CN111276032A - 一种虚拟手术训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于辅助手术设备技术领域，具体涉及一种虚拟手术训练系统，包括通过3D立体技术显示人体组织器官的全息投影系统、模仿真实手术器械手柄的仿真手术器械、利用三维建模构造的手术刀模拟系统、虚拟手术输出模块、中央处理器及传感器装置；其中的所述仿真手术器械包括远段模块和近段模块，所述远段模块类似于机械臂结构，具有腕关节、肘关节、肩关节和延长杆；所述近段模块由旋钮和朝外开口的弹性夹依次组成，所述旋钮的旋转角度可设定为若干段，一个角度对应一种手术器械的投影，从而在虚拟手术训练系统中实现不同器械的转换。本发明设计灵敏、使用方便、从视觉触觉多维度出发，营造了逼真的手术环境，具有广泛的应用价值。

Description

一种虚拟手术训练系统

技术领域

本发明涉及辅助手术设备技术领域，具体涉及一种虚拟手术训练系统。

背景技术

外科手术是重要的疾病治疗手段，由于人体各组织器官结构复杂、疾病导致正常解剖结构发生变化等，外科手术有一定的风险，对手术者的知识储备和技术水平要求很高。出于医学伦理的考虑，既往医学教育体系中外科手术的培训以动物手术或离体组织手术模拟为主，学习曲线长，学习难度大。利用虚拟手术系统，医疗人员可以在对病人实施复杂手术之前进行练习，缩短学习曲线，提高技术水平，保证医疗安全；亦可通过成像设备获取的病人图像导入仿真系统，医疗人员在手术前借此对实际手术作出相应的预先规划，或者对病变缺损部位进行较精确的前期测量和估算，从而预见手术的复杂性，提高治疗效果。

虚拟手术训练系统作为虚拟现实技术在医学领域的一个典型应用，具体是由医学图像数据出发，应用计算机图形学重构出虚拟人体软组织模型，模拟出虚拟的医学环境，并利用触觉交互设备与之进行交互的手术系统。该系统为医疗人员提供一个虚拟的3D环境以及可交互操作平台，使其能够逼真地模拟临床手术的全过程。

与传统的手术教学相比，虚拟手术具有高仿真、无损伤性、可重复性和可指定性等优点。但是，该领域的大部分研究仅限于仿真的可视化阶段，往往缺乏逼真的视觉和触觉效果，导致医疗人员在虚拟环境下完成的手术与临床环境差别很大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种位移精度高、以及触感逼真的虚拟手术训练系统。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种虚拟手术训练系统，包括

全息投影系统：包括计算机图形技术和全息投影仪，通过3D立体技术在某个区域内呈现人体组织器官的投影，模拟出虚拟的医学环境；

仿真手术器械：模仿真实的手术器械手柄，在触感上模拟内窥镜、抓钳、电凝器、手术剪等多种微创手术器械；

手术刀模拟系统：用于通过三维建模，构建与所述仿真手术器械一致的模拟手术器械，以重建仿真手术器械的位姿和空间变化；

虚拟手术输出模块：用于输出显示整合了全息投影系统和手术刀模拟系统的画面；

中央处理器；

传感器装置：所述传感器装置与中央处理器连接。

其中，所述仿真手术器械包括远段模块和近段模块，所述远段模块为类机械臂结构；所述近段模块由旋钮和朝外开口的弹性夹依次组成，所述旋钮的旋转角度可设定为若干段，每一段旋转角度被设定为对应一种手术器械的投影，从而通过转动旋钮在虚拟手术训练系统中实现不同器械的转换。

本发明中，全息投影系统采用的是医用虚拟成像技术，具体地说，该成像技术提供了层层深入的人体解剖图，培训人员能直观地看到身体组织的一切，这包括器官所处的位置和人体运行的情况。全息投影系统主要包括两方面；一是计算，也就是接收3D数据并算出全息图；二是电光系统根据全息图把光线射入空间，并在真实环境中重建影像，这为使用者与影像互动提供了极大的便利。该系统区别于传统的二维图像显示方式，全方位、实时展示某个器官甚至整个人体的所有信息，并且培训人员不需要佩戴特制的眼镜既能进行观察，目前医用虚拟成像技术正越来越多地应用于微创手术的训练与演示，极大提高手术的成功率。

在此简述一下虚拟手术仿真系统的各部件的工作原理与连接关系：所述全息投影系统通过应用计算机图形学重构出虚拟的人体软组织模型，模拟出虚拟的医学环境；所述仿真手术器械上连接有所述传感器装置，培训人员在操作仿真手术器械的过程中，通过传感器装置检测出所述仿真手术器械的实际位移以及角度旋转数据，所述中央处理器将所有传感器在一定时间内所有值进行收集，从而协助所述手术刀模拟系统重新构建所述仿真手术器械的位姿以及空间变化，使得虚拟系统中的手术器械投影与手部力觉空间精准匹配，最后通过虚拟手术输出模块将影像显示出来，培训人员在触觉视觉的交互反馈中，进行与实体操作质感相近的虚拟手术训练。

所述仿真手术器械的远段模块为类机械臂结构，从远到近依次设置有腕关节、肘关节、肩关节，并且每个关节之间设有连接臂；通过机械臂这种柔性连接方式，能够将所述仿真手术器械端部的移动精度减小至0.1毫米，显著提高训练环境的真实感和沉浸感。此外，每个关节上都连接有传感器，用于及时检测各个节点的位置与角度变化，为手术器械投影的精准度提供保障。

所述仿真手术器械的近段模块由旋钮和朝外开口的弹性夹依次组成，所述旋钮的旋转角度可设定为若干段，每一段旋转角度被设定为对应一种手术器械的投影。也就是说，培训人员只要转动旋钮就可以在所述手术刀模拟系统实现不同手术器械的更换，投影出来的器械可以是剪刀、镊子、手术刀、持针器等。所述弹性夹则通常由手术镊子改装，因为实际操作中大部分器具手持部的触感与手术镊子相近，所以一种弹性夹方式就足以应对大多数手术模拟操作的需求。当然如有必要，也可以更换端头，应对眼科、五官科、血管外科、神经外科等更高要求的手术环境。本发明采用旋钮方式来更换模拟手术器械，不需要用户另外用手操作相关的辅助功能，使得用户能够专心投入到手术模拟操作中，增强了虚拟手术训练系统的沉浸性。

作为本发明的进一步优化方案，所述仿真手术器械具有七个自由度，具体为所述肩关节、肘关节和腕关节都能沿两个不同方向自由转动，例如关节的一端能沿着连接臂作轴向转动，关节的另一端沿着连接臂的径线方向作转动；或者关节的两端分别沿相互垂直的轴线进行转动；再加上所述腕关节端部的弹性夹可以实现开合，因此所述仿真手术器械能够实现七个自由度的独立活动，显著增强器械操作时的柔性程度。

大大提高了仿真手术器械的灵活度，使得操作手感与真实的器具更加接近。

作为本发明的进一步优化方案，所述传感器装置包括位移传感器、角度传感器以及旋钮传感器。具体地说，所述肩关节、肘关节和腕关节作为一种转轴结构，三者在转动位置上均设有角度传感器；另外，为了保证操作的流畅度，所述肩关节的延长杆可以沿着后方连接的滑轨进行伸缩，所述延长杆上还设有位移传感器；如此设置，保证了每个节点的位姿及空间变化都能被一一检测，为人机交互中逼真的视觉效果提供基础。

作为本发明的进一步优化方案，所述中央处理器与所述手术刀模拟系统连接，所述传感器装置的检测信号通过中央处理器传达至手术刀模拟系统，使得所述手术刀模拟系统中呈现的路径与实际路径精准匹配。

作为本发明的进一步优化方案，所述中央处理器上设置有考核评估模块，考核的总体评价由仿真手术器械的位姿及空间变化的符合度、过程中是否明显路径偏移等指标综合而成。

与现有技术相比，本发明具备如下优点及有益效果：

本设备在仿真手术器械上设置有灵活的机械臂连接装置，并在端部配套有质感真实的弹性夹手柄，两者结合，不仅使得器械的位移精度显著提高，还提供了与临床环境几乎一致的触觉效果。另外，培训人员只要旋转器械手柄端部的旋钮，即可以在手术刀模拟系统实现不同手术器械的更换，而不需要培训人员用手操作相关的辅助功能，使得培训人员能够专心投入到手术模拟操作中，增强了虚拟手术训练系统的沉浸性。本发明设计灵敏、使用方便、从视觉触觉多维度出发，营造了逼真的手术环境，具有广泛的应用价值。

附图说明

图1为本发明一种虚拟手术仿真系统的结构示意图；

图2为本发明的仿真手术器械的立体图；

图3为本发明的仿真手术器械的侧视图；

图4为本发明的肩关节的结构示意图；

图5为本发明的肘关节的结构示意图；

图6为本发明的腕关节的结构示意图；

附图标记：1-全息投影仪；2-仿真手术器械；21-远段模块；211-基座；2111-Y方向金属导轨；2112-Y方向位移传感器固定装置；212-Y轴滑块；2121-X方向金属导轨；2122-X方向位移传感器固定装置；213-X轴滑块；2131-Z方向金属导轨；2132-Z方向位移传感器固定装置；214-肩关节延长杆；2141-位移传感器固定装置；2142-肩关节固定接口；215-肩关节；2151-肩关节辅助转动轴承；216-上臂杆；217-肘关节；2171-肘关节支持轴承；218-前臂杆；219-腕关节；2191-腕关节辅助转动轴承；22-近段模块；221-旋钮；222-弹性夹；3-手术刀模拟系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1-6所示，一种虚拟手术训练系统，包括：

全息投影系统：包括计算机图形技术和全息投影仪1，通过3D立体技术在某个区域内呈现人体组织器官的投影，为培训人员提供一个虚拟的3D环境；

仿真手术器械2：模仿真实的手术器械手柄，在触感上模拟内窥镜、抓钳、电凝器、手术剪等多种微创手术器械；

手术刀模拟系统：用于通过三维建模，构建与所述仿真手术器械一致的模拟手术器械，以重建仿真手术器械的位姿和空间变化；

中央处理器；

传感器装置（图中未示出）：包括位移传感器、角度传感器以及旋钮传感器，所述传感器装置与中央处理器连接。

虚拟手术输出模块：用于输出显示整合了全息投影系统和手术刀模拟系统的画面；

其中所述仿真手术器械2包括远段模块21和近段模块22，所述远段模块21为类机械臂结构，如图2所示，所述远段模块21由基座211、Y轴滑块212、X轴滑块213、肩关节延长杆214、肩关节215、上臂杆216、肘关节217、前臂杆218、腕关节219依次连接而成。

其中所述基座211水平放置，包含两条竖立平行的Y方向金属导轨2111及Y方向位移传感器固定装置2112，所述 Y方向金属导轨2111上穿设有可以沿导轨滑行的Y轴滑块212，所述Y轴滑块212与所述 Y方向金属导轨2111之间连接有弹簧（图中未示出），当Y轴滑块212受力消失时，弹簧将其自动复位至中点，Y轴滑块212与基座211的相对位置信息由位移传感器输出为“ΔY”。

所述Y轴滑块212包含两条平行的X方向金属导轨2121以及X方向位移传感器固定装置2122，所述Y轴滑块212上穿设有可以沿导轨滑行的X轴滑块213，同理，当X轴滑块213受力消失时，弹簧（图中未示出）将其自动复位至中点，所述X轴滑块213与Y滑块212的相对位置由位移传感器输出为“ΔX”。

所述X轴滑块213包含两条平行的Z方向金属导轨2131以及Z方向位移传感器固定装置2132；所述Z方向金属导轨2131上穿设有可以沿导轨滑行的肩关节延长杆214，同理，当肩关节延长杆214受力消失时，弹簧（图中未示出）将其自动复位至中点，所述肩关节延长杆214与X滑块213的相对位置由位移传感器输出为“ΔZ”。

所述肩关节延长杆214的一端设有位移传感器固定装置2141，另一端设有肩关节固定接口2142，所述肩关节固定接口2142连接有肩关节215，所述肩关节215上设有肩关节辅助转动轴承2151及两个角度传感器，肩关节215一端通过一个角度传感器与肩关节延长杆214作轴向相对转动，其轴向转动角度由角度传感器输出为“∠α”；所述肩关节215另一端则通过另一个角度传感器连接有上臂杆216，肩关节216另一端相对于肩关节延长杆214作径向转动，其转动角度由角度传感器输出为“∠β”。

所述上臂杆216两端分别通过角度传感器连接有轴方向相互平行的轴承，其中一个轴承连接有肘关节217，该轴承的转动角度由角度传感器输出为“∠γ”。

所述肘关节217由两个互成90°的肘关节支持轴承2171以及与之一一对应的角度传感器组成，所述肘关节217的一个支持轴承连接有前臂杆218，该支持轴承2171的转动角度由角度传感器输出为“∠δ”。

所述前臂杆218的结构与上臂杆216相同，两端均有轴方向相互平行的轴承，所述前臂杆218的一个轴承连接有腕关节219，该轴承的转动角度由角度传感器输出为“∠θ”。

所述腕关节219由腕关节辅助转动轴承2191及两个角度传感器组成，腕关节219既可沿腕关节辅助转动轴承2191自由转动，也可沿所述前臂杆218作轴向相对转动。所述腕关节219还与近端模块22连接，具体为腕关节219下端以轴向角度传感器与近端模块22上端连接，所述腕关节辅助转动轴承2191的转动角度由角度传感器输出为“∠ε”。

进一步地，所述近段模块22则由旋钮221和朝外开口的弹性夹222依次组成。

具体为，所述弹性夹222为两块有弹性的不锈钢，弹性夹222的结构近似于手术镊子，其形变程度由位移传感检测并输出为“Δξ”；所述旋钮221中部为分段旋钮，末端为固定装置，可固定于所述腕关节219的轴向旋转端；所述旋钮221的旋转角度可设定为20段，输出信号为“φ1-φ20”，一个角度对应一种手术器械的投影，培训人员只要转动旋钮221就可以在手术刀模拟系统实现不同手术器械的更换。投影出来的器械可以是剪刀、镊子、手术刀、持针器等形式，本实施例中，所述弹性夹222由手术镊子改装，因为实际操作中大部分器具手持部的触感与手术镊子相近，所以一种弹性夹方式就足以应对大多数手术模拟操作的需求。当然如有必要，也可以更换端头，应对眼科、五官科、血管外科、神经外科等更高要求的手术环境。

本设备的仿真手术器械2设置有活动自由度极高的机械臂连接装置，并在端部配套有质感真实的弹性夹手柄，两者结合，不仅使得器械的位移精度显著提高，还提供了与临床环境几乎一致的触觉效果。另外，培训人员只要旋转器械手柄端部的旋钮，即可以在手术刀模拟系统实现不同手术器械的更换，使得培训人员能够专心投入到手术模拟操作中，增强了虚拟手术训练系统的沉浸性。

在此简述一下虚拟手术仿真系统的各部件的工作原理与连接关系：所述全息投影系统通过应用计算机图形学重构出虚拟人体软组织模型，模拟出虚拟的医学环境；所述仿真手术器械2上连接有所述传感器装置，通过传感器检测出所述仿真手术器械2的实际位移以及角度旋转数据，所述中央处理器将所有传感器在一定时间内所有值进行收集，例如位移数据：ΔY、ΔX、ΔZ、Δξ，角度旋转数据：∠α、∠β、∠γ、∠δ、∠ε、∠θ，旋钮数据：φ（1）-φ（20），从而协助所述手术刀模拟系统3重新构建所述仿真手术器械2的位姿以及空间变化，使得虚拟系统中的手术器械投影与手部力觉空间精准匹配。

本实施例中，所述中央处理器（图中未示出）与所述手术刀模拟系统连接，所述传感器装置的检测型号通过中央处理器传达至手术刀模拟系统，使得所述手术刀模拟系统3中呈现的路径与实际路径精准匹配。

本实施例中，所述中央处理器上设置有考核评估模块（图中未示出），设计人员将不同手术的评分标准提前输入至预评分标准中，该标准由仿真手术器械2的位姿及空间变化的符合度、过程中是否明显路径偏移等指标综合而成。

本实施例中，虚拟手术训练系统还包括虚拟手术输出模式（图中未示出），所述虚拟手术输出模式对应有输出设备，将操作人员在虚拟环境中进行的手术操作路径实现可视化输出。

本发明的工作原理及使用流程：

使用时，全息投影系统可以投影出一个三维的虚拟人体模型，操作人员通过手术刀，也就是仿真手术器械2在三维的虚拟人体模型上进行模拟手术，此时仿真手术器械2上的传感器装置可监测其位移、角度及速度，并经由中央处理器等比例地投放至手术刀模拟系统3，操作人员可通过终端的虚拟手术输出模式观看到与实际临床手术一模一样的画面。操作结束后，中央处理器上的考核评估模块会针对这些位移、角度、速度进行分析，从而评估手术效果的好坏并进行纠正和辅导。

当中，仿真手术器械2后端采用自由度极高的机械臂连接而成，使得器械操作起来更加灵活精准，另外操作人员只需要旋转仿真手术器械近段模块22上的旋钮221，即可实现不同虚拟器械的变换。如此设置，使得本虚拟手术系统具备视觉触觉上的逼真效果，营造出与临床手术操作情况高度贴合的虚拟环境，有助于增强培训人员在虚拟手术训练过程中的沉浸性与真实体验感，具有显著的培训教育意义。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种虚拟手术训练系统，其特征在于：包括：

全息投影系统：用于通过3D立体技术呈现人体组织器官的投影，模拟出虚拟的医学环境；

仿真手术器械（2）：用于模仿真实的手术器械手柄；

手术刀模拟系统（3）：用于通过三维建模，构建与所述仿真手术器械（2）一致的模拟手术器械，以重建仿真手术器械（2）的位姿和空间变化；

虚拟手术输出模块：用于输出显示整合了全息投影系统（1）和手术刀模拟系统（3）的画面；

中央处理器；

传感器装置：所述传感器装置与中央处理器连接。

2.根据权利要求1所述的一种虚拟手术训练系统，其特征在于：所述仿真手术器械（2）包括远段模块（21）和近段模块（22），所述远段模块（21）为类机械臂结构，所述近段模块（22）由旋钮（221）和朝外开口的弹性夹（222）依次组成，所述旋钮（221）的旋转角度被设定为若干段，每一段旋转角度被设定为对应一种手术器械的投影。

3.根据权利要求2所述的一种虚拟手术训练系统，其特征在于：所述远段模块（21）包括基座（211）、肩关节（215）、肩关节延长杆（214）、上臂杆（216）、肘关节（217）、前臂杆（218）、腕关节（219）；其中，Y方向金属导轨（2111）设于基座（211）上；X方向金属导轨（2121）设于Y方向金属导轨（2111）上；Z方向金属导轨（2131）设于X方向金属导轨（2121）上；从Z方向金属导轨（2131）的一侧依次设有肩关节延长杆（214）、肩关节（215）、上臂杆（216）、肘关节（217）、前臂杆（218）、腕关节（219）。

4.根据权利要求2所述的一种虚拟手术训练系统，其特征在于：所述仿真手术器械（2）具有七个自由度。

5.根据权利要求1所述的一种虚拟手术训练系统，其特征在于：所述传感器装置设于仿真手术器械（2）上，包括位移传感器、角度传感器以及旋钮传感器。

6.根据权利要求1所述的一种虚拟手术训练系统，其特征在于：所述中央处理器与所述手术刀模拟系统（3）连接。

7.根据权利要求6所述的一种虚拟手术训练系统，其特征在于：所述中央处理器上还设置有考核评估模块。

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