CN108122467A - 腹腔镜模拟训练机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种腹腔镜模拟训练机，它包括：底座、主箱体、显示屏。底座上设置踏板。主箱体上具有操作面；主箱体上安装有三个分别用于模拟手术器械和摄像头的模拟操作杆；主箱体内设置有与各模拟操作杆相对应的三组传感器组和将踏板所模拟的功能以及模拟操作杆的动作和位置叠加至虚拟模型中而输出虚拟现实图像信号的主机；显示屏与主机相通信而基于虚拟现实图像信号而显示图像。本发明通过将现实中物理手术器械的移动位移、旋转数据结合虚拟3D腹腔内脏模型而提供一种更加逼真更加贴近实操手术的训练体验，能够提高模拟训练的效率。使得医学生在接受过模拟训练后能够更好的掌握手术操作，大幅降低了实操手术时因为训练不足导致的风险。
Description
技术领域
本发明属于医疗手术器材模拟训练领域，具体涉及一种用于实现腹腔镜手术的模拟训练使用的装置。
背景技术
腹腔镜手术就是利用腹腔镜及其相关器械进行的手术，具体为：使用冷光源提供照明，将腹腔镜镜头（直径为3-10mm）插入腹腔内，运用数字摄像技术使腹腔镜镜头拍摄到的图像通过光导纤维传导至后级信号处理系统，并且实时显示在专用监视器上。然后医生通过监视器屏幕上所显示患者器官不同角度的图像，对病人的病情进行分析判断，并且运用特殊的腹腔镜器械进行手术。腹腔镜手术多采用2-4孔操作法，其中一个孔开在人体的肚脐眼上，避免在病人腹腔部位留下长条状的伤疤，恢复后，仅在腹腔部位留有1-3个0.5-1厘米的线状疤痕，可以说是创面小，痛楚小的手术，因此也有人称之为“钥匙孔”手术。腹腔镜手术的开展，减轻了病人开刀的痛楚，同时使病人的恢复期缩短，并且相对降低了患者的支出费用，是近年来发展迅速的一个手术项目。由于手术器械是特殊定制的并且需要在极小的空间内进行精确操作，医学生必须要进行大量的手术训练模拟后才能进行实操手术。
手术训练模拟通过模拟器实现，现有市面上的腹腔镜模拟器多数结构是将一块模拟内脏的硅胶块放置在一个空腔盒子内，在空腔盒子上表面开3个孔，其中一个孔放置手机，利用手机摄像头拍摄的画面模拟手术监视器画面。另外两个孔可以伸入手术器械在硅胶块上进行手术模拟操作。这种形式十分简陋，由于硅胶块和实际人体内脏在外型上出入很大，模拟训练的效果很有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够实现更加逼真、更加贴近实操手术的模拟效果的腹腔镜模拟训练机。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种腹腔镜模拟训练机，用于模拟进行腹腔镜手术，所述腹腔镜模拟训练机包括：
底座，所述底座上设置有用于模拟电凝功能的踏板；
主箱体，所述主箱体通过支架安装于所述底座上，所述主箱体上具有操作面；所述主箱体上安装有三个分别用于模拟手术器械和摄像头的模拟操作杆；所述模拟操作杆至少包括一端通过所述操作面插入所述主箱体内而另一端位于所述主箱体外的工具杆，用于模拟手术器械的所述模拟操作杆还包括设置于所述工具杆外端且能够开合的操作把手、用于检测所述操作把手开合程度的操作开合传感器，用于模拟摄像头的所述模拟操作杆还包括用于确定是否固定所模拟摄像头位置的定位组件；所述主箱体内设置有与各所述模拟操作杆相对应的三组传感器组，所述传感器组包括检测对应所述模拟操作杆动作的动作传感器、检测对应所述模拟操作杆插入所述操作面空间深度的距离传感器；所述主箱体内设置有将所述踏板所模拟的功能以及所述模拟操作杆的动作和位置叠加至虚拟模型中而输出虚拟现实图像信号的主机，所述踏板、所述操作开合传感器、所述定位组件、所述动作传感器、所述距离传感器均与所述主机相通信；
显示屏，所述显示屏安装于所述支架上并位于所述主箱体上方，所述显示屏与所述主机相通信而基于所述虚拟现实图像信号而显示图像。
优选的，所述支架上集成有滑轨机构，所述主箱体与所述支架、所述显示屏与所述支架均通过所述滑轨机构相连接。
优选的，所述模拟操作杆通过定位装置安装于所述操作面上，所述定位装置包括滑动套设在所述工具杆的外周且能够使所述工具杆在其动作范围内转动至任意角度时均能保持该角度的位置的固定环、覆盖所述固定环的环内空间的仿真皮肤。
优选的，所述固定环包括环本体、设置于所述环本体中心的万向节，所述工具杆与所述万向节相阻尼滑动连接。
优选的，所述定位组件为通过按动操作来确定是否固定所模拟摄像头位置的定位操作键，或者为，当用于模拟摄像头的所述模拟操作杆也具有能够开合的操作把手时用于检测所述操作把手开合程度以确定是否固定所模拟摄像头位置的操作开合传感器。
优选的，所述动作传感器包括陀螺仪、加速度计中的一种或两种的组合。
优选的，所述距离传感器为红外/激光测距传感器或机械测距传感器。
优选的，当所述距离传感器为所述红外/激光测距传感器时，所述工具杆的内端设置有与所述红外/激光测距传感器相配合的定位板。
优选的，所述机械测距传感器包括设置于所述主箱体内并沿所述工具杆滚动的滚轮。
优选的，所述踏板、所述开合传感器、所述动作传感器、所述距离传感器通过有线或无线方式与所述主机相通信。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明通过将现实中物理手术器械（实际手术器械或者根据手术器械制作的模拟操作杆）的移动位移、旋转数据结合虚拟3D腹腔内脏模型而提供一种更加逼真更加贴近实操手术的训练体验，相对与传统腹腔镜模拟训练器材，显著提高了模拟的逼真程度，并且由于是现实与虚拟的结合模拟，能够更方便的设置不同的病情，进行有针对性的训练，从而大幅度的提高了模拟训练的效率。使得医学生或实习医生在接受过模拟训练后能够更好的掌握手术操作，大幅降低了实操手术时因为训练不足导致的风险。
附图说明
附图1为本发明的腹腔镜模拟训练机的外形立体示意图。
附图2为本发明的腹腔镜模拟训练机的外形主视示意图。
附图3为本发明的腹腔镜模拟训练机的外形后视示意图。
附图4为本发明的腹腔镜模拟训练机的外形右视示意图。
附图5为本发明的腹腔镜模拟训练机的外形俯视示意图。
附图6为本发明的腹腔镜模拟训练机中模拟操作杆和传感器组的立体示意图。
附图7为本发明的腹腔镜模拟训练机中模拟操作杆和传感器组的主视示意图。
附图8为本发明的腹腔镜模拟训练机中模拟操作杆和传感器组的右视示意图。
附图9为本发明的腹腔镜模拟训练机中模拟操作杆和传感器组的左视示意图。
附图10为本发明的腹腔镜模拟训练机中模拟操作杆和传感器组的俯视示意图。
以上附图中：1、底座；2、主箱体；3、显示屏；4、踏板；5、支架；6、锁定部件；7、操作面；8、模拟操作杆；9、工具杆；10、操作把手；11、定位装置；12、环本体；13、连杆；14、仿真皮肤；15、传感器组；16、定位板。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：如附图1至附图10所示，一种用于模拟进行腹腔镜手术的腹腔镜模拟训练机，包括底座1、主箱体2和显示屏3三大部分。
底座1放置于地面上，用于支撑整个腹腔镜模拟训练机。在底座1上设置有两个用于模拟电凝功能的踏板4，当踩踏踏板4时，踏板4输出对应的信号。
底座1上设置有纵向的支架5，主箱体2和显示屏3均安装在支架5上的合适高度处，且显示屏3位于主箱体2的上方。为了实现主箱体2和显示屏3的高度可调，可以在支架5上集成一滑轨机构，而主箱体2与支架5之间、显示屏3与支架5之间均通过该滑轨机构相连接，使得主箱体2和显示屏3均可以沿支架5的高度方向滑动。还可以为主箱体2和显示屏3配备位置锁定机构，例如可以在主箱体2的背面设置一按钮或插销或摇杆等锁定部件6，当主箱体2调节至合适高度后，通过锁定部件6将主箱体2锁定在滑轨机构的当前位置上。对于显示屏3，还可以通过折叠机构或者转动机构而安装到滑轨机构上，从而通过折叠机构或转动机构实现显示屏3的角度可调。
主箱体2大致为一长方体，其上部具有一操作面7，通常可将该操作面7设置为倾斜的弧形面而方便操作以及提供多种不同的操作角度。主箱体2内设置有一主机，其既可以是电脑主机，也可以是定制的芯片和处理器等能够实现所需功能的装置。
主箱体2上安装有三个模拟操作杆8，其中两个模拟操作杆8用于模拟手术器械，另一个模拟操作杆8用于模拟摄像头，即腹腔镜。用于模拟摄像头的模拟操作杆8可以在三个模拟操作杆设计相同时根据实际需要指定任意一个模拟操作杆8，也可以在设计时将一个模拟操作杆制作为专用于模拟摄像头的专用模拟操作杆。本实施例中，三个模拟操作杆8采用相同的设计。在操作面7上开三孔，分别对应三根模拟操作杆8。模拟操作杆8至少包括工具杆9，还包括操作把手10。工具杆9穿过操作面7上的孔而使得其一端位于主箱体2内，另一端位于主箱体2外，定义工具杆9的位于主箱体2内的一端为其内端，而位于主箱体2外的一端为其外端。操作把手10设置在工具杆9的外端，操作把手10能够开合，通常为采用操作钳形式。此外，用于模拟手术器械的模拟操作杆8还包括用于检测其操作把手10的开合程度的操作开合传感器。而用于模拟摄像头的模拟操作杆8则还包括用于确定是否固定所模拟摄像头位置的定位组件，当采用具有能够开合的操作把手时，定位组件采用用于检测操作把手10开合程度以确定是否固定所模拟摄像头位置的定位开合传感器。而在某些实施例中，采用一个专用于模拟摄像头的模拟操作杆，该专用于模拟摄像头的模拟操作杆至少包括工具杆，而定位组件则采用用于确定是否固定所模拟摄像头位置的定位操作键，定位操作件可以采用按钮或扳机等形式。该专用于模拟摄像头的模拟操作杆既可以包括把手，也可以不具有把手，而其把手可以采用前述的可以开合的操作把手，也可以采用固定的把手形式。
每个模拟操作杆8通过各自的定位装置11而安装在操作面7上。定位装置11包括固定环和仿真皮肤14。定位环包括环本体12和连接环本体12至其中心的多个连杆13，从而在环本体12和连杆13之间形成有镂空的环内空间，而仿真皮肤14则覆盖在固定环的环内空间中。通过仿真皮肤14可以模拟真实手术的感觉。工具杆9连接在固定环的中心，使得固定环套设在工具杆9的外周，工具杆9一方面能够相对固定环沿其轴向滑动，另一方面还可以相对固定环在一定的动作范围内转动，且当工具杆9转动至任意角度时均能够保持该角度的位置不变。例如，在固定环的中心，即各连杆13的交汇位置设置一万向节，并使工具杆9与万向节中的转动部件相阻尼滑动连接。从而实现工具杆9的转动和滑动。建立一三轴坐标系，X轴和Y轴为在平行于操作面7或平行于操作面7的切面的平面内的相垂直的两轴，而Z轴为垂直于操作面7或垂直于操作面7的切面的轴，则在三周坐标系下，工具杆9可以实现沿Z轴的滑动以及绕X轴或Y轴的转动。
主箱体2内还设置有三组分别对应各模拟操作杆8的传感器组15。每组传感器组15包括对其对应的模拟操作杆8的动作进行检测的动作传感器、与定位板16相配合而对其对应的模拟操作杆8所插入模拟操作面7的空间深度进行检测（即对模拟操作杆8的位置进行检测）的距离传感器，从而通过传感器组15即可以对模拟操作杆8的动作和位置进行检测。动作传感器为陀螺仪、加速度计一种或两种的组合，它们可以与对应的工具杆9相连接从而检测工具杆9的运动情况。距离传感器为红外/激光测距传感器或机械测距传感器。当采用红外/激光测距传感器时，将其安装在定位装置11的内侧，同时在工具杆9的内端安装反射红外/激光的定位板16，其板面与工具杆9的轴向相垂直设置，使得红外/激光测距传感器能够与定位板16相配合而完成距离测量。若采用机械测距传感器，机械测距传感器包括设置于主箱体2内并沿工具杆9滚动的滚轮，从而可以根据滚轮转动的周数和滚轮的周长确定工具杆9插入的深度。
前述的踏板4、操作开合传感器、定位开合传感器/定位操作键、动作传感器、距离传感器均与主机相通信，既可以采用有线方式（如采用USB端口），也可以采用无线方式。从而主机将踏板4所模拟的功能以及模拟操作杆8的动作和位置叠加至虚拟模型中而输出虚拟现实图像信号给与其通信的显示屏3，显示屏3则基于虚拟现实图像信号而显示图像。
虚拟现实技术当前正蓬勃发展，上述方案中创新点在于主机将虚拟现实技术应用到医学训练领域，尤其是腹腔镜手术训练领域，通过主机与其他装置，如模拟操作杆8、传感器组15的配合而构成一套能够完成医学训练的装置，而并不在于虚拟现实技术本身。
应用上述腹腔镜模拟训练机时，训练人员操作各模拟操作杆8和/或踏板4老模拟进行腹腔镜手术，通常需两个人配合，一个人模拟操作手术器械和踏板4，另一人模拟操作摄像头。对于模拟手术器械的模拟操作杆8，通过对应的传感器组15可以检测其运动情况并提供给主机用作模拟，操作开合传感器检测其操作把手10的开合程度也提供给主机来模拟手术器械的打开或关闭。当踩踏踏板4时即模拟电凝功能。对于模拟摄像头的模拟操作杆8，可以通过其定位开合传感器所检测的开合程度来确定是否固定模拟摄像头的位置，也可以通过定位操作键是否被操作而确定是否固定模拟摄像头的位置。模拟操作杆8通过定位装置11而安装在柔性的操作面7上，可以根据需要变换在操作面7上的位置，并可以变换模拟操作杆8的初始位置，以获得不同的操作角度。
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 (10)
1.一种腹腔镜模拟训练机，用于模拟进行腹腔镜手术，其特征在于：所述腹腔镜模拟训练机包括：
底座，所述底座上设置有用于模拟电凝功能的踏板；
主箱体，所述主箱体通过支架安装于所述底座上，所述主箱体上具有操作面；所述主箱体上安装有三个分别用于模拟手术器械和摄像头的模拟操作杆；所述模拟操作杆至少包括一端通过所述操作面插入所述主箱体内而另一端位于所述主箱体外的工具杆，用于模拟手术器械的所述模拟操作杆还包括设置于所述工具杆外端且能够开合的操作把手、用于检测所述操作把手开合程度的操作开合传感器，用于模拟摄像头的所述模拟操作杆还包括用于确定是否固定所模拟摄像头位置的定位组件；所述主箱体内设置有与各所述模拟操作杆相对应的三组传感器组，所述传感器组包括检测对应所述模拟操作杆动作的动作传感器、检测对应所述模拟操作杆插入所述操作面空间深度的距离传感器；所述主箱体内设置有将所述踏板所模拟的功能以及所述模拟操作杆的动作和位置叠加至虚拟模型中而输出虚拟现实图像信号的主机，所述踏板、所述操作开合传感器、所述定位组件、所述动作传感器、所述距离传感器均与所述主机相通信；
显示屏，所述显示屏安装于所述支架上并位于所述主箱体上方，所述显示屏与所述主机相通信而基于所述虚拟现实图像信号而显示图像。
2.根据权利要求1所述的腹腔镜模拟训练机，其特征在于：所述支架上集成有滑轨机构，所述主箱体与所述支架、所述显示屏与所述支架均通过所述滑轨机构相连接。
3.根据权利要求1所述的腹腔镜模拟训练机，其特征在于：所述模拟操作杆通过定位装置安装于所述操作面上，所述定位装置包括滑动套设在所述工具杆的外周且能够使所述工具杆在其动作范围内转动至任意角度时均能保持该角度的位置的固定环、覆盖所述固定环的环内空间的仿真皮肤。
4.根据权利要求3所述的腹腔镜模拟训练机，其特征在于：所述固定环包括环本体、设置于所述环本体中心的万向节，所述工具杆与所述万向节相阻尼滑动连接。
5.根据权利要求1所述的腹腔镜模拟训练机，其特征在于：所述定位组件为通过按动操作来确定是否固定所模拟摄像头位置的定位操作键，或者为，当用于模拟摄像头的所述模拟操作杆也具有能够开合的操作把手时用于检测所述操作把手开合程度以确定是否固定所模拟摄像头位置的操作开合传感器。
6.根据权利要求1所述的腹腔镜模拟训练机，其特征在于：所述动作传感器包括陀螺仪、加速度计中的一种或两种的组合。
7.根据权利要求1所述的腹腔镜模拟训练机，其特征在于：所述距离传感器为红外/激光测距传感器或机械测距传感器。
8.根据权利要求7所述的腹腔镜模拟训练机，其特征在于：当所述距离传感器为所述红外/激光测距传感器时，所述工具杆的内端设置有与所述红外/激光测距传感器相配合的定位板。
9.根据权利要求7所述的腹腔镜模拟训练机，其特征在于：所述机械测距传感器包括设置于所述主箱体内并沿所述工具杆滚动的滚轮。
10.根据权利要求1所述的腹腔镜模拟训练机，其特征在于：所述踏板、所述开合传感器、所述动作传感器、所述距离传感器通过有线或无线方式与所述主机相通信。
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