CN107341985B - 一种虚拟血管造影手术力反馈注射器装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种虚拟血管造影手术力反馈注射器装置，包括注射器力反馈机构、电源模块、微处理单元、步进电机驱动器，所述注射器力反馈机构包括注射器、气缸、步进电机、梯形丝杠、空气压强传感器、滑动电位器；电源模块包括直流电源、压降模块、电平转换模块。本发明用于模拟血管造影手术中造影剂注射过程中的注射状态和力觉感，解决了虚拟造影手术中血管造影过程中视觉和力觉协调的难题，手术精确度高，重复性好，可以缩短医生的培养周期，降低手术风险。

Description

一种虚拟血管造影手术力反馈注射器装置

技术领域

本发明涉及一种虚拟血管造影手术力反馈注射器装置，属于力反馈、虚拟手术领域。

背景技术

心血管疾病目前是世界上死亡人数第一的疾病，其中动脉粥样硬化是心血管疾病中最常见且危害较大的一种疾病。微创介入手术是现代医学手术的一个巨大突破，其能够有效的治疗各类心血管疾病并且具有出血少、创伤低、恢复快、并发症少等优点。其中血管造影术是微创介入手术中一个非常重要的部分，手术通过注射器将造影剂通过导管注射到病变位置并在X-ray下进行显影，这样医生就可以清晰的看到血管病变处的血管结构和病变位置以便对病变血管进行诊断和治疗。但是，这个手术是一个非常复杂且精细的过程，需要长时间的训练才能熟悉手术的整个操作过程，并且采用传统的在病人身上进行训练的方式具有较大的风险。因此采用虚拟现实技术对血管造影术进行训练是一个便捷且有效的手段，手术中造影剂的注射是造影过程的起始，造影剂注射剂量、速度的大小决定了之后的造影图像的结果，同时注射器注射造影剂的力触觉是医生训练注射手感的决定性因素。

经对现有技术的检索发现有研究者提出了相关的虚拟血管造影剂注射训练设备，Y. Wang在“Simulation of blood flow and contrast medium propagation for avascular interventional radiology simulator”（Master’s thesis, Department ofComputing: Imperial College London, 2009）一文中描述了一个造影注射器，其中在注射器设计以恒定的速度进行造影剂的注射，并且没有考虑注射过程的力触觉对手术真实感的影响。

发明内容

鉴于以上已有的虚拟血管造影手术注射器设备的不足，本发明的目的在于提供一种虚拟血管造影手术力反馈注射器装置，为虚拟血管造影手术训练提供逼真训练环境以及力触觉效果，能够实时的得到造影剂注射的状态以及注射器逼真的注射手感。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种虚拟血管造影手术力反馈注射器装置，包括注射器力反馈机构、电源模块、微处理单元、步进电机驱动器，所述注射器力反馈机构连接微处理单元和步进电机驱动器，所述步进电机驱动器通过电源模块中的电平转换模块连接微处理单元；所述微处理单元从注射器力反馈机构中的空气压强传感器和滑动电位器获取数据，并发送脉冲控制信号给步进电机驱动器；所述步进电机驱动器将微处理单元产生的脉冲信号，转换成步进电机的工作的驱动信号，用于驱动步进电机运作。

所述注射器力反馈机构主要包括步进电机，梯形丝杠，气缸，空气压强传感器，注射器，滑动电位器；所述步进电机的步进电机同步轮与螺母同步轮通过同步带进行同步的运转，其中螺母同步轮与螺母通过顶丝相互固定；通过约束支架一和约束支架二使螺母在固定位置进行旋转，通过轴承一和轴承二对梯形丝杠进行支撑，梯形丝杠一端通过联轴器与气缸活塞杆固定连接，另一端固定方形板来防止梯形丝杠旋转，保证梯形丝杠只进行水平移动，这样使得梯形丝杠的水平移动带动气缸活塞杆进行水平移动，对气缸与注射器连接形成整体的内部气体体积进行压缩或拉伸；所述气缸通过气阀依次与软管一、空气压强传感器、软管二进行连接，注射器的注射口与软管二密封连接，以上结构形成的整体的内部气压通过气缸活塞杆进行控制，通过气缸活塞杆的移动来模拟形成近似血压的气压状态产生对注射器活塞推进时的阻力，即为人手感知到的反馈力；其中，气缸支架一，气缸支架二为气缸的支撑架，使气缸活塞杆一端与梯形丝杠水平对齐；注射器支架一，注射器支架二为注射器的支撑架，使注射器的注射口与气阀对齐连接；滑动电位器移动头与注射器活塞固定连接，即注射器活塞移动距离与滑动电位器移动头的移动距离同步且相等，所述滑动电位器移动头移动的距离与滑动电位器两端产生的电压具有映射关系，通过实时获取滑动电位器的电压值的变化来得到注射器注射的速度以及注射剂量。

所述注射器为医用血管造影手术中专用的造影剂注射器；所述步进电机为二相四线型的步进电机；所述空气压强传感器为测量气缸与注射器连接形成整体的内部气压值。

所述电源模块包括直流电源、压降模块、电平转换模块，其中：所述直流电源为整个力反馈注射器装置进行供电的24V直流电源；所述压降模块是将直流电源供电电压转换为5V和3.3V；所述电平转换模块是将微处理单元产生的3.3V脉冲转换为5V脉冲。

与现有技术相比，本发明具有如下显而易见的突出实质特点和显著性技术进步：

1）通过气缸模拟血管内部血压来产生对注射器的活塞推进时的阻力，从而让训练医生在训练过程中能够真实的感觉造影剂注射过程中的力反馈。

2）通过将滑动电位器的移动头与注射器的活塞固定连接，并实时获取电位器的电压值的变化来得到注射器注射的速度以及注射剂量。

3）本发明用于模拟血管造影手术中造影剂注射过程中的注射状态和力觉感，解决了虚拟造影手术中血管造影过程中视觉和力觉协调的难题，手术精确度高，重复性好，可以缩短医生的培养周期，降低手术风险。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

图2为本发明的注射器力反馈机构机械示例图。

图3为本发明的步进电机及梯形丝杠处结构示例图。

图4为本发明的气缸及注射器处结构示例图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种虚拟血管造影手术力反馈注射器装置，包括注射器力反馈机构、电源模块、微处理单元、步进电机驱动器，所述注射器力反馈机构连接微处理单元和步进电机驱动器，所述步进电机驱动器通过电源模块中的电平转换模块连接微处理单元；所述微处理单元从注射器力反馈机构中的空气压强传感器和滑动电位器获取数据，并发送脉冲控制信号给步进电机驱动器；所述步进电机驱动器将微处理单元产生的脉冲信号，转换成步进电机的工作的驱动信号，用于驱动步进电机运作。

如图2至图4所示，所述注射器力反馈机构主要包括步进电机101，梯形丝杠201，气缸301，空气压强传感器401，注射器501，滑动电位器601；所述步进电机101的步进电机同步轮102与螺母同步轮202通过同步带103进行同步的运转，其中螺母同步轮202与螺母203通过顶丝相互固定；通过约束支架一204和约束支架二205使螺母203在固定位置进行旋转，通过轴承一206和轴承二207对梯形丝杠201进行支撑，梯形丝杠201一端通过联轴器209与气缸活塞杆302固定连接，另一端固定方形板208来防止梯形丝杠201旋转，保证梯形丝杠201只进行水平移动，这样使得梯形丝杠201的水平移动带动气缸活塞杆302进行水平移动，对气缸301与注射器501连接形成整体的内部气体体积进行压缩或拉伸；所述气缸301通过气阀303依次与软管一402、空气压强传感器401、软管二403进行连接，注射器501的注射口与软管二403密封连接，以上结构形成的整体的内部气压通过气缸活塞杆302进行控制，通过气缸活塞杆302的移动来模拟形成近似血压的气压状态产生对注射器活塞504推进时的阻力，即为人手感知到的反馈力；其中，气缸支架一304，气缸支架二305为气缸301的支撑架，使气缸活塞杆302一端与梯形丝杠201水平对齐；注射器支架一502，注射器支架二503为注射器501的支撑架，使注射器501的注射口与气阀303对齐连接；滑动电位器移动头602与注射器活塞504固定连接，即注射器活塞504移动距离与滑动电位器移动头602的移动距离同步且相等，所述滑动电位器移动头602移动的距离与滑动电位器601两端产生的电压具有映射关系，通过实时获取滑动电位器601的电压值的变化来得到注射器501注射的速度以及注射剂量。

所述注射器501为医用血管造影手术中专用的造影剂注射器；所述步进电机101为二相四线型的步进电机；所述空气压强传感器401为测量气缸301与注射器501连接形成整体的内部气压值。

所述电源模块包括直流电源、压降模块、电平转换模块，其中：所述直流电源为整个力反馈注射器装置进行供电的24V直流电源；所述压降模块是将直流电源供电电压转换为5V和3.3V；所述电平转换模块是将微处理单元产生的3.3V脉冲转换为5V脉冲。

本发明的工作过程如下：

进行心血管造影手术时，训练人员通过推动注射器活塞504来完成造影剂的注射，通过注射器活塞504与滑动电位器移动头602固定连接即可得到电位器的电压值，微处理单元分别通过滑动电位器601和空气压强传感器401得到注射器501注射的剂量以及气缸301与注射器501连接形成整体的内部气压值，并发送控制信息给步进电机驱动器，步进电机驱动器通过给定的控制信息来控制步进电机101的运动，梯形丝杠201将步进电机101的旋转位移转化为直线位移，梯形丝杠201的移动带动气缸活塞杆302进行移动来控制气缸301与注射器501连接形成整体的内部气压，通过模拟形成近似血压的气压状态来产生对注射器活塞504推进时的阻力，即为人手感知到的反馈力。

本发明用于模拟虚拟血管造影手术中造影剂的注射过程中的注射状态和力觉感，解决了虚拟造影手术中血管造影过程中视觉和力觉协调的难题，手术精确度高，重复性好，可以缩短医生的培养周期，降低手术风险。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种虚拟血管造影手术力反馈注射器装置，其特征在于：包括注射器力反馈机构、电源模块、微处理单元、步进电机驱动器，所述注射器力反馈机构连接微处理单元和步进电机驱动器，所述步进电机驱动器通过电源模块中的电平转换模块连接微处理单元；所述微处理单元从注射器力反馈机构中的空气压强传感器和滑动电位器获取数据，并发送脉冲控制信号给步进电机驱动器；所述步进电机驱动器将微处理单元产生的脉冲信号，转换成步进电机的工作的驱动信号，用于驱动步进电机运作；所述注射器力反馈机构主要包括步进电机（101），梯形丝杠（201），气缸（301），空气压强传感器（401），注射器（501），滑动电位器（601）；所述步进电机（101）的步进电机同步轮（102）与螺母同步轮（202）通过同步带（103）进行同步的运转，其中螺母同步轮（202）与螺母（203）通过顶丝相互固定；通过约束支架一（204）和约束支架二（205）使螺母（203）在固定位置进行旋转，通过轴承一（206）和轴承二（207）对梯形丝杠（201）进行支撑，梯形丝杠（201）一端通过联轴器（209）与气缸活塞杆（302）固定连接，另一端固定方形板（208）来防止梯形丝杠（201）旋转，保证梯形丝杠（201）只进行水平移动，这样使得梯形丝杠（201）的水平移动带动气缸活塞杆（302）进行水平移动，对气缸（301）与注射器（501）连接形成整体的内部气体体积进行压缩或拉伸；所述气缸（301）通过气阀（303）依次与软管一（402）、空气压强传感器（401）、软管二（403）进行连接，注射器（501）的注射口与软管二（403）密封连接，以上结构形成的整体的内部气压通过气缸活塞杆（302）进行控制，通过气缸活塞杆（302）的移动来模拟形成近似血压的气压状态产生对注射器活塞（504）推进时的阻力，即为人手感知到的反馈力；其中，气缸支架一（304），气缸支架二（305）为气缸（301）的支撑架，使气缸活塞杆（302）一端与梯形丝杠（201）水平对齐；注射器支架一（502），注射器支架二（503）为注射器（501）的支撑架，使注射器（501）的注射口与气阀（303）对齐连接；滑动电位器移动头（602）与注射器活塞（504）固定连接，即注射器活塞（504）移动距离与滑动电位器移动头（602）的移动距离同步且相等，所述滑动电位器移动头（602）移动的距离与滑动电位器（601）两端产生的电压具有映射关系，通过实时获取滑动电位器（601）的电压值的变化来得到注射器（501）注射的速度以及注射剂量。

2.根据权利要求1所述的虚拟血管造影手术力反馈注射器装置，其特征在于：所述注射器（501）为医用血管造影手术中专用的造影剂注射器；所述步进电机（101）为二相四线型的步进电机；所述空气压强传感器（401）为测量气缸（301）与注射器（501）连接形成整体的内部气压值。

3.根据权利要求1所述的虚拟血管造影手术力反馈注射器装置，其特征在于：所述电源模块包括直流电源、压降模块、电平转换模块，其中：所述直流电源为整个力反馈注射器装置进行供电的24V直流电源；所述压降模块是将直流电源供电电压转换为5V和3.3V；所述电平转换模块是将微处理单元产生的3.3V脉冲转换为5V脉冲。