CN207123962U - 一种虚拟消化道内镜手术的交互装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种虚拟消化道内镜手术的交互装置，包括消化道内镜手柄和内镜探头传感器；所述内镜手柄包括信号采集装置，分别与信号采集装置连接的两路编码器和四路按键开关模块；所述内镜探头传感器包括陀螺仪加速度传感器和光学感应器模块，陀螺仪加速度传感器与信号采集装置连接，光学感应器与信号接收装置连接。本实用新型能够确定虚拟消化道场景中内镜探头位置信息，开展相关虚拟手术操作训练，提高医师的操作能力。

Description

一种虚拟消化道内镜手术的交互装置

技术领域

本实用新型涉及医疗训练器设计领域，具体涉及一种虚拟消化道内镜手术的交互装置。

背景技术

消化道内镜手术是检查与治疗消化道疾病的重要手段。虽然目前已经具有相关的虚拟手术训练设备在临床前对医师进行消化道手术技能的训练，但是该类系统，往往局限于基本的观察操作，缺乏复杂手术操作，如内镜黏膜切除术，内镜息肉切除术，及内镜下各类肿瘤的切除方法。中国作为消化道肿瘤发病率最高的国家，对该类手术技能医师的培养刻不容缓。所以，需要研发一种虚拟消化道内镜手术交互装置用于训练医师的操作能力，开展相关操作训练，提高医师的能力。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种虚拟消化道内镜手术的交互装置，能确定虚拟消化道场景中内镜探头的位置信息，便于开展相关虚拟手术操作训练。

本实用新型提供了一种虚拟消化道内镜手术的交互装置，包括消化道内镜手柄和内镜探头传感器；

所述内镜手柄包括：

信号采集装置；

用于在虚拟场景中控制内镜探头左右移动的第一编码器，该编码器通过信号线与信号采集装置连接；

用于在虚拟场景中控制内镜探头上下移动的第二编码器，该编码器通过信号线与信号采集装置连接；

用于在虚拟场景中进行充放气操作的第一按键开关，该按键开关通过信号线与信号采集装置连接；

用于在虚拟场景中进行充放水操作的第二按键开关，该按键开关通过信号线与信号采集装置连接；

用于在虚拟场景中进行冻结图像操作的第三按键开关，该按键开关通过信号线与信号采集装置连接；

用于在虚拟场景中解除冻结图像状态的第四按键开关，该按键开关通过信号线与信号采集装置连接；

所述内镜探头传感器包括：

用于采集内镜探头前后移动位置信息的陀螺仪加速度传感器，该陀螺仪加速度传感器通过信号线与信号采集装置连接；

用于采集内镜探头自转角度和前后移动位置信息的光学感应器，该光学感应器通过信号线与信号接收装置连接；

所述信号采集装置通过信号线连接于所述信号接收装置；

所述信号采集装置为AVR单片机。

所述第一编码器、第二编码器的型号均为EC11E。

所述第一按键开关、第二按键开关、第三按键开关、第四按键开关均为12*12*12mm微动开关。

所述陀螺仪加速度传感器的型号为MPU6050。

所述光学感应器的型号为PAW3515DB-VJZA。

本实用新型具有以下优点：通过陀螺仪加速度传感器所测出的前后移动的加速度和角速度信息及光学感应器所测得的自转角度和前后移动位置信息可以准确定位内镜探头的位置，引导医师准确进行虚拟手术操作。另外，两个编码器精度高，医师操作时可以很方便地调整镜头转向，到达所需的位置进行操作，使用方便，操作简单。

附图说明

图1为本实用新型的原理框图；

图2为信号采集装置与各编码器和按键开关的电路连接图；其中图2a 为第一编码器与信号采集装置连接的结构示意图；图2b为第二编码器与信号采集装置连接的结构示意图；图2c为第一按键开关与信号采集装置连接的结构示意图；图2d为第二按键开关与信号采集装置连接的结构示意图；图2e为第三按键开关与信号采集装置连接的结构示意图；图2f为第四按键开关与信号采集装置连接的结构示意图；

图3为信号采集装置与陀螺仪加速度传感器的电路连接图；

图4为光学感应器与信号接收装置连接的电路连接图；

图5为信号采集装置中加速度与角速度采集部分的流程图；

图6为信号采集装置中编码器值采集部分的流程图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1 —内镜探头传感器；2—内镜手柄；3—信号接收装置；4—陀螺仪加速度传感器；5—光学感应器；6—信号采集装置；7—第一编码器；8—第二编码器；9—第一按键开关；10—第二按键开关；11—第三按键开关；12—第四按键开关。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

如图1所示的虚拟消化道内镜手术的交互装置，包括内镜探头传感器 (1)、内镜手柄(2)、信号接收装置(3)；所述内镜探头传感器(1)包括陀螺仪加速度传感器(4)和光学感应器(5)；所述内镜手柄(2)包括信号采集装置(6)、第一编码器(7)、第二编码器(8)、第一按键开关(9)、第二按键开关(10)、第三按键开关(11)、第四按键开关(12)；所述加速度传感器(4)、第一编码器(7)、第二编码器(8)、第一按键开关(9)、第二按键开关(10)、第三按键开关(11)和第四按键开关(12)通过信号线连接于所述的信号采集装置(6)上；所述光学感应器(5)和信号采集装置(6)通过信号线连接于所述的信号接收装置(3)。

内镜手柄2中的第一编码器(7)和第二编码器(8)用于采集医师旋转编码器后的编码值，并传递给信号采集装置(6)，用于建立虚拟场景中内镜探头移动方向与旋转编码器转动方向的对应关系；第一按键开关(9)、第二按键开关(10)、第三按键开关(11)、第四按键开关(12)用于采集开关量，分别用于虚拟场景中的充放气、充放水、冻结图像和解除冻结；内镜探头传感器1中的陀螺仪加速度传感器(4)采集内镜探头的加速度和角速度值，并将其传给信号采集装置(6)，光学感应器(5)采集内镜探头自转角度和前后移动位置信息，将加速度传感器(4)和光学感应器(5) 采集的内镜探头位置信息结合，准确定位内镜探头的空间位置。信号采集装置(6)将所有接收到的数据传递给信号接收装置(3)，用于在虚拟场景中的位置控制和信息交互。

实施例2

如图1所示，所述内镜手柄2包括信号采集装置6；用于采集编码值的第一编码器7(encoder)、第二编码器8，各编码器均与信号采集装置6连接；用于采集开关量的第一按键开关9、第二按键开关10、第三按键开关 11、第四按键开关12，各按键开关也均与信号采集装置6连接。

内镜手柄2所使用的信号采集装置6是AVR单片机，具体型号是 atmega328p。如图2a所示，第一编码器7有三个输出端，一个接地，另外两个接信号采集装置6的D2、D3口。第一编码器7是绝对式编码器，15 脉冲30定位。当旋转编码器时，信号采集装置6的D2、D3口会接收到来自编码器的脉冲输出。第一编码器7的脉冲输出有A、B两相，它们互相延迟1/4周期输出，如果输出A为高电平时，输出B出现一个高电平，编码器顺时针旋转；当输出A为高电平，输出B出现一个低电平，编码器逆时针旋转。虚拟场景中，根据第一编码器7的旋转方向，对应建立起内镜探头的移动方向，移动方向为左右移动。如图2b所示，第二编码器8有三个输出端，一个接地，另外两个接信号采集装置6的D5、D6口。第二旋转编码器8与第一旋转编码器7脉冲输出方式相同，根据第二旋转编码器8 的旋转方向，对应建立起内镜探头的移动方向，移动方向为上下移动。

如图1、图2c所示，第一按键开关9为两路开关，与信号采集装置6 的D8口相连，如图1、图2d所示，第二按键开关10为两路开关，与信号采集装置6的D9口相连，如图1、图2e所示，第三按键开关11为两路开关，与信号采集装置6的D10口相连，如图1、图2f所示，第四按键开关 12为两路开关，与信号采集装置6的D11口相连，四路均采集0/1开关量。按键闭合前，信号采集装置6对应IO口为高电平，闭合后，IO口为低电平。四路按键开关分别对应虚拟场景中的手术操作，第一按键开关9对应场景充放气，第二按键开关10对应场景充放水，第三按键开关11对应场景冻结图像，第四按键开关12对应场景解除冻结。

如图1所示，所述内镜探头传感器1包括用于采集探头前后移动的加速度和角速度信息的陀螺仪加速度传感器4(gyroscope)，陀螺仪加速度传感器4传递的数据给信号采集装置6；包括用于采集内镜探头自转角度和前后移动位置信息的光学感应器5，光学感应器5传递的数据给信号接收装置 3。

如图3和图5所示，内镜探头传感器1中的陀螺仪加速度传感器4的型号为MPU6050，它的4个引脚分别接供电电压3.3V，接地以及信号采集装置6的A4、A5引脚。由信号采集装置6调用函数先对陀螺仪加速度传感器4初始化，使陀螺仪加速度传感器4功能打开，陀螺仪加速度传感器4 可以测角速度、加速度，对测得的角速度值积分得到角度值，角度值漂移大，通过卡尔曼滤波后将数据传入信号采集装置6，单片机6通过定时器程序在一定时间后重新刷新角速度、加速度值，并与光学感应器采集内镜探头自转角度和前后移动位置信息定位内镜探头的空间位置。

如图4所示，内镜探头传感器1的光学感应器5的型号是 PAW3515DB-VJZA，通过一个发光二极管发出的光线，照亮与内镜探头连接的纤维软管表面。对反射回的光线，经过光学透镜，传输到光感器件内成像。利用图像分析芯片对移动轨迹图像进行处理，来判断内镜探头自转角度和前后移动位置信息，并将数据传递给信号接收装置。

如图6所示，采集第一编码器7的编码值，先对信号采集装置6初始化设置，对A3口设置为上升沿触发。进中断后，判断A2口电平高低，为高，则为顺时针转，设置计数值count++；为低，则为逆时针转，设置计数值count--；定时器每隔10ms采集一次count的数据，用USART串口发送给信号接收装置中。第二编码器8的编码值获取也如第一编码器7一样。信号接收装置3最后将两个编码器的数据对应于虚拟场景内镜探头的上下、左右移动。

本实用新型中的虚拟消化道内镜手术的交互装置，其各个组件均可采用现有技术中的相关组件，例如可直接从市场上购得。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种虚拟消化道内镜手术的交互装置，其特征在于，包括内镜探头传感器(1)、内镜手柄(2)和信号接收装置(3)；所述内镜探头传感器(1)包括陀螺仪加速度传感器(4)和光学感应器(5)；所述内镜手柄(2)包括信号采集装置(6)、第一编码器(7)、第二编码器(8)、第一按键开关(9)、第二按键开关(10)、第三按键开关(11)和第四按键开关(12)；所述加速度传感器(4)、第一编码器(7)、第二编码器(8)、第一按键开关(9)、第二按键开关(10)、第三按键开关(11)和第四按键开关(12)通过信号线分别连接于所述的信号采集装置(6)；所述光学感应器(5)通过信号线连接于所述的信号接收装置(3)；所述信号采集装置(6)通过信号线连接于所述信号接收装置(3)。

2.如权利要求1所述的虚拟消化道内镜手术的交互装置，其特征在于，所述第一编码器(7)用于控制内镜探头左右移动；所述第二编码器(8)用于控制内镜探头上下移动。

3.如权利要求1所述的虚拟消化道内镜手术的交互装置，其特征在于，所述的第一按键开关(9)用于控制虚拟场景中的充放气；所述第二按键开关(10)用于控制虚拟场景中的充放水；所述第三按键开关(11)用于控制虚拟场景中的冻结图像；所述第四按键开关(12)用于控制虚拟场景中的解除冻结。

4.如权利要求1所述的虚拟消化道内镜手术的交互装置，其特征在于，所述的陀螺仪加速度传感器(4)用于测定内镜探头前后移动的加速度和角速度；光学感应器(5)用于测定内镜探头自转角度和前后移动位置。

5.如权利要求1—4任一项所述的虚拟消化道内镜手术的交互装置，其特征在于，信号采集装置(6)为AVR单片机。

6.如权利要求1或3所述的虚拟消化道内镜手术的交互装置，其特征在于，所述第一按键开关(9)、第二按键开关(10)、第三按键开关(11)、第四按键开关(12)均为12*12*12mm的微动开关。

7.如权利要求1或4所述的虚拟消化道内镜手术的交互装置，其特征在于，所述陀螺仪加速度传感器(4)的型号为MPU6050。

8.如权利要求1或4所述的虚拟消化道内镜手术的交互装置，其特征在于，所述光学感应器(5)的型号为PAW3515DB-VJZA。