CN117475691A - 一种多人模拟腹腔镜手术训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多人模拟腹腔镜手术训练系统，包括基座台、辅助定位组件、仿真练习组件及显示器，所述基座台的数量为多个，所述基座台包括支架、设于所述支架上的旋转连接架、及设于所述旋转连接架上的器械连接件，其中一个所述基座台的所述器械连接件上设置所述辅助定位组件，剩余所述基座台的所述器械连接件上设置所述仿真练习组件。基于一个辅助定位组件和多个仿真练习组件，虚实结合构件了一套可由单人、双人、三人同时参与的力反馈模拟腹腔镜手术训练系统，相较于传统模拟设备，更贴近实际手术场景，可按需调整参与模拟的人数和模拟的手术种类。

Description

一种多人模拟腹腔镜手术训练系统

技术领域

本发明涉及仿真手术训练设备技术领域，特别涉及一种多人模拟腹腔镜手术训练系统。

背景技术

医学训练，特别是外科训练涉及大量的动手学习，使学生以及学习新技能的有经验的医生能够在动手和沉浸式训练环境中练习和开发他们所需的技能，以使他们在医疗和外科手术过程中熟练进行。然而，目前存在的微创手术装置大多数只能由一人操作，无法较为准确的模拟多人合作的情况。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种多人模拟腹腔镜手术训练系统，以解决上述背景技术所提及的技术问题。

本发明提出一种多人模拟腹腔镜手术训练系统，包括基座台、辅助定位组件、仿真练习组件及显示器，所述基座台的数量为多个，所述基座台包括支架、设于所述支架上的旋转连接架、及设于所述旋转连接架上的器械连接件，其中一个所述基座台的所述器械连接件上设置所述辅助定位组件，剩余所述基座台的所述器械连接件上设置所述仿真练习组件；

所述辅助定位组件包括装配在所述器械连接件上的拍摄杆、及设于所述拍摄杆末端的第一位置传感器，所述第一位置传感器用于获取所述拍摄杆末端在预设空间模型中的位置信息；

所述仿真练习组件包括装配在所述器械连接件上的仿真手术钳、设于所述仿真手术钳上的力反馈结构、及设于所述仿真手术钳末端的第二位置传感器，所述第二位置传感器用于获取所述仿真手术钳在预设空间模型中的位置信息并控制所述力反馈结构提供相应的力感反馈；

所述显示器用于根据所述第一位置传感器获取到的所述拍摄杆在预设空间模型中的位置信息生成人体腹腔内的仿真画面。

进一步的，所述多人模拟腹腔镜手术训练系统，其中，所述旋转连接架包括设于所述支架上的固定座、连接所述固定座的第一旋转架以及连接所述第一旋转架的第二旋转架，所述第一旋转架能够绕X轴方向转动，所述第二旋转架能够绕Y轴方向转动，所述器械连接件设于所述第二旋转架上。

进一步的，所述多人模拟腹腔镜手术训练系统，其中，所述第一旋转架包括第一转轴和U型架，所述第一转轴转动设于所述固定座上，所述U型架连接于所述第一转轴的端部，所述第二旋转架包括一平板以及设于所述平板相对两端的第二转轴，所述平板通过所述第二转轴转动连接所述U型架。

进一步的，所述多人模拟腹腔镜手术训练系统，其中，所述固定座上设有与所述第一转轴连接的第一力反馈电机、以及与所述第一力反馈电机连接的第一编码器；

所述U型架的一侧设有与所述第二转轴连接的第二力反馈电机、以及与所述第二力反馈电机连接的第二编码器。

进一步的，所述多人模拟腹腔镜手术训练系统，其中，所述器械连接件为一轴套，所述拍摄杆穿设于所述轴套中、并能够沿着所述轴套轴向滑动，所述U型架相对所述第一力反馈电机的另一侧设有拉丝传感器，所述拉丝传感器的拉绳穿过所述轴套与所述拍摄杆连接。

进一步的，所述多人模拟腹腔镜手术训练系统，其中，所述仿真手术钳包括钳杆以及设于所述钳杆尾端的钳柄，所述钳柄具有可开合的两个持握臂，所述力反馈结构包括设于两个所述持握臂之间的弹簧阻尼器。

进一步的，所述多人模拟腹腔镜手术训练系统，其中，所述钳杆与所述钳柄之间设有拨轮结构，所述拨轮结构内设有第三编码器。

进一步的，所述多人模拟腹腔镜手术训练系统，其中，所述第二位置传感器包括设于所述钳杆末端的第二磁力感应器。

进一步的，所述多人模拟腹腔镜手术训练系统，其中，所述第一位置传感器包括设于所述拍摄杆末端的陀螺仪和第一磁力感应器。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

基于一个辅助定位组件和多个仿真练习组件，虚实结合构件了一套可由单人、双人、三人同时参与的力反馈模拟腹腔镜手术训练系统，相较于传统模拟设备，更贴近实际手术场景，可按需调整参与模拟的人数和模拟的手术种类。

附图说明

图1为本发明中多人模拟腹腔镜手术训练系统的结构示意图；

图2为本发明中辅助定位组件装配在基座台上的具体结构示意图；

图3为本发明中仿真练习组件装配在基座台上的具体结构示意图；

图4为本发明中基座台的分解图；

图5为本发明中仿真手术钳的具体结构示意图；

主要元件符号说明：

10、基座台；20、辅助定位组件；30、仿真练习组件；11、支架；12、固定座；13、第一旋转架；14、第二旋转架；15、轴套；131、第一转轴；132、U型架；141、平板；142、第二转轴；31、钳杆；32、钳柄；321、持握臂；40、弹簧阻尼器；51、第一力反馈电机；52、第二力反馈电机；53、拉丝传感器；54、拉绳；60、拨轮结构；33、第二位置传感器；21、拍摄杆；22、第一位置传感器。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1至图3，本发明中的多人模拟腹腔镜手术训练系统，包括基座台10、辅助定位组件20、仿真练习组件30及显示器，所述基座台10的数量为多个，所述基座台10包括支架11、设于所述支架11上的旋转连接架、及设于所述旋转连接架上的器械连接件，本实施例中，基座台10的数量为3个，其中一个所述基座台10的所述器械连接件上设置所述辅助定位组件20，剩余两个所述基座台10的所述器械连接件上设置所述仿真练习组件30，可供两人同时参与力反馈模拟腹腔镜手术练习。当然，基座台10的数量还可以按需调整，以实现不同人数的合作联合模拟手术，本实施例中基座台10的数量仅示例而非限定。

所述辅助定位组件20包括装配在所述器械连接件上的拍摄杆21、及设于所述拍摄杆21末端的第一位置传感器22，所述第一位置传感器22用于获取所述拍摄杆21末端在预设空间模型中的位置信息。

所述仿真练习组件30包括装配在所述器械连接件上的仿真手术钳、设于所述仿真手术钳上的力反馈结构、及设于所述仿真手术钳末端的第二位置传感器33，所述第二位置传感器33用于获取所述仿真手术钳在预设空间模型中的位置信息并控制所述力反馈结构提供相应的力感反馈。

值得一提的是，由于仿真手术钳与器械连接件之间是装配的关系，因此，在一些实施例中，还可以装配除仿真手术钳以外的其他器械进行模拟仿真练习。

所述显示器(图未示)用于根据所述第一位置传感器22获取到的所述拍摄杆21在预设空间模型中的位置信息生成人体腹腔内的仿真画面。

需要说明的是，上述预设空间模型指的是通过测量不同的模拟手术标的样品构建的力学参数相对值数据库，这些力学参数信息可以被用来模拟人体腹腔内的操作环境。第一位置传感器22可以根据获取到的拍摄杆21在预设空间模型中的位置信息，并将其传输给显示器，从而显示器根据这些位置信息生成人体腹腔内的仿真画面，使操作者能够通过显示器的画面进行仿真手术钳的操作练习。第二位置传感器33可以根据获取到的仿真手术钳在预设空间模型中的位置信息，控制力反馈结构提供相应的力感反馈，从而达到真实的操作力感。

进一步的，如图4所示，所述旋转连接架包括设于所述支架11上的固定座12、连接所述固定座12的第一旋转架13以及连接所述第一旋转架13的第二旋转架14，所述第一旋转架13能够绕X轴方向转动，所述第二旋转架14能够绕Y轴方向转动，所述器械连接件设于所述第二旋转架14上，从而装配在器械连接件上的器械也能够绕X轴或Y轴方向转动，满足器械在空间中不同位置和角度的调整，使得在对器械操作时具有更高的自由度。

具体的，所述第一旋转架13包括第一转轴131和U型架132，所述第一转轴131转动设于所述固定座12上，所述U型架132连接于所述第一转轴131的端部，所述第二旋转架14包括一平板141以及设于所述平板141相对两端的第二转轴142，所述平板141通过所述第二转轴142转动连接所述U型架132。

本实施例中，器械连接件为一轴套15，该轴套15垂直设置于平板141上，其中，关于拍摄杆21与轴套15之间的装配关系需要说明的是，所述拍摄杆21穿设于所述轴套15中、并能够沿着所述轴套15轴向滑动。

关于仿真手术钳与轴套15之间的装配关系需要说明的是，所述仿真手术钳包括钳杆31以及设于所述钳杆31尾端的钳柄32，其中，钳杆31穿设在轴套15中，并能够沿着所述轴套15轴向滑动。

进一步的，如图5所示，所述钳柄32具有可开合的两个持握臂321，所述力反馈结构包括设于两个所述持握臂321之间的弹簧阻尼器40。另外，仿真手术钳上还设有接头，该接头用于外接线路，以给予弹簧阻尼器40相应的电子控制，同时还可用于数据的传输。可以理解的，该弹簧阻尼器40用于操作者在夹闭持握臂321的过程中施加一个对抗的反作用力，模拟运动时或手术时产生的阻力。其中，关于弹簧阻尼器40产生的阻力大小，是依据第二位置传感器33获取到的仿真手术钳在预设空间模型中的位置信息进行实时调节的，根据仿真手术钳在预设空间模型中的不同情况或不同位置分配不同的力值，使得模拟手术更逼近真实手感。其中，所述第二位置传感器33包括设于所述钳杆31末端的第二磁力感应器。第二磁力感应器可以采用传感器阵列的方式实现，以提高感知的准确性和精度。通过感知周围的磁场，第二磁力感应器能够实时获取钳杆31末端的位置和姿态信息。

进一步的，如图4所示，所述固定座12上设有与所述第一转轴131连接的第一力反馈电机51、以及与所述第一力反馈电机51连接的第一编码器，该第一力反馈电机51连接于第一转轴131远离所述U型架132的一端，第一编码器设于第一力反馈电机51的内部；

所述U型架132的一侧设有与所述第二转轴142连接的第二力反馈电机52、以及与所述第二力反馈电机52连接的第二编码器，该第二编码器设于第二力反馈电机52的内部。

可以理解的，当装配在轴套15内的是仿真手术钳时，第一编码器和第二编码器能够对其在预设空间模型中X轴方向、Y轴方向上的旋转移动量进行测量，然后根据测得的旋转移动量控制对应的第一力反馈电机51和第二力反馈电机52动作施加力反馈，既对电机施加电压，从而产生推动力或阻力，以模拟受阻情况和碰触器官组织等产生反推力的情况。需要说明的是，当装配在轴套15上的是拍摄杆21时，电机也会基于同样的方式对齐施加力反馈，具体可参阅上述对仿真手术钳的描述，在此不再详细叙述。

继续参阅图4，所述U型架132相对所述第一力反馈电机51的另一侧设有拉丝传感器53，当装配在轴套15内的是拍摄杆21时，所述拉丝传感器53的拉绳54穿过所述轴套15与所述拍摄杆21连接；而当装配在轴套15内的是仿真手术钳时，所述拉丝传感器53的拉绳54穿过所述轴套15与所述仿真手术钳的钳杆31连接。拉丝传感器53主要用于测量拍摄杆21或仿真手术钳沿着轴套15伸缩的位移距离。

具体的，以仿真手术钳为例进行说明：当操作者在控制仿真手术钳做伸缩动作时，随着钳杆31的伸进伸出会拉动拉绳54，拉丝传感器53会记录和输出拉绳54的长度变化，从而实现对钳杆31位移的精确测量。本实施例中，拉丝传感器53还可以和第二磁力感应器的配合使用，从而两者之间可以相互补充，以提高钳柄32末端位置和姿态的测量精度。

在本实施例的一些实施方式中，拉丝传感器53内还设有第三力反馈电机(图未示)，该第三力反馈电机用于调节拉丝传感器53内拉绳54的收紧强度，通过拉绳54拉动钳杆31，以对钳杆31施加轴向向上或轴向向下的阻力，同样的，关于第三力反馈电机施加的阻力大小基于仿真手术钳在预设空间模型中的位姿而实时变化。

需要解释的是，本实施例中，拉丝传感器53中设有可转动的测量轮，拉绳54则卷绕在测量轮上，第三力反馈电机连接该测量轮，并可控制该测量轮朝拉绳54绕线的反方向转动，从而实现对拉丝收紧强度的控制。

实际操作时，以仿真手术钳为例具有四个动作，具体如下：

动作一为直线伸缩动作，操作者直接对仿真手术钳做伸缩动作，钳杆31沿着轴套15轴向滑动，期间，拉丝传感器53会实时对钳杆31的直线伸缩的移动量进行测量，然后根据测得的位移量控制对应的第三力反馈电机动作施加力反馈。

动作二为左右旋转动作，操作者直接对仿真手术钳向左或向右推动动作，U型架132绕X轴方向正转或反转，期间，第一编码器会实时对仿真手术钳旋转移动量进行测量，然后根据测得的旋转移动量控制对应的第一力反馈电机51动作施加力反馈。

动作三为前后旋转动作，操作者直接对仿真手术钳向前或向后推动动作，平板141绕Y轴方向正转或反转，期间，第二编码器会实时对仿真手术钳旋转移动量进行测量，然后根据测得的旋转移动量控制对应的第二力反馈电机52动作施加力反馈。

动作四为钳柄32的操作动作，操作者直接对两持握臂321进行夹闭，期间，第二磁力感应器会实时对钳杆31所在预设空间模型中的位姿进行测量，然后根据测得的位置信息控制对应的弹簧阻尼器40动作施加力反馈。

上述的动作一、动作二、动作三及动作四能够配合组成组合动作，例如在推进的同时斜向上操作仿真手术钳等，通过多个测量组件可以计算钳杆31末端的空间姿态和位置，并通过的空间姿态和位置控制对应的第一力反馈电机51、第二力反馈电机52、第三力反馈电机及弹簧阻尼器40动作施加力反馈，以模拟受阻情况和碰触器官组织等产生反推力的情况。

需要说明的是，由于拍摄杆21没有钳柄32部分，因此其在实际操作过程中不存在上述动作四，其余操作动作均与仿真手术钳相同。

进一步的，参阅图5，所述钳杆31与所述钳柄32之间设有拨轮结构60，所述拨轮结构60内设有第三编码器。需要说明的是，该拨轮结构60用于调节钳杆31头端的夹头旋转角度，然而，在本实施例中，钳杆31的头端未设置实体的夹头结构，关于夹头的图示可在显示屏中以虚拟的方式示出，显示器中夹头的旋转角度依据第三编码器获取到的角度信号而变化。可以理解的，当夹头的角度发生变化时，仿真手术钳在预设空间模型中的位姿也会随之变化，随之的力反馈也会有所变化。

本实施例中，所述第一位置传感器22包括设于所述拍摄杆21末端的陀螺仪和第一磁力感应器。需要解释的是，陀螺仪是一种惯性传感器，可以测量拍摄杆21末端的角速度和角度。这意味着它可以提供关于拍摄杆21末端如何移动和旋转的信息。然而，陀螺仪并不直接提供位置信息，而是通过角速度和角度的变化来推断位置变化。第一磁力感应器则可以直接测量拍摄杆21末端与磁力线的相对角度。当陀螺仪和第一磁力感应器配合使用时，它们可以相互补充。陀螺仪可以提供角速度和角度的变化，而第一磁力感应器可以提供一个可靠的绝对角度参考。通过将这两个信息结合起来，可以对拍摄杆21末端的位置进行更精确的估计和校正。

综上，本发明上述实施例当中的多人模拟腹腔镜手术训练系统，基于一个辅助定位组件20和多个仿真练习组件30，虚实结合构件了一套可由单人、双人、三人同时参与的力反馈模拟腹腔镜手术训练系统，相较于传统模拟设备，更贴近实际手术场景，可按需调整参与模拟的人数和模拟的手术种类。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种多人模拟腹腔镜手术训练系统，其特征在于，包括基座台、辅助定位组件、仿真练习组件及显示器，所述基座台的数量为多个，所述基座台包括支架、设于所述支架上的旋转连接架、及设于所述旋转连接架上的器械连接件，其中一个所述基座台的所述器械连接件上设置所述辅助定位组件，剩余所述基座台的所述器械连接件上设置所述仿真练习组件；

所述辅助定位组件包括装配在所述器械连接件上的拍摄杆、及设于所述拍摄杆末端的第一位置传感器，所述第一位置传感器用于获取所述拍摄杆末端在预设空间模型中的位置信息；

所述仿真练习组件包括装配在所述器械连接件上的仿真手术钳、设于所述仿真手术钳上的力反馈结构、及设于所述仿真手术钳末端的第二位置传感器，所述第二位置传感器用于获取所述仿真手术钳在预设空间模型中的位置信息并控制所述力反馈结构提供相应的力感反馈；

所述显示器用于根据所述第一位置传感器获取到的所述拍摄杆在预设空间模型中的位置信息生成人体腹腔内的仿真画面。

2.根据权利要求1所述的多人模拟腹腔镜手术训练系统，其特征在于，所述旋转连接架包括设于所述支架上的固定座、连接所述固定座的第一旋转架以及连接所述第一旋转架的第二旋转架，所述第一旋转架能够绕X轴方向转动，所述第二旋转架能够绕Y轴方向转动，所述器械连接件设于所述第二旋转架上。

3.根据权利要求2所述的多人模拟腹腔镜手术训练系统，其特征在于，所述第一旋转架包括第一转轴和U型架，所述第一转轴转动设于所述固定座上，所述U型架连接于所述第一转轴的端部，所述第二旋转架包括一平板以及设于所述平板相对两端的第二转轴，所述平板通过所述第二转轴转动连接所述U型架。

4.根据权利要求3所述的多人模拟腹腔镜手术训练系统，其特征在于，所述固定座上设有与所述第一转轴连接的第一力反馈电机、以及与所述第一力反馈电机连接的第一编码器；

所述U型架的一侧设有与所述第二转轴连接的第二力反馈电机、以及与所述第二力反馈电机连接的第二编码器。

5.根据权利要求4所述的多人模拟腹腔镜手术训练系统，其特征在于，所述器械连接件为一轴套，所述拍摄杆穿设于所述轴套中、并能够沿着所述轴套轴向滑动，所述U型架相对所述第一力反馈电机的另一侧设有拉丝传感器，所述拉丝传感器的拉绳穿过所述轴套与所述拍摄杆连接。

6.根据权利要求1所述的多人模拟腹腔镜手术训练系统，其特征在于，所述仿真手术钳包括钳杆以及设于所述钳杆尾端的钳柄，所述钳柄具有可开合的两个持握臂，所述力反馈结构包括设于两个所述持握臂之间的弹簧阻尼器。

7.根据权利要求6所述的多人模拟腹腔镜手术训练系统，其特征在于，所述钳杆与所述钳柄之间设有拨轮结构，所述拨轮结构内设有第三编码器。

8.根据权利要求6所述的多人模拟腹腔镜手术训练系统，其特征在于，所述第二位置传感器包括设于所述钳杆末端的第二磁力感应器。

9.根据权利要求1所述的多人模拟腹腔镜手术训练系统，其特征在于，所述第一位置传感器包括设于所述拍摄杆末端的陀螺仪和第一磁力感应器。