CN106448403A - 一种用于模拟胸腔镜手术的训练器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于模拟胸腔镜手术的训练器，包括机身、监视器、仿真内窥镜、仿真手术器械和控制系统，所述监视器通过支臂固定在机身上方，所述仿真内窥镜和仿真手术器械均与机身连接；所述仿真内窥镜和仿真手术器械上均设有旋转传感器和位移传感器，旋转传感器和位移传感器与控制系统电连接；所述控制系统包括数据接收处理设备、3D模型处理服务器和3D平台系统服务器。本发明旨在提供一种用于模拟胸腔镜手术的训练器，使得外科医生通过训练器进行各类胸腔镜手术的模拟训练。

Description

一种用于模拟胸腔镜手术的训练器

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种用于模拟胸腔镜手术的训练器。

背景技术

随着虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术在医学领域应用的不断拓展和深入，虚拟手术(Virtual Surgery)及VR手术模拟器越来越受到人们的关注。以目前流行的胸腔镜微创外科为例，这种手术通过在病人胸部开孔，将手术器械和摄像头深入到胸腔内，医生从电脑屏幕上观察胸腔状况并操作手术器械，能够极大限度地减小创口，减轻病人的痛苦，缩短病人康复时间。这种手术方法给病人带来了福音，却对医生提出了更高的要求，医生必须经过充分的训练才能掌握其眼手协调能力，胜任相应手术。目前针对这类手术的训练通常是在尸体、动物或者人工合成物(如硅胶)上进行的。尸体能够提供一个真实的解剖结果，但是来源稀少，并且尸体跟活体对手术器械表现出的响应并不相同。动物活体能够表现出真实的响应，但费用昂贵，并且在医学伦理道德上越来越受到限制。人工合成物价格便宜，但是不能很好地反应软组织的特性。相比之下，虚拟手术技术具有手术环境及器械响应可控，可重复演练等多项优点，成为未来外科培训的发展趋势。医生借助VR手术模拟器进行手术训练及规划，可降低手术训练以及治疗的成本和风险；减少医生培训教学中对动物和尸体的依赖；提高临床医学诊断、治疗的技能和精度；使得高难度手术得以更快地普及；减轻患者的治疗痛苦、缩短滞院时间、降低医疗支出。对于缓解目前我国的医患矛盾，健全完善具有高科技含量的全民健康体系有着重要意义。

发明内容

本发明旨在提供一种用于模拟胸腔镜手术的训练器，使得外科医生通过训练器进行各类胸腔镜手术的模拟训练。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于模拟胸腔镜手术的训练器，包括机身、监视器、仿真内窥镜、仿真手术器械和控制系统，所述监视器通过支臂固定在机身上方，所述仿真内窥镜和仿真手术器械均与机身连接；所述仿真内窥镜和仿真手术器械上均设有旋转传感器和位移传感器，旋转传感器和位移传感器与控制系统电连接；所述控制系统包括数据接收处理设备、3D模型处理服务器和3D平台系统服务器。

仿真器械和仿真内窥镜通过通用串行接口和控制系统连接，内窥镜，器械通过旋转和位移传感器计算出当前的移动量，角度，伸缩度等数值通过和控制系统相连的串行接口发送给控制系统。

优选的，所述仿真内窥镜包括可伸缩镜身，可伸缩镜身顶部安装有调整角度的旋转旋钮，可伸缩镜身底部安装有电气接口，可伸缩镜身上设有用于锁定仿真内窥镜的锁定按钮。

接口为电气接口，滑动变阻器位于身缩镜身的内管和外管之间，位于外杆底部的滑动变阻器与镜身内部的微电路板连接。将数值专递给电路板，最后电路板经过信号转换后通过相连接的串行接口发送给控制系统。

优选的，所述仿真手术器械包括依次连接的器械手柄、手柄旋钮、第一传动杆、第一活动连接件、第二传动杆、第二活动连接件、第三传动杆和第三活动连接件，仿真手术器械具有5个自由度。

优选的，所述机身侧面上设有启动开关，机身底部设有底座，底座上安装有医用静音轮。

优选的，所述仿真手术器械包括左仿真手术器械和右仿真手术器械，机身表面开有两个孔，左仿真手术器械和右仿真手术器械分别通过机身上的孔进入机身内部。

优选的，所述3D模型处理服务器中存储多种采用三维重建技术构建、编辑的虚拟胸腔正常组织和疾病的3D立体模型及手术过程的3D模型、胸腔镜检查及手术操作界面、录入及回放软件，经3D平台系统服务器输出到监视器上，实时模拟胸腔镜手术的各种手术操作。

控制系统用于获取所述虚拟手术操作器械的位置信息，将位置信号并基于所述器械的位置信息生成控制信号，通过USB信号协议传输给软件进行相应模拟算法，最终通过显示系统实时展现在监视器上，实现模拟胸腔镜手术的各种手术操作，可用于新术式的研发和推广。

所述硬件控制系统，通过模拟算法可以获取相对支点滑动的器械头部的位置信息；获取器械头部的位置信息步骤还包括：通过空间定位系统获取器械尾部的位置信息，基于所述器械尾部的位置信息通过坐标转换算法获取器械头部的位置信息。

所述仿真内窥镜模拟通过套管进入人体的高清摄像头，调整3D场景内的视角。其仿真内窥镜顶部的旋转旋钮可以调整角度，其下按钮可以锁住视角，模拟助手扶镜，可伸缩镜身可以模拟镜头变焦，其下接口连接滑动变阻器。

仿真手术器械可以张开、闭合、旋转，并与力反馈装置一端相连接，通过模拟算法得到其自由移动的位置，与虚拟场景内器械同步。仿真手术器械，具有5个自由度，可以在一定空间内自由移动，与器械在人体内部操作相仿。

仿真手术器械，通过电子传感器将用户对仿真器械的操作转换成数字信号。包括6个维度的信号，传感器将数字信号通过串行接口传给计算机。计算机接受信号后，将虚拟的器械杆根据以上的维度信号绘制到屏幕上。计算机根据模拟的人体部位绘制相应的器官，同时根据虚拟器械的位置等信息和器官进行各种交互。

还可以设置力反馈装置，增加手术模拟时的真实触觉，使训练时与真实手术一致；控制系统用于获取所述虚拟手术操作器械的位置信息，将位置信号并基于所述器械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，通过USB信号协议传输给软件进行相应模拟算法，最终通过显示系统实时展现在监视器上，实现模拟胸腔镜手术的各种手术操作。基于所述器械头部的位置信息，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，获取所述器械头部与虚拟胸腔的相对位置关系，基于所述器械头部与模拟胸腔的相对位置关系，所述控制系统向力反馈装置提供控制信号。所述器械头部位于虚拟胸腔外时，所述控制系统向所述力反馈装置提供第一控制信号；当所述器械头部接触到虚拟人体器官时，所述控制系统向所述力反馈装置提供第二控制信号。所控制系统接收用户参数，并基于所述用户参数生成调节参数，所述控制系统基于所述调节参数以及所述器械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。

本发明旨在提供一种用于模拟胸腔镜手术的训练器，所提及的仿真手术器械根据真实手术器械改装，其外观尺寸与真实器械相同，其夹闭、旋转手感和角度与临床使用习惯一致。契合医生使用习惯，配合训练有助于提高技能技巧。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为仿真内窥镜结构示意图。

图3为仿真手术器械结构示意图。

图4为力反馈装置结构示意图。

图5为实施例1原理框图。

图6为实施例2原理框图。

图中：1-监视器、2-支臂、3-仿真内窥镜、4-左仿真手术器械、5-右仿真手术器械、6-启动开关、7-机身、8-医用静音轮、9-旋转旋钮、10-锁定按钮、11-可伸缩镜身、12-接口、13-器械手柄、14-手柄旋钮、15-第一传动杆、16-第一活动连接件、17-第二传动杆、18-第二活动连接件、19-第三传动杆、20-第三活动连接件。

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，对本发明进行进一步详细说明。

实施例1：如图1-3所示，一种用于模拟胸腔镜手术的训练器，包括机身7、监视器1、仿真内窥镜3、仿真手术器械和控制系统，所述监视器1通过支臂2固定在机身7上方，所述仿真内窥镜3和仿真手术器械均与机身7连接；所述仿真内窥镜3和仿真手术器械上均设有旋转传感器和位移传感器，旋转传感器和位移传感器与控制系统电连接；所述控制系统包括数据接收处理设备、3D模型处理服务器和3D平台系统服务器。所述仿真内窥镜3包括可伸缩镜身11，可伸缩镜身11顶部安装有调整角度的旋转旋钮9，可伸缩镜身11底部安装有电气接口12，可伸缩镜身11上设有用于锁定仿真内窥镜的锁定按钮10。所述仿真手术器械包括依次连接的器械手柄13、手柄旋钮14、第一传动杆15、第一活动连接件16、第二传动杆17、第二活动连接件18、第三传动杆19和第三活动连接件20，仿真手术器械具有5个自由度。所述机身7侧面上设有启动开关6，机身7底部设有底座，底座上安装有医用静音轮8，所述仿真手术器械包括左仿真手术器械4和右仿真手术器械5，机身7表面开有两个孔，左仿真手术器械4和右仿真手术器械5分别通过机身7上的孔进入机身7内部。所述3D模型处理服务器中存储多种采用三维重建技术构建、编辑的虚拟胸腔正常组织和疾病的3D立体模型及手术过程的3D模型、胸腔镜检查及手术操作界面、录入及回放软件，经3D平台系统服务器输出到监视器上，实时模拟胸腔镜手术的各种手术操作。

实施例2：如图1-4所示，与实施例1相比，本实施例还包括力反馈装置；硬件控制系统，其用于获取所述虚拟手术操作器械的位置信息，将位置信号并基于所述器械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，硬件操作的信号通过USB信号协议传输给软件进行相应模拟算法，最终通过显示系统实时展现在监视器上，实现模拟胸腔镜手术的各种手术操作。

所述硬件控制系统，通过模拟算法可以获取相对支点滑动的仿真手术器械头部的位置信息；基于所述仿真手术器械头部的位置信息，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，并对器械提供与所述控制信号相对的力反馈。

其中，所述仿真内窥镜模拟通过套管进入人体的高清摄像头，调整3D场景内的视角。其仿真内窥镜顶部的旋转旋钮可以调整角度，其下按钮可以锁住视角，模拟助手扶镜，可伸缩镜身可以模拟镜头变焦，其下接口连接滑动变阻器。

仿真手术器械可以张开、闭合、旋转，并与力反馈装置一端相连接，通过模拟算法得到其自由移动的位置，与虚拟场景内器械同步。仿真手术器械通过壳体上表面的一对孔进入壳体内部与力反馈装置相连。所述仿真手术器械，具有5个自由度，可以在一定空间内自由移动，与器械在人体内部操作相仿。

所述获取器械头部的位置信息步骤还包括：通过空间定位系统获取器械尾部的位置信息，基于所述器械尾部的位置信息通过坐标转换算法获取器械头部的位置信息。在基于所述器械头部的位置信息，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，获取所述器械头部与虚拟胸腔的相对位置关系，基于所述器械头部与模拟胸腔的相对位置关系，所述控制系统向力反馈装置提供控制信号。当器械头部位于虚拟胸腔外时，所述控制系统向所述力反馈装置提供第一控制信号；当所述器械头部接触到虚拟人体器官时，所述控制系统向所述力反馈装置提供第二控制信号。所述控制系统接收用户参数，并基于所述用户参数生成调节参数，所述控制系统基于所述调节参数以及所述器械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。

实施例3：模拟胸腔镜左肺下叶切除，选择模拟左肺下叶切除，则在显示屏幕生成模拟的右侧卧位视图下的左肺。1)牵引：从右仿真手术器械5选择模拟胸腔镜双关节钳，夹住左下肺基底段处肺组织向头侧牵拉并锁定，此动作模拟手术操作时，助手牵拉、暴露动作。2)处理下肺静脉：从左仿真手术器械4选择模拟胸腔镜吸引器；右仿真手术器械5选择模拟电凝钩，吸引器与电凝钩配合，游离下肺韧带，直到出现肺下静脉与下肺韧带淋巴结，更换左仿真手术器械4选择模拟血管钳，抓持下肺韧带淋巴结，电凝钩配合下切除下肺韧带淋巴结，并从左仿真手术器械4取出；再次更换左仿真手术器械4选择模拟吸引器，与电凝钩配合，打开前后纵隔胸膜，游离下肺静脉；更换左仿真手术器械4选择模拟血管钳，游离出下肺静脉；更换左仿真手术器械4选择模拟切割闭合器白色钉仓，通过下肺静脉夹闭并切断。3)处理下叶支气管：从左仿真手术器械4选择模拟胸腔镜吸引器；右仿真手术器械5选择模拟电凝钩，吸引器与电凝钩配合，继续游离下叶支气管；更换左仿真手术器械4选择模拟血管钳，游离出下叶支气管；更换左仿真手术器械4选择模拟切割闭合器绿色钉仓，通过下叶支气管夹闭并切断。4)处理下肺动脉：从左仿真手术器械4选择模拟胸腔镜吸引器；右仿真手术器械5选择模拟电凝钩，吸引器与电凝钩配合，继续游离下叶动脉；更换左仿真手术器械4选择模拟血管钳，游离出下叶动脉；更换左仿真手术器械4选择模拟切割闭合器白色钉仓，通过下叶动脉夹闭并切断。5)处理斜裂：解锁牵引动作，从左仿真手术器械4选择模拟切割闭合器蓝色钉仓，从右仿真手术器械5选择模拟腔镜双关节钳，在双关节钳的配合下，切割闭合器夹闭并切断。6)取出标本：从左仿真手术器械4选择模拟标本袋，从右仿真手术器械5选择模拟腔镜双关节钳，在双关节钳的配合下，将切除的肺组织放入标本袋并取出。

实施例4：模拟胸腔镜左肺上叶切除，1)牵引：从右仿真手术器械5选择模拟胸腔镜双关节钳，夹住左上肺肺组织向背侧牵拉并锁定，此动作模拟手术操作时，助手牵拉、暴露动作；2)处理上肺静脉：从左仿真手术器械4选择模拟电凝钩；右仿真手术器械5选择模拟胸腔镜吸引器，吸引器与电凝钩配合游离左上肺静脉；更换左仿真手术器械4选择模拟直角钳，游离出上肺静脉；更换右仿真手术器械5选择模拟切割闭合器白色钉仓，通过上肺静脉夹闭并切断；3)处理上叶支气管：从左仿真手术器械4选择模拟电凝钩；右仿真手术器械5选择模拟胸腔镜吸引器，吸引器与电凝钩配合游离上叶支气管，更换右仿真手术器械5选择模拟切割闭合器绿色钉仓，通过上叶支气管夹闭并切断；4)处理上肺动脉：从左仿真手术器械4选择模拟胸腔镜吸引器；右仿真手术器械5选择模拟电凝钩，吸引器与电凝钩配合游离上肺动脉尖前支，器械4选择模拟直角钳，游离出尖前支动脉，更换右仿真手术器械5选择模拟切割闭合器白色钉仓，通过尖前支动脉夹闭并切断。从左仿真手术器械4选择模拟胸腔镜吸引器；右仿真手术器械5选择模拟电凝钩，吸引器与电凝钩配合游离后段动脉器械4选择模拟直角钳，游离出后段动脉；右仿真手术器械5选择模拟胸腔镜分离钳带4号四线过后段动脉，再次从左仿真手术器械4选择模拟推结器，结扎后段动脉，从右仿真手术器械5选择模拟超声刀，切断后段动脉及丝线。重复此方法处理舌段动脉及其它分支；5)处理斜裂：解锁牵引动作，从右仿真手术器械5选择模拟切割闭合器蓝色钉仓，从左仿真手术器械4选择模拟腔镜双关节钳，在双关节钳的配合下，切割闭合器夹闭并切断；6)取出标本：从左仿真手术器械4选择模拟标本袋，从右仿真手术器械5选择模拟腔镜双关节钳，在双关节钳的配合下，将切除的肺组织放入标本袋并取出。

实施例5：模拟胸腔镜右肺上叶切除，1)牵引：从右仿真手术器械5选择模拟胸腔镜双关节钳，夹住右上肺肺组织向背侧牵拉并锁定，此动作模拟手术操作时，助手牵拉、暴露动作；2)处理上肺静脉：从左仿真手术器械4选择模拟电凝钩；右仿真手术器械5选择模拟胸腔镜吸引器，吸引器与电凝钩配合游离右上肺静脉；更换左仿真手术器械4选择模拟直角钳，游离出上肺静脉；更换右仿真手术器械5选择模拟切割闭合器白色钉仓，通过上肺静脉夹闭并切断；3)处理右上肺动脉第一分支：从左仿真手术器械4选择模拟胸腔镜吸引器；右仿真手术器械5选择模拟电凝钩，吸引器与电凝钩配合游离上肺动脉尖前支，器械4选择模拟直角钳，游离出右上动脉第一分支，更换右仿真手术器械5选择模拟切割闭合器白色钉仓，通过第一分支动脉夹闭并切断；4)处理右肺上叶支气管：从左仿真手术器械4选择模拟电凝钩；右仿真手术器械5选择模拟胸腔镜吸引器，吸引器与电凝钩配合游离上叶支气管，更换右仿真手术器械5选择模拟切割闭合器绿色钉仓，通过上叶支气管夹闭并切断；5)处理右上肺动脉其它分支：右仿真手术器械5选择模拟胸腔镜分离钳带4号四线过右上肺动脉分支，再次从左仿真手术器械4选择模拟推结器，结扎右上肺动脉分支，从右仿真手术器械5选择模拟超声刀，切断分支动脉及丝线；6)处理斜裂：解锁牵引动作，从右仿真手术器械5选择模拟切割闭合器蓝色钉仓，从左仿真手术器械4选择模拟腔镜双关节钳，在双关节钳的配合下，切割闭合器夹闭并切断；7)取出标本：从左仿真手术器械4选择模拟标本袋，从右仿真手术器械5选择模拟腔镜双关节钳，在双关节钳的配合下，将切除的肺组织放入标本袋并取出。

实施例6：模拟胸腔镜右肺中叶切除，1)牵引：从右仿真手术器械5选择模拟胸腔镜双关节钳，夹住右肺中叶肺组织向背侧牵拉并锁定，此动作模拟手术操作时，助手牵拉、暴露动作；2)处理右肺中叶静脉：从左仿真手术器械4选择模拟电凝钩；右仿真手术器械5选择模拟胸腔镜吸引器，吸引器与电凝钩配合游离右上肺静脉；更换左仿真手术器械4选择模拟直角钳，游离出中叶肺静脉；更换右仿真手术器械5选择模拟切割闭合器白色钉仓，通过中叶肺静脉夹闭并切断；3)处理右肺中叶支气管：从左仿真手术器械4选择模拟电凝钩；右仿真手术器械5选择模拟胸腔镜吸引器，吸引器与电凝钩配合游离中叶支气管，更换右仿真手术器械5选择模拟切割闭合器绿色钉仓，通过中叶支气管夹闭并切断；4)处理中叶动脉：从左仿真手术器械4选择模拟电凝钩；右仿真手术器械5选择模拟胸腔镜吸引器，吸引器与电凝钩配合游离右肺中叶动脉；右仿真手术器械5选择模拟胸腔镜分离钳带4号四线过右肺中叶动脉，再次从左仿真手术器械4选择模拟推结器，结扎右肺中叶动脉，从右仿真手术器械5选择模拟超声刀，切断中叶动脉及丝线；5)处理斜裂：解锁牵引动作，从右仿真手术器械5选择模拟切割闭合器蓝色钉仓，从左仿真手术器械4选择模拟腔镜双关节钳，在双关节钳的配合下，切割闭合器夹闭并切断；6)取出标本：从左仿真手术器械4选择模拟标本袋，从右仿真手术器械5选择模拟腔镜双关节钳，在双关节钳的配合下，将切除的肺组织放入标本袋并取出。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于模拟胸腔镜手术的训练器，包括机身、监视器、仿真内窥镜、仿真手术器械和控制系统，其特征在于：所述监视器通过支臂固定在机身上方，所述仿真内窥镜和仿真手术器械均与机身连接；所述仿真内窥镜和仿真手术器械上均设有旋转传感器和位移传感器，旋转传感器和位移传感器与控制系统电连接；仿真器械和仿真内窥镜通过通用串行接口与控制系统电连接，所述控制系统包括数据接收处理设备、3D模型处理服务器和3D平台系统服务器。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟胸腔镜手术的训练器，其特征在于：所述仿真内窥镜包括可伸缩镜身，可伸缩镜身顶部安装有调整角度的旋转旋钮，可伸缩镜身底部安装有电气接口，可伸缩镜身上设有用于锁定仿真内窥镜的锁定按钮。

3.根据权利要求1所述的一种用于模拟胸腔镜手术的训练器，其特征在于：所述仿真手术器械包括依次连接的器械手柄、手柄旋钮、第一传动杆、第一活动连接件、第二传动杆、第二活动连接件、第三传动杆和第三活动连接件，仿真手术器械具有5个自由度。

4.根据权利要求1所述的一种用于模拟胸腔镜手术的训练器，其特征在于：所述机身侧面上设有启动开关，机身底部设有底座，底座上安装有医用静音轮。

5.根据权利要求1所述的一种用于模拟胸腔镜手术的训练器，其特征在于：所述仿真手术器械包括左仿真手术器械和右仿真手术器械，机身表面开有两个孔，左仿真手术器械和右仿真手术器械分别通过机身上的孔进入机身内部。

6.根据权利要求1所述的一种用于模拟胸腔镜手术的训练器，其特征在于：所述3D模型处理服务器中存储多种采用三维重建技术构建、编辑的虚拟胸腔正常组织和疾病的3D立体模型及手术过程的3D模型、胸腔镜检查及手术操作界面、录入及回放软件，经3D平台系统服务器输出到监视器上，实时模拟胸腔镜手术的各种手术操作。