CN209947135U - 一种血管介入手术训练装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种血管介入手术训练装置，包括操作装置、可视化装置，所述操作装置包括导管、驱动导管轴向运动的轴向操作结构、驱动导管旋转运动的导向结构，导向结构中设有控制轴向操作结构运行的第一控制装置，可视化装置中设有控制轴向操作结构运行的第二控制装置。本实用新型利用导管运动缩放原理，针对外科医生进行血管介入手术模拟操作，设计导管的合理运行方案，并提供有效的水平方向上的触觉反馈；解决了在血管介入手术训练过程中，由于受训医生缺少操作经验导致血管壁与导管尖端产生碰撞而引发血管组织损伤的问题。

Description

一种血管介入手术训练装置

技术领域

本实用新型涉及一种血管介入手术训练系统，具体涉及一种血管介入手术训练装置。

背景技术

目前，针对血管介入手术的导管操作训练系统多数采用虚拟现实技术(VR，virtual reality)模拟导管在血管内的运行情况，然而医生缺少真实的血管插入环境，没有实时的触觉反馈提醒医生导管插入过程是否遇到障碍，碰撞是否发生。当碰撞发生却没有及时的触觉反馈时，医生无法快速反应修正自己的操作，因此容易造成血管损伤。同时整个血管介入手术过程要求医生的操作迅速且精准。

现有的训练设备多是在VR里复现介入医生在设备上的操作，导管在VR里的运动速度受限于医生的操作速度。在血管直径较小，需要缓慢而精准的操作时，导管运动精度受限于人手操作的分辨率，无法达到要求。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是传统血管手术训练系统中不仅导管受限于操作者的操作速度，而且受训医生缺少操作经验，因此，血管壁与导管尖端容易发生碰撞，目的在于提供一种血管介入手术训练装置，解决在血管介入手术训练过程中，由于受训医生缺少操作经验导致血管壁与导管尖端产生碰撞而引发血管组织损伤的问题。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种血管介入手术训练装置，包括操作装置、可视化装置，所述操作装置包括导管、驱动导管轴向运动的轴向操作结构、驱动导管旋转运动的导向结构，导向结构中设有控制轴向操作结构运行的第一控制装置，可视化装置中设有控制轴向操作结构运行的第二控制装置。

本实用新型利用导管运动缩放原理，针对外科医生进行血管介入手术模拟操作，设计导管的合理运行方案，并提供有效的水平方向上的触觉反馈；解决了传统血管介入设备中导管受限于操作者操作速度的缺点，并增加了导管介入过程的安全性。医生将导管插入血管，主要依靠操作导管的前进后退以及顺时针或逆时针旋转实现；本实用新型中导管轴向的前进后退运动由轴向操作结构实现，导管的旋转运动由导向结构实现；现有血管介入设备中导管的前进后退由人工控制，导管的移动速度受人工限制；本实用新型改变了导管在轴向方向上前进后退的控制装置及控制方式，本实用新型在人工移动导管的情况下，增加了第一控制装置与第二控制装置，第一控制装置与第二控制装置配合控制导管前进、后退及导管运动的速度，导管运动不受限于操作者的操作速度。本实用新型中导向结构不仅能够控导管在血管内旋转运动，还能够通过第一控制装置触发轴向操作结构，轴向操作结构在导向结构的触发下控制导管轴向运动，因此，本实用新型中导向结构不仅能够控制导管旋转运动还能够控制导管轴向运动；通过导向结构旋转导管，调整导管尖端与血管壁之间的间距，使得血管与导管之间保持安全距离；可视化装置中的导管运动距离、运动状态、运动速度与操作装置中轴向操作结构的运动信息一致，可视化装置实时检测导管尖端与虚拟血管壁的距离，并将信息反馈到第二控制装置后，第二控制装置根据所得距离信息结合操作者的初始运动速度，发送信号至轴向操作结构中的动力结构，从而控制轴向操作结构的运行状态，所述运行状态包括前进、后退、加速、减速或是停止等。本实用新型中第一控制装置与第二控制装置能够根据导管与血管壁之间的距离以及输入的导管实际运动速度相结合，再控制轴向操作结构的运动状态，轴向操作结构会产生一个速度差，给操作者带来触觉反馈；本实用新型中导管的运动状态不受限于操作者的操作速度，导管运动平稳。

所述导向结构包括花键轴、第一直螺帽、挡板、编码器、霍尔传感器、磁铁、控制器，霍尔传感器、磁铁、控制器组成了导向结构中的第一控制装置，花键轴与导管同轴，第一直螺帽的一端安装有挡板，花键轴一端从第一直螺帽的另一端插入第一直螺帽内，导管的一端与挡板连接固定，花键轴的另一端安装有编码器，挡板位于第一直螺帽内部的侧壁上安装有霍尔传感器，花键轴位于第一直螺帽内部的一端端面上安装有与霍尔传感器匹配的磁铁，霍尔传感器通过控制器与驱动轴向操作结构运行的动力结构连接。

本实用新型中花键轴与第一直螺帽连接形成了滚珠导向轴，第一直螺帽内设有供花键轴轴向移动的移动空间，花键轴轴向移动过程中，花键轴相对于第一直螺帽运动，花键轴前端的磁铁位置发生变化，霍尔传感器感应到的磁场强度相应变化，由此霍尔传感器输出有变化的电流信息到控制器，进而驱动轴向操作结构的动力结构，带动轴向操作结构的前进后退，并通过轴向操作结构的动力结构的输出脉冲记录轴向操作结构的运动距离信息，进而得到导管的运动距离信息；本实用新型中花键轴与第一直螺帽只能够在径向上做相对运动，当花键轴旋转时，第一直螺帽随着花键轴旋转，第一螺帽与花键轴不做相对运动，第一直螺帽旋转会带动挡板旋转从而带动导管旋转，调整导管尖端与血管壁之间的间距。

可视化装置为VR血管系统，VR血管系统显示导管在血管中的运动状态，VR血管系统中设有状态信息反馈模块，状态信息反馈模块通过控制器与驱动轴向操作结构运行的动力结构连接，状态信息反馈模块、控制器组成了可视化装置中的第二控制装置。

受训医生进行血管介入手术训练时，操作导管的同时观察VR血管系统界面，获取血管形状及导管运动状态信息；利用串口通信将受训医生操作过程中的导管位置信息传送至VR血管系统，控制虚拟导管运动，此时的虚拟导管与受训医生操作的导管运动状态一致，结合VR血管系统中检测到的导管与血管壁的距离信息，对导管的运动进行缩放，导管的运动缩放控制是基于已有的VR血管系统控制实现的。

本实用新型在已开发的血管介入手术VR血管系统基础上嵌入了本实用新型设计的状态信息反馈模块，实现导管运行状态检测功能，当真实导管的运动信息传入VR血管系统中，结合状态信息反馈模块输出的距离信息，判断受训医生的操作是否可能造成VR血管系统中导管尖与血管壁发生碰撞，从而对导管进行运动缩放，减少碰撞发生的概率，达到保护血管组织的目的；本实用新型在已开发的血管介入手术VR血管系统基础上嵌入了本实用新型设计的状态信息反馈模块，能够实时检测导管尖端与虚拟血管壁的距离，并将信息反馈到控制器后，控制器根据所得距离信息结合操作者的初始运动速度，发送信号控制轴向操作结构运行的动力结构，导管尖端与虚拟血管壁的距离按值的大小可分为“安全距离”“警告距离”“碰撞”三种情况，“安全距离”与“警告距离”的界限可在VR血管系统中自行设定，“碰撞”的情形则为VR血管系统中碰撞检测算法检测到导管尖与血管壁发生碰撞；本实用新型中操作装置与VR血管系统连接，实现对医生血管介入手术整个过程的模拟，本实用新型通过运动缩放，在不同的血管直径中，导管具有不同的运动速度，优化血管介入过程，减少对病人的潜在伤害，增加介入的精准度。

所述轴向操作结构为滚珠丝杠，导向结构安装在滚珠丝杠基座上，驱动滚珠丝杠运行的动力结构为步进电机。本实用新型中轴向操作结构采用滚珠丝杠，滚珠丝杠移动带动导管做轴向运动，步进电机不仅能够电驱动滚珠丝杠，还能够与第一控制装置、第二控制装置实现导管运动的智能化控制。

滚珠丝杠的两端均安装有限位器。限位器限定了滚珠丝杠的移动距离。

花键轴与编码器之间安装第二直螺帽，编码器与第二直螺帽连接固定。第二直螺帽与花键轴连接形成滚珠导向轴，第二直螺帽与花键轴在轴向上做相对运动，但是绕着轴向旋转时，不做相对运动，第二直螺帽用于连接花键轴与编码器，使用方便，便于编码器取得导管的旋转运动信息。

导向结构中安装有触觉反馈结构。导管在轴向上安装了触觉反馈模块，当导向结构的运动状态改变，触觉反馈结构会给操作者一个触觉感知。

所述触觉反馈结构包括安装在霍尔传感器与磁铁之间的弹簧，弹簧与花键轴同轴。本实用新型利用弹簧的弹性形变，当花键轴的运动状态改变后，弹簧能够发生明显的形变并给操作者一个触觉感知。

操作装置还包括操作台，导管、轴向操作结构、导向结构均安装在操作台上。操作台是整个装置的支撑装置，便于操作者操作。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本实用新型一种血管介入手术训练装置改变了导管在轴向方向上前进后退的控制放置及控制方式，增加了第一控制装置与第二控制装置，第一控制装置与第二控制装置配合控制导管前进、后退及导管运动的速度，导管运动不受限于操作者的操作速度；

2、本实用新型一种血管介入手术训练装置能够操作者明显的触觉感知。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型局部结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-导管，2-花键轴，3-第一直螺帽，4-挡板，5-编码器，6-滚珠丝杠，7-限位器，8-第二直螺帽，9-操作台，10-弹簧，11-霍尔传感器，12-磁铁。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例1

如图1所示，本实用新型一种血管介入手术训练装置，包括操作装置、可视化装置，所述操作装置包括导管1、驱动导管1轴向运动的轴向操作结构、驱动导管1旋转运动的导向结构，导向结构中设有控制轴向操作结构运行的第一控制装置，可视化装置中设有控制轴向操作结构运行的第二控制装置。操作装置还包括操作台9，导管1、轴向操作结构、导向结构均安装在操作台9上。

本实用新型利用导管运动缩放原理，针对外科医生进行血管介入手术模拟操作，设计导管的合理运行方案，并提供有效的水平方向上的触觉反馈；解决了传统血管介入设备中导管受限于操作者操作速度的缺点，并增加了导管介入过程的安全性。医生将导管插入血管，主要依靠操作导管的前进后退以及顺时针或逆时针旋转实现；本实用新型中导管轴向的前进后退运动由轴向操作结构实现，导管的旋转运动由导向结构实现；现有血管介入设备中导管的前进后退由人工控制，导管的移动速度受人工限制；本实用新型改变了导管在轴向方向上前进后退的控制放置及控制方式，本实用新型在人工移动导管的情况下，增加了第一控制装置与第二控制装置，第一控制装置与第二控制装置配合控制导管前进、后退及导管运动的速度，导管运动不受限于操作者的操作速度。

实施例2

基于实施例1，如图1、图2所示，所述导向结构包括花键轴2、第一直螺帽3、挡板4、编码器5、霍尔传感器11、磁铁12、控制器，霍尔传感器11、磁铁12、控制器组成了导向结构中的第一控制装置，花键轴2与导管1同轴，第一直螺帽3的一端安装有挡板4，花键轴2一端从第一直螺帽3的另一端插入第一直螺帽3内，导管1的一端与挡板4连接固定，花键轴2的另一端安装有编码器5，挡板4位于第一直螺帽3内部的侧壁上安装有霍尔传感器11，花键轴2位于第一直螺帽3内部的一端端面上安装有与霍尔传感器11匹配的磁铁12，霍尔传感器11通过控制器与驱动轴向操作结构运行的动力结构连接。花键轴2与编码器5之间安装第二直螺帽8，编码器5与第二直螺帽8连接固定。所述轴向操作结构为滚珠丝杠6，导向结构安装在滚珠丝杠6基座上，驱动滚珠丝杠6运行的动力结构为步进电机。滚珠丝杠6的两端均安装有限位器7。

花键轴相对于第一直螺帽做轴向运动时，前端的磁铁位置发生变化，霍尔传感器感应到的磁场强度相应变化，由此霍尔传感器输出有变化的电流信息到控制器，进而驱动步进电机，带动滚珠丝杠的前进后退运动，并通过步进电机的输出脉冲记录丝杠的运动距离信息，进而得到导管的运动距离信息。此外，通过与花键轴、第一直螺帽、第二直螺帽组成的滚珠导向轴直接相连的编码器取得导管的旋转运动信息；操作者握住花键轴进行旋转运动，花键轴在旋转方向无法与直螺帽产生相对运动，而编码器与第二直螺帽固连，以此获取导管准确的旋转角度信息。

实施例3

基于实施例1，可视化装置为VR血管系统，VR血管系统显示导管在血管中的运动状态，VR血管系统中设有状态信息反馈模块，状态信息反馈模块通过控制器与驱动轴向操作结构运行的动力结构连接，状态信息反馈模块、控制器组成了可视化装置中的第二控制装置。所述轴向操作结构为滚珠丝杠6，导向结构安装在滚珠丝杠6基座上，驱动滚珠丝杠6运行的动力结构为步进电机。滚珠丝杠6的两端均安装有限位器7。

将导管的前后运动信息与导管的顺时针或逆时针旋转信息传输进VR血管系统，即可在VR中表示出导管在血管中的准确运动状态；VR血管系统中的导管运动距离与硬件设备中滚珠丝杠的运动信息一致，为了优化导管在VR血管系统中的运动情况，本系统加入了运动缩放控制，在已开发血管介入手术VR血管系统基础上，通过嵌入我们设计的状态信息反馈模块实现导管运行状态检测功能，实时检测导管尖端与虚拟血管壁的距离，此距离按值的大小可分为“安全距离”“警告距离”“碰撞”三种情况，并将信息反馈到控制器后，控制器根据所得距离信息结合操作者的初始运动速度，发送信号控制电机驱动丝杠。以操作导管向前运动为例，当检测到的距离信息为“警告距离”，而操作者给丝杠的初始速度高于设定阈值时，给丝杠速度乘一个小于1的比例系数，使导管以小于操作者给定的速度运行，同时给操作者提供触觉，达到提醒的作用，导管前面有个弯钩，通过旋转来改变它的方向，再通过导管前进后退等操作，最终实现转向，调整导管尖端与血管之间的距离；当检测到的距离信息为“安全距离”时，导管以操作者给的速度运行；当检测到的距离信息为“碰撞”时，给丝杠速度乘一个更小的比例系数对导管进行减速或是根据实际情况硬件设备直接强制停止导管的轴向运动，通过旋转导管等操作，使距离信息脱离“碰撞”区域后，导管要按缩放策略来运动。由此实现导管在VR中的运动缩放以及在水平方向的触觉提醒功能。

安全距离与警告距离的界限可在VR血管系统中自行设定，“碰撞”的情形则为VR血管系统中碰撞检测算法检测到导管尖与血管壁发生碰撞，对每种距离在确保不发生碰撞的前提下设置安全位移阈值，当真实导管的运动信息传入VR血管系统后，通过比对当前检测到的距离下真实导管位移是否处于安全位移阈值内，对导管进行运动缩放。具体的缩放策略如下：

其中χ_m和χ分别代表导管运动缩放前的位移和缩放后的位移，μ为比例缩放因子。

该系统能实现针对不同的导管运动状态，对比导管尖端与血管壁的距离，对导管进行合理的运动缩放。例如当血管壁与导管尖端处于警告距离，而受训医生的操作位移却大于警告距离下安全阈值的最大值，此时虚拟导管的位移将被按比例缩小，同时将缩小后的位移返回至下位机，并转化为速度值，此时步进电机运转速度降低，从而使真实导管的运动速度降低。短时间内真实导管的运动速度低于受训医生预期推动导管产生的速度，丝杠给了一个与受训医生当前操作方向相反的“触力”，实现受训医生手部的力/触觉交互。受训医生通过触力的提醒，结合VR血管系统界面反馈的视觉信息可以快速意识到自己的操作有误，修正自己的操作，从而达到减少导管尖端与血管壁的碰撞，保护血管组织的目的。

实施例4

基于上述实施例，如图2所示，导向结构中安装有触觉反馈结构，所述触觉反馈结构包括安装在霍尔传感器11与磁铁12之间的弹簧10，弹簧10与花键轴2同轴。导管实际运动与操作者预期操作导管运动的速度产生偏差，这个偏差使弹簧压缩，给操作者一个与操作方向相反的力，也就是操作者能感受到的触力。

实施例5

基于实施例1-4，本实用新型一种血管介入手术训练装置的操作步骤，具体为：

S1、在VR血管系统力构建血管介入模型，将整个硬件操作装置与VR血管系统连接，实现对医生血管介入手术整个过程的模拟；

S2、在轴向上移动花键轴，花键轴前端的磁铁位置发生变化，霍尔传感器感应到的磁场强度相应变化，由此霍尔传感器输出有变化的电流信息到控制器，进而驱动步进电机，给滚珠丝杠一个初始运动速度，滚珠丝杠向前运动的导管在血管内向前运动；

S3、VR血管系统实时检测导管尖端与虚拟血管壁的距离，此距离按值的大小可分为“安全距离”“警告距离”“碰撞”三种情况，并将信息反馈到控制器后，控制器根据所得距离信息结合操作者的初始运动速度，发送信号控制步进电机从而驱动滚珠丝杠；例如：当导管需要转向时，导管与血管壁之间的间距会变小，在“警告距离”或是“碰撞”的警报下，通过转动花键轴旋转来改变导管尖端弯钩的方向，再通过第一控制装置、第二控制装置同时控制导管前进后退，最终实现导管转向，调整导管尖端与血管之间的距离；VR血管系统通过第二控制装置给滚珠丝杠一个控制信号，导线结构通过第一控制装置也会给滚珠丝杠一个控制信号，两者同时给其滚珠丝杠的控制信号之间会产生速度差，操作者通过速度差得到触感反馈；

S4、当滚珠丝杠前进或后退到达限位器的位置时，滚珠丝杠停止运动，此时VR血管系统暂停运行，直至控制滚珠丝杠回到原点，VR血管系统继续运行。

本实用新型结合VR的距离测量信息，利用导管运动缩放原理，优化了导管的运动，并在硬件设备中的水平方向提供触觉提醒功能。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种血管介入手术训练装置，包括操作装置、可视化装置，所述操作装置包括导管(1)、驱动导管(1)轴向运动的轴向操作结构、驱动导管(1)旋转运动的导向结构，其特征在于，导向结构中设有控制轴向操作结构运行的第一控制装置，可视化装置中设有控制轴向操作结构运行的第二控制装置。

2.根据权利要求1所述的一种血管介入手术训练装置，其特征在于，所述导向结构包括花键轴(2)、第一直螺帽(3)、挡板(4)、编码器(5)、霍尔传感器(11)、磁铁(12)、控制器，霍尔传感器(11)、磁铁(12)、控制器组成了导向结构中的第一控制装置，花键轴(2)与导管(1)同轴，第一直螺帽(3)的一端安装有挡板(4)，花键轴(2)一端从第一直螺帽(3)的另一端插入第一直螺帽(3)内，导管(1)的一端与挡板(4)连接固定，花键轴(2)的另一端安装有编码器(5)，挡板(4)位于第一直螺帽(3)内部的侧壁上安装有霍尔传感器(11)，花键轴(2)位于第一直螺帽(3)内部的一端端面上安装有与霍尔传感器(11)匹配的磁铁(12)，霍尔传感器(11)通过控制器与驱动轴向操作结构运行的动力结构连接。

3.根据权利要求1所述的一种血管介入手术训练装置，其特征在于，可视化装置为VR血管系统，VR血管系统中设有状态信息反馈模块，状态信息反馈模块通过控制器与驱动轴向操作结构运行的动力结构连接，状态信息反馈模块、控制器组成了可视化装置中的第二控制装置。

4.根据权利要求2或3所述的一种血管介入手术训练装置，其特征在于，所述轴向操作结构为滚珠丝杠(6)，导向结构安装在滚珠丝杠(6)基座上，驱动滚珠丝杠(6)运行的动力结构为步进电机。

5.根据权利要求4所述的一种血管介入手术训练装置，其特征在于，滚珠丝杠(6)的两端均安装有限位器(7)。

6.根据权利要求2所述的一种血管介入手术训练装置，其特征在于，花键轴(2)与编码器(5)之间安装第二直螺帽(8)，编码器(5)与第二直螺帽(8)连接固定。

7.根据权利要求2所述的一种血管介入手术训练装置，其特征在于，导向结构中安装有触觉反馈结构。

8.根据权利要求7所述的一种血管介入手术训练装置，其特征在于，所述触觉反馈结构包括安装在霍尔传感器(11)与磁铁(12)之间的弹簧(10)，弹簧(10)与花键轴(2)同轴。

9.根据权利要求1所述的一种血管介入手术训练装置，其特征在于，操作装置还包括操作台(9)，导管(1)、轴向操作结构、导向结构均安装在操作台(9)上。

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