CN105654830A - 穿刺模拟装置以及穿刺模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿刺模拟装置，它包括，针筒；穿设在针筒上并能相对针筒移动的针；力反馈装置，其设置在针上；控制装置，其用于获取针的位置信息，并基于针的位置信息生成用于待提供给力反馈装置的控制信号。本发明还公开了一种穿刺模拟方法，它包括以下步骤：获取针尖的位置信息；基于针尖的位置信息，向力反馈装置提供控制信号；力反馈装置接收控制信号，并对针尖提供与控制信号相对的力反馈。本发明采用以上结构，具有以下优点：本申请实施例中的穿刺模拟装置结构简单，体积小，成本低；本申请实施例中的穿刺模拟装置精度高，力反馈设备的自由度少，不必考虑多个自由度协同作业；本申请实施例中的穿刺模拟装置可以对各种病例进行模拟。

Description

穿刺模拟装置以及穿刺模拟方法

技术领域

本发明涉及了一种医学仿真领域，尤其涉及一种穿刺模拟装置以及穿刺模拟方法。

背景技术

在现实生活中，医护人员常常通过穿刺来向人体注入所需的血液、药液、营养液、或其他病人所需的流体。在医护人员学习穿刺过程中，可以通过采用穿刺模拟装置，来减少医护人员的学习穿刺时间，并且提高医护人员的穿刺技能。

在现有技术中，穿刺模拟装置包括具有穿刺点的仿真平台、设置在仿真平台内的力反馈装置、针以及控制装置。当针穿过穿刺点并且对力反馈装置施加作用力时，控制装置可以基于力反馈装置的位置变化，来向力反馈装置提供控制信号。此时力反馈装置基于控制信号向针施加相应的作用力，从而使操作人员有种实际操作的感觉。

但是现有技术的穿刺模拟装置具有以下缺点：结构受限，需要使用较大的空间来放置力反馈机构；成本太高，由于大多需要使用很复杂的力反馈装置，所以使得教学设备的研发以及生产成本太高；控制复杂，由于使用了多自由度力反馈设备，其控制时要考虑惯性力的平衡，以及多自由度力的协同；功能受限，由于目前市面上的多自由度力反馈设备单一，造成很多力感无法实现；为了在穿刺模拟过程中适应不同的针姿，所以力反馈装置必须采用多自由度以便于调整。

发明内容

本申请人经过研究发现，现有技术中的穿刺模拟装置需要在仿真平台内设置，因此现有技术中的穿刺模拟装置无论是在仿真平台或是力反馈装置结构均较为复杂，体积也较大。另外，现有技术中的穿刺模拟装置对力反馈装置的直线度要求较高，对于整体结构的精度要求较高，因而现有技术中的穿刺模拟装置的成本较高。同时由于使用了多自由度力反馈设备，其控制时要考虑惯性力的平衡，以及多自由度力的协同。此外，现有技术中的穿刺模拟装置基于结构限制，也无法对各种病例进行模拟。

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供了一种穿刺模拟装置以及穿刺模拟方法，其能解决上述问题中的至少一种。

本申请公开了一种穿刺模拟装置，它包括，

针筒；

穿设在针筒上并能相对针筒移动的针；

力反馈装置，其设置在所述针上；

控制装置，其用于获取所述针的位置信息，并基于所述针的位置信息生成用于待提供给所述力反馈装置的控制信号。

优选地，它包括：所述针具有设置在所述针相对两端的针尖和针尾，所述针尖位于所述针筒外。

优选地，它包括：所述控制装置用于获取所述针尾的位置信息，并基于所述针尾的位置获取所述针尖的位置信息，并基于所述针尖的位置信息生成用于待提供给所述力反馈装置的控制信号。

优选地，所述力反馈装置包括与所述控制装置电性连接的电机，所述电机与所述针传动连接。

优选地，所述针尾将所述针筒分隔为相互隔离的靠近所述针尖的第一腔室和远离所述针尖的第二腔室；所述力反馈装置还包括液压驱动装置，所述液压驱动装置包括液压缸、穿设在所述液压缸上并能相对所述液压缸移动的活塞杆，所述活塞杆的一端设置有能将所述液压缸分隔为两个相互隔离的第三腔室和第四腔室，所述电机与所述活塞杆的另一端传动连接，所述第二腔室与所述第三腔室连通。

优选地，所述力反馈装置包括与所述控制装置电性连接的摩擦力装置，所述摩擦力装置与所述针连接。

优选地，所述力反馈装置包括磁流体，所述控制装置包括用于与所述磁流体对应的线圈。

优选地，所述控制装置用于获取调节参数，所述控制装置基于所述调节参数以及所述针的位置信息生成用于待提供给所述力反馈装置的控制信号。

本申请公开了一种穿刺模拟方法，它包括以下步骤：

获取针尖的位置信息；

基于所述针尖的位置信息，向力反馈装置提供控制信号；

所述力反馈装置接收控制信号，并对针尖提供与所述控制信号信号相对的力反馈。

优选地，在所述获取针尖的位置信息步骤还包括：

通过空间定位系统获取针尾的位置信息，基于所述针尾的位置信息通过坐标转换算法获取针尖的位置信息。

优选地，在基于所述针尖的位置信息，向力反馈装置提供控制信号步骤还包括：

通过碰撞检测算法，获取所述针尖与虚拟人体的相对位置关系，基于所述针尖与模拟物的相对位置关系，所述控制装置向力反馈装置提供控制信号。

优选地，当所述针尖位于虚拟人体外时，所述控制装置向所述力反馈装置提供第一控制信号；当所述针尖接触到虚拟人体皮肤时，所述控制装置向所述力反馈装置提供第二控制信号；当所述针尖碰到了虚拟人体的血管但没有穿透时，所述控制装置向所述力反馈装置提供第三控制信号；当所述针尖突破虚拟人体的血管时，所述控制装置向所述力反馈装置提供第四控制信号。

优选地，所述控制装置接收用户参数，并基于所述用户参数生成调节参数，所述控制装置基于所述调节参数以及所述针的位置信息生成用于待提供给所述力反馈装置的控制信号。

本申请采用以上结构，具有以下优点：

1、本申请实施例中的穿刺模拟装置结构简单，体积小，成本低；

2、本申请实施例中的穿刺模拟装置精度高，力反馈设备的自由度少，不必考虑多个自由度协同作业；

3、本申请实施例中的穿刺模拟装置可以对各种病例进行模拟；

4、本申请实施例中的穿刺模拟装置重复利用度高，基本不产生耗材，提升了资源的利用率；

5、由于针仅具备一个自由度，因此在穿刺模拟过程中，不受针姿的限制；

6、本申请实施例中的穿刺模拟装置不受场景的限制，可以应用在各个场景情况下，甚至可以在人体上进行模拟。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1示出了本申请中穿刺模拟装置的一个具体实施方式的结构示意图。

图2示出了本申请中穿刺模拟装置的另一个具体实施方式的结构示意图。

图3示出了图2的原理示意图。

以上附图的附图标记：1、针筒；2、针；21、针尖；22、针尾；3、力反馈装置；31、电机；32、液压缸；33、第一腔室；34、第二腔室；35、第三腔室；36、第四腔室；37、活塞杆；38、活塞；39、定滑轮。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

参照图1所示，本申请公开了一种穿刺模拟装置，其包括针筒1、针2、力反馈装置3和控制装置。针2设置在针筒1上，并能相对针筒1移动。针2穿设在针筒1上。力反馈装置3设置在针2上，以能对针2提供力反馈。控制装置可以获取针2的位置信息，并基于针2的位置信息生成用于待提供给所述力反馈装置3的控制信号。即控制装置可以基于针2与虚拟人体的相对位置关系，来控制力反馈装置3，从而使操作人员得到近乎真实的穿刺体验。

例如，当控制装置识别出所述针尖21位于虚拟人体外时，所述控制装置向所述力反馈装置3提供第一控制信号；当控制装置识别出所述针尖21接触到虚拟人体皮肤时，所述控制装置向所述力反馈装置3提供第二控制信号；当控制装置识别出所述针尖21碰到了虚拟人体的血管但没有穿透时，所述控制电机31向所述力反馈装置3提供第三控制信号；当控制装置识别出所述针尖21突破虚拟人体的血管时，所述控制装置向所述力反馈装置3提供第四控制信号。

图2示出了本申请中穿刺模拟装置的一个具体的实施例。图3示出了图2中穿刺模拟装置的原理图。参照图2和图3所示，穿刺模拟装置包括针筒1、穿设在针筒1上并能相对针筒1移动的针2、设置在针2上的力反馈装置3、以及控制装置。针2具有设置在针2相对两端的针尖21和针尾22。其中，针尖21位于针筒1外，针尾22位于针筒1内。当针尖21与外界抵触时，针2能够相对针筒1移动，从而使得针尾22的位置发生改变。

在本实施方式中，控制装置可以通过空间定位系统获取针尾22的位置信息，然后可以基于所述针尾22的位置信息通过坐标转换算法然后得出针尖空间位姿（即获取针尖21的位置信息），通过碰撞检测算法，可以获取所述针尖21与虚拟人体的相对位置关系，并且可以基于所述针尖21与模拟物的相对位置关系，所述控制装置向力反馈装置3提供控制信号。

在本实施方式中，所述针尾22将所述针筒1分隔为相互隔离的靠近所述针尖21的第一腔室33和远离所述针尖21的第二腔室34；所述力反馈装置3还包括液压驱动装置，所述液压驱动装置包括液压缸32、穿设在所述液压缸32上并能相对所述液压缸32移动的活塞杆37，所述活塞杆37的一端设置有能将所述液压缸32分隔为两个相互隔离的第三腔室35和第四腔室36，所述电机31与所述活塞杆37的另一端传动连接，所述第二腔室34与所述第三腔室35连通。当电机31通过定滑轮39和活塞杆37对活塞38施加作用力时，活塞38可以通过在液压缸32内的移动，从而通过液压缸32内的流体，向针尾22施加作用力，从而对针2施加相应的作用力。

当控制装置识别出所述针尖21位于虚拟人体外时，所述控制装置向所述电机31提供第一控制信号，从而使电机31较少地对活塞38施加沿第四腔室36向第三腔室35方向的作用力，以模拟出针尖21处于顶出状态。当控制装置识别出所述针尖21接触到虚拟人体皮肤时，所述控制装置向所述电机31提供第二控制信号，从而驱动电机31对活塞38施加一定的沿第四腔室36向第三腔室35方向的作用力（大于当控制装置识别出所述针尖21位于虚拟人体外时），以使操作者体会到穿刺透皮肤的感觉。当控制装置识别出所述针尖21碰到了虚拟人体的血管但没有穿透时，所述控制电机31向所述力反馈装置3提供第三控制信号，从而驱动电机31对活塞38施加较大的沿第四腔室36向第三腔室35方向的作用力（大于当控制装置识别出所述针尖21接触到虚拟人体皮肤时），以使操作者体会到穿刺到了血管阻力增加。当控制装置识别出所述针尖21突破虚拟人体的血管时，所述控制装置向所述力反馈装置3提供第四控制信号，从而驱使电机31反转，以对活塞38施加沿第三腔室35向第四腔室36向方向的作用力，以使操作者体会到真实的落空感。以上在穿刺阶段实时根据针尖21与虚拟人体相对关系判断，综合起来可以使人得到可控的穿刺手感。

借由上述结构，本申请中的穿刺模拟装置结构简单，为只有一个直线自由度的力反馈机构提供了良好的解决方案。通过简单地机械结构和控制，就可以起到很好地力反馈效果，可更好地模仿真实医用器械，使操作者得到真实的操作手感。

在一个优选的实施方式中，所述控制装置用于获取调节参数，所述控制装置基于所述调节参数以及所述针2的位置信息生成用于待提供给所述力反馈装置3的控制信号。为了模拟不同病人或者不同情况下的穿刺情况，控制装置可以获取病人的信息或者外界情况，以接收或生成调节参数，并且基于调节参数生成待提供给力反馈装置3的控制信号。由此本申请中的穿刺模拟装置可以具有较多的应用体验场景。

在另一个可选的实施方式中，与上个实施不同之处在于，本实施方式中的所述力反馈装置3包括与所述控制装置电性连接的电机31，所述电机31与所述针尾22传动连接。控制装置基于获取到所述针2的位置信息驱动电机31，从而在穿刺的各个阶段对针2进行力反馈。

在另一个可选的实施方式中，与上个实施不同之处在于，本实施方式中的所述力反馈装置3包括与所述控制装置电性连接的摩擦力装置，所述摩擦力装置与所述针2连接。控制装置基于获取到所述针2的位置信息驱动摩擦力装置，从而在穿刺的各个阶段对针2提供摩擦力，以进行力反馈。

在另一个可选的实施方式中，与上个实施不同之处在于，本实施方式中的所述力反馈装置3包括磁流体，所述控制装置包括用于与所述磁流体对应的线圈。控制装置可以控制线圈来控制磁流体，从而在穿刺的各个阶段对针2提供磁感力，以进行力反馈。

本申请还公开了一种穿刺模拟方法，它包括以下步骤：

获取针尖21的位置信息；

基于所述针尖21的位置信息，向力反馈装置3提供控制信号；

所述力反馈装置3接收控制信号，并对针尖21提供与所述控制信号信号相对的力反馈。

具体的，在所述获取针尖21的位置信息步骤还包括：通过空间定位系统获取针尾22的位置信息，基于所述针尾22的位置信息通过坐标转换算法获取针尖21的位置信息。

在基于所述针尖21的位置信息，向力反馈装置3提供控制信号步骤还包括：通过碰撞检测算法，获取所述针尖21与虚拟人体的相对位置关系，基于所述针尖21与模拟物的相对位置关系，所述控制装置向力反馈装置3提供控制信号。

当所述针尖21位于虚拟人体外时，所述控制装置向所述力反馈装置3提供第一控制信号；当所述针尖21接触到虚拟人体皮肤时，所述控制装置向所述力反馈装置3提供第二控制信号；当所述针尖21碰到了虚拟人体的血管但没有穿透时，所述控制装置向所述力反馈装置3提供第三控制信号；当所述针尖21突破虚拟人体的血管时，所述控制装置向所述力反馈装置3提供第四控制信号。

在一个优选的实施方式中，所述控制装置接收用户参数，并基于所述用户参数生成调节参数，所述控制装置基于所述调节参数以及所述针2的位置信息生成用于待提供给所述力反馈装置3的控制信号。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种穿刺模拟装置，其特征在于，它包括，

针筒；

穿设在针筒上并能相对针筒移动的针；

力反馈装置，其设置在所述针上；

控制装置，其用于获取所述针的位置信息，并基于所述针的位置信息生成用于待提供给所述力反馈装置的控制信号。

2.如权利要求1所述的穿刺模拟装置，其特征在于，它包括：

所述针具有设置在所述针相对两端的针尖和针尾，所述针尖位于所述针筒外。

3.如权利要求2所述的穿刺模拟装置，其特征在于，它包括：

所述控制装置用于获取所述针尾的位置信息，并基于所述针尾的位置获取所述针尖的位置信息，并基于所述针尖的位置信息生成用于待提供给所述力反馈装置的控制信号。

4.如权利要求1所述的穿刺模拟装置，其特征在于，

所述力反馈装置包括与所述控制装置电性连接的电机，所述电机与所述针传动连接。

5.如权利要求4所述的穿刺模拟装置，其特征在于，

所述针尾将所述针筒分隔为相互隔离的靠近所述针尖的第一腔室和远离所述针尖的第二腔室；

所述力反馈装置还包括液压驱动装置，所述液压驱动装置包括液压缸、穿设在所述液压缸上并能相对所述液压缸移动的活塞杆，所述活塞杆的一端设置有能将所述液压缸分隔为两个相互隔离的第三腔室和第四腔室，所述电机与所述活塞杆的另一端传动连接，所述第二腔室与所述第三腔室连通。

6.如权利要求1所述的穿刺模拟装置，其特征在于，

所述力反馈装置包括与所述控制装置电性连接的摩擦力装置，所述摩擦力装置与所述针连接。

7.如权利要求2所述的穿刺模拟装置，其特征在于，

所述力反馈装置包括磁流体，所述控制装置包括用于与所述磁流体对应的线圈。

8.如权利要求1所述的穿刺模拟装置，其特征在于，所述控制装置用于获取调节参数，所述控制装置基于所述调节参数以及所述针的位置信息生成用于待提供给所述力反馈装置的控制信号。

9.如权利要求1所述的穿刺模拟装置，其特征在于，所述力反馈装置用于向所述针提供一个自由度的力反馈。

10.一种穿刺模拟方法，其特征在于，它包括以下步骤：

获取能相对针筒滑动的针的针尖的位置信息；

基于所述针尖的位置信息，向力反馈装置提供控制信号；

所述力反馈装置接收控制信号，并对针尖提供与所述控制信号相对的力反馈。

11.如权利要求10所述的穿刺模拟方法，其特征在于，在所述获取针尖的位置信息步骤还包括：

通过空间定位系统获取针尾的位置信息，基于所述针尾的位置信息通过坐标转换算法获取针尖的位置信息。

12.如权利要求11所述的穿刺模拟方法，其特征在于，在基于所述针尖的位置信息，向力反馈装置提供控制信号步骤还包括：

通过碰撞检测算法，获取所述针尖与虚拟人体的相对位置关系，基于所述针尖与模拟物的相对位置关系，所述控制装置向力反馈装置提供控制信号。

13.如权利要求10所述的穿刺模拟方法，其特征在于，当所述针尖位于虚拟人体外时，所述控制装置向所述力反馈装置提供第一控制信号；当所述针尖接触到虚拟人体皮肤时，所述控制装置向所述力反馈装置提供第二控制信号；当所述针尖碰到了虚拟人体的血管但没有穿透时，所述控制装置向所述力反馈装置提供第三控制信号；当所述针尖突破虚拟人体的血管时，所述控制装置向所述力反馈装置提供第四控制信号。

14.如权利要求10所述的穿刺模拟方法，其特征在于，所述控制装置接收用户参数，并基于所述用户参数生成调节参数，所述控制装置基于所述调节参数以及所述针的位置信息生成用于待提供给所述力反馈装置的控制信号。