CN116168595A - 一种注射器模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种注射器模拟器，包括注射器推杆、注射器筒，所述注射器筒的前端连接有模拟器外壳，所述模拟器外壳背离注射器筒的一端设有磁吸连接器，模拟器外壳内安装有模拟器电路板，模拟器外壳的内设有测距系统和模拟真实注射器吸阻系统。本发明可实时采集注射器推杆位置，并将推杆位置实时发送到VR环境，实现虚拟与现实同步，本发明的注射器模拟器还能控制注射器抽血过程中的吸阻，内部单片机可对外发送注射器推杆位置和自身ID数据，在模拟临床手术时，注射器模拟器实现虚拟与现实同步交互。

Description

一种注射器模拟器

技术领域

本发明涉及VR医学教学技术领域，尤其是一种注射器模拟器。

背景技术

VR技术现可以让经验不丰富的医生了解各类手术的操作方法，利用VR技术，虚拟出人体组织和器官，在其中进行模拟操作，使学生能够更快的掌握手术要领。

在VR医学教学领域，临床医学手术训练时，使用的现有器械模拟器的注射器模拟器大多是注射器模型，该模型不能反馈注射器推程，不能控制吸阻。

为此，我们提出一种注射器模拟器解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种注射器模拟器，以解决上述背景技术中提出的目前现有器械模拟器的注射器模拟器大多是注射器模型，该模型不能反馈注射器推程，不能控制吸阻的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种注射器模拟器，包括注射器推杆、注射器筒，所述注射器筒的前端连接有模拟器外壳，所述模拟器外壳背离注射器筒的一端设有磁吸连接器，模拟器外壳内安装有模拟器电路板，模拟器外壳的内设有测距系统和模拟真实注射器吸阻系统；

所述测距系统包括安装在模拟器电路板上的测距传感器，该测距传感器正对着注射器推杆；

所述模拟真实注射器吸阻系统包括安装在模拟器外壳内的电磁阀，模拟器电路板控制电磁阀开合，所述模拟器外壳设有开孔一和开孔二，所述电磁阀与开孔二连通，所述电磁阀的进气口从开孔二伸出；

所述模拟真实注射器吸阻系统还包括有套在模拟器外壳上且具有弹性的橡胶膜，橡胶膜覆盖开孔一设置，所述橡胶膜上还设有穿孔，该穿孔与开孔二重合，在未出气的情况下，开孔一受橡胶膜弹性作用而自动封闭，外壳内部空间通过电磁阀从开孔二与大气相连，在出气的情况下，气体将橡胶膜撑开；

所述模拟器电路板靠近模拟器外壳与注射器筒连接的一端，电磁阀靠近模拟器外壳与磁吸连接器连接的一端。

在进一步的实施例中，所述模拟器电路板与电磁阀、磁吸连接器之间都有导线连接。

在进一步的实施例中，所述注射器推杆在注射器筒内进行活动抽拉。

在进一步的实施例中，所述模拟真实注射器吸阻系统还包括有套在模拟器外壳上且具有弹性的橡胶膜，橡胶膜将开孔一封堵住，而橡胶膜上设有与开孔一相对的出气孔，在未出气的情况下，出气孔受橡胶膜弹性作用而自动封闭，在出气的情况下，气体将出气孔撑开，

所述橡胶膜上还设有穿孔，该穿孔用于电磁阀进气口穿过。

在进一步的实施例中，所述开孔一和开孔二分别分布在模拟器外壳的两侧。

在进一步的实施例中，所述模拟器电路板上还设有单片机，用于采集注射器推杆位置信号和对外发送自身ID到其他设备。

在进一步的实施例中，所述模拟器外壳呈圆筒状结构，其内部直径与注射器筒的外部直径一致，模拟器外壳紧密套接在注射器筒的端部。

在进一步的实施例中，所述橡胶膜的材料为乳胶或硅胶的一种。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可实时采集注射器推杆位置，并将推杆位置实时发送到VR环境，实现虚拟与现实同步，本发明的注射器模拟器还能控制注射器抽血过程中的吸阻，内部单片机可对外发送注射器推杆位置和自身ID数据，在模拟临床手术时，注射器模拟器实现虚拟与现实同步交互，使用的该模拟器工具和真实工具在触觉上是完全一样的。

附图说明

图1为本发明主视结构示意图；

图2为本发明另一视角结构示意图；

图3为本发明剖开结构示意图；

图4为本发明外部平面结构示意图。

图中：1、注射器推杆；2、注射器筒；3、模拟器外壳；4、橡胶膜；5、磁吸连接器；6、模拟器电路板；7、电磁阀；k1、开孔一；k2、开孔二。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“ 中心”、“ 纵向”、“ 横向”、“ 上”、“下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、“ 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 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，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，除非另有说明，“ 多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“ 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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

请参阅图1-图4，一种注射器模拟器，包括注射器推杆1、注射器筒2，注射器推杆1在注射器筒2内进行活动抽拉，其注射器推杆1和注射器筒2采用真实的注射器，能模拟真实注射器的持握手感，其持握和操作方式与真实注射器完全相同，所述注射器筒2的前端连接有模拟器外壳3，模拟器外壳3呈圆筒状结构，其内部直径与注射器筒2的外部直径一致，模拟器外壳3紧密套接在注射器筒2的端部。

所述模拟器外壳3背离注射器筒2的一端设有磁吸连接器5，磁吸连接器5采用专利202111046372.4案所描述的快速磁吸接头，能够与所有使用该接口技术的力反馈机械臂进行接驳，接驳后通过力反馈机械臂对注射器模拟器的空间位置进行6自由度定位，并将数据发送给虚拟场景从而改变虚拟注射器在虚拟场景中的位置，模拟器外壳3内安装有模拟器电路板6；

注射器模拟器内部装有一套实时测距系统，测量注射器推杆行程，能够检测推杆活动，测量推杆运动到的位置，并发送给上位机令虚拟场景中注射器也相应发生改变。

在真实临床操作中，医护人员在操作注射器时还会使用回抽的办法来确定注射器针尖是否刺入在正确的位置上，比如在进行静脉输液时，注射器针头应该刺入在患者的血管内，此时回抽注射器，将会有血液流入针筒，但若针尖没有刺入在血管内，当回抽针筒时，针尖附近的人体组织会被吸入针头并将其堵塞，此时医护人员会感觉到注射器针筒在回抽时阻力很大，成为吸阻，因此，本注射器模拟器内部装有一套模拟真实注射器吸阻系统，该模拟真实注射器吸阻系统能模拟真实注射器吸阻。

具体的，所述测距系统包括安装在模拟器电路板6上的测距传感器，测距传感器为一个红外测距传感器，该测距传感器正对着注射器推杆1，通过测距传感器来测量注射器推杆1的行程变化，模拟器电路板6上还设有单片机，用于采集注射器推杆1位置信号和对外发送自身ID到其他设备，所述模拟真实注射器吸阻系统包括安装在模拟器外壳3内的电磁阀7，所述模拟器外壳3设有开孔一k1和开孔二k2，所述电磁阀7进气口从模拟器外壳3上的开孔二k2伸出，电磁阀7的进气口从开孔二k2通出来，这个进气口与开孔二k2的内壁密封装配。

需要说明的是，注射器推杆1上设有模拟的活塞，通过电磁阀7的开合，控制模拟器外壳3与外界大气的连通状态：

当电磁阀7打开时，控制模拟器外壳3与外界大气连通，活塞运动几乎没有阻力；

当电磁阀7关闭时，控制模拟器外壳3无法与外界大气连通，在抽拔活塞的情况下，电由于橡胶膜4堵住了开孔一k1，此时会产生较大的阻力，在推活塞时，气体将橡胶膜4撑开。

可以理解的是，在模拟场景里注射器插入皮肤开始发送指令关闭电磁阀7，当模拟场景里注射器插到血管后发送指令打开电磁阀7。

其中，所述模拟器电路板6靠近模拟器外壳3与注射器筒2连接的一端，电磁阀7靠近模拟器外壳3与磁吸连接器5连接的一端，模拟器电路板6与电磁阀7、磁吸连接器5之间都有导线连接，模拟器电路板6控制电磁阀7开合。

进一步的，但真实注射器回抽阻力是产生于人体组织液，液体具有体积不变的特点，气体则较容易被压缩和拉伸，这使得注射器模拟在模拟吸阻时的真实性降低，为了保证吸阻模拟的真实性，模拟真实注射器吸阻系统还包括有套在模拟器外壳3上且具有弹性的橡胶膜4（橡胶膜4采用乳胶或者硅胶制成），橡胶膜4将开孔一k1封堵住，而橡胶膜4上设有与开孔二k2相对的出气孔，在未出气的情况下，出气孔受橡胶膜4弹性作用而自动封闭，在出气的情况下，气体将出气孔撑开，电磁阀7关闭时，注射器模拟器内部的气体从开孔一k1排出，此时从开孔一k1排出的气体将橡胶膜4撑开，气体排出，橡胶膜4由于弹性作用将开孔一k1出气孔合起来，形成密封，而开孔一k1与橡胶膜4形成了一个单向阀。

其中，所述橡胶膜4上还设有穿孔，该穿孔与外壳上开孔二k2重合，用于电磁阀7进气口穿过，开孔一k1和开孔二k2分别分布在模拟器外壳3的两侧。

运用本注射器模拟器时，在将VR技术应用在医学临床操作技能的教学中时，这种对真实互动的要求就更加突出的显现出来。例如使用VR技术对打针注射的操作过程进行训练和考核，使用者一方面沉浸在虚拟的VR场景中，观察虚拟场景中的景物，同时操作者手上还需要持握着一个能够模拟真实注射器的使用方法和手感的仿真器械。当操作者移动手中的仿真器械时，其虚拟场景也将有一个虚拟注射器随之同步移动。当操作者操控手中的仿真注射器，例如推拔注射器推杆时，虚拟场景中的注射器也随之同步更新显示效果。当虚拟场景中的注射器与物体发生碰撞时，例如注射器针头刺入人体时，操作者应当也能在手中的仿真器械上感觉到刺入时的阻力。

该产品主要使用在VR医疗技能模拟系统中，用于模拟注射器的相关操作。VR医疗技能模拟系统是一种在虚拟环境下对医学临床操作进行模拟的产品，与传统VR技术相比，该系统通过力触觉反馈设备（力反馈机械臂以及各种医疗器械模拟效应器）实现了对医疗手术中手部触感的模拟，提升了虚拟现实应用的沉浸感和真实度。

注射器模拟器需要完成的功能包括5项：1）向VR系统上传注射器的空间定位；2）向使用者传递穿刺反馈力；3）模拟真实的注射器持握手感；4）实时检测上传注射器推杆的行程；5）模拟注射器吸阻，在上位机的控制下使能或关闭吸阻。

上述功能中的1和2通过与其连接的力反馈机械臂完成。在使用时，注射器模拟器和其他各种器械模拟器一样，都需要连接在力反馈机械臂末端使用，所以这些器械模拟器也被称为终端效应器（“连接在机械臂末端模拟真实器械工作效应的器具”）。（在一个优选的实施例中，该注射器效应器通过快速定向磁吸接头实现与力反馈机械臂的机械连接和电气通讯。）在工作时，操作者移动终端效应器时，力反馈机械臂也随之被带动，机械臂通过其关节角度定位功能计算出终端效应器的空间位置，并将其实时上传给VR系统，从而令VR环境中的虚拟器械也随之同步移动。当VR环境中的虚拟器械与其他虚拟物体（如虚拟病人）发生碰撞时，上位系统需要计算出二者的相互作用力，并下发给力反馈机械臂。此时机械臂内的电机发出力矩，并通过终端效应器向使用者传递力，从而实现对力触觉的仿真再现。

对于第3项功能持握手感的模拟。专业医疗器械的持握和操作手法也是医学操作技能的教学环节，因此在模拟系统中，保持器械的真实外形和持握手型也很重要。本案例中的注射器模拟器的手持部分（推杆和针筒后半部）使用了真实注射器进行改造加工，从而保持了真实的使用手感。诸如持握姿势、使用方法、推杆和针筒内壁的摩擦等，都与真实器械无异。

第4项功能是对注射器推杆的行程进行实时定位。本案注射器模拟器需要实时检测注射器推杆的行程位置，并上传至力反馈机械臂，进而再上传至上位机VR系统。从而使VR环境中的虚拟注射器也随之更新显示状态。当用户推拉注射器模拟器的推杆时，他在头显中看到的注射器也随之相应变化。本案申请中已经详细的说明了该功能的实现结构和工作原理。

第5项功能是模拟注射器吸阻，并在上位机的指挥下使能或关闭吸阻。所谓吸阻，是指当注射器针头插入在人体组织内（而不是血管内）时，抽拉注射器推杆时人体组织会堵住注射器针头，此时不会有血液被抽出，而且抽拔推杆会感觉到很大的阻力。通过测试吸阻来判断针头是否进行血管，这是医务人员常用的一项操作技能。为了实现对该技能的教学，本案的注射器模拟器也增加了吸阻模拟的功能。该模拟器在推杆底部设置了一段密闭空间，密闭空间与外部通过2个通气孔相连，其中一个孔的外部通过橡胶膜盖住，形成单向排气结构。另一个孔通过电磁阀与外界连通。当VR系统中的虚拟模拟器刺入人体组织但没有刺入血管时，上位机会发送指令要求注射器模拟器使能吸阻。当针头离开人体或进入血管时，上位机发送指令要求注射器模拟器关闭吸阻模拟。在吸阻功能关闭时，所述电磁阀开启，所述密闭空间与外界连通，注射器推杆可正常推拉不受影响。在使能吸阻时，所述电磁阀关闭，此时推动注射器推杆，所述密闭空间中的空气将通过单向排气孔被排出，而拉动注射器推杆时密闭空间内会形成负压，从而阻碍推杆被拉开，实现对吸阻的模拟。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种注射器模拟器，其特征在于：包括注射器推杆（1）、注射器筒（2），所述注射器筒（2）的前端连接有模拟器外壳（3），所述模拟器外壳（3）背离注射器筒（2）的一端设有磁吸连接器（5），模拟器外壳（3）内安装有模拟器电路板（6），模拟器外壳（3）的内设有测距系统和模拟真实注射器吸阻系统；

所述测距系统包括安装在模拟器电路板（6）上的测距传感器，该测距传感器正对着注射器推杆（1）；所述模拟真实注射器吸阻系统包括安装在模拟器外壳（3）内的电磁阀（7），模拟器电路板（6）控制电磁阀（7）开合，所述模拟器外壳（3）设有开孔一（k1）和开孔二（k2），所述电磁阀（7）与开孔二（k2）连通，所述电磁阀（7）的进气口从开孔二（k2）伸出；

所述模拟真实注射器吸阻系统还包括有套在模拟器外壳（3）上且具有弹性的橡胶膜（4），橡胶膜（4）覆盖开孔一（k1）设置，所述橡胶膜（4）上还设有穿孔，该穿孔与开孔二（k2）重合，在未出气的情况下，开孔一（k1）受橡胶膜（4）弹性作用而自动封闭，外壳内部空间通过电磁阀（7）从开孔二（k2）与大气相连，在出气的情况下，气体将橡胶膜（4）撑开；

所述模拟器电路板（6）靠近模拟器外壳（3）与注射器筒（2）连接的一端，电磁阀（7）靠近模拟器外壳（3）与磁吸连接器（5）连接的一端。

2.根据权利要求1所述的一种注射器模拟器，其特征在于：所述模拟器电路板（6）与电磁阀（7）、磁吸连接器（5）之间都有导线连接。

3.根据权利要求1所述的一种注射器模拟器，其特征在于：所述注射器推杆（1）在注射器筒（2）内进行活动抽拉。

4.根据权利要求1所述的一种注射器模拟器，其特征在于：所述开孔一（k1）和开孔二（k2）分别分布在模拟器外壳（3）的两侧。

5.根据权利要求1所述的一种注射器模拟器，其特征在于：所述模拟器电路板（6）上还设有单片机，用于采集注射器推杆（1）位置信号和对外发送自身ID到其他设备。

6.根据权利要求1所述的一种注射器模拟器，其特征在于：所述模拟器外壳（3）呈圆筒状结构，其内部直径与注射器筒（2）的外部直径一致，模拟器外壳（3）紧密套接在注射器筒（2）的端部。

7.根据权利要求1所述的一种注射器模拟器，其特征在于：所述橡胶膜（4）的材料为乳胶或硅胶的一种。

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