CN203311718U - 一种力反馈内窥镜手术训练装置 - Google Patents

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Abstract

一种力反馈内窥镜手术训练装置，由立体转动操作台和力反馈仿真内窥镜手术器械组成，所述的立体转动操作台由垂直转动装置和水平转动装置组成，垂直转动装置由垂直转动部件和转接件连接组成，垂直转动部件两侧设有插入转接件通孔的伸出轴，转接件固定于水平转动装置上，水平转动装置由水平转动部件、两个齿轮和转动台组成，水平转动部件的中心设有通孔，通过两个齿轮固定套于转动台的轴上；所述的力反馈仿真内窥镜手术器械由操作手柄、永磁性操作杆和磁性力反馈控制装置组成，永磁性操作杆一端与操作手柄连接，并插入磁性力反馈控制装置的通孔中，磁性力反馈控制装置内位于永磁性操作杆的两侧设有一带铁心的力反馈线圈及其驱动电路。

Description

一种力反馈内窥镜手术训练装置
技术领域
本实用新型涉及教学训练设备技术领域，具体涉及一种医学教学仿真训练装置。 
背景技术
内窥镜手术仿真训练系统是一种利用3D仿真操作平台实现对医务训练者内窥镜手术技能教学培训的仿真环境。 
专利号为200820030701.X的实用新型专利公开了一种“内窥镜微创手术仿真系统”，包括手术器械模拟器、空间定位传感器、数据采集及发送通信硬件、数据处理中心服务器和显示装置，该系统克服了现有技术内窥镜手术训练不够真实，仿真效果不理想的缺陷，但是仍然存在没有力反馈和虚拟触觉效果，不能使医务训练者有效地体验内窥镜手术操作过程，仿真度不高的缺陷。而专利号为“201120252200.8”的实用新型专利公开了一种“内窥镜微创手术模拟训练系统”，包括操作台、数据接收处理设备、3D医学模型处理服务器、3D平台系统服务器和显示设备，该系统中的数据接收处理设备采用了伺服电机实现内窥镜手术仿真时的力反馈和虚拟触觉效果，一定程度上曾强了仿真的效果，但是采用伺服电机实现力反馈无法形象的模拟在真实人体中器械和腔体内比交涉时所产生的柔性形变的触觉感受，这使得医务训练者在学习过程中无法体验到手术过程的真实手感，并且医务训练者若是长时间误操作很可能会导致伺服电机烧毁。 
发明内容
鉴于现有技术的不足，本实用新型提供一种力反馈内窥镜手术训练装置，该装置可让医务训练者更加真实的感受到内窥镜手术操作过程中的触觉和手感。 
本实用新型解决上述问题的技术方案如下： 
一种力反馈内窥镜手术训练装置，该装置由一立体转动操作台和一固定于立体转动操作台上的力反馈仿真内窥镜手术器械组成，其特征在于， 
所述的立体转动操作台由一垂直转动装置和一水平转动装置组成，其中， 
垂直转动装置由一垂直转动部件和转接件连接组成，垂直转动部件的两侧各设有一伸出的轴，分别插入转接件上的通孔中，转接件固定于水平转动装置上， 
水平转动装置由一水平转动部件、两个齿轮和一个转动台组成，水平转动部件的中心设有一通孔，通过两个齿轮固定套于转动台伸出的轴上； 
所述的力反馈仿真内窥镜手术器械由一操作手柄、永磁性操作杆和磁性力反馈控制装置 组成，其中， 
永磁性操作杆内部设有一柱形永磁铁，永磁性操作杆的一端与操作手柄固定连接，所述的磁性力反馈控制装置中部设有一与永磁性操作杆杆径大小相当的通孔，永磁性操作杆自由地穿过该通孔，磁性力反馈控制装置固定设置于垂直转动部件上， 
磁性力反馈控制装置内位于永磁性操作杆的两侧设有一带铁心的力反馈线圈及其驱动电路。 
在医务训练者通电使用内窥镜手术仿真训练系统进行训练时，永磁性操作杆具有永磁性，在医务训练者手持操作手柄按照仿真训练系统正确进行手术训练时，永磁性操作杆可自由地在磁性力反馈控制装置中前后滑动而不受影响。当永磁性操作杆接触到训练系统中设定好的腔体内壁模型时，则仿真训练系统的计算机即通过驱动电路使力反馈线圈通电产生电流一定的电场，进而产生一与真实腔体内壁触感相似的磁场，从而使得医务训练者在学习过程中真正体验到手术过程的真实手感。 
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点： 
由于使用磁性力反馈控制装置，使医务训练者在训练时感受的力反馈更柔和、持久，不会产生误操作长时间反馈导致设备损毁，仿真度高，模拟训练效果好。 
附图说明
图1为本实用新型所述的一种力反馈内窥镜手术训练装置的一个具体实施例的立体结构示意图，图2为图1中所述的力反馈仿真内窥镜手术钳的侧面透视图，图3为力反馈仿真内窥镜手术钳在进行训练时接触腔体内壁模型的示意图，图4为仿真训练系统的永磁性操作杆与腔体内壁的AABB碰撞检测算法示意图，其中， 4a)为仿真训练系统的永磁性操作杆未接触腔体内壁时的碰撞检测算法示意图，图4b)为仿真训练系统的永磁性操作杆恰好接触腔体内壁时的碰撞检测算法示意图，图4c)为仿真训练系统的永磁性操作杆穿过腔体内壁时的碰撞检测算法示意图。 
具体实施方式
图1所示为一个可以三维立体方向上进行内窥镜手术训练的力反馈内窥镜手术训练装置。该装置由一立体转动操作台和一固定于立体转动操作台上的力反馈仿真内窥镜手术钳组成，其特征在于， 
所述的力反馈仿真内窥镜手术钳由一操作把手1、永磁性操作杆2和磁性力反馈控制装置3组成，其中， 
所述的永磁性操作杆2内部设有一柱形永磁铁11，永磁性操作杆2的一端与操作把手1 固定连接，所述的磁性力反馈控制装置3中部设有一与永磁性操作杆2杆径大小相当的通孔，永磁性操作杆2自由地穿过该通孔，磁性力反馈控制装置3通过螺钉固定设置于立体转动操作台的垂直转动部件4上，垂直转动部件4的两侧各设有一伸出的轴，分别插入转接件5和6上的通孔中，转接件5和6共同固定于水平转动部件7上，水平转动部件7的中心设有一通孔，通过齿轮8和齿轮9固定套于柱形台10伸出的轴上。 
参见图2，所述的磁性力反馈控制装置3内位于永磁性操作杆2的两侧设有一带铁心的力反馈线圈及其驱动电路12，其铁心轴向与永磁性操作杆2的轴向相垂直，其通电产生的磁场方向符合安培定则。 
医务训练者控制操作把手1即可使永磁性操作杆2在磁性力反馈控制装置3中的通孔中前后动作，或者使永磁性操作杆2绕垂直转动部件4的伸出的轴上下动作，或是通过齿轮8和齿轮9的啮合，使永磁性操作杆2水平动作。 
参见图3和图4，在医务训练者通电使用内窥镜手术仿真训练系统进行训练时，永磁性操作杆2内设有永磁体11，具有永磁性，在医务训练者手持操作把手1按照仿真训练系统正确进行手术训练时，永磁性操作杆2可自由地在磁性力反馈控制装置3中前后滑动而不受影响。当永磁性操作杆2接触到训练系统中设定好的腔体内壁模型时，仿真训练系统的计算机则基于AABB碰撞检测算法，通过驱动电路使力反馈线圈通电产生电流一定的电场，进而产生一与真实腔体内壁触感相似的磁场，从而使得医务训练者在学习过程中真正体验到手术过程的真实手感，仿真训练系统的计算机控制力反馈线圈电流的原理如下： 
令永磁性操作杆2的自由端部为运动球体BALL1,腔体内壁模型为碰撞球体BALL2，运动球体BALL1和碰撞球体BALL2的半径分别为R1和R2，运动球体BALL1和碰撞球体BALL2的球心距离为d，腔体内壁模型能够承受的最大形变为D。 
如图4中a）所示，在永磁性操作杆2的自由端部未接触到设定好的腔体内壁时，即d> R1+R2，则力反馈线圈没有电流流过，或电流值极小，此时力反馈线圈产生的磁场极为微弱，永磁性操作杆2可自由地在磁性力反馈控制装置3中前后滑动而不受影响； 
如图4中b）所示，在永磁性操作杆2的自由端部恰好触到设定好的腔体内壁时，即d= R1+R2，则力反馈线圈开始有电流流过，此时力反馈线圈产生即产生一阻止永磁性操作杆2前进的磁场，且随着医务训练者操作永磁性操作杆2前进的力度，只要R1+R2-d<=D，则流过力反馈线圈的电流越来越大，医务训练者感受到的阻力也越来越大； 
如图4中c）所示，若医务训练者操作永磁性操作杆继续前进，使得腔体内壁模型形变超出最大形变时，即R1+R2-d>D，则表明腔体内壁破损，力反馈线圈再无电流流过，或电流值 极小，此时力反馈线圈产生的磁场极为微弱，永磁性操作杆2可自由地在磁性力反馈控制装置3中大幅度的前后滑动而不受影响。 

Claims (1)

1.一种力反馈内窥镜手术训练装置，该装置由一立体转动操作台和一固定于立体转动操作台上的力反馈仿真内窥镜手术器械组成，其特征在于，
所述的立体转动操作台由一垂直转动装置和一水平转动装置组成，其中，
垂直转动装置由一垂直转动部件（4）和转接件（5，6）连接组成，垂直转动部件（4）的两侧各设有一伸出的轴，分别插入转接件（5，6）上的通孔中，转接件（5，6）固定于水平转动装置上，
水平转动装置由一水平转动部件（7）、两个齿轮（8，9）和一个转动台（10）组成，水平转动部件（7）的中心设有一通孔，通过两个齿轮（8，9）固定套于转动台（10）伸出的轴上；
所述的力反馈仿真内窥镜手术器械由一操作手柄（1）、永磁性操作杆（2）和磁性力反馈控制装置（3）组成，其中，
永磁性操作杆（2）内部设有一柱形永磁铁（11），永磁性操作杆（2）的一端与操作手柄（1）固定连接，所述的磁性力反馈控制装置（3）中部设有一与永磁性操作杆（2）杆径大小相当的通孔，永磁性操作杆（2）自由地穿过该通孔，磁性力反馈控制装置（3）固定设置于垂直转动部件（4）上，
磁性力反馈控制装置（3）内位于永磁性操作杆（2）的两侧设有一带铁心的力反馈线圈及其驱动电路（12）。
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