CN104200730A - 一种用于虚拟腹腔镜手术的装置、方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于虚拟腹腔镜手术的装置、方法及系统。所述装置包括一对相对设置的机械操作杆，机械操作杆包括直杆、C形连接杆和横杆；直杆上部为手握部分，下部连接C形连接杆，上部和下部通过第一套管连接，其中设有直线位移传感器和第一角位移传感器；直杆下部底端设有第二套管，第二套管内设有第二角位移传感器；C形连接杆凹部连接直杆下部，背部通过第三套管连接横杆，第三套管中设置有第三角位移传感器。本发明还提供了应用所述装置进行腹腔镜手术的方法。所述系统包括所述装置及虚拟模块。本发明针对腹腔镜手术虚拟手术器械实现绕固定点自旋、伸缩以及绕固定点受限制的运动的效果，实时性强、可靠性高、鲁棒性好。

Description

一种用于虚拟腹腔镜手术的装置、方法及系统

技术领域

本发明属于虚拟手术器械领域，更具体地，涉及一种用于虚拟腹腔镜手术的装置、方法及系统。

背景技术

随着现代科学技术的不断发展，虚拟现实技术的运用领域变得更加广泛。将虚拟现实技术的概念、原理和方法运用到外科手术的新型交叉学科称为虚拟手术。腹腔镜手术的快速发展对医生在的手术技能方面人们又有了新的要求。一般而言，医生娴熟的操作手法来自大量的临床经验。而虚拟腹腔镜手术系统可以通过构建患者腹腔内三维虚拟场景、模拟腹腔镜手术基本过程等方法，帮助训练医生的基本手术技能。与传统的培训方式不同，虚拟腹腔镜手术系统能够反复多次练习而不用担心标本、场地和手术安全等问题，不仅训练代价小，同时缩短了培训周期。有些虚拟手术系统还具有辅助确定手术方案、评估医生手术过程等作用。实施虚拟手术的过程需要机械装置模拟对手术器械进行操作以及控制手术流程。

中国专利申请号：200510027052.9，名称为多功能虚拟外科手术器械，该专利中通过固定一个立柱在底座上，一个角位移传感器设置在立柱末端，转臂与立柱通过该角位移传感器项链，转臂上设置一角位移传感器，转筒通过该角位移传感器与转臂相连，直线位移传感器与转筒向连，直线位移传感器的末端设置连轴器，一角位移传感器设置外联轴器中，连接筒与该角位移传感器相连，连接后端插入一角位移传感器，剪刀手柄固定在连接筒上，另一剪刀手柄与一角位移传感器相连。但是该设备不适用于腹腔镜手术的模拟，在具体腹腔镜手术中，手术器械的运动自由度是受限制的，手术器械需要进行的操作位绕着固定点自旋、伸缩以及绕固定点在四个方向的摇摆，并且在手术过程中，不同手术器械会完成不同的操作，比如抓持、切割、电凝、释放钛夹等操作，该专利中的设备都不能实现这些功能且不满足具体腹腔镜手术中器械自由度限制的需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于虚拟腹腔镜手术的装置、方法及系统，其目的在于通过对器械自由度和操作范围进行针对腹腔镜手术的优化设计，由此解决目前的虚拟手术设备无法虚拟腹腔镜手术的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于腹腔镜虚拟手术的装置，包括一对相对设置的机械操作杆，所述机械操作杆包括直杆、C形连接杆和横杆；

所述直杆上部为手握部分，下部连接C形连接杆，上部和下部之间通过第一套管连接，第一套管中设置有直线位移传感器和第一角位移传感器；所述直线传位移传感器，用于采集直杆伸缩距离；所述第一角位移传感器，用于采集直杆XY平面内的偏转角度；所述直杆下部底端设有第二套管，第二套管内设有第二角位移传感器，用于采集直杆在XZ平面内的旋转角度；所述C形连接杆凹部连接直杆下部，背部通过第三套管连接横杆，所述第三套管中设置有第三角位移传感器；所述第三角位移传感器，用于采集直杆YZ平面内的偏转角度。

优选地，所述装置，其直杆上部和下部之间可伸缩移动，最大伸缩距离在150mm至300mm之间。

优选地，所述装置，其一对操作杆之间距离为15cm至20cm。

优选地，所述装置，其还包括外壳，所述外壳上有一对圆形开孔，所述直杆上部，通过圆形开伸出外壳，所述外壳表面设有手术器械控制按钮，用于切换模拟的手术器械或其状态。

按照本发明的另一方面，提供了一种应用所述的装置的腹腔镜手术模拟方法，包括以下步骤：

(1)载入虚拟腹腔场景数据、器械数据、器械状态数据和虚拟器械位姿初始数据，所述装置操作杆复位到初始状态；

(2)实时采集直杆在XY平面、YZ平面和XZ平面内的偏转角度以及直线位移距离；

(3)按照下式计算直杆的实时姿态四元数^惯Q_物：

其中θ₁为第二角位移传感器采集的直杆在XZ平面内的旋转角度，θ₂为第三角位移传感器采集的直杆在YZ平面内的旋转角度，θ₃为第一角位移传感器采集的直杆在YZ平面内的旋转角度。

(4)根据直线位移传感器采集的距离数据和直杆实时姿态四元数^惯Q_物，得到虚拟器械实时空间位姿信息，并根据场景数据、器械数据、器械状态数据和虚拟器械实时空间位姿信息模拟手术场景。

按照本发明的另一方面，提供了一种用于腹腔镜虚拟手术的系统，包括所述的用于腹腔镜虚拟手术的装置，以及虚拟模块，所述虚拟模块包括图像模拟子模块、数据采集子模块和运算子模块；

所述图像模拟子模块，用于实时模拟手术图像，根据运算子模块的运算得出的器械实时空间位姿和数据采集模块记录的器械数、器械状态数据和场景数据，实施模拟手术场景；

所述数据采集子模块，用于接受所述用于腹腔镜虚拟手术的装置的第一至第三角位移传感器和直线位移传感器采集的数据，监听并记录器械数据、器械状态数据和场景数据；

所述运算子模块，用于接收数据采集子模块的传感器数据、器械数据、器械状态数据及场景数据，并根据器械初始位姿信息，运算获得虚拟器械实时空间位姿信息，并将空间虚拟器械实时空间位姿信息传递给图像模拟子模块。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于对操作杆的自由度、外壳尺寸和交互方法的设计和实现，能够针对腹腔镜手术，虚拟手术器械实现绕固定点自旋、伸缩以及绕固定点受限制的运动的效果，获取操作杆的姿态信息和操作情况具有实时性强、可靠性高、鲁棒性好的有益效果。

附图说明

图1是本发明提供的用于虚拟腹腔镜手术的装置结构示意图；

图2是机械操作杆的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为外壳；2为手术器械控制按钮；3为圆形开孔；4为机械操作杆；5为横杆；6为第三套管，套管中有第三角位移传感器；7为C形连接杆；8为直杆；9为第一角位移传感器；10为直线位移传感器；11为第一套管；12为第二套管，套管中设置有第二角位移传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的用于腹腔镜虚拟手术的装置，包括一对相对设置的机械操作杆4，所述机械操作杆4包括直杆8、C形连接杆7、横杆5和外壳1。

所述外壳1上有一对圆形开孔3，所述直杆8上部，通过圆形开伸出外壳1，所述外壳1表面设有手术器械控制按钮2，用于切换模拟的手术器械或其状态。所述直杆8上部为手握部分，下部连接C形连接杆7，上部和下部之间通过第一套管11连接，第一套管11中设置有直线位移传感器10和第一角位移传感器9；所述直线传位移传感器，用于采集直杆8伸缩距离；所述第一角位移传感器9，用于采集直杆8XY平面内的偏转角度；所述直杆8下部底端设有第二套管12，第二套管12内设有第二角位移传感器，用于采集直杆8在XZ平面内的旋转角度；所述C形连接杆7凹部连接直杆8下部，背部通过第三套管6连接横杆5，所述第三套管6中设置有第三角位移传感器；所述第三角位移传感器，用于采集直杆8YZ平面内的偏转角度。

所述外壳1优选为30cm×20cm×50cm的方形盒；所述直杆8上部和下部之间可伸缩移动，最大伸缩距离在150mm至300mm之间；所述一对操作杆之间距离为15cm至20cm。以上参数根据正常人体腹腔进行设计，因此所述装置尤其适用于虚拟腹腔镜手术。

优选地，所述外壳1上有手术器械控制按钮2，包括器械切换按钮、状态切换按钮和场景切换按钮，分别用于选择不同的手术器械、手术器械不同的状态和不同的手术场景。通过外壳1上的器械切换按钮可以切换虚拟手术器械的类型；通过状态切换按钮选择手术器械功能开关状态，例如钳子开合、电凝通电、钛夹释放等；通过场景切换按钮，可选择不同的手术场景分为不同的手术场景模块，从而反复操作练习某个手术过程。

应用于本发明提供的装置的腹腔镜手术模拟方法，包括以下步骤：

(1)载入虚拟腹腔场景数据、器械数据和虚拟器械位姿初始数据，所述装置操作杆复位到初始状态；

(2)实时采集直杆8在XY平面、YZ平面和XZ平面内的偏转角度以及直线位移距离；

机械手中横杆5的延长线与直杆8垂直相交，以相交点为原点建立一个以横杆5延长线为x轴、竖直向上为y的左手坐标系，实时采集直杆8在XY平面、YZ平面和XZ平面内的偏转角度以及直线位移距离；

(3)按照下式计算直杆8的实时姿态四元数^惯Q_物：

其中θ₁、θ₂、θ₃分别为θ₁为第二角位移传感器采集的采直杆8在XZ平面内的旋转角度、θ₂为第三角位移传感器采集的直杆8在YZ平面内的旋转角度、θ₃为第一角位移传感器9采集的直杆8在YZ平面内的旋转角度。

(4)根据直线位移传感器10采集的距离数据和直杆8实时姿态四元数^惯Q_物，得到虚拟器械实时空间位姿信息，并根据场景数据、器械数据、器械状态数据和虚拟器械实时空间位姿信息模拟手术场景。

具体方法可优选：在虚拟手术场景中在人体腹腔开孔处为原点、人体朝上为y轴、人体头到脚方向为x轴的左手坐标系同操作杆的坐标系一一对应，虚拟手术中坐标系的位姿信息也是根据该坐标系设定，根据直线位移传感器10采集的距离数据，将虚拟器械的物体坐标系的坐标轴原点在在建立的左手坐标系中沿着Y轴直线位移传感器10的值，实现将手术器械的伸缩，在根据直杆8实时姿态四元数^惯Q_物在建立的左手坐标系中旋转，这样虚拟器械的位姿态信息将和操作杆是一样的，并根据场景数据、器械数据、器械状态数据和虚拟器械实时空间位姿信息模拟手术场景。(参见《四元数在图形学中的应用》，吴拥名，福建电脑，2005年11期。)

根据直线位移距离和直杆8实时姿态，计算得到虚拟器械实时空间位姿信息。

模拟手术场景的具体方法如下：

将场景数据、器械数据、器械状态数据和虚拟器械实时空间位姿信息实时地传送给上位机，在上位机中将操作杆的位姿态信息映射为虚拟场景中器械的位姿状态，这样，当操作杆绕关节点旋转、伸缩的时候，虚拟场景中的器械也将跟着旋转、伸缩，并保持和操作杆一样的姿态。

通过以上操作，便可以实现利用手术装置与虚拟手术系统的交互，实现手术的模拟。根据本发明提供的用于腹腔镜虚拟手术的装置，所述方法尤其适用于腹腔镜手术模拟。

本发明提供的用于腹腔镜虚拟手术的系统，包括所述的用于腹腔镜虚拟手术的装置，以及虚拟模块，所述虚拟模块包括图像模拟子模块、数据采集子模块和运算子模块；

所述图像模拟子模块，用于实时模拟手术图像，根据运算子模块的运算得出的器械实时空间位姿和数据采集模块记录的器械数、器械状态数据和场景数据，实施模拟手术场景；

所述数据采集子模块，用于接受所述用于腹腔镜虚拟手术的装置的第一至第三角位移传感器和直线位移传感器10采集的数据，监听并记录器械数据、器械状态数据和场景数据；

所述运算子模块，用于接收数据采集子模块的传感器数据、器械数据、器械状态数据及场景数据，并根据器械初始位姿信息，运算获得虚拟器械实时空间位姿信息，并将空间虚拟器械实时空间位姿信息传递给图像模拟子模块。

以下为实施例：

实施例1

一种用于腹腔镜虚拟手术的装置，如图1所示，包括一对相对设置的机械操作杆4，所述机械操作杆4包括直杆8、C形连接杆7、横杆5和外壳1。

所述外壳1上有一对圆形开孔3，所述直杆8上部，通过圆形开伸出外壳1，所述外壳1表面设有手术器械控制按钮2，用于切换模拟的手术器械或其状态。如图2所示，所述直杆8上部为手握部分，下部连接C形连接杆7，上部和下部之间通过第一套管11连接，第一套管11中设置有直线位移传感器10和第一角位移传感器9；所述直线传位移传感器，用于采集直杆8伸缩距离；所述第一角位移传感器9，用于采集直杆8在XY平面内的偏转角度；所述直杆8下部底端设有第二套管12，第二套管12内设有第二角位移传感器，用于采集直杆8在XZ平面内的旋转角度；所述C形连接杆7凹部连接直杆8下部，背部通过第三套管6连接横杆5，所述第三套管6中设置有第三角位移传感器；所述第三角位移传感器，用于采集直杆8YZ平面内的偏转角度。

所述外壳1上的手术器械控制按钮2，包括器械切换按钮、状态切换按钮和场景切换按钮，分别用于选择不同的手术器械、手术器械不同的状态和不同的手术场景。通过外壳1上的器械切换按钮可以切换虚拟手术器械的类型；通过状态切换按钮选择手术器械功能开关状态，例如钳子开合、电凝通电、钛夹释放等；通过场景切换按钮，可选择不同的手术场景分为不同的手术场景模块，从而反复操作练习某个手术过程。

所述外壳1优选为30cm×20cm×50cm的方形盒；所述直杆8上部和下部之间可伸缩移动，最大伸缩距离为300mm；所述一对操作杆之间距离为15cm。以上参数根据正常人体腹腔进行设计，因此所述装置尤其适用于虚拟腹腔镜手术。

实施例2

一种用于腹腔镜虚拟手术的系统，包括所述的用于腹腔镜虚拟手术的装置，以及虚拟模块，所述虚拟模块包括图像模拟子模块、数据采集子模块和运算子模块；

所述图像模拟子模块，包括上位机和显示器。所述显示器用于实时显示手术图像，所述上位机根据运算子模块的运算得出的器械实时空间位姿和数据采集模块记录的器械数、器械状态数据和场景数据，实施模拟手术场景。所述上位机和显示器通过信号线相连，传递图像信号。

所述数据采集子模块，用于接受所述用于腹腔镜虚拟手术的装置的第一至第三角位移传感器和直线位移传感器10采集的数据，监听并记录器械数据、器械状态数据和场景数据。所述数据采集子模块，采用STM32芯片，其中ADC模块分别将来自两个个操作杆上第一至第三角位移传感器和直线传感器的模拟电压信号转换为数字信号，并存储于STM32芯片的缓冲区；同时STM32芯片上的缓冲区还存储有器械数据、器械状态数据和场景数据。所述数据采集子模块，实时将STM32芯片缓冲区的第一至第三角位移传感器和直线传感器采集的数据、器械数据、器械状态数据传递给运算子模块。

所述运算子模块，用于接收数据采集子模块的传感器数据、器械数据、器械状态数据及场景数据，并根据器械初始位姿信息，运算获得虚拟器械实时空间位姿信息，并将空间虚拟器械实时空间位姿信息传递给图像模拟子模块。

实施例3

应用实施例2中的用于虚拟腹腔镜手术的系统，进行虚拟腹腔镜胆囊切除手术。具体操作步骤如下：

(1)载入虚拟腹腔场景数据、器械数据和虚拟器械位姿初始数据，所述装置操作杆复位到初始状态：

在虚拟腹腔镜胆囊切除模拟过程中，将胆囊切除过程分为初步分离场景、分离胆囊三角区域场景、释放钛夹夹断胆囊管和胆囊动脉场景、电凝胆囊动脉和胆囊管场景、以及取出胆囊并吸取胆汁场景。

将操作杆下面的4个按钮分别映射为切换按钮、打开钳口、关闭钳口、功能性按钮。

首先初始化上位机中虚拟腹腔镜胆囊切除的场景，包括加载人体腹腔器官组织的几何模型，并生成腹腔镜相机。

(2)实时采集直杆8在XY平面、YZ平面和XZ平面内的偏转角度以及直线位移距离；

机械手中横杆5的延长线与直杆8垂直相交，以相交点为原点建立一个以横杆5延长线为x轴、竖直向上为y的左手坐标系，实时采集直杆8在XY平面、YZ平面和XZ平面内的偏转角度以及直线位移距离；

(3)按照下式计算直杆8的实时姿态四元数^惯Q_物：

其中θ₁、θ₂、θ₃分别为θ₁为第二角位移传感器采集的采直杆8在XZ平面内的旋转角度、θ₂为第三角位移传感器采集的直杆8在YZ平面内的旋转角度、θ₃为第一角位移传感器9采集的直杆8在YZ平面内的旋转角度。

(4)根据直线位移传感器10采集的距离数据和直杆8实时姿态四元数^惯Q_物，得到虚拟器械实时空间位姿信息，并根据场景数据、器械数据、器械状态数据和虚拟器械实时空间位姿信息模拟手术场景。

操作操纵杆及切换按钮，显示器将实时显示操作的结果虚拟图像。

具体操作过程如下：

按左边操作杆边的切换按钮选择当前的操作杆对应的为腹腔镜相机，通过对左边操作杆的伸缩、摇摆、自旋的操作，移动相机到胆囊三角区域。然后再虚拟场景中生成一个抓钳，按左边操作杆的切换按钮，切换当前操作杆为抓钳，移动抓钳到胆囊底部，通过另外两个按钮控制钳口的开合抓持住胆囊底部并抬起实现初步分离。

再在虚拟场景中生成一个分离钳，通过右边操作杆的按钮切换选择当前的操作杆对应的为分离钳，左边操作杆切换为腹腔镜相机，两者结合使用，分离钳的移动拨开胃、肝等器官组织，移动相机到手术区域实现胆囊三角区域的分离。

在虚拟场景中生成一个施夹钳，切换左边操作杆为施夹钳，移动自胆囊管和胆囊动脉处，通过另外两个按钮开合钛夹钳口，最后一个按钮按下后释放钛夹，夹闭胆囊管和胆囊动脉。

在虚拟场景中取出施夹钳并生成一个电凝钳，切换左边的操作杆为电凝钳，通过开合的两个按钮开合钳口夹住胆囊动脉和胆囊管处，按住最后一个功能性按钮通电电凝胆囊动脉和胆囊管。

在虚拟场景中利用电凝钳夹住胆囊并移动至腹部，再从腹部生成一个带吸管的钳子，切换右边的操作杆为该钳子，吸取胆汁并取出胆囊完成整个手术过程的模拟。

同时按钮操作杆的切换按钮可以切换手术场景模块，方便对某个手术过程反复练习至熟练。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于腹腔镜虚拟手术的装置，其特征在于，包括一对相对设置的机械操作杆(4)，所述机械操作杆(4)包括直杆(8)、C形连接杆(7)和横杆(5)；

所述直杆(8)上部为手握部分，下部连接C形连接杆(7)，上部和下部之间通过第一套管(11)连接，第一套管(11)中设置有直线位移传感器(10)和第一角位移传感器(9)；所述直线传位移传感器，用于采集直杆(8)伸缩距离；所述第一角位移传感器(9)，用于采集直杆(8)XY平面内的偏转角度；所述直杆(8)下部底端设有第二套管(12)，第二套管(12)内设有第二角位移传感器，用于采集直杆(8)在XZ平面内的旋转角度；所述C形连接杆(7)凹部连接直杆(8)下部，背部通过第三套管(6)连接横杆(5)，所述第三套管(6)中设置有第三角位移传感器；所述第三角位移传感器，用于采集直杆(8)YZ平面内的偏转角度。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述直杆(8)上部和下部之间可伸缩移动，最大伸缩距离在150mm至300mm之间。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述一对操作杆之间距离为15cm至20cm。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括外壳(1)，所述外壳(1)上有一对圆形开孔(3)，所述直杆(8)上部，通过圆形开伸出外壳(1)，所述外壳(1)表面设有手术器械控制按钮(2)，用于切换模拟的手术器械或其状态。

5.一种应用如权利要求1至4任意一项所述的装置的腹腔镜手术模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)载入虚拟腹腔场景数据、器械数据、器械状态数据和虚拟器械位姿初始数据，所述装置操作杆复位到初始状态；

(2)实时采集直杆(8)在XY平面、YZ平面和XZ平面内的偏转角度以及直线位移距离；

(3)按照下式计算直杆(8)的实时姿态四元数^惯Q_物：

其中θ₁为第二角位移传感器采集的直杆(8)在XZ平面内的旋转角度，θ₂为第三角位移传感器采集的直杆(8)在YZ平面内的旋转角度，θ₃为第一角位移传感器(9)采集的直杆(8)在YZ平面内的旋转角度。

(4)根据直线位移传感器(10)采集的距离数据和直杆(8)实时姿态四元数^惯Q_物，得到虚拟器械实时空间位姿信息，并根据场景数据、器械数据、器械状态数据和虚拟器械实时空间位姿信息模拟手术场景。

6.一种用于腹腔镜虚拟手术的系统，其特征在于，包括如权利要求1至4任意一项所述的用于腹腔镜虚拟手术的装置，以及虚拟模块，所述虚拟模块包括图像模拟子模块、数据采集子模块和运算子模块；

所述图像模拟子模块，用于实时模拟手术图像，根据运算子模块的运算得出的器械实时空间位姿和数据采集模块记录的器械数、器械状态数据和场景数据，实施模拟手术场景；

所述数据采集子模块，用于接受所述用于腹腔镜虚拟手术的装置的第一至第三角位移传感器和直线位移传感器(10)采集的数据，监听并记录器械数据、器械状态数据和场景数据；

所述运算子模块，用于接收数据采集子模块的传感器数据、器械数据、器械状态数据及场景数据，并根据器械初始位姿信息，运算获得虚拟器械实时空间位姿信息，并将空间虚拟器械实时空间位姿信息传递给图像模拟子模块。