CN115867957A - 手术模拟设备 - Google Patents

Abstract

手术模拟设备(10)包括真实手术器械，所述真实手术器械包括能够根据计算单元的至少两种不同的操作状态被激活的功能元件。它包括将真实手术器械(12)连接到计算单元的电子系统(16)，以及连接到计算单元的虚拟手术器械。所述虚拟手术器械具有与真实手术器械(12)的功能元件相似的虚拟功能元件。配备有电子系统(16)的真实手术器械(12)具有与对应的功能手术器械基本相同的重量，虚拟手术器械的虚拟功能元件适于根据与真实手术器械(12)的功能元件(26a)相同的操作状态被激活，并与真实手术器械(12)的操作状态实时保持一致。

Description

手术模拟设备

技术领域

本发明涉及医疗器械和设备的领域。更具体地说，本发明涉及一种用于手术模拟的设备。

背景技术

在医学领域向实习外科医生提供培训设备是众所周知的。实习生当然能够在死者尸体上进行训练，但这些尸体的数量是有限的。实习生也能够在高级外科医生的监督下在活着的患者身上进行训练，但这种做法对患者有风险。因此，有必要提供将手术学习从死者尸体或者患者的可用性释放出来的系统。

在现有技术中已经存在此类系统的许多例子，例如，如EP1746558B1和WO2019204615(A1)中所示。

文件EP1746558B公开了一种由用户在主体上用至少两个真实器械来模拟的用于模拟手术操作的系统。该系统包括一条纵向轨道和多个可沿所述轨道移动的托架。每个托架都有夹持装置和用于转动和纵向移动所述真实器械的装置。该系统还包括：用于接收来自所述真实器械的相对于模拟特征的反馈力并将其发送给用户的手的反馈装置；用于识别要插入所述夹持装置中的真实器械的装置，由此所述真实器械能够固定在所述夹持装置内以由用户纵向移动和转动。

文件WO 2019204615(A1)公开了一种包括内窥镜检查设备和跟踪设备的装置，所述跟踪设备适于与三维跟踪系统一起工作，以在模拟手术室环境中在三个维度上跟踪所述内窥镜检查设备的位置和方向。该装置还包括患者头部的物理模型，所述物理模型包括硬部件和软部件，并且所述内窥镜检查设备被配置为插入所述物理模型中以提供内窥镜检查手术的触觉反馈。

两个文件都公开了通过将机械系统(手术器械和/或训练控制台)与传感器系统和显示器系统相结合的手术训练设备。传感器确定由操作员使用的器械相对于训练控制台元件的位置。数据显示在显示器系统上，以协助手术实习生。但是，这些设备都不允许真正的沉浸感。手术室的条件无法再现，并且实习生无法体验手术室过程的所有感觉。现有技术公开缺少用于模拟的虚拟部件以显著近似手术室中的操作状况。以相关方式重现这些条件的唯一方式是让操作员沉浸在虚拟世界中，同时允许他操纵真实手术器械，以便让他尽可能地为手术室的真实条件做好准备。

虚拟现实也被用于在手术过程中伴随外科医生，如WO2017114834(A1)所示。

文件WO2017114834(A1)公开了一种用于手术机器人系统的控制单元，该手术机器人系统包括配置为在患者身上操作手术工具的机器人。所述控制单元包括被配置为将从患者获取的实时图像传输到虚拟现实(VR)设备以进行显示的处理器。该单元处理从VR设备接收的输入数据以确定患者身上的目标；并基于实时图像和处理的输入数据确定手术工具到达所述目标的路径；以及发送控制信号，以使机器人通过确定的路径将手术工具导向目标。

然而，当在手术期间伴随外科医生时，这就不是为了使初学者熟悉而重现手术室条件的问题。

现有技术公开不允许用户在物理世界和重现手术室中操作状况的虚拟世界中同时操纵真实手术器械。

正是针对这些缺点，本发明特别地旨在通过提出一种将虚拟世界与真实手术器械的使用组合的手术模拟设备来改进。

发明内容

这是通过根据本发明的手术模拟设备实现的，该手术模拟设备包括：

-计算单元，

-真实手术器械，以及

-连接到计算单元的虚拟手术器械，

-包括电子卡和至少一个传感器的电子系统，该电子系统将所述真实手术器械连接到所述计算单元，所述电子卡和至少一个传感器通过至少一个特定接口部件集成到所述真实手术器械中。

该发明的特征在于：

-具有电子器件的真实手术器械具有与对应的功能手术器械基本相同的重量，

-所述真实手术器械对应于功能手术器械，所述功能手术器械旨在在外科手术的框架内进行操作，所述功能手术器械包括至少一个功能元件，所述真实手术器械包括相同的功能元件，所述至少一个功能元件能够根据至少两种不同的操作状态被激活，

-所述虚拟手术器械具有与真实手术器械相同的几何特征，并且具有与真实手术器械的功能元件相似的虚拟功能元件；

-所述虚拟手术器械的虚拟功能元件适于在与真实手术器械的功能元件相同的操作状态下被激活，以及

-所述虚拟器械的虚拟功能元件的操作状态适于与真实手术器械的功能元件的操作状态实时保持一致。

因此，该解决方案实现了上述目标。特别地，为器械提供至少一个传感器并将每个器械连接到操作员在其虚拟视野中的虚拟孪生体，显著地提高了训练的真实性并且几乎完全相同地再现手术室中的操作状况。操作员激活真实手术器械的机械或电子功能，在虚拟世界中触发相同的动作，即真实手术器械的操作状态由虚拟手术器械在虚拟世界中立即重现。此外，该手术模拟设备允许连接各种手术器械(机械和/或电子、小型和/或大型、刚性和/或柔性)。

本发明的手术模拟设备可以包括以下特性中的一种或更多种(单独使用或彼此组合)：

-所述电子系统的至少一个传感器可以构成所述真实手术器械的功能元件，

-所述电子系统的至少一个传感器可用于测量真实手术器械的功能元件的机械性能(mechanical capacity)，

-所述电子系统的至少一个传感器可用于测量真实手术器械的功能元件相对于原始位置的相对移动，

-配备电子系统的真实手术器械可以具有与功能手术器械基本相同的尺寸、形状和质心，

-所述电子卡、至少一个传感器和至少一个特定接口部件被集成到真实手术工具中，以替代功能手术器械的一组电子部件中的至少一个电子部件，

-所述虚拟手术器械可以适于由操作员在连接到计算单元的观察设备上观察，

-所述真实手术器械可以配备有触觉设备，以便能够为操作员模拟与预定主体的交互，所述预定主体的性质和定位由计算单元确定，

-预定主体的虚拟等效物适于由操作员在显示设备上观察，

-所述真实手术器械可以配备有声音反馈系统，

-所述真实手术器械可以配备有空间定位系统，使得计算单元能够在每个时刻确定真实手术器械相对于预定原点在空间中的位置。

附图说明

本发明的进一步特性和优点将从以下详细描述中变得显而易见，为了理解这些描述，参考附图，其中：

-图1是根据本发明的模拟设备的概括性示意图，

-图2是根据本发明的真实手术器械的第一实施例的透视图，

-图3A是根据本发明的第一特定接口部件的透视图，

-图3B是与根据图2的实施例的手术器械集成的图3A的接口件的透视图，

-图4A是根据本发明的第二特定接口部件的透视图，

-图4B是与根据图2的实施例的手术器械集成的图4A的接口件的透视图，

-图5是根据本发明的虚拟手术器械的透视图，

-图6A是开始手术时虚拟手术室的透视图，

-图6B是手术期间上图的手术室的透视图，

-图7A是在手术期间图6A和图6B的虚拟手术室的虚拟屏幕的图示，更具体地说，图7A是虚拟手术室中的虚拟屏幕的图示，该虚拟屏幕提供对虚拟患者的内部视图的访问，

-图7B是手术结束时上图的虚拟屏幕的图示，

-图8A是根据本发明的真实手术器械的第二示例的透视图，

-图8B是上图的实施例的透视图，其中特定接口部件是打开的。

具体实施方式

在本申请中，术语“集成”在字典中的意思是指将某物放入一个集合中，使得它看起来属于这个集合并与集合中的其他元件和谐一致。将某物集成到某物中意味着整合它，使它成为整体的一部分。

在本申请中，术语“传感器”是指将观察到的物理量转换为可用量的状态的设备，例如电压、水银高度或针的偏转。需要注意的是，其至少由换能器组成。

如图1示意性示出，根据本发明的手术模拟设备10包括：

-旨在由操作员操纵的真实手术器械(手术器械)12，

-计算单元14，

-包括电子卡18和至少一个传感器20a、20b、21的电子系统16，

-连接到计算单元14的虚拟手术器械22。

真实手术器械12源自于在手术过程中旨在被操纵的功能手术器械。因此，即使真实手术器械12在手术室设置中没有功能化，当在本发明的背景中由操作员操纵时，它重现与功能器械基本相同的物理感觉。

虚拟手术器械22通过投影到显示设备24而对操作员可见。

在这种情况下，操作员可以是手术实习生。

显示设备24例如是虚拟现实头戴式耳机。操作员戴上头戴式耳机进行手术模拟。

真实手术器械

电子系统16将手术器械12连接到计算单元14。电子系统16与手术器械12集成在一起。电子系统16可以集成到任何类型的手术器械12中，包括，例如布置在手术室中常见的机器(如超声扫描仪、铣床或床)周围的脚踏开关、光聚合灯或例如铣床速度控制单元。此外，电子系统的大小、形状、重量和质心对处理手术器械12的操作员来说都是透明的。

电子系统16的电子卡18可以是例如

类型的板。该电子板18能够通过或不通过电线(例如根据BLE或WIFI协议)与计算单元14通信。该计算单元14可以是，例如，包括算法与逻辑单元和存储器的远程计算机或微控制器。电子卡18例如可以由可充电电池(Li-Po、Ni-MH、Li-Ion等)或电池供电。电子卡18还允许通过多色LED直接向操作员反馈手术器械12的电子系统16的状态(例如指示设备10已打开、电子系统16良好连接到计算单元14、电池电量低、传感器20a、20b、21功能化等)而无需启动模拟。

该电子卡18具有数字及模拟输入和输出，以实时从集成在手术器械12中的传感器20a、20b、21获取信息。每个传感器20a、20b、21收集其自身的功能信息。如图2所示，所有的传感器20a、20b、21与手术器械12集成在一起。

在本发明的情况下，电子系统16包括三种类型的传感器20a、20b、21：两种类型的所谓原始传感器(主要原始传感器集20a，和次要原始传感器集20b)，以及一种类型的所谓附加传感器21。主要原始传感器20a和次要原始传感器20b是存在于功能手术器械12上的元件，由手术室中的从业者销售和使用。这些主要原始传感器20a和次要原始传感器20b与它们的由工业加工而来的基本电子器件断开连接，然后被集成到手术模拟设备10的电子系统16中。

特别地，主要原始传感器20a和次要原始传感器20b中的每一个构成手术器械12的功能元件26。功能元件26是手术器械12的正确操作和/或处理所必需的元件。真实手术器械12的每个功能元件26与对应功能手术器械的功能元件26相同。功能元件26可以是机械的或电子的。传统上，每个功能元件26可以在至少两个不同的操作状态下被激活。这将在下文中进一步解释。功能元件26也可以是主要26a或次要26b。因此手术器械12可以包括一个或更多个主要功能元件26a(电子的或机械的)和一个或更多个次要功能元件26b(电子的或机械的)。主要功能元件26a可以，例如采用激活手柄、按钮、杠杆或触摸板的形式，并且它使得手术器械12能够被操作、被激活和/或被控制等。因此，每个主要原始传感器20a形成主要功能元件26a，允许计算单元14获取在手术器械12上的操作员动作。操作员为了手术目的在手术模拟期间执行该动作，例如凝固血管，或定位手术器械12的效应器。每个次要原始传感器20b形成次要功能元件26b，依次提供对手术器械12的操作状态的反馈。次要原始传感器20b可以，例如采用蜂鸣器或LED的形式，以例如向操作员指示凝血系统已准备就绪或手术器械12处于一定的负载水平。

附加传感器21独立于原始传感器20a、20b，被添加到功能手术器械12中，并且因此附加传感器21对所述器械12的正常功能/使用是非必需的。每个附加传感器21用于测量：

-实际手术器械12的主要功能元件26a的机械性能，和/或

-实际手术器械12的主要功能元件26a相对于所述主要功能元件26a的原始位置的相对移动，

-主要功能元件26a相对于所述主要功能元件26a的原始位置的定向，

-环境磁场或内部磁场，

-主要功能元件26相对于另一个主要功能元件26的定向，

-所述手术器械12在空间中相对于预定参考系的相对位置。

IMU(惯性测量单元)可以例如形成附加传感器21。

电子系统16在广泛的应用中和在所有外科专业中能够添加到不同类别的手术器械12中。传统上，考虑两种类型的功能手术器械：

-复杂手术器械，

-机械手术器械。

复杂功能手术器械能够是电子的和/或机械的。因此它们可以具有各种各样的机械和电子功能元件26。这些机械功能元件26可以采用机械致动器的形式，如按钮、触发器、激活手柄P(见图2)、把手、调光器等。机械功能元件26是主要功能元件26a。它们能够通过马达或通过操作员的直接动作进行操作。复杂功能手术器械还具有电子功能元件26，例如诸如LED的次要功能元件26b。如果复杂功能手术器械是电子的，则其通常配备电池或连接到手术室中的外部机器以使其能够供电。

系统的电力由12V/3A电源提供(未示出)。数据通过有线通信方式(USB 2.0，以太网)或非有线通信方式(Wifi、蓝牙等)传输。

具体地，从每个真实手术器械12产生的信号处理在虚拟现实模拟中产生实时效果。因此，每个作为虚拟孪生体的虚拟手术器械22，与其真实模型进行相同的移动和反应。每个真实手术器械12具有唯一的标识符，所述标识符允许接收的值与对应的虚拟手术器械26(即正确的虚拟孪生体)相关联。因此，每个真实器械12在它被打开时连接到模拟(TCP、UDP、串行)。然后，每个真实器械12将其数据以预定频率发送到计算单元14。

计算单元14和每个真实手术器械12之间的连接能够通过点对点(Unicast)或者广播(例如广播或多播)协议建立。在所有模式下，所述模拟充当数据服务器。

图2中的示例示出了烧灼器的情况。

机械功能手术器械不具有电子功能元件，而只具有机械功能元件(主要功能元件26a)。这些器械包括手术牵引器、剪刀、镊子和针座或更复杂的机械系统，如Medacta的用于髋关节置换的

系统。

如前述所述，本发明的每个真实手术器械12对应于功能器械，并且所述功能手术器械的每个功能元件26对应于所述真实手术器械12的功能元件26。真实器械12的每个功能元件26正如功能器械的对应功能元件26一样，可以在至少两个不同的操作状态下被激活。真实手术器械12的每个功能元件26的操作状态之和提供了该真实手术器械12本身的操作状态。对于复杂手术器械12，例如，能够区分功能关闭状态和功能打开状态。通电功能状态本身能够分为静止功能状态(操作员不使用器械12)和激活功能状态(操作员激活器械12)。根据手术器械12的不同，可以有几种激活功能状态，例如，如果手术器械12具有能够采用几种速度的主要功能元件26a，例如如图2所示示例的手术器械12的杆T。对于机械手术器械12，例如，可以区分打开功能状态和关闭功能状态(例如，在镊子或剪刀的情况下)。

以图2所示为例，次要传感器21可以例如测量：

-实际手术器械12的轴T的转动，

-激活手柄P的闭合程度。

需要注意的是，杆T和激活手柄P中的每一个为主要功能元件26a。

传感器周围的挑战是双重的：对于原始传感器20a、20b的挑战是在不改变传感器20a、20b的原始功能的情况下断开原始电子器件以将其连接到电子系统16；以及对于附加传感器21，挑战在于在不干扰手术工具12的功能的前提下添加它们。

除了复杂或机械手术器械12之外，电子系统16可以集成到存在于手术室中的控制盒中。这可能是，例如可以是用于内窥镜相机的冷光控制盒或麻醉机的控制面板。因此，可以在模拟外部恢复用户的动作但呈现在操作员的一侧，以在模拟中重现他的动作。例如，在手术模拟中使用内窥镜相机的情况下，在操作员执行手术模拟时可以要求助手调整内窥镜相机的光强度。为了能够做到这一点，有必要知道内窥镜相机发出的光的程度，并将光块连接到模拟。在引入工具之前，传统上将CO₂注入患者的腹壁的模拟中也出现了同样类型的情况：例如，实际上通过将CO₂注射器连接到电子系统16，可以确保操作过程中的流量管理，并且操作员能够习惯于定期检查压力水平。

复杂手术器械12的概念涵盖的某些手术机器人，诸如例如被越来越多的从业者使用的机器人辅助平台处理控制台。

在图2和图3B所示的示例中，手术器械12的杆T的转动通过次要传感器21以无限转动编码器28的形式传输。通常，编码器是将信息转换为代码的硬件或软件部件。转动编码器通常包括光源、围绕轴线转动的带孔圆盘(孔按规则间隔)和光学传感器。每次光穿过圆盘中的孔中的一个时，就会发送电信号。通过收集穿过每个圆盘的信号，可以知道轴线在哪个方向转动以及转动多少度。圆盘的孔越多，角度就越精确。在这种情况下，编码器的轴281与手术器械12的杆T耦合。因此，当杆T被激活(即转动)时，它驱动编码器28的轴。该轴281驱动穿孔盘282，所述穿孔盘282提供关于杆T的转动角度的信息。

在图2和图4B所示的示例中，激活手柄P的闭合程度由次要传感器21传输，例如，所述次要传感器21可以采用转动或滑动可变电阻(电位器)29或力传感器的形式。通常，具有三个端子的可变电阻器类型，其中一个端子连接到滑块上，该滑块在由其他两个端子限定的可变电阻器块上移动，被称为电位器。该系统能够收集连接到光标的端子和其他两个端子之一之间的电压，该电压取决于光标的位置和可变电阻块所受的电压，对应于可变电阻块的最大值和最小值的两个端子。在本例中，线性电位器29的滑块291耦合到激活手柄P。因此：

-当激活手柄P被致动时，电位器29的滑块291沿着可变电阻块292在致动方向发生位移，并且该位移导致电位器29的电阻在驱动方向发生变化。

-当激活手柄P被释放时，实际手术器械12中集成的弹簧将激活手柄P推回到其原始状态(打开状态)，并且电位器的滑块291沿着可变电阻块292在另一个方向上被驱动。

以这种方式，可以知道当激活手柄P被打开或关闭时能够达到的最小值和最大值，并且借助向量积，可以获得所述激活手柄P的打开或关闭的百分比。

从图2、图3B和图4B可以看出，电子卡18和传感器20a、20b、21借助于至少一个特定接口部件30集成在手术器械12中。每个特定接口部件30是通过3D打印获得的。

在图2、图3A和图3B所示的示例的情况下，编码器28和手术器械12的杆T之间的连接通过特定接口部件30完成。所述特定接口部件30如图3A所示。图3A中的特定接口部件30分为两部分：旨在粘附在手术器械12的杆T的第一部分301，和旨在粘附到编码器28的轴的第二部分302。编码器28的轴能够通过编码系统由杆T驱动。与编码器28相连的特定接口部件30的特定尺寸和几何形状因此能够确保编码器28由手术器械12的杆T驱动，并且不妨碍手术器械12操作期间的杆T的移动。

在图2、图4A和图4B所示的示例的情况下，手术器械12的激活手柄P与电位器29之间的耦合也由另一特定接口部件30保障。与前文所述一样，该特定接口部件30包括两部分：第一部分301，其形成套筒并旨在粘附在电位器29的滑块周围；以及第二部分302，其形成箍并绕过手柄P。特定接口部件30的第一部分301和第二部分302能够根据自由度的一个相对于另一个旋转的方式连接起来。电位器29固定安装在手术器械12中。第一部分301固定安装在电位器29的轴上，该轴本身相对于电位器的主体是可滑动的。第二部分302跟随操作员操作激活手柄P时的运动，然后将这些运动传递给第一部分301，所述第一部分301将这些运动传递给电位器29的滑块。然后，信息被发送到计算单元14。

每个附加传感器21相对于功能手术器械对操作人员以透明的方式添加到手术器械12。通常，所有传感器20a、20b、21的附加和电子系统16的电子卡18以及特定接口部件30中的每个不会显著改变相对于功能手术器械的机械移动或机械力而言的机械致动手术器械12的每个主要功能元件26a和/或次要功能元件26b所必需的机械移动或机械力。手术器械12的物理性质(尺寸、形状和质量中心等)在与电子系统16集成之后仍然与从工厂获得的功能手术器械的物理性质基本相同。因此，对于每个手术器械12的挑战是，以对操作员基本透明的方式添加电子系统16的测量系统，从而保持功能手术器械的所有自由度。实际上，电子卡18、每个传感器20a，20b，21和每个特定接口部件30都集成到实际手术工具12中，以替代功能手术器械的一组电子部件中的至少一个电子部件。在图8A、图8B所示的示例中，特定接口部件30通过将其附接(对接)到手术器械12的一端而集成到真实手术工具12内部。这种附接是以不改变手术工具12的处理参数的方式完成。因此，在图8A和图8B所示的示例中，该特定接口部件30与真实手术工具12的电机轴线连续附接。真实手术工具12的最终质量与功能手术工具保持基本相同，因为电子卡18、每个传感器20a，20b，21和特定接口部件30都集成在真实手术工具12中，以替代功能手术器械的一组电子部件中的至少一个电子部件，即使它们没有集成在这些电子部件所在的位置。特定接口部件30、电子卡18、传感器20a，20b，21通过附接(对接)集成到实际手术工具12中，并形成单独技术部件。因此，由系统10的电子系统16的部件的添加所引起的每个质量变化都通过移除最初存在于功能手术器械中的电子部件(例如电池)来补偿。

真实手术器械12可以配备有声音反馈S。该声音反馈，就像汽车领域中存在的帮助用户泊车一样，允许给出真实手术器械12周围可用空间的指示，或者甚至给出真实手术器械12的一端在空间中的位置信息并允许在学习开始时帮助操作员感知工作空间的深度。该声音反馈S给出了器械尖端和手术目标之间的距离。这种类型的反馈允许将其他信息发送给用户，而不会占用户的视觉空间，以便他能够专注于他的任务。

实际手术器械12可以进一步配备有空间定位系统L，使得计算单元14能够随时确定真实手术器械12相对于预定原点在空间中的位置。

真实手术器械12还可以配备有触觉设备H，使得能够为操作员模拟与预定主体的交互。这种触觉设备H将在下面更详细地描述。除了触觉设备H之外，真实手术器械12还可以配备有整体感觉设备，以便能够发出特定的声音、光或气味以响应预定的外部信号。

所有添加到真实手术器械12的系统，即集成电子系统16、触觉系统H、声纳系统S和空间定位系统L，对操作员都是透明的：尽管集成了所有这些系统，但真实手术器械12不会丢失功能，并且真实手术器械12的质心没有改变。

虚拟手术器械

正如已经提到的，本发明的每个真实手术器械12旨在由操作员操纵并且能够在至少两种不同的操作状态下被激活。此外，每个真实手术器械12具有其自身的几何特征。在本发明的手术模拟设备10中，对于每个真实手术器械12对应虚拟手术器械22(见图5)，所述虚拟手术器械22的几何特征与对应的真实手术器械12的几何特征相同。这是真实手术器械12的虚拟孪生体22。每个虚拟手术器械22能够被激活到与对应的真实手术器械12相同的操作状态，并且虚拟器械22的操作状态与对应的真实手术器械12的操作状态实时保持一致。

在图5所示的示例中，虚拟手术器械22为烧灼器，为图2所示的烧灼器的孪生体。在操纵真实手术器械12的同时，操作员在连接到计算单元14的观察设备24上观察每个虚拟手术器械22。除了观察每个虚拟手术器械22(在图6A的情况下，烧灼器和三个穿刺器t1、t2、t3)之外，操作员还能够观察整个虚拟手术室32(见图6B)甚至他/她将在其身上进行手术模拟的虚拟患者34。虚拟手术室32和虚拟患者34被存储在计算单元14中并由该计算单元使其对操作员可见。

在图6A至图8B所示的示例中，手术模拟涉及胸侧凸矫正。以传统和已知的方式，归功于通过一个或更多个穿刺器引入患者体内的相机所生成的图像，该手术是一种微创手术并且操作员被定向。在这种情况下，这些穿刺器还用于将真实手术工具12导向屏幕上显示的被操作的器官(该处是脊柱)的图像。在手术模拟的情况下，操作员借助虚拟手术工具22在被操作的虚拟器官36上进行操作。在图6A至图8B所示的微创手术模拟的具体案例下，操作员在虚拟屏幕38上看到被操作的虚拟器官36(虚拟脊柱)的图像36'。该虚拟屏幕38是虚拟操作室32的一部分。如图8A所示，操作员还可以在虚拟屏幕38上看到虚拟手术工具22的图像22'。因此，手术模拟使操作员沉浸在手术室的真实状况中。

这种由虚拟现实实时结合真实手术器械的真实器械所产生的“沉浸感”，加速了对实习生(用户)的听觉、视觉和运动记忆训练的有益效果。通过这种训练，用户首先会主动记住模拟过程中要执行的手势和动作。并且其次，被动地，他的不同感官之间的相互作用会在真实环境中创造可转移的自动性。

因此，原始传感器20a、20b或附加传感器21中的每个被添加到功能手术器械以测量转动程度、行程长度、闭合百分比、速度、电池充电率或压力，允许在虚拟手术器械22上等量重现。由于每个传感器都连接到电子卡18，电子卡反过来连接到计算单元14，因此计算单元14能够在模拟过程中实时重现每个真实手术器械12的机械操作。

此外，真实手术器械12可以配备有触觉设备，使得能为操作员模拟与预定主体的交互。该预定主体是具有由计算单元14确定的虚拟性质和虚拟定位的虚拟主体。操作员通过显示设备24将预定主体的虚拟等效物可视化为虚拟解剖对象40。在这种情况下，由于它是微创手术，操作员看到围绕在36上的待操作的虚拟器官的每个解剖对象40的图像40'。在图6A中，能够看到肋骨；在图7A、图7B中，能够看到肺的图像。

因此每个预定主体模拟虚拟现实中的一个虚拟解剖对象40。正如已经提到的，该虚拟解剖对象40能够是肺、肝、肌肉、骨骼等。手术器械12(复杂或机械)内置的触觉反馈H通过向操作员提供力反馈感觉，最大程度地提高了手术模拟的真实感。使用电缆系统或振动技术(例如偏心转动质量马达(ERM)，或压电马达等)，能够感受到真实手术器械12(或虚拟手术器械22)与虚拟现实中虚拟解剖对象40的触诊或碰撞。例如，操作员还可以感觉到缝合线的拉力。在真实手术器械12配备有整体感觉设备的情况下，为响应外部信号而发出的声音、光和/或气味进一步强化了沉浸式体验。

因此，集成在真实手术器械12中的电子系统16允许将关于真实手术器械12的状态的信息实时传送给其虚拟孪生体22。与真实手术器械12一样，虚拟手术器械22具有至少一个虚拟功能元件42(见图5)。该虚拟功能元件42是对应的真实功能元件26的孪生体。因此，虚拟器械22的虚拟功能元件42的操作状态与真实手术器械12的每个功能元件26的操作状态实时保持一致。为确保沉浸式体验的性能，对应的真实手术器械12和虚拟手术器械22(或它们对应的功能元件26、42)的功能状态一致时，对操作员无任何明显延时。集成电子系统16能在按照真实手术器械12的全部功能、尊重真实手术器械12的人体工程学和几何特征的前提下跟踪后者的功能状态的演变，并且能足够小型化以不增加真实手术器械12的重量，并且从而在手术模拟中不妨碍操作员。

需要注意的是，根据本发明的手术模拟设备10允许操作员在物理世界和虚拟世界中同时操纵真实手术器械12。因此，在外科手术过程的操作步骤中用到的每个真实手术器械12都实时连接到包括虚拟手术器械22的虚拟现实中，所述虚拟手术器械22对应于每个真实手术器械12。

因此本发明开发的技术提供了虚拟世界与现实世界之间的完美匹配，没有该技术，在模拟中采集的技能会是不足的和近似的。

Claims (11)

1.一种手术模拟设备(10)，包括：

-计算单元(14)，

-真实手术器械(12)，以及

-连接到所述计算单元(14)的虚拟手术器械(22)，

-包括电子卡(18)和至少一个传感器(20a、20b、21)的电子系统(16)，所述电子系统(16)将真实手术器械(12)连接到计算单元(14)，所述电子卡(18)和所述至少一个传感器(20a、20b、21)通过至少一个特定接口部件(30)集成到真实手术器械(12)中，

其特征在于：

-具有所述电子系统(16)的真实手术器械(12)具有与对应的功能手术器械基本相同的重量，

-所述真实手术器械(12)对应于功能手术器械，所述功能手术器械旨在在外科手术的框架内进行操作，所述功能手术器械包括至少一个功能元件(26)，所述真实手术器械(12)包括相同的功能元件(26)，所述至少一个功能元件(26)能够根据至少两种不同的操作状态被激活，

-所述虚拟手术器械(22)具有与真实手术器械(12)相同的几何特征，并且具有与所述真实手术器械(12)的功能元件(26)相似的虚拟功能元件(42)，

-所述虚拟手术器械(22)的虚拟功能元件(42)适于在与真实手术器械(12)的功能元件(26)相同的操作状态下被激活，以及

-所述虚拟器械(22)的虚拟功能元件(42)的操作状态适于与真实手术器械(12)的功能元件(26)的操作状态实时保持一致。

2.根据前一权利要求所述的手术模拟设备(10)，其特征在于，所述电子系统(16)的所述至少一个传感器(20a、20b、21)构成真实手术器械(12)的功能元件(26)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的手术模拟设备(10)，其特征在于，所述电子系统(16)的所述至少一个传感器(20a、20b、21)用于测量真实手术器械(12)的功能元件(26)的机械性能。

4.根据前述权利要求中任一项所述的手术模拟设备(10)，其特征在于，所述电子系统(16)的所述至少一个传感器(20a、20b、21)旨在测量真实手术器械(12)的功能元件(26)相对于原始位置的相对移动。

5.根据前述权利要求中任一项所述的手术模拟设备(10)，其特征在于，配备有所述电子系统(16)的真实手术器械(22)具有与功能手术器械基本相同的尺寸、形状和质心。

6.根据前述权利要求中任一项所述的手术模拟设备(10)，其特征在于，所述电子卡(18)、所述至少一个传感器(20a、20b、21)和所述至少一个特定接口部件(30)被集成到真实手术工具(22)中，以替代所述功能手术器械的一组电子部件中的至少一个电子部件。

7.根据前述权利要求中任一项所述的手术模拟设备(10)，其特征在于，所述虚拟手术器械(22)适于由操作员在连接到计算单元(14)的观察设备(24)上观察。

8.根据前述权利要求中任一项所述的手术模拟设备(10)，其特征在于，所述真实手术器械(12)配备有触觉设备(H)，以便能够为操作员模拟与预定主体的交互，所述预定主体的性质和定位由计算单元(14)确定。

9.根据权利要求7和8所述的手术模拟设备，其特征在于，所述预定主体的虚拟等效物适于由操作员在显示设备(24)上观察。

10.根据前述权利要求中任一项所述的手术模拟设备(10)，其特征在于，所述真实手术器械(12)配备有声音反馈系统(S)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的手术模拟设备(10)，其特征在于，所述真实手术器械(12)配备有空间定位系统(L)，使得所述计算单元(14)能够在每个瞬间确定真实手术器械(12)相对于预定原点在空间中的位置。

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