CN111047940B - 一种基于血管介入手术训练系统的手控操作装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于血管介入手术训练系统的手控操作装置，属于医疗训练设备的技术领域，包括导管、导向轴、力/力矩检测机构和实现两自由度运动及力触觉反馈的机构；力/力矩检测机构用于检测施加在导向轴轴向方向的操作力以及检测施加在导向轴周向方向的操作力矩；力/力矩检测机构包括能够与导向轴同轴转动的传动块、用于检测传动块轴向方向的操作力的第一检测组件和用于检测传动块周向方向的操作力矩的第二检测组件，第一检测组件位于传动块轴向方向；第二检测组件位于传动块周向方向。该装置用以精确地检测血管介入训练手术中操作者的力/力矩，并及时实现运动和力触觉反馈，给操作者提供真实的训练环境，以达到提高操作者的操作技能。
Description
技术领域
本发明涉及医疗训练设备的技术领域，具体而言，涉及一种基于血管介入手术训练系统的手控操作装置。
背景技术
血管介入手术是近十年来逐渐兴起的十分有效的治疗方法，具有创伤小，出血少，介入部位准确等优点。同时血管介入手术的并发症的发生率与患者造影例数呈负相关，说明操作越熟练，并发症发生的可能性越小。
然而与逐年增加的心脑血管疾病的发病人数相比，真正能够熟练完成血管介入手术的医生数量相差甚远，因此需要培训出更多优秀熟练的血管介入手术的医生。
传统的血管介入训练方式包括：尸体、人体phantom模型、动物等，通过训练设备进行训练操作，在训练过程中，往往很难把握导管的运动轨迹，比如如何正确的进行前进、后退或者旋转，当在训练过程中遇到阻碍时，如何实现力反馈进而可以更加精准的训练。
现有专利CN201210185159-一种实时测量心血管介入手术中导管介入力和力矩的装置，该专利通过将医生的拇指和食指分别戴在装置里，通过力和力矩的装置进行检测和反馈，该装置虽然可以直接与医生手指操作进行直接的接触，但是由于血管介入手术要求精准，医生作业时间长，医生长时间以这样的姿势容易疲惫，从而会造成较大的手术误差，因此该装置不利于医生操作；除此之外，上述专利中的压力传感器为3组，等间隔分布于外圆柱壳内壁，在检测力和力矩的时候，会存在一定的误差。
急需一种能够更加精确的检测力和力矩以及反馈力和力矩的装置，便于医生操作训练。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种基于血管介入手术训练系统的手控操作装置，用以实现精确检测血管介入训练手术中操作者的力/力矩，并及时运动和力触觉反馈，给训练者提供更加真实的训练环境，以达到提高训练者的操作技能的技术效果。
本发明通过以下技术方案实现：包括导管、导向轴、力/力矩检测机构和实现两自由度运动及力触觉反馈的机构；
所述力/力矩检测机构用于检测施加在导向轴轴向方向的操作力/力矩以及检测施加在导向轴周向方向的操作力/力矩；
所述力/力矩检测机构包括能够与所述导向轴同轴转动的传动块、用于检测所述传动块轴向方向的操作力的第一检测组件和用于检测所述传动块周向方向的操作力矩的第二检测组件，所述第一检测组件位于所述传动块轴向方向；所述第二检测组件位于所述传动块周向方向。
为了更好的实现本发明，进一步的，所述检测机构还包括壳体，所述壳体活动套设于所述导向轴表面，所述壳体一侧设有用于所述传动块轴向移动或者周向移动的活动腔，所述活动腔内壁设有用于安装第一检测组件的第一安装槽和用于安装第二检测组件的第二安装槽，所述第一安装槽设于所述壳体轴向方向，所述第二安装槽设于所述壳体周向方向。
为了更好的实现本发明，进一步的，所述第一检测组件包括2个检测块；所述第二检测组件包括2个检测块；所述第一安装槽有2个，所述第二安装槽有2个，所述传动块在所述壳体轴向方向，位于两个所述检测块之间；所述传动块在所述壳体周向方向，位于两个所述检测块之间。
为了更好的实现本发明，进一步的，所述实现两自由度运动及力触觉反馈的机构包括用于稳固所述导向轴的导向组件和用于驱动所述导管轴向运动的驱动组件；
所述导向组件底部设有滑件；
所述驱动组件包括伺服电机，所述伺服电机的输出端连接有滚珠丝杠，所述滑件与所述滚珠丝杠活动连接，通过所述伺服电机驱动以使所述导向轴在轴向方向上实现前进或者后退。为了更好的实现本发明，进一步的，所述实现两自由度运动及力触觉反馈的机构还包括用于检测导向轴周向方向运动的第一编码器，所述第一编码器与所述导向轴同轴连接。
为了更好的实现本发明，进一步的，所述导向组件包括支撑板和底板，所述滑件设于所述底板底部。
为了更好的实现本发明，进一步的，所述实现两自由度运动及力触觉反馈的机构还包括磁滞制动器，所述第一编码器和所述磁滞制动器均与所述导向轴同轴连接。
为了更好的实现本发明，进一步的，所述第一检测组件和所述第二检测组件的检测块均为压力传感器。
本发明实施例的有益效果是：本发明所提供基于介入手术训练系统的手控操作装置，通过力/力矩检测机构对操作者施加于导向轴的力/力矩进行精准地检测，该检测是在水平方向和旋转方向，从而为后续实现两自由度运动及力触觉反馈的机构提供实时准确数据，进而为操作者提供更加真实的训练环境；达到更好的训练效果。
本发明所提供的力/力矩检测机构中通过设置与导向轴同轴转动的传动块，该传动块可在壳体内的活动腔中活动，并通过轴向或者周向上的检测块进行力/力矩的检测。该结构不仅可以实现导向轴的力/力矩的检测，而且还可以实现两自由度力/力矩的解耦检测，检测更加直观和精准。
本发明所提供的基于血管介入手术训练系统的手控操作装置，通过力/力矩检测机构、伺服电机和导向组件可以实现导向轴在轴向方向的运动以及轴向运动的力反馈；通过力/力矩检测机构、第一编码器和磁滞制动器可以实现导向轴在周向方向的力反馈，两自由度的力反馈对训练者的训练有着较大的帮助，从而可以提高训练的效果。
本发明所提供的基于血管介入手术训练系统的手控操作装置，其结构简单，操作容易，符合医生实际操作习惯。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于血管介入手术训练系统的手控操作装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的力/力矩检测机构的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的力/力矩检测机构的主视图。
图标：10-导管，100-导向轴，200-力/力矩检测机构，210-壳体，211-活动腔，214-第一检测组件，215-第二检测组件，217-传动块，220-第一编码器，310-导向组件，311-支撑板，312-底板，313-滑件，320-伺服电机，321-滚珠丝杆，330-磁滞制动器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参看图1，本发明实施例提供的基于血管介入手术训练系统的手控操作装置，主要是用于医生训练血管介入手术的训练设备，主要包括导管10、导向轴100、力/力矩检测机构200和实现两自由度运动及力触觉反馈的机构，其中导向轴100为手控操作轴，操作者通过操作导向轴100，并通过力/力矩检测机构200进行力/力矩检测，然后进行一定的控制信号的转换，再通过实现两自由度运动及力触觉反馈的机构执行导管10或导向轴100的运动，该控制信号转换为现有技术，故在此不进行过多的阐述。
不管是在训练操作过程还是医生实际应用过程中，力和力矩的检测都是极为重要的部分，现有的力/力矩检测相对较为粗糙，不能更加精准的得到相应的数据，从而会导致最终导向轴100的运动的距离、方向等不够精准，影响操作者、训练者的训练。
为了解决上述技术问题，本发明提供力/力矩检测机构200，该力/力矩检测机构200能够实现两自由度操作力/力矩的检测，两自由度主要是指轴向方向和周向方向，具体结构是：包括与导向轴100同轴转动的传动块217，以及分布于传动块217周边的第一检测组件214和第二检测组件215，第一检测组件214主要是用于检测传动块217在轴向方向施加的力，第二检测组件215主要是用于检测传动在周向方向施加的力矩，通过对轴向方向和周向方向两自由度的力/力矩的检测，可以更好的掌控操作者的施力方向以及大小，从而得到更加精准的施力信息，进而使得运动控制的实现可以更加精准，达到提高训练效果的目的。
在实际训练过程中，不管操作者是单独在轴向(水平)方向或周向(旋转)方向施力，还是在轴向(水平)方向和周向(旋转)方向同时施力，都可以通过力/力矩检测机构进行检测，这样的实现解耦检测的检测机构检测到的力/力矩信息更加直观准确，能为训练提供更有力的力/力矩信息。
具体力/力矩检测机构200结构包括壳体210，如图2和3中所示，在该壳体210的一侧开设一活动腔211，该活动腔211的空间并不大，从径向方向的横截面看过去为扇形，该传动块217在该活动腔211内跟随导向轴100进行相应的运动，即是轴向运动或周向运动，并通过在该活动腔211内放置第一安装槽和第二安装槽，通过将第一检测组件214安装在第一安装槽内，第二检测组件215安装在第二安装槽内，该第一安装槽和第二安装槽均为2个，第一检测组件214和第二检测组件215均是2个的压力传感器，如图3中所示，其中第一检测组件214的压力传感器是位于传动块217的轴向方向，第二检测组件215的压力传感器是位于传动块217的周向方向。
上述力/力矩检测机构200采用与导向轴100同轴转动的传动块217进行导向轴100的运动信息的转换，从而避免了直接将压力传感器布置在导向轴100四周，如果将压力传感器直接布置与导向轴100的四周，对轴向方向的运动检测偏差不会太大，但是对周向方向的检测偏差则具有较大的影响，以现有专利CN201210185159-一种实时测量心血管介入手术中导管介入力和力矩的装置公开的方案就可以得出，当操作者控制旋转时，则存在检测机构与导向轴100共同旋转的可能，从而无法更加精准的检测到导向轴100的旋转力。
本发明通过设置传动块217，该传动块217与导向轴100同轴转动，当导向轴100旋转时，传动块217也会产生相应的转动，传动块217转动后则会接触到相应的周向方向的压力传感器则就可以直接检测到相应的旋转力/力矩，由于壳体210与导向轴100是活动套设，当传动块217接触的周向方向的压力传感器后，导向轴100若继续旋转，传动块217也将受到旋转的驱使力，由于是活动套设，在一小部分驱使力的作用下，整个壳体210也将会进行旋转，在此，特别说明，本发明所提供的力/力矩检测机构200是紧凑型、轻量级的。
同时为了手控操作装置旋转角度的检测可以更加精准，因此在导向轴100的另一端上设有第一编码器220，该第一编码器220也是与导向轴100同轴连接，导向轴100的旋转角度可以通过第一编码器220进行实时记录。
上述力/力矩检测机构200精准检测到操作导向轴100操作信息，该信息通过转换后作为实现运动及力触觉反馈机构的控制信号，该转换是通过算法进行的，该算法是现有技术，故在此不进行过多的阐述，该实现两自由度运动及力触觉反馈的机构主要包括用于稳固导向轴100的导向组件310和用于驱动导向轴100轴向运动的驱动组件，导向组件310如图1中所示，设置有支撑板311，在支撑板311的底部设置了底板312，并在底板312的底部设置了滑件313，该滑件313与驱动组件连接，具体是驱动组件包括伺服电机320，在伺服电机320的输出端设置滚珠丝杠321，通过滑件313与滚珠丝杠321活动连接，在伺服电机320的驱动下，使得滑件313上方的导向组件310滑动，从而带动导向轴100在轴向方向的移动，该移动可以是前进或者是后退。
实现两自由度运动及力触觉反馈的机构还包括磁滞制动器330，该磁滞制动器330和第一编码器均与导向轴100同轴连接。
现针对导向轴100在轴向(水平)方向的运动，进行详细的操作说明：
S1：操作者通过拇指和食指捏住导向轴100向前运动；
S2：力/力矩检测机构200上的传动块217向前碰触到前方的压力传感器，即得到向前运动的信息；(特别说明：通过力/力矩检测机构的第一检测组件和第二检测组件可以实现传动块在不同运动方向的解耦，使得力/力矩检测更为直观和精准)
S3：向前运动的信息通过现有算法转换为实现两自由度运动及力触觉反馈的机构的控制信号，具体控制机构是通过伺服电机320驱动滚珠丝杆321带动导向组件310向前移动，从而实现导向轴100向前移动的目的；
S4：伺服电机320内的第二编码器则记录向前运动的距离，并将该运动的距离转换为虚拟端导管的轴向运动控制信号传输到虚拟端(在此特别说明，该虚拟端是现有技术，可以是电脑、VR等设备)，该虚拟端上模拟着人的血管状态，便于训练者操作，虚拟端按向前运动的距离进行前进；
S5：当虚拟端上检测到虚拟导管在轴向方向受到阻力时，尤其是轴向阻力增加时，将受到轴向阻力与力/力矩检测机构200检测到的力进行叠加求合力，该合力将减小，该合力将转换为伺服电机320的控制信号，进而使伺服电机320的转速下降，从而实现在轴向方向的力触觉反馈，该合力的算法以及信号的转换为现有技术，因此不进行过多的阐述；以轴向驱动力和轴向阻力的合力来作为导向轴100的轴向运动驱动力，更符合实际医生操作时的真实情况；
S6：感受到力触觉反馈后，操作者从而改变原轴向方向的运动，对运动方式进行调整，即可能是后退，也可能是旋转；或改变施加力的大小。
现针对导向轴100在周向(旋转)方向的运动，进行详细的操作说明：
S1：训练者旋转导向轴100，该旋转可以是顺时针旋转或者逆时针旋转；
S2：力/力矩检测机构200的传动块217旋转，从而接触到周向上的压力传感器，进而检测到旋转的力矩，再通过第一编码器220检测导向轴100记录导向轴100旋转的角度；
S3：将力/力矩检测机构200检测到的力或第一编码器220检测到的旋转的角度通过现有的算法转换为虚拟端导管旋转的角度的输入信号，实现虚拟端上导管的旋转；
S4：当虚拟端反馈导管在旋转方向受到阻力时，通过磁滞制动器330产生与虚拟端受到的阻力同方向的扭矩，从而有效实现旋转方向的力触觉反馈；
S5：感受到旋转方向的力触觉反馈后，操作者则改变运动方式，该操作可以是水平方向上的移动或者是旋转方向上的转动；或改变施加力的大小。
本发明所提供一种基于血管介入手术训练系统的手控操作装置，该装置能够实现两自由度的力/力矩的精准检测并通过实现运动及力触觉反馈，从而为操作者提供了更加真实的介入手术的训练环境。
本发明所提供的一种基于血管介入手术训练系统的手控操作装置，可以实现水平运动和旋转运动的解耦，更加符合实际操作。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种基于血管介入手术训练系统的手控操作装置，包括导管、导向轴、力/力矩检测机构和实现两自由度运动及力触觉反馈的机构；
所述力/力矩检测机构用于检测施加在导向轴轴向方向的操作力以及检测施加在导向轴周向方向的操作力矩；
其特征在于：所述力/力矩检测机构包括能够与所述导向轴同轴转动的传动块、用于检测所述传动块轴向方向的操作力的第一检测组件和用于检测所述传动块周向方向的操作力矩的第二检测组件，所述第一检测组件位于所述传动块轴向方向；所述第二检测组件位于所述传动块周向方向；
所述实现两自由度运动及力触觉反馈的机构包括用于稳固所述导向轴的导向组件和用于驱动所述导管轴向运动的驱动组件；
所述导向组件底部设有滑件；
所述驱动组件包括伺服电机，所述伺服电机的输出端连接有滚珠丝杠，所述滑件与所述滚珠丝杠活动连接，通过所述伺服电机驱动以使所述导向轴在轴向方向上实现前进或者后退；
所述实现两自由度运动及力触觉反馈的机构还包括用于检测导向轴周向方向运动的第一编码器，所述第一编码器与所述导向轴同轴连接；
所述导向组件包括支撑板和底板，所述滑件设于所述底板底部；
所述实现两自由度运动及力触觉反馈的机构还包括磁滞制动器，所述第一编码器和所述磁滞制动器均与所述导向轴同轴连接。
2.根据权利要求1所述的手控操作装置，其特征在于，所述检测机构还包括壳体，所述壳体活动套设于所述导向轴表面，所述壳体一侧设有用于所述传动块轴向移动或者周向移动的活动腔，所述活动腔内壁设有用于安装第一检测组件的第一安装槽和用于安装第二检测组件的第二安装槽，所述第一安装槽设于所述壳体轴向方向，所述第二安装槽设于所述壳体周向方向。
3.根据权利要求2所述的手控操作装置，其特征在于，所述第一检测组件包括2个检测块；所述第二检测组件包括2个检测块；所述第一安装槽有2个，所述第二安装槽有2个，所述传动块在所述壳体轴向方向，位于两个所述检测块之间；所述传动块在所述壳体周向方向，位于两个所述检测块之间。
4.根据权利要求1所述的手控操作装置，其特征在于，所述第一检测组件和所述第二检测组件的检测块均为压力传感器。
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