失真。
发明内容
本发明的目的是提供一种保真度高、能够模拟手术过程中对肌体组织切割、针刺等现象实现虚拟手术训练中人机交互的手术刀接口装置，本发明利用主动驱动器补偿被动力觉交互设备的非有益综合阻尼力是一个较好的解决方案，有效地解决了被动力触觉交互装置无法模拟储能元件问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种用于虚拟手术训练实现人机交互的手术刀接口装置，包括安装底座（1）以及安装底座（1）上设置的手术刀装置（14），所述安装底座（1）上还设置有多个主/被动混合驱动器以及连杆，手术刀装置（14）通过主/被动混合驱动器以及连杆与安装底座（1）连接；
所述主/被动混合驱动器包括第一主/被动混合驱动器（2）、第二主/被动混合驱动器（3）、第三主/被动混合驱动器（4）、第四主/被动混合驱动器（5）；
所述连杆包括第一连杆（6）、第二连杆（7）、第三连杆（8）、第四连杆（9）、第五连杆（10）、第六连杆（11）；
所述第一主/被动混合驱动器（2）固定设置于安装底座（1）的侧面，第二主/被动混合驱动器（3）固定设置于安装底座（1）的底面，第一主/被动混合驱动器（2）通过输出轴（15）上设置的轴承与第一连杆（6）的一端连接，第二主/被动混合驱动器（3）通过输出轴（15）上设置的轴承与第二连杆（7）的一端连接，相对端通过万向节与第一连杆（6）杆体上设置的滑动轴承（12）连接，第三连杆（8）、第四连杆（9）、第五连杆（10）、第六连杆（11）两两端头连接形成平行四连杆结构，第一连杆（6）自由端通过滚动轴承（13）与第三连杆（8）、第六连杆（11）两端交接处连接，第三连杆（8）相对端固定设置有第三主/被动混合驱动器（4），第三主/被动混合驱动器（4）通过输出轴（15）上设置的滚动轴承（13）与第四连杆（9）一端连接，第六连杆（11）相对端固定设置有第四主/被动混合驱动器（5），第四主/被动混合驱动器（5）通过输出轴（15）上设置的滚动轴承（13）与第五连杆（10）一端连接，第四连杆（9）、第五连杆（10）两端交接处通过滚动轴承（13）连接有手术刀装置（14）；
所述第一主/被动混合驱动器（2）、第二主/被动混合驱动器（3）、第三主/被动混合驱动器（4）、第四主/被动混合驱动器（5）以及手术刀装置（14）通过控制器与虚拟手术环境进行数据交互。
本发明进一步技术改进方案是：
所述手术刀装置（14）包括手术刀（141）及其刀柄上设置的力传感器（142）。
本发明进一步技术改进方案是：
所述主/被动混合驱动器包括驱动电机（16）、减速器（17）、磁流变液阻尼器（18）以及角度传感器（19），驱动电机（16）通过减速器（17）与磁流变液阻尼器（18）转动连接，磁流变液阻尼器（18）设置有输出轴（15），角度传感器（19）位于驱动电机（16）底部。
本发明进一步技术改进方案是：
所述第一主/被动混合驱动器（2）与第二主/被动混合驱动器（3）输出轴（15）的轴线位于同一垂直平面，且二者夹角为90°。
本发明专利与现有技术相比，具有以下明显优点：
1、本发明采用基于新兴磁流变技术的磁流变液阻尼器，磁流变液在磁场作用下产生磁流变效应，使表征磁流变液流变特性的表观粘度发生变化，能够在瞬间从牛顿液体状态变化为类固体状态，并且该过程可逆，因此磁流变液在模拟肌体组织柔顺性方面具有独特的优势。磁流变液阻尼器不是机械直接接触，而是利用流体传递力矩，因此更为稳定和连续。
2、本发明磁流变液阻尼器能够有效地模拟肌体组织的粘滞性特征，无法模拟肌体组织弹性的受力特征，因此采用电机与磁流变液阻尼器相结合，组成基于电机和磁流变液阻尼器的主/被动混合驱动器，能够实现肌体组织弹性和粘滞性的模拟，不但如此，混合驱动器能够实现较大范围和快速响应的力反馈，使手术刀接口装置能够高保真地模拟对人体不同肌体组织（从较硬的骨组织到较软的脑组织）的切割、针刺等过程。
3、本发明所采用手术刀装置具有四个运动自由度和三个力自由度，三个力自由度分别能够模拟手术刀在肌体组织中的插入、切割和拨动，使得手术过程模拟更具真实性。
4、本发明用于模拟手术刀切割的平行四连杆机构中的第三连杆和第四连杆即可实现一个自由度的力，第五连杆和第六连杆属于冗余配置，可增加切割动作的稳定性。
5、本发明结构简单，整个装置结构简单、紧凑，机械加工精度要求也不高。
6、本发明整个装置采用轻质材料做成，使其转动惯量小，磁流变液阻尼器和机械加工摩擦力等非有益综合阻尼力可以通过电机进行补偿，从而使得手术刀在自由状态下阻尼力很小。
7、本发明控制简单，电流信号与磁流变液阻尼器输出力矩信号存在明确的函数关系，因此只需给阻尼器提供电流信号便可准确地控制其动作。
附图说明
图1 为本发明的接口装置结构示意图；
图2为本发明主/被动混合驱动器结构示意简图；
图3为本发明系统原理图。
具体实施方式
如图1、2、3所示，本发明包括安装底座1以及安装底座1上设置的手术刀装置14，安装底座1上还设置有多个主/被动混合驱动器以及连杆，手术刀装置14通过主/被动混合驱动器以及连杆与安装底座1连接；手术刀装置14包括手术刀141及其刀柄上设置的力传感器142；主/被动混合驱动器包括驱动电机16、减速器17、磁流变液阻尼器18以及角度传感器19，驱动电机16通过减速器17与磁流变液阻尼器18转动连接，磁流变液阻尼器18设置有输出轴15，角度传感器19位于驱动电机16底部；主/被动混合驱动器包括第一主/被动混合驱动器2、第二主/被动混合驱动器3、第三主/被动混合驱动器4、第四主/被动混合驱动器5；第一主/被动混合驱动器2与第二主/被动混合驱动器3输出轴15的轴线位于同一垂直平面，且二者夹角为90°；连杆包括第一连杆6、第二连杆7、第三连杆8、第四连杆9、第五连杆10、第六连杆11；第一主/被动混合驱动器2固定设置于安装底座1的侧面，第二主/被动混合驱动器3固定设置于安装底座1的底面，第一主/被动混合驱动器2通过输出轴15上设置的轴承与第一连杆6的一端连接，第二主/被动混合驱动器3通过输出轴15上设置的轴承与第二连杆7的一端连接，相对端通过万向节与第一连杆6杆体上设置的滑动轴承12连接，第三连杆8、第四连杆9、第五连杆10、第六连杆11两两端头连接形成平行四连杆结构，第一连杆6自由端通过滚动轴承13与第三连杆8、第六连杆11两端交接处连接，第三连杆8相对端固定设置有第三主/被动混合驱动器4，第三主/被动混合驱动器4通过输出轴15上设置的滚动轴承13与第四连杆9一端连接，第六连杆11相对端固定设置有第四主/被动混合驱动器5，第四主/被动混合驱动器5通过输出轴15上设置的滚动轴承（13）与第五连杆10一端连接，第四连杆9、第五连杆10两端交接处通过滚动轴承13连接有手术刀装置14；第一主/被动混合驱动器2、第二主/被动混合驱动器3、第三主/被动混合驱动器4、第四主/被动混合驱动器5以及手术刀装置14通过控制器与虚拟手术环境进行数据交互。
结合附图简述本发明的工作原理：
本发明手术刀接口装置结构如图1、2所示，训练者通过操作手术刀柄控制虚拟手术环境下的手术刀和患者进行交互，手术刀运动时主/被动混合驱动器的角度传感器测量手术刀的运动方向和速度，控制虚拟手术刀按相同的方向和速度在虚拟环境中运动，当虚拟手术刀接触患者的病灶处，将受到虚拟肌体组织的作用力，该力信号通过控制器传递到手术刀接口装置，控制手术刀接口装置的某主/被动混合驱动器动作，在人的手部产生同样大小的力，同时手术刀柄的力传感器检测到该力，并将该力与从虚拟手术环境传递回来的力相比较，如有偏差立即进行调整，使得训练者手部受力能够实时准确地跟踪虚拟手术刀受力。手术刀接口装置水平设置的主/被动混合驱动器可以实现手术刀插入肌体组织力的模拟，手术刀接口装置的垂直设置的主/被动混合驱动器可以实现左右拨动肌体组织力的模拟，手术刀接口装置平行四连杆机构中设置的主/被动混合驱动器可以实现对肌体组织切割力的模拟。因此，本发明用于虚拟手术训练实现人机交互的手术刀接口装置能够实现肌体组织的插入、切割和左右拨动等力的模拟，又因为采用基于电机和磁流变液阻尼器混合驱动的驱动器，使手术训练过程更具有真实性，为有效促进年轻医生手术技术的提高起着积极作用。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (4)
1.用于虚拟手术训练实现人机交互的手术刀接口装置，包括安装底座（1）以及安装底座（1）上设置的手术刀装置（14），其特征在于：所述安装底座（1）上还设置有多个主/被动混合驱动器以及连杆机构，手术刀装置（14）通过主/被动混合驱动器以及连杆机构与安装底座（1）连接；
所述主/被动混合驱动器包括第一主/被动混合驱动器（2）、第二主/被动混合驱动器（3）、第三主/被动混合驱动器（4）、第四主/被动混合驱动器（5）；
所述连杆机构包括第一连杆（6）、第二连杆（7）、第三连杆（8）、第四连杆（9）、第五连杆（10）、第六连杆（11）；
所述第一主/被动混合驱动器（2）固定设置于安装底座（1）的侧面，第二主/被动混合驱动器（3）固定设置于安装底座（1）的底面，第一主/被动混合驱动器（2）通过输出轴（15）上设置的轴承与第一连杆（6）的一端连接，第二主/被动混合驱动器（3）通过输出轴（15）上设置的轴承与第二连杆（7）的一端连接，相对端通过万向节与第一连杆（6）杆体上设置的滑动轴承（12）连接，第三连杆（8）、第四连杆（9）、第五连杆（10）、第六连杆（11）两两端头连接形成平行四连杆结构，第一连杆（6）自由端通过滚动轴承（13）与第三连杆（8）、第六连杆（11）两端交接处连接，第三连杆（8）相对端固定设置有第三主/被动混合驱动器（4），第三主/被动混合驱动器（4）通过输出轴（15）上设置的滚动轴承（13）与第四连杆（9）一端连接，第六连杆（11）相对端固定设置有第四主/被动混合驱动器（5），第四主/被动混合驱动器（5）通过输出轴（15）上设置的滚动轴承（13）与第五连杆（10）一端连接，第四连杆（9）、第五连杆（10）两端交接处通过滚动轴承（13）连接有手术刀装置（14）；
所述第一主/被动混合驱动器（2）、第二主/被动混合驱动器（3）、第三主/被动混合驱动器（4）、第四主/被动混合驱动器（5）以及手术刀装置（14）通过控制器与虚拟手术环境进行数据交互。
2.根据权利要求1所述的用于虚拟手术训练实现人机交互的手术刀接口装置，其特征在于：所述手术刀装置（14）包括手术刀（141）及其刀柄上设置的力传感器（142）。
3.根据权利要求1或2所述的用于虚拟手术训练实现人机交互的手术刀接口装置，其特征在于：所述主/被动混合驱动器包括驱动电机（16）、减速器（17）、磁流变液阻尼器（18）以及角度传感器（19），驱动电机（16）通过减速器（17）与磁流变液阻尼器（18）转动连接，磁流变液阻尼器（18）设置有输出轴（15），角度传感器（19）位于驱动电机（16）底部。
4.根据权利要求1或2所述的用于虚拟手术训练实现人机交互的手术刀接口装置，其特征在于：所述第一主/被动混合驱动器（2）与第二主/被动混合驱动器（3）输出轴（15）的轴线位于同一垂直平面，且二者夹角为90°。
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