CN113345291A - 一种基于光纤光栅传感器的微创手术触觉反馈系统及方法 - Google Patents

一种基于光纤光栅传感器的微创手术触觉反馈系统及方法 Download PDF

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刘正勇
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黄郁馨
黄洁
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Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅传感器的微创手术触觉反馈系统及方法，一方面，本发明提供了一种基于光纤光栅传感器的微创手术触觉反馈系统，包括用于腹腔镜手术模拟训练的腹腔镜模拟系统，还包括腹腔镜钳、设置于腹腔镜钳的钳尖的光纤光栅传感器、与光纤光栅传感器连接的光纤光栅解调仪和与光纤光栅解调仪连接的控制装置，所述光纤光栅传感器通过光纤与光纤光栅解调仪连接，所述光纤光栅解调仪通过数据线与控制装置连接。另一方面，本发明还提供了一种基于光纤光栅传感器的微创手术触觉反馈系统控制方法。通过本发明能够实时提供力反馈，减小操作过程中的夹持力，提高夹持稳定性，实现夹持力的量化，形成神经反馈，缩短新手的培训周期。

Description

一种基于光纤光栅传感器的微创手术触觉反馈系统及方法
技术领域
本发明属于医用器械领域，尤其涉及一种基于光纤光栅传感器的微创手术触觉反馈系统，还涉及一种基于光纤光栅传感器的微创手术触觉反馈系统控制方法。
背景技术
微创手术是20世纪90年代发展起来的一项新技术，以出血少，术后恢复快，疼痛低，住院天数少，受到医生和患者的推崇。尽管微创手术已在全球迅速广泛普及，但在临床应用中仍然面临一些挑战，存在一些亟待解决的问题。主要包括以下几个方面：1.长时间使用腹腔镜器械时，不适当的人体工学参数或者设计会引起术者疲劳，引发职业损伤。2.不论是腹腔镜或机器人手术，外科医生借助手术器械对病灶组织“隔山打牛”，无法直接触及病灶组织，对于病灶的触觉及手术力度上不能把握，也就是“力触觉丧失”。3.微创外科手术器械力触觉的缺失影响微创外科医生的培养周期。
面对微创手术中力触觉反馈信息的减弱及缺失问题，急需一种微创手术触觉反馈训练系统来满足使用需要。
发明内容
本发明的目的一为提供一种基于光纤光栅传感器的微创手术触觉反馈系统，能够实时提供力反馈，减小操作过程中的夹持力，提高夹持稳定性，实现夹持力的量化，形成神经反馈，缩短新手的培训周期。
本发明的目的二为提供上述系统的一种控制方法。
为实现目的一，本发明提供了一种基于光纤光栅传感器的微创手术触觉反馈系统，包括用于腹腔镜手术模拟训练的腹腔镜模拟系统，还包括用于与腹腔镜模拟系统配合使用的腹腔镜钳、设置于腹腔镜钳的钳尖用于模拟训练时实时检测反馈夹持力大小的光纤光栅传感器、与光纤光栅传感器连接用于实时将光纤光栅传感器的检测信号进行转换的光纤光栅解调仪和与光纤光栅解调仪连接用于将接收到的光纤光栅解调仪夹持力信号进行实时显示及夹持力度状态提醒的控制装置，所述光纤光栅传感器通过光纤与光纤光栅解调仪连接，所述光纤光栅解调仪通过数据线与控制装置连接。
优选地，所述腹腔镜钳还包括连接管和设置于连接管一端的钳把手，所述钳尖设置于连接管上与设置钳把手一端相对的另一端，所述连接管上靠近钳把手一端的侧壁上设置有与连接管内部连通用于光纤出线的出线端口。
优选地，所述出线端口上设置有用于固定光纤的固定塞，所述固定塞设置有垂直贯穿固定塞用于容纳光纤的贯穿口，所述固定塞上还设置有光纤进入贯穿口的安装缝。
优选地，所述固定塞由橡胶材料制成，所述固定塞设置为圆柱梯形。
优选地，所述控制装置设置有提醒显示器和用于夹持力度状态提醒的灯组。
优选地，所述腹腔镜模拟系统包括用于放置模拟试验组件的腹腔镜模拟系统模型、设置于腹腔镜模拟系统模型上端用于腹腔镜钳插入的试验孔和设置于腹腔镜模拟系统模型一侧的腹腔镜模拟系统显示器。
为实现目的二，本发明提供了一种基于光纤光栅传感器的微创手术触觉反馈系统控制方法，该方法包括以下处理步骤，
步骤1：启动该系统，根据不同组织在作用力下受损伤的受力阈值，在控制装置中进行组织受力反馈提醒设置；
步骤2：在腹腔镜模拟系统中选择对应的训练模拟模块，再将腹腔镜钳插入腹腔镜模拟系统进行操作，光纤光栅传感器实时将检测的夹持力信号发送给控制装置；
步骤3：控制装置将实时检测的夹持力信号与对应组织的受力阈值进行比较，若实时检测的夹持力信号超过对应组织的受力阈值，则发出提醒信号，让操作人员降低力度，使得实时检测的夹持力信号不超过对应组织的受力阈值，同时控制装置实时显示实时检测的夹持力大小。
优选地，在步骤3中，控制装置设置有语音提醒及警示灯提醒，在实时检测的夹持力信号超过对应组织的受力阈值，控制装置控制发出设定的危险语音提醒并且通过红色警示灯进行提醒，若实时检测的夹持力信号不超过对应组织的受力阈值同时大于设定的注意值时，控制装置控制发出设定的注意语音提醒并且通过黄色警示灯进行提醒，若实时检测的夹持力信号小于设定的注意值时，控制装置控制绿色警示灯进行提醒。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
在本发明中通过设置有光纤光栅传感器的腹腔镜钳进行实时夹持力检测并且通过控制装置进行实时反馈提醒，能够让操作者实时了解作用力情况，减小操作过程中的夹持力，提高夹持稳定性，实现夹持力的量化，形成神经反馈，缩短新手的培训周期，同时，也可减少术者的疲劳度，还能够避免过度施加作用力导致操作者不必要的职业损伤。通过本发明能够使得腔镜培训更标准化，推动医工结合以及智能化精准治疗。在本发明中通过不同层次的受试物设计能够有效提高训练效果。
附图说明
图1为本发明中腹腔镜钳的结构示意图；
图2为本发明中腹腔镜模拟系统的结构示意图；
图3为本发明中固定塞的横截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下。
如图1-3所示，本发明提供了一种基于光纤光栅传感器的微创手术触觉反馈系统，包括用于腹腔镜手术模拟训练的腹腔镜模拟系统7，还包括用于与腹腔镜模拟系统7配合使用的腹腔镜钳1、设置于腹腔镜钳1的钳尖12内用于模拟训练时实时检测反馈夹持力大小的光纤光栅传感器2、与光纤光栅传感器2连接用于实时将光纤光栅传感器2的检测信号进行转换的光纤光栅解调仪4和与光纤光栅解调仪4连接用于将接收到的光纤光栅解调仪4夹持力信号进行实时显示及夹持力度状态提醒的控制装置5，光纤光栅传感器2通过光纤3与光纤光栅解调仪4连接，光纤光栅解调仪4通过数据线6与控制装置5连接。控制装置5设置有提醒显示器和用于夹持力度状态提醒的灯组。
在本实施例中，控制装置5可以为电脑，用于夹持力度状态提醒的灯组可以由红黄绿三种颜色的灯带组成，也可以为模拟的红黄绿三色组成的色带并且在显示器上进行提醒显示。光纤光栅传感器2实时检测的夹持力信号通过光纤光栅解调仪4解调转换后发送到控制装置5进行实时显示，提高实时反馈的效果。
腹腔镜钳1还包括连接管11和设置于连接管11一端的钳把手13，钳尖12设置于连接管11上与设置钳把手13一端相对的另一端，连接管11上靠近钳把手13一端的侧壁上设置有与连接管11内部连通用于光纤3出线的出线端口14。光纤3依次通过连接管11和出线端口14穿出腹腔镜钳1与光纤光栅解调仪4连接，使得整体结构整洁，减少对操作的影响。
出线端口14上设置有用于固定光纤3的固定塞8，固定塞8设置有垂直贯穿固定塞8用于容纳光纤3的贯穿口81，固定塞8上还设置有光纤3进入贯穿口81的安装缝82。固定塞8由橡胶材料制成，固定塞8设置为圆柱梯形。光纤3通过安装缝82进入到贯穿口81内，贯穿口81与光纤3紧密贴合，提高固定效果。
腹腔镜模拟系统7包括用于放置模拟试验组件的腹腔镜模拟系统模型71、设置于腹腔镜模拟系统模型71上端用于腹腔镜钳1插入的试验孔72和设置于腹腔镜模拟系统模型71一侧的腹腔镜模拟系统显示器73。
本发明还提供了一种基于光纤光栅传感器的微创手术触觉反馈系统控制方法，该方法包括以下处理步骤，
步骤1：启动该系统，根据不同组织在作用力下受损伤的受力阈值，在控制装置5中进行组织受力反馈提醒设置；不同组织在作用力下受损伤的受力阈值通过试验获得。
步骤2：在腹腔镜模拟系统7中选择对应的训练模拟模块，再将腹腔镜钳1插入腹腔镜模拟系统7进行操作，光纤光栅传感器2实时将检测的夹持力信号发送给控制装置5；
步骤3：控制装置5将实时检测的夹持力信号与对应组织的受力阈值进行比较，若实时检测的夹持力信号超过对应组织的受力阈值，则发出提醒信号，让操作人员降低力度，使得实时检测的夹持力信号不超过对应组织的受力阈值，同时控制装置5实时显示实时检测的夹持力大小。
在步骤3中，控制装置5设置有语音提醒及警示灯提醒，在实时检测的夹持力信号超过对应组织的受力阈值，控制装置5控制发出设定的危险语音提醒并且通过红色警示灯进行提醒，若实时检测的夹持力信号不超过对应组织的受力阈值同时大于设定的注意值时，控制装置5控制发出设定的注意语音提醒并且通过黄色警示灯进行提醒，若实时检测的夹持力信号小于设定的注意值时，控制装置5控制绿色警示灯进行提醒。各警示灯可以为模拟的红黄绿三色组成的色带并且在显示器上进行提醒显示，使得查看方便直观。
在本实施例中，工作时，操作人员启动系统，在控制装置5选择对应组织的受力反馈提醒，在腹腔镜模拟系统7中选择对应的训练模拟模块，便能够进行操作，控制装置5能够根据光纤光栅传感器2实时将检测的夹持力信号进行操作提醒，使用方便，能够让操作者实时了解作用力情况，缩短新手的培训周期。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于光纤光栅传感器的微创手术触觉反馈系统，包括用于腹腔镜手术模拟训练的腹腔镜模拟系统(7)，其特征在于，还包括用于与腹腔镜模拟系统(7)配合使用的腹腔镜钳(1)、设置于腹腔镜钳(1)的钳尖(12)内用于模拟训练时实时检测反馈夹持力大小的光纤光栅传感器(2)、与光纤光栅传感器(2)连接用于实时将光纤光栅传感器(2)的检测信号进行转换的光纤光栅解调仪(4)和与光纤光栅解调仪(4)连接用于将接收到的光纤光栅解调仪(4)夹持力信号进行实时显示及夹持力度状态提醒的控制装置(5)，所述光纤光栅传感器(2)通过光纤(3)与光纤光栅解调仪(4)连接，所述光纤光栅解调仪(4)通过数据线(6)与控制装置(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感器的微创手术触觉反馈系统，其特征在于，所述腹腔镜钳(1)还包括连接管(11)和设置于连接管(11)一端的钳把手(13)，所述钳尖(12)设置于连接管(11)上与设置钳把手(13)一端相对的另一端，所述连接管(11)上靠近钳把手(13)一端的侧壁上设置有与连接管(11)内部连通用于光纤(3)出线的出线端口(14)。
3.根据权利要求2所述的一种基于光纤光栅传感器的微创手术触觉反馈系统，其特征在于，所述出线端口(14)上设置有用于固定光纤(3)的固定塞(8)，所述固定塞(8)设置有垂直贯穿固定塞(8)用于容纳光纤(3)的贯穿口(81)，所述固定塞(8)上还设置有光纤(3)进入贯穿口(81)的安装缝(82)。
4.根据权利要求3所述的一种基于光纤光栅传感器的微创手术触觉反馈系统，其特征在于，所述固定塞(8)由橡胶材料制成，所述固定塞(8)设置为圆柱梯形。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感器的微创手术触觉反馈系统，其特征在于，所述控制装置(5)设置有提醒显示器和用于夹持力度状态提醒的灯组。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感器的微创手术触觉反馈系统，其特征在于，所述腹腔镜模拟系统(7)包括用于放置模拟试验组件的腹腔镜模拟系统模型(71)、设置于腹腔镜模拟系统模型(71)上端用于腹腔镜钳(1)插入的试验孔(72)和设置于腹腔镜模拟系统模型(71)一侧的腹腔镜模拟系统显示器(73)。
7.一种根据权利要求1所述系统的基于光纤光栅传感器的微创手术触觉反馈系统控制方法，其特征在于，该方法包括以下处理步骤，
步骤1：启动该系统，根据不同组织在作用力下受损伤的受力阈值，在控制装置(5)中进行组织受力反馈提醒设置；
步骤2：在腹腔镜模拟系统(7)中选择对应的训练模拟模块，再将腹腔镜钳(1)插入腹腔镜模拟系统(7)进行操作，光纤光栅传感器(2)实时将检测的夹持力信号发送给控制装置(5)；
步骤3：控制装置(5)将实时检测的夹持力信号与对应组织的受力阈值进行比较，若实时检测的夹持力信号超过对应组织的受力阈值，则发出提醒信号，让操作人员降低力度，使得实时检测的夹持力信号不超过对应组织的受力阈值，同时控制装置(5)实时显示实时检测的夹持力大小。
8.根据权利要求7所述的一种基于光纤光栅传感器的微创手术触觉反馈系统控制方法，其特征在于，在步骤3中，控制装置(5)设置有语音提醒及警示灯提醒，在实时检测的夹持力信号超过对应组织的受力阈值，控制装置(5)控制发出设定的危险语音提醒并且通过红色警示灯进行提醒，若实时检测的夹持力信号不超过对应组织的受力阈值同时大于设定的注意值时，控制装置(5)控制发出设定的注意语音提醒并且通过黄色警示灯进行提醒，若实时检测的夹持力信号小于设定的注意值时，控制装置(5)控制绿色警示灯进行提醒。
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