CN201177911Y - 一种内窥镜仿真装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及手术器械模拟仿真练习设备，目的在于克服现有技术的不足，提供一种仿真度高、结构简单、成本低廉的内窥镜仿真装置。结构包括支架，球体和控制杆，球体自由转动的安装在支架内，控制杆相对球体滑动安装在穿过球体中心的通道中，控制球体转动；支架内侧与球体之间至少设有两个方位传感器，控制杆上设有深度传感器。控制杆为仿真的内窥镜，可以控制球体的转动并进行抽插活动，本实用新型采用转动球体的结构相对于现有的齿轮结构的仿真设备，可转动的角度大，仿真度高，通过与电脑连接的方位传感器和深度传感器能够测量出仿真内窥镜转动的角度和插入的深度。

Description

一种内窥镜仿真装置

技术领域

本实用新型涉及手术器械模拟仿真练习设备，更具体的说是一种具有高仿真度，结构简单的内窥镜仿真装置。

背景技术

内窥镜作为一种常用的微创手术器械，在很多中类型的手术中应用。而手术医师灵活的使用内窥镜需要一个漫长的训练过程，由于熟悉的过程需要在活体或在尸体样本上进行，一般在医学院的学生和刚刚参加工作的医师能够进行练习的机会少之又少，所以一般需要学习一段很长的时间，才能做到使用自如。为克服这种实际操作进行练习的缺陷，出现了许多模拟仿真系统，随着计算机技术的发展，仿真系统已经能够实现与仿真图像软件相结合，达到很好的仿真效果。不过现有的仿真设备在内窥镜操作装置上还不能达到真正的仿真效果，其缺陷主要是采用齿轮配合的结构，转动角度受到齿轮的限制，能够自由转动的角度小。而且采用齿轮配合结构十分复杂，故障率和维护成本高，价格也十分昂贵。另一方面现有的结构仅仅是模拟内窥镜的转动和抽插滑动，对于内窥镜在人体内部受到的阻尼和阻碍无法进行模拟。所以现有的模拟仿真装置只能实现操作上的练习，而对于医师在手术过程中最重要的触感，或称为手感，是无法进行练习的，即使是使用这种仿真装置进行练习后，在实际操作过程中也需要很长的一段时间去熟悉操作。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种仿真度高、结构简单、成本低廉的内窥镜仿真装置。

本实用新型的进一步目的是提供一种能够实现可控仿真或反馈仿真的高质量仿真装置。

本设计为一种内窥镜仿真装置，包括支架，球体和控制杆，球体自由转动的安装在支架内，控制杆相对球体滑动安装在穿过球体中心的通道中，控制球体转动；支架内侧与球体之间至少设有两个方位传感器，控制杆上设有深度传感器。控制杆为仿真的内窥镜，可以控制球体的转动并进行抽插活动，本实用新型采用转动球体的结构相对于现有的齿轮结构，可转动的角度大，仿真度高，通过与电脑连接的方位传感器和深度传感器能够测量出仿真内窥镜转动的角度和插入的深度。而且本设计结构十分简单，构件少，成本十分低廉。采用通用的接口，能够与现有的计算机进行连接，只需安装相应的仿真软件，即可自行组建仿真系统。学生或医师只需一部安装了模拟软件的计算机，即可进行练习，甚至是在家中，本实用新型十分适用于教学和训练活动。

为了保证球体滑动的灵敏和自由度，本装置在支架内侧与球体之间设有至少两个转动支撑台，转动支撑台顶部设有滚珠与球体滑动配合。一般是在支架内侧与球体之间设有三个转动支撑台，三个转动支撑台所在平面穿过球体的球心，且相对球心均匀分布。或者是在支架内侧与球体之间设有四个转动支撑台，四个转动支撑台在空间成正四面体分布，所述正四面体的重心与球体的球心重叠。这种均匀分布的转动支撑台的结构，一方面能够保证装置的结构稳定性，另一方面给控制杆提供足够的运动空间，使其自由转动的角度不会受到阻止，从而影响仿真的效果。

通道与控制杆之间设有测量控制杆相对于球体旋转角度的转角传感器，转角传感器可以测出控制杆在模拟使用过程中的转角，适用于一些特别类型的内窥镜。

上述的传感器可以采用光学传感器或机械传感器，球体通道可以采用非封闭式或封闭式结构。针对非封闭式结构，所述深处传感器可以安装在球体内部、通道与控制杆之间，这样结构稳定，传感器准确度高，可以选用光学传感器或机械传感器。对于封闭式结构，深处传感器可以安装在通道端部、正对控制杆末端，这种结构紧凑，不过深处传感器只能采用非接触式的光学传感器。

方位传感器可以根据实际需要选用光学传感器或机械传感器，为了不阻碍控制杆的转动，限制其转动角度或范围，方位传感器一般安装在比邻转动支撑台的位置上，最好是安装在转动支撑台顶部上。

本实用新型的另一个重要的改进是在支架与球体之间或球体与控制杆之间或上述两个位置均设有阻尼装置。阻尼装置能够真实模拟内窥镜在人体内部所受到的阻力或被组织阻挡而不能插入或转动。阻尼装置设有手动调节器或反馈自动调节器或同时设有手动和反馈自动调节器。手动调节器允许练习者可以根据实际需要调整转动和插入的阻力，反馈自动调节器是与计算机相连的反馈装置，根据模拟软件中人体结构，自动调整阻力和限制转动或插入的位置，达到高质量仿真。加装了阻尼装置的装置能够实现对内窥镜操作的真实触感的仿真，达到真实的仿真效果，甚至能够进一步的将要进行手术的病人信息输入计算机中，实现模拟手术的预练习。

为了不阻碍控制杆的转动，限制其转动角度或范围，与方位传感器一样，阻尼装置一般安装在比邻转动支撑台的位置上，最好是安装在转动支撑台顶部上。

控制杆截面及通道采用非圆形的结构，这样可以通过控制杆控制球体以控制杆为转轴旋转，实现内窥镜的转动仿真，而且只需方位传感器即可实现。控制杆截面及通道一般采用正多边形，特别是正六边形结构。

控制杆末端安装有仿真内窥镜手柄及控制按钮，能够实现内窥镜真实的握感或操作。也可以通过更换不同的内窥镜手柄，来实现对不同种类的内窥镜或类似内窥镜的手术器械，如微创手术电刀，电钳的仿真练习，特别是转角传感器可以测出这些器械转动的角度，传送给计算机进行模拟。

上述传感器和阻尼器的数据线的信号可由串口器整合分析，通过标准接口传入计算机实现对手术仿真软件的控制和操作，方便使用。

本实用新型具有高仿真度，结构简单，设计合理，稳定性高，使用方便，成本低廉，能够大批量生产，适用于教学和练习。能够实现手术触感的真实模拟，甚至能够应用于手术的预练习中。本设备还可以应用于类似内窥镜的设备中，具有广泛的使用面。相对于现有技术，本装置具有更高的真实性模拟，更易于推广和使用，对培养熟悉的手术医师起到重要的推动作用，具有实质性特点和进步。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图；

图2为图1中主体结构的纵向剖视图；

图3为图1中主体结构的横向剖视图；

图4为图3中A处放大图；

图5为图3中B处放大图；

图6为图3中C处放大图；

图7为传感器工作原理图；

图8为图1中主体结构的立体图；

图9为图8的使用状态图；

图10为图8的另一使用状态图；

图11为实施例2中主体结构的纵向剖视图；

图12为实施例2中转动支撑台与球体的位置关系示意图；

图13为图11中D处放大图；

图14为实施例3中主体结构的纵向剖视图；

图15为图14中E处放大图；

图16为实施例4的结构示意图；

图17为实施例5的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型做进一步的说明。

实施例1

一种内窥镜仿真装置，如图1所示，包括支架1，球体2和控制杆3，球体2可以在支架1内自由转动，控制杆3相对球体2滑动安装在穿过球体2中心的通道中，如图中箭头所示。所述支架1为开放式支架，控制杆3用于控制球体2在支架1内转动，其另一端安装有用于使用者把握的手柄4，手柄4是内窥镜的仿真手柄，设置有按钮41。所述手柄4与控制杆3之间采用可简易拆装的结构，通过更换不同的手柄4可以实现对不同类型的内窥镜的仿真，也可以更换成其它手术器械的手柄，用于其它类似内窥镜的手术器械的练习，如微创电剪刀，电手术刀等。本装置通过电缆51及其末端的通用接口52，如USB，与计算机连接。在计算机上安装相应的仿真软件，显示虚拟人体内部结构，可以实现内窥镜的仿真练习。

结合图2和图3所示，支架1内侧与球体2之间设有三个转动支撑台6，三个转动支撑台6所在平面穿过球体2的球心，相间270度角均布在支架1内侧。转动支撑台6顶部设有滚珠61与球体2滑动配合，如图4所示，采用滚珠的结构能够提高球体2滑动的灵活性。在支架1内侧与球体2之间设有两个方位传感器71，球体2内部、通道与控制杆3之间设有深度传感器72，如图5和图6所示。两个方位传感器71用于测量球体2相对于支架1的转动方位的变化，深度传感器72用于测量控制杆3在球体2的通道内抽插的深度，并将数据输入计算机用于作为仿真软件的参数输入，可以显示出内窥镜在虚拟的人体内部结构中的移动。传感器的工作原理如图7所示，本实施例采用光学传感器，类似光学鼠标的工作原理，方位传感器71通过发射光线至球体2表面，并通过光学感应器接受从球体2表面反射回来的光线，记录和对比图像数据，得出球体2转动的角度和距离。

本实用新型的使用过程图8、9和10所示，通过在把握控制杆3一端的手柄4(图中未示出)，控制球体2在支架1内转动。由于采用球体2的结构，且转动支撑台布置合理，为仿真内窥镜的转动提供充分的角度，足以模拟真实的手术设备，如图9所示。而控制杆3在球体2内抽插的深度，也足以满足真实手术内窥镜插入深度的需要，如图10所示。如果为六角形或多角形控制杆，旋转时，可带转球体做顺逆时针转动。

可见本设备具有高仿真度，而且结构简单，设计合理，稳定性高，使用方便，成本低廉，能够大批量生产，适用于教学和练习。

实施例2

如图11一种内窥镜仿真装置，如图1所示，包括支架1，安装在支架1内可以自由转动的球体2和插入球体2中间通道的控制杆3，通道及控制杆3的横截面为正六边形。与实施1的区别在于本实施例的支架1采用半封闭式结构，在支架1内侧与球体2之间设有四个转动支撑台6，四个转动支撑台6在空间成正四面体分布，所述正四面体的重心与球体2的球心重叠，如图12示意图所示。这种结构大大提高了装置的稳定性，并且给控制杆3提供足够的运动空间。由于采用半封闭式的结构，所以球体2的通道必须前端封闭，如图所示，深度传感器72采用光学测距传感器，安装在通道的前端，与控制杆3的前端相对。为了提高结构集成度，本实施例的方位传感器71安装在转动支撑台6的顶部上，如图13所示。

实施例3

本实施例的结构是在实施例2的基础上做进一步的改良，在比邻转动支撑台6的位置上增加手动阻尼装置81，如图14所示。由于人体组织内部不同部位对内窥镜之间阻力不同，所以练习者可以通过平时的经验或有经验的医师调节球体2的转动阻力，用于练习使用内窥镜时的力度控制。本实施例采用的手动阻尼装置81包括手柄、螺杆和阻尼块三部分，通过螺杆与支架1的旋转配合来调节阻尼力度的大小，如图15所示。

实施例4

本实施例的结构是在结合上述实施例的各个优点做进一步的改良，采用如实施例1的半封闭的支架1结构和三个转动支撑台6的支撑结构，深度传感器72设在球体2内部、通道与控制杆3之间，并且如实施例2一样将两个方位传感器71安装在转动支撑台6的顶部上，通道及控制杆3的横截面为正六边形。这种结构给模拟内窥镜的转动提供足够仿真的角度空间，且保证了结构的稳定性。在第三个转动支撑台6上安装有反馈自动调节阻尼装置82，反馈自动调节阻尼装置82的反馈自动调节器一般采用电机驱动，接收从计算机发送来的控制信息，进行转动阻尼调节。在安装深度传感器72的另一侧，控制杆3与球体1之间还进一步安装有反馈自动调节阻尼装置82，用于接收从计算机发送来的控制信息，进行抽插阻尼调节。上述方位传感器71、深度传感器72、反馈自动调节阻尼装置82和83的数据线集成通过一个USB接口52与计算机连接。采用反馈自动调节阻尼装置的优点是能够根据计算机仿真软件的驱动，对仿真内窥镜的转动和抽插进行限制，从而实现真实模式内窥镜在人体内部机构的行进及受到的阻力，对于医师的手术触感的培养有极大的初进作用。

实施例5

本实施例是在上述实施例4的基础上做进一步的改良，特别是增加了如实施例3中的手动阻尼装置81，以及控制杆3与球体1之间安装一个转角传感器73，通道及控制杆3的横截面为圆形。方位传感器71、深度传感器72、转角传感器73、反馈自动调节阻尼装置82和83的数据线集成通过一个USB接口52与计算机连接。转角传感器73可以向计算机反馈控制杆3在模拟使用过程中的转角，适用于一些特别类型的内窥镜的仿真练习，或者是其它手术器械，特别是非对称的电手术刀和剪刀等等。

综上所述，本实用新型的结构并不局限于实施例中具体形状，本设备主要是但不局限于内窥镜单一手术设备的仿真，在实际应用中也可以将两个相同的仿真器通过串口器将信号整合，接入计算机后驱动软件运行。此过程中使用者通过双手把握两个仿真器进行配合操作，锻练双手互相配合的操作能力。其它类似的结构均属于本实用新型所要求保护的内容。

Claims (10)

1.一种内窥镜仿真装置，其特征是包括支架，球体和控制杆，球体自由转动的安装在支架内，控制杆相对球体滑动安装在穿过球体中心的通道中，控制球体转动；支架内侧与球体之间至少设有两个方位传感器，控制杆上设有深度传感器。

2.根据权利要求1所述的内窥镜仿真装置，其特征是在支架内侧与球体之间设有至少两个转动支撑台，转动支撑台顶部设有滚珠与球体滑动配合。

3.根据权利要求2所述的内窥镜仿真装置，其特征是支架内侧与球体之间设有三个转动支撑台，三个转动支撑台所在平面穿过球体的球心，且相对球心均匀分布，或者设有四个转动支撑台，四个转动支撑台在空间成正四面体分布，所述正四面体的重心与球体的球心重叠。

4.根据权利要求2所述的内窥镜仿真装置，其特征是通道与控制杆之间设有测量控制杆相对于球体旋转角度的转角传感器。

5.根据权利要求2或3或4所述的内窥镜仿真装置，其特征是所述深处传感器安装在球体内部、通道与控制杆之间或安装在通道端部、正对控制杆末端。

6.根据权利要求5所述的内窥镜仿真装置，其特征是所述方位传感器安装在比邻转动支撑台的位置上或转动支撑台顶部上。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的内窥镜仿真装置，其特征是在支架与球体之间或球体与控制杆之间或上述两个位置均设有阻尼装置。

8.根据权利要求7所述的内窥镜仿真装置，其特征是所述阻尼装置设有手动调节器或反馈自动调节器或同时设有手动和反馈自动调节器，安装在比邻转动支撑台的位置上或转动支撑台顶部上。

9.根据权利要求1或2或3或4所述的内窥镜仿真装置，其特征是所述控制杆截面及通道为非圆形。

10.根据权利要求1或2或3或4所述的内窥镜仿真装置，其特征是控制杆末端安装有仿真内窥镜手柄及控制按钮。

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