CN112562445A - 用于介入手术训练系统中的导管操控主动引导机构及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于介入手术训练系统中的导管操控主动引导机构及设备，该机构连接有储存有介入手术操作信息的状态信息模块，导管操控主动引导机构连接有引导件，导管操控主动引导机构执行状态信息模块的指令，驱使引导件在两个自由度内的运动；该设备具有上述机构、与状态信息模块连接的力触觉反馈机构以及可与引导件通过手指同时握捏的操纵杆，操纵杆具有沿自身轴向移动和绕自身轴线旋转的两个自由度；力触觉反馈机构根据医生手指动作和状态信息模块信息驱动操纵杆在两个自由度内运动；根据操纵杆在状态信息模块内的状态，启动导管操控主动引导机构和/或力触觉反馈机构；本发明的导管操控主动引导机构及设备更利于对医生的手术模拟训练。

Description

用于介入手术训练系统中的导管操控主动引导机构及设备

技术领域

本发明涉及手术模拟系统领域，具体而言，涉及用于介入手术训练系统中的导管操控主动引导机构及设备。

背景技术

血管介入技术具有创伤小、操作简便以及介入部位准确等特点，使一些不能耐受大手术及耐药患者得到了及时的有效治疗，但是血管介入手术操作具有较大的风险性，需要操作医生具有极高的熟练度及操作经验，目前，行业中引入了一些借助虚拟现实技术来实现血管介入手术训练的模拟设备，通过模拟血管介入手术环境，以提高手术医生的介入手术熟练度和操作经验。

如授权公告号为CN211044621U的中国专利公开了一种基于血管介入手术训练系统的手控操作装置，利用状态信息模块储存的成熟手术操作经验和规范，来控制该操作装置内的操纵杆在轴向前后移动以及绕轴向顺/逆时针旋转共两个自由度内的动作，模拟手术中的导管动作过程，医生在利用该装置进行介入手术模拟训练时，会在上述两个自由度内操作操纵杆；针对医生的恰当操作，该装置会驱动操纵杆沿着医生操作方向进行动作响应；当状态信息模块判断导管在介入手术中存在阻力而需要引导操作时，状态信息模块会求出医生对操纵杆的施力以及该阻力的合力，进而用合力去驱动装置做成动作响应，从而给操作的医生产生基于力的触觉反馈，使医生获取到该操作不规范的信息，达到血管介入手术训练的目地。

上述专利所公开的操作装置能够实现对医生操作动作进行模拟响应和触觉反馈，然而，未涉及如何主动引导医生进行介入手术模拟操作。

发明内容

本发明的目的在于克服背景技术提到的问题，提供一种能对医生的模拟介入手术操作进行提示、校正及主动引导的操控主动引导的机构及具有该机构的设备。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

用于介入手术训练系统中的导管操控主动引导机构，连接有储存有介入手术操作信息的状态信息模块；所述导管操控主动引导机构连接有引导件，所述导管操控主动引导机构被配置为执行所述状态信息模块的指令，驱使所述引导件在两个自由度内的运动。

进一步地，所述导管操控主动引导机构包括直线运动机构及设于所述直线运动机构上的转动机构，所述引导件设于所述转动机构上，转动机构用于驱动所述引导件绕引导件的轴线转动；

所述引导件具有沿直线运动机构运动方向移动的第一自由度，以及绕引导件的轴线转动的第二自由度。

进一步地，所述直线运动机构包括具有第一丝杆和第一滑块的丝杠副，丝杠副驱使所述第一滑块沿第一丝杆的轴向移动，所述转动机构设于所述第一滑块上。

进一步地，所述转动机构包括设于所述第一滑块上的驱动电机，所述驱动电机用于驱动所述引导件绕引导件的轴线转动。

进一步地，所述第一滑块上设有第一传动件，所述引导件可转动地设置在所述第一传动件上，所述驱动电机的输出端与所述引导件之间的连接关系为齿轮副连接、带轮副连接或链轮副连接。

用于介入手术训练系统中的设备，包括：

如上所述的用于介入手术训练系统中的导管操控主动引导机构；

可与引导件通过手指同时握捏的操纵杆，所述操纵杆平行于引导件设置，所述操纵杆具有沿自身轴向移动和绕自身轴线旋转的两个自由度；

与状态信息模块连接的力触觉反馈机构，所述力触觉反馈机构被配置成根据医生手指动作和状态信息模块信息而驱动所述操纵杆在两个自由度内运动；

所述状态信息模块被配置为根据操纵杆在状态信息模块内的状态，控制所述导管操控主动引导机构和/或力触觉反馈机构。

进一步地，所述操纵杆穿设于所述引导件内，操纵杆外壁和引导件内壁之间留有间隙，且操纵杆延伸到所述引导件外。

进一步地，所述力触觉反馈机构包括驱动操纵杆沿操纵杆轴向运动的第二直线运动机构、控制所述操纵杆转动的第二转动机构、检测所述操纵杆轴向力/力矩大小的第一检测组件以及检测所述操纵杆周向力/力矩大小的第二检测组件。

进一步地，所述力触觉反馈机构包括具有第二滑块和第二丝杆的丝杠副以及设于第二滑块上的控制电机，所述操纵杆设于第二滑块上，所述具有第二滑块和第二丝杆的丝杠副用于驱动所述操纵杆沿操纵杆的轴向移动，所述控制电机用于控制操纵杆沿绕自身轴线转动；所述导管操控主动引导机构设于所述第二滑块上。

进一步地，所述第二检测组件包括相对设置于所述第二滑块上的两组压力传感器，且所述两组压力传感器之间具有楔形腔体，所述操纵杆垂直于所述楔形腔体设置，且位于楔形腔体内的操纵杆外壁上设有呈楔形块状的第三传动件；所述第三传动件的尖端与所述楔形腔体的尖端位于同一侧。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

相较于传统的介入手术训练设备，本发明中,医生只需握捏住引导件,导管操控主动引导机构能根据状态信息模块内储存的信息主动地引导医生进行“手把手”地模拟手术训练，更利于医生模拟手术情况，掌握正确的操作手法。

此外，本发明中具有上述导管操控主动引导机构的设备结合了主动引导和力触觉反馈机构，医生在模拟训练过程中，可同时握捏住引导件和操纵杆，操纵杆可对医生的操作进行触觉反馈，且引导件能对医生的操作进行校正及主动引导，更利于医生介入手术技能的提高。

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为本发明的用于介入手术训练系统中的设备的立体图一；

图2为本发明的用于介入手术训练系统中的设备的立体图二；

图3为本发明的用于介入手术训练系统中的设备中的第二检测组件与操纵杆的安装关系示意图；

图标:10-底板，20-平台，200-第一检测组件，2000-第一压力传感器，2010-第二压力传感器，210-第二检测组件，2100-第三压力传感器，2110-第四压力传感器，30-导管操控主动引导机构，300-第一驱动电机，310-第一丝杆，320-第一滑块，330-限位件，340-第二驱动电机，350-第一传动件，351-连接部，360-引导件，370-第一齿轮，380-第二齿轮，40-第一传动机构，400-伺服电机，410-第二丝杆，420-第二滑块，50-第二传动机构，500-控制电机，60-操纵杆，600-第二传动件，610-第三传动件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1至2，本实施例提供一种用于介入手术训练系统中的导管操控主动引导机构30，该导管操控主动引导机构30连接有状态信息模块，该状态信息模块内以数据的形式预先存储有介入手术医生的成熟技能、经验并结合当前导管模型的尖端与血管模型管壁之间的空间关系的信息以控制导管操控主动引导机构30，如可采用近年来逐渐兴起的VR虚拟现实设备。

模拟状态中具有血管模型和导管模型，用于模拟实际介入手术中血管与导管之间的状态关系，所述导管操控主动引导机构30连接有引导件360，所述引导件360用于提示、校正和主动引导受训医生，即：根据导管模型在模拟状态中与血管模型管壁的状态关系，所述导管操控主动引导机构30执行状态信息模块的指令，改变引导件360的运动状态。

所述引导件360在导管操控主动引导机构30的驱动下，具有如下两个自由度：

第一自由度：沿引导件360的轴线方向上向前或向后移动；

第二自由度：引导件360沿着自身的轴线而顺时针或逆时针转动。

需要注意的是，引导件360在运动过程中，上述第一自由度和第二自由度是可以单独或同时执行的，接受训练的医生只需握捏住引导件360，在引导件360的“牵引”下，就可“手把手”地接受到规范的介入手术中操作方式，结合虚拟图像信息，仿佛身临其境，医生很快就会掌握上述操作。

为实现上述第一自由度和第二自由度，所述导管操控主动引导机构30包括直线运动机构及设于所述直线运动机构上的转动机构，所述引导件360设于所述转动机构上。

直线运动机构包括但不限于滚珠丝杠、直线导轨、移动滑台及线性模组等可实现直线运动状态的精密机构。

在本实施例中，所述直线运动机构采用滚珠丝杠副，包括第一丝杆310和第一滑块320，所述滚珠丝杠副置于平台20上，平台20上设有第一驱动电机300驱动连接第一丝杠310，第一丝杠310两端各设有限位件330以限制第一滑块320的行程，本实施例中，第一驱动电机300采用Robomaster M2006 P36减速电机，第一驱动电机300与第一丝杠310之间通过联轴器连接。

第一丝杠310驱使所述第一滑块320沿第一丝杆310的轴向移动，所述转动机构设于所述第一滑块320上，转动机构采用第二驱动电机340，本实施例中第二驱动电机340型号与第一驱动电机300一致。

在一些实施例中，当仅需要对医生进行“手把手”地主动引导时，引导件360可安装于所述第二驱动电机340的输出端上。

为同时满足本实施例中的导管操控主动引导机构30与医生的主动操作模拟，特在实施例二中提出了用于介入手术训练系统中的设备。

为满足上述设备的工作，本实施例种，所述第一滑块320上设有第一传动件350，第一传动件350的末端设有带孔的连接部351，连接部351内转动设置有所述引导件360，所述第二驱动电机340的输出端与所述引导件360之间的连接关系包括但不限于齿轮副连接、带轮副连接或链轮副连接。

本实施例中，所述第二驱动电机340的输出端与所述引导件360之间采用齿轮副连接，即所述引导件360上设有第一齿轮370，第二驱动电机340的输出端设有第二齿轮380，第一齿轮370与第二齿轮380相啮合。

实施例二

参照图1至3，一种用于介入手术训练系统中的设备，所述设备中具有如下结构：

前述及实施例一中所提到的用于介入手术训练系统中的导管操控主动引导机构30；

可与引导件360通过手指同时握捏的操纵杆60，所述操纵杆60平行于引导件360设置，且所述操纵杆60具有沿自身轴向移动和绕自身轴线旋转的两个自由度；引导件360与所述操纵杆60可通过两组或三组手指同时握捏，因此，引导件360与操纵杆60之间的间距需要尽可能的小，操纵杆60可与引导件360并排设置，亦可将操纵杆60穿设在引导件360中。

与状态信息模块连接的力触觉反馈机构，所述力触觉反馈机构被配置成根据医生手指动作和状态信息模块信息而驱动所述操纵杆60在两个自由度内运动，因此力触觉反馈机构可采用背景技术提到的专利文献中的手控操作装置。

在上述用于介入手术训练系统中的设备中，所述状态信息模块控制被配置为根据操纵杆60模拟血管模型在状态信息模块内的状态，以择一启动方式或同时控制所述导管操控主动引导机构30和力触觉反馈机构。

在本实施例中，引导件360呈圆管状，所述操纵杆60穿设于所述引导件360内，操纵杆60外壁和引导件360内壁之间留有间隙，且操纵杆60延伸到所述引导件360外，使得医生的手指可同时握捏住引导件360的边缘和操纵杆60的表面。

所述用于介入手术训练系统中的设备包括底板10和设于底板10上的第二直线运动机构和第二转动机构，其中第二直线运动机构可采用实施例一中的直线运动机构中的任意一种，本实施例中，所述第二直线运动机构为滚珠丝杠副形式的第一传动机构40，所述第二转动机构为第二传动机构50。

其中，所述第一传动机构40包括伺服电机400、第二丝杆410、第二滑块420，伺服电机400驱动第二滑块420沿着第二丝杆410的轴线方向运动，第二滑块420上设置有所述平台20；第二传动机构50包括设置在所述平台20上的控制电机500，所述操纵杆60设于第二滑块420上，第一传动机构40用于驱动所述操纵杆60沿操纵杆60的轴向移动，所述控制电机500用于控制操纵杆60沿绕自身轴线转动。

所述力触觉反馈机构包括前述第一传动机构40及第二传动机构50，此外还包括检测所述操纵杆60轴向力/力矩大小的第一检测组件200以及检测所述操纵杆60周向力/力矩大小的第二检测组件210。

参照图2和图3，所述第一检测组件210采用现有技术的是：所述第一检测组件210包括沿操纵杆60轴向设置的第一压力传感器2000和第二压力传感器2010，操纵杆60末端设置有第二传动件600，第二传动件600设置在第一压力传感器2000和第二压力传感器2010之间，用以检测操纵杆60的轴向力/力矩，为状态信息模块提供力/力矩信息；所述第二检测组件210包括相对设置于所述平台20上的两组压力传感器，即第三压力传感器2100和第四压力传感器2110，所述两组压力传感器之间具有开口向上的楔形腔体，所述操纵杆60垂直于所述楔形腔体设置，且位于楔形腔体内的操纵杆60外壁上设有呈楔形块状的第三传动件610，所述第三传动件610的尖端与所述楔形腔体的尖端位于同一侧，即均位于下端，通过操纵杆60的转动，可为状态信息模块提供操纵杆60的周向力/力矩信息。

(1)、医生在操作操纵杆60移动过程中力，操纵杆60触碰到第一检测组件200，信号经过状态信息模块处理后，通过编码器调整伺服电机400的转速，进而控制平台20和操纵杆60的移动速度，给医生提供力触觉反馈；

(2)、同样地，医生在操作操纵杆60转动过程中，触碰第二检测组件210后，通过控制电机500的转速，进而改变操纵杆60的转速，给医生提供力触觉反馈。

根据医生的操作，上述两种力触觉反馈可单独或同时产生，概括描述为：力触觉反馈机构中，医生控制操纵杆60先动作，伺服电机400和/或控制电机500后动作，操纵杆60不动时，伺服电机400和/或控制电机500不动。在使用本实施例的用于介入手术训练系统中的设备时，存在如下状态：

S1：医生通过手指同时握捏住操纵杆60和引导件360向操纵杆60的轴向移动；第二传动件600接触到第二检测组件200中的一组压力传感器，轴向运动的信息通过现有算法转换为第一传动机构40的控制信号，控制平台20沿着第二丝杆410的轴向运动；同时，伺服电机400内的编码器则记录轴向运动的距离，并将该运动的距离转换为状态信息模块驱动操纵杆60的轴向运动控制信号，状态信息模块中模拟着虚拟现实下的人的血管模型状态，使医生能体现到逼真的介入手术操作环境。

此外，模拟现实介入手术中导管在血管内的阻力情况，当状态信息模块检测到在模拟状态中的导管模型的轴向方向受到阻力时，尤其是轴向阻力增加时，将受到轴向阻力与第一检测组件200检测到的力/力矩进行叠加求出合力，该合力减小，该合力将转换为伺服电机400的控制信号，进而使伺服电机400的转速下降，从而使医生感受到操纵杆60轴向方向的以力为形式的触觉反馈，该合力的算法以及信号的转换为现有技术，在此不再赘述。

医生在感受到力的触觉反馈后，改变原轴向方向的运动，对运动方式进行调整，调整方式包括即后退、旋转或改变施加力的大小。

S2：操纵杆60的周向旋转，医生旋转导向轴60，该旋转可以是顺时针旋转或者逆时针旋转，第二检测组件210检测到旋转的力/力矩，控制电机500内的编码器检测旋转的角度；旋转角度信息通过现有的算法转换为状态信息模块中血管模型的旋转角度输入信号，血管模型相应地旋转同样角度。

此外，当状态信息模块检测到导管模型在旋转方向受到阻力时，调整控制电机500转速，操纵杆60旋转方向发出触觉反馈，提醒医生做出相应的动作改变。

S3:如果此时状态信息模块中的导管模型的尖端与血管模型的管壁之间的空间位置处于较危险的状态时，或当前血管结构复杂且需要借助于介入医生丰富的操作技能和经验来引导受训医生时，状态信息模块启动导管操控主动引导机构30；启动导管操控主动引导机构30后，状态信息模块中存储的介入医生的技能和经验通过控制信号控制器，控制第一驱动电机300和第二驱动电机340动作，即：

S3.1:如果需要引导受训医生进行插管动作，第一驱动电机300将顺时针转动进而带动导向件360沿着操纵杆60轴向移动，移动距离大小受状态信息模块主动控制，此时放置在导向件360上的医生的手指将感受到轴向的力和触觉引导，达到指示受训医生进行插管操作的目的。

S3.2:如果需要引导受训医生进行拔管动作，第一驱动电机300将逆时针转动进而带动向后移动，此时放置在引导件360上的受训医生的手指将感受到向后的力/触觉引导，达到指示受训医生进行拔管操作的目的。

S3.3:如果需要引导受训医生顺时针转动引导件360，第二驱动电机340将逆时针转动，进而带动引导件360顺时针旋转，此时放置在引导件360上的受训医生的手指将感受到顺时针方向的力/触觉引导，达到指示受训医生进行顺时针旋转操纵杆的目的。

S3.4:如果需要引导受训医生逆时针转动操纵杆，第二驱动电机340将顺时针转动，进而带动引导件360逆时针旋转，此时放置在引导件360上的受训医生的手指将感受到逆时针方向的力/触觉引导，达到指示受训医生进行逆时针旋转操纵杆的目的。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于介入手术训练系统中的导管操控主动引导机构，连接有储存有介入手术操作信息的状态信息模块，其特征在于：

所述导管操控主动引导机构(30)连接有引导件(360)，所述导管操控主动引导机构(30)被配置为执行所述状态信息模块的指令，驱使所述引导件(360)在两个自由度内的运动。

2.根据权利要求1所述的用于介入手术训练系统中的导管操控主动引导机构，其特征在于：

所述导管操控主动引导机构(30)包括直线运动机构及设于所述直线运动机构上的转动机构，所述引导件(360)设于所述转动机构上，转动机构用于驱动所述引导件(360)绕引导件(360)的轴线转动；

所述引导件(360)具有沿直线运动机构运动方向移动的第一自由度，以及绕引导件(360)的轴线转动的第二自由度。

3.根据权利要求2所述的用于介入手术训练系统中的导管操控主动引导机构，其特征在于：

所述直线运动机构包括具有第一丝杆(310)和第一滑块(320)的丝杠副，丝杠副驱使所述第一滑块(320)沿第一丝杆(310)的轴向移动，所述转动机构设于所述第一滑块(320)上。

4.根据权利要求3所述的用于介入手术训练系统中的导管操控主动引导机构，其特征在于：

所述转动机构包括设于所述第一滑块(320)上的驱动电机。

5.根据权利要求4所述的用于介入手术训练系统中的导管操控主动引导机构，其特征在于：

所述第一滑块(320)上设有第一传动件(350)，所述引导件(360)可转动地设置在所述第一传动件(350)上，所述驱动电机的输出端与所述引导件(360)之间的连接关系为齿轮副连接、带轮副连接或链轮副连接。

6.用于介入手术训练系统中的设备，其特征在于，包括：

权利要求1至5任意一项所述的用于介入手术训练系统中的导管操控主动引导机构；

可与引导件(360)通过手指同时握捏的操纵杆(60)，所述操纵杆(60)平行于引导件(360)设置，所述操纵杆(60)具有沿自身轴向移动和绕自身轴线旋转的两个自由度；

与状态信息模块连接的力触觉反馈机构，所述力触觉反馈机构被配置成根据医生手指动作和状态信息模块指令而驱动所述操纵杆(60)在两个自由度内运动；

所述状态信息模块被配置为根据操纵杆(60)在状态信息模块内的状态，启动所述导管操控主动引导机构(30)和/或力触觉反馈机构。

7.根据权利要求6所述的用于介入手术训练系统中的设备，其特征在于：

所述引导件(360)呈管状，所述操纵杆(60)穿设于所述引导件(360)内，操纵杆(60)外壁和引导件(360)内壁之间留有间隙，且操纵杆(60)延伸到所述引导件(360)外。

8.根据权利要求7所述的用于介入手术训练系统中的设备，其特征在于：所述力触觉反馈机构包括驱动操纵杆(60)沿操纵杆(60)轴向运动的第二直线运动机构、控制所述操纵杆(60)转动的第二转动机构、检测所述操纵杆(60)轴向力/力矩大小的第一检测组件(200)以及检测所述操纵杆(60)周向力/力矩大小的第二检测组件(210)。

9.根据权利要求8所述的用于介入手术训练系统中的设备，其特征在于：

所述力触觉反馈机构包括具有第二滑块(420)和第二丝杆(410)的丝杠副以及设于第二滑块(420)上的控制电机(500)，所述操纵杆(60)设于第二滑块(420)上，所述具有第二滑块(420)和第二丝杆(410)的丝杠副用于驱动所述操纵杆(60)沿操纵杆(60)的轴向移动，所述控制电机(500)用于控制操纵杆(60)沿绕自身轴线转动；

所述导管操控主动引导机构(30)设于所述第二滑块(420)上。

10.根据权利要求9所述的用于介入手术训练系统中的设备，其特征在于：

所述第二检测组件(210)包括相对设置于所述第二滑块(420)上的两组压力传感器，且所述两组压力传感器之间具有楔形腔体，所述操纵杆(60)垂直于所述楔形腔体设置，且位于楔形腔体内的操纵杆(60)外壁上设有呈楔形块状的第三传动件(610)；

所述第三传动件(610)的尖端与所述楔形腔体的尖端位于同一侧。

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