CN211857907U - 用于虚拟手术系统的手术人体触觉模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及虚拟现实仿真技术领域，公开一种用于虚拟手术系统的手术人体触觉模拟装置，包括操作台、仿真人体以及拟真手术器械与虚拟影像显示装置。操作台包括操作台面和升降台，仿真人体设置在操作台面上；拟真手术器械可在仿真人体上进行模拟手术操作，采用钝化的手术器械，并设置有用以感应拟真手术器械位置信息的位置定位器；仿真人体内设置有多个相互独立的容纳腔，每个容纳腔具有一填充口，填充口通过一抽放装置连接至一装载有弹性填充物的物料库；所述抽放装置被设置成用于控制将弹性填充物移入/移出容纳腔；所述虚拟影像显示装置被设置成以头戴式显示方式，佩戴在操作者头部，用以供查看虚拟现实影像或者图片。

Description

用于虚拟手术系统的手术人体触觉模拟装置

技术领域

本实用新型涉及虚拟实验仿真技术领域，具体而言涉及一种用于虚拟手术系统的手术人体触觉模拟装置。

背景技术

现在利用虚拟现实技术，在医学领域通过计算机建立一个虚拟3D环境以及可交互操作平台，可以实现虚拟手术的操作，达到培训练习的目的。目前多采用力反馈仪实现操作过程中受力的触感，但能够用于虚拟手术的力反馈仪价格昂贵，对于普遍性培训和操作练习来说，成本较高。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种用于虚拟手术系统的手术人体触觉模拟装置，采用弹性填充物和拟真手术器械实现外科手术中操作的触感，采用三维位置跟踪与定位模块获得操作的精确轨迹和位置，通过两者结合替代力反馈仪的触感反馈，降低成本，提高模拟操作精度。

为达成上述目的，本实用新型提出一种用于虚拟手术系统的手术人体触觉模拟装置，包括操作台以及设置在操作台上的仿真人体以及拟真手术器械与虚拟影像显示装置，其中：

所述操作台包括操作台面和位于操作台面下方并可驱动操作台面竖直上下运动的升降台，所述仿真人体设置在操作台面上；

所述拟真手术器械被设置成供操作人员手持，并在所述仿真人体上进行模拟手术操作，所述拟真手术器械采用钝化的手术器械，并设置有用以感应拟真手术器械位置信息的位置定位器；

所述仿真人体框架内设置有多个相互独立的容纳腔，每个容纳腔具有一填充口，填充口通过一抽放装置连接至一装载有弹性填充物的物料库；所述抽放装置被设置成用于控制将弹性填充物移入/移出容纳腔；

所述虚拟影像显示装置被设置成以头戴式显示方式，佩戴在操作者头部，用以供查看虚拟现实影像或者图片。

优选地，所述操作台的支撑脚下方分布安装有多个高度调节部，用于调节操作台的高度和/倾斜度。

优选地，所述位置定位器为光电传感器。

优选地，所述仿真人体内填充有多层填充空腔，内部填充弹性填充物。

优选地，所述弹性填充物为凝胶。

优选地，每个容纳腔对应地设置一个抽放装置，或者多个容纳腔共用一个抽放装置。

优选地，所述的抽放装置尤其采用凝胶泵。

优选地，所述凝胶泵通过对应的软管和接头与每个容纳腔连接。

如此，从触觉角度出发，通过在仿真人体框架内设置有多个相互独立的容纳腔，每个容纳腔内填充有弹性填充料，并且，每个容纳腔均具有一填充口，每个填充口通过一抽放装置连接至一装载有弹性填充物的物料库，所述抽放装置被设置成根据外部控制指令将弹性填充物移入/移出容纳腔，以快速调整每个容纳腔内弹性填充料的总量。

弹性填充料的种类具有多种，每种弹性填充料的弹性参数不同，结合容纳腔内弹性填充料的密度，给予用户不同的触觉感受，例如，当其中一个容纳腔内弹性填充料的密度较高、并且填充的弹性填充料的硬度较高时，给予用户的感觉是该处“人体结构”的硬度较高，例如“骨头”、“筋脉”、“肿块”等等，又例如，当其中一个容纳腔内弹性填充料的密度较低、并且填充的弹性填充料的弹性系数较高时，给予用户的感觉是该处“人体结构”的弹性较佳，例如“皮肤”等等。

在一次手术过程中，用户通常需要采用拟真手术器械打开仿真人体，面对若干个“人体器官”，但仅对其中一个或者多个“人体器官”进行操作，所述若干个“人体器官”可以由不同的容纳腔组合而成，以达到更为逼真的体验效果。在用户对其中一个或者多个“人体器官” (容纳腔)进行操作时，调整对应容纳腔内的弹性填充物的含量，以模拟手术过程中人体器官的变化，如肌肉紧张、松弛等等。

同时，从视觉角度出发，通过佩戴在操作者头部的虚拟影像显示装置显示真实人体的虚拟影像，根据预设的手术数据控制虚拟影像的显示，在用户操作过程中，采用位置定位器以感应拟真手术器械位置信息。

在虚拟手术模拟完毕后，还可以采用抽放装置实现每个容纳腔内弹性填充物的快速回收。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的实用新型主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的实用新型主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本实用新型教导的前述和其他方面、实施例和特征。本实用新型的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本实用新型教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本实用新型的各个方面的实施例，其中：

图1是本实用新型的用于虚拟手术系统的手术人体触觉模拟装置的示意图。

图2是本实用新型的具有抽放装置的仿真人体的结构示意图。

图3是本实用新型的虚拟手术系统示意图。

具体实施方式

为了更了解本实用新型的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本实用新型的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本实用新型的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本实用新型所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本实用新型公开的一些方面可以单独使用，或者与本实用新型公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图示的示例性实施例的用于虚拟手术系统的手术人体触觉模拟装置，包括操作台10 以及设置在操作台10上的仿真人体11、拟真手术器械12以及虚拟影像显示装置20，虚拟影像显示装置20采用头戴式显示方式，佩戴在操作者头部，用以供用户查看虚拟现实影像或者图片。

图1的实施例中，操作台10尤其优先采用可升降式操作台。为了便于实验操作、将仿真人体11以限制边缘区域的方式放置在操作台的操作台面上，操作台面下方设置有升降机构，例如电驱动升降杆机构、液/气压驱动升降机构或者手摇式操作等升降机构，用以携带操作台面升降，以方便适应不同高度的操作者的使用需求，同时即使是同一个操作者，由于不同外科实验的姿势的不同，手术台的高度和倾斜度也随之不同，可升降的操作台面能够满足更多类型的外科手术的实验仿真模拟需求。

在一些例子中，由于升降机构通常采用平行升降的方式，仅适用于高度调节。因此，更加优选的方案中，操作台10的支撑脚下方分布安装多个高度调节部，例如旋转式高度调节部，通过正转或者反转来实现高度微调和修正，以进一步调整整个操作台面的高度和/或倾斜度。

结合图1所示，拟真手术器械12被设置成供操作人员手持，并可以通过操作者的腕部、手部运动来在仿真人体11上进行仿真手术操作。拟真手术器械12采用钝化的真实手术器械，例如钝化的剪、手术刀、镊等，实现剪、切割、提拉等操作。优选地，拟真手术器械上还设置有位置定位器12a，例如光学或者电子标签等，用于与定位装置，尤其是下面将要描述的三维位置定位与跟踪模块进行配合，实现对拟真手术器械的位置定位与追踪，尤其优选，还通过视觉跟踪装置实现姿态追踪。

本实用新型的实施例中，采用真实手术器械进行钝化处理，一方面使用户感受到更加逼真的仿真效果，另一方面，也有助于用户正确掌握真实外科手术中手术器械的种类，提高用户体验和实验效果。适当钝化后一方面能够避免拟真手术器械12有可能造成的损伤，另一方面，每种拟真手术器械的钝化程度可以结合弹性填充物的弹性参数和具体的外科手术实验类型加以调整，使用户施力后，拟真手术器械的进刀深度和用户感受到的反馈力尽可能和真实手术相仿。

图2示例性地表示了仿真人体的示例性架构示意图，仿真人体11尤其是凝胶材质、具有回弹、助力反馈以及可重复利用性的特点。仿真人体11设置有多个相互独立的容纳腔112，容纳腔112的大小、形状可根据不同的人体器官的的形状和大小进行对应仿真设置。容纳腔 112尤其优选地具有薄膜表皮并在内部形成空腔，用于填充凝胶形成虚拟的人体器官，例如心脏、肺部、脾脏、四肢等。

在一些例子中，每个容纳腔112具有一填充口112a。各个容纳腔的填充口优选采用相同的接口配置，以利于统一从外部进行凝胶填料冲入。在可选的实施例中，填充口112采用选择1-3mm直径范围的螺纹口，并通过外部的软管通道的接头连接，并连接到一个抽放装置112b 上，抽放装置112b与装载有凝胶(即弹性填充物)的物料库112c连通，并通过抽放装置根据外部控制指令将凝胶移入/移出容纳腔112。

优选地，每个容纳腔对应地设置一个抽放装置112b，或者多个容纳腔共用一个抽放装置 112b。

前述的抽放装置尤其采用凝胶泵。为了便于安装，凝胶泵和物料库均固定于操作台10的下方或者放置在地面上，通过对应的多路软管和接头与每个容纳腔连接。

下面结合附图对手术人体触觉模拟装置及其相关的各部件进行详细阐述。

本实用新型的仿真人体11尤其优选地根据仿真人体结构设计制成，考虑到一次手术过程中，操作者通常只关注人体的其中一个部分，因此在实际实施过程中可按照人体结构制作多个仿真人体的框架，例如头部、胸部、腹部、腿部等等，节约操作空间和方便放置到操作台面上。

弹性填充物采用凝胶材料，一方面可以重复利用，节约人体模型成本，另一方面，可以通过调整弹性填充物的填充量、填充物的材质等来调整弹性和强度等参数，以实现更为逼真的人体触感。

例如，参照人体结构，仿真人体内设置多层填充空腔，内部填充有多层弹性填充物。对应的仿真人体的器官内的层数，可在制作不同的器官时进行预设，如对于手臂可以按照仿真表皮层、真皮层、皮下组织层等预设的多层结构通过薄膜进行容纳腔的内部多层结构的预设。

如此，抽放装置根据控制指令，例如通过设置在操作台上的操作面板或者单独的计算机系统，将凝胶等弹性填充材料在物料库和容纳腔的各个内部层结构之间搬运，一方面，能够实现弹性填充物的快速回收，另一方面，可以根据不同手术场景，调整容纳腔内弹性填充物的填充量，以获取不同弹性参数的仿真人体。

如此，在手术过程中，根据不同的手术进程，改变仿真人体全部或者局部的弹性参数，以模拟真实手术场景下人体的变化。例如，在一设定的实际操作后，将更多的弹性填充物在极短的时间内填充至容纳腔内，以模拟肌肉瞬间紧张这一动作等。

在具体的实施方式中，位置定位器12a用于通过与三维位置定位与跟踪模块的配对感应来获取拟真手术器械12位置信息。优选的，位置定位器12a采用光电传感器，精度可达到 1-100毫米，尽可能确保现实中的拟真手术器械12和虚拟器械的位置、移动轨迹均一致。

本实施例前述实施例中公开的虚拟手术系统，尤其是指具有虚拟手术影像仿真的系统，包括服务器、前述的虚拟影像显示装置20、三维位置定位与跟踪模块30、处理器40和服务器50。服务器50可采用本地服务器或者远端服务器，其内部存储多个手术的虚拟现实影像。虚拟影像显示装置20通过无线或者有线数据通信的方式与服务器连接。

三维位置定位与跟踪模块30和虚拟影像显示装置20分别于处理器40连接，处理器优选采用独立的计算机系统中的处理模块，例如基于ARM或者Intel架构的集成式处理器。

三维位置定位与跟踪模块30，在可选的实施例中采用Vive追踪器，在位置定位器12a 内设置配套的定位器，通过二者结合对接实现位置精确定位与追踪。

处理器50尤其可以链接到职业教育药学专业国家资源库的数据库中，或者从该数据库下载手术的虚拟现实影像到本地进行存储和调用，其链接地址为：

https://www.icve.com.cn/portalproject/themes/default/oikxasykz51caxj5ets4da/ sta_page/index.html

处理器50优选地包括模型数据库，模型数据库包括虚拟人体模型库、虚拟器械模型库，以与职业教育药学专业国家资源库的数据库进行对接。

结合图1，虚拟影像显示装置20包括可以采用VR眼镜或者AR眼镜，例如HTC的Vive系列VR眼镜，根据选定的手术数据进行虚拟影像的显示。

在虚拟手术过程中，用户操作拟真手术器械12，在仿真人体11上进行手术实验，三维位置定位与跟踪模块30通过安装在拟真手术器械12上的位置定位器12a以获得虚拟器械的实时位置状态和移动轨迹状态，通过虚拟影像显示装置20显示给用户。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (8)

1.一种用于虚拟手术系统的手术人体触觉模拟装置，其特征在于，包括操作台以及设置在操作台上的仿真人体以及拟真手术器械与虚拟影像显示装置，其中：

所述操作台包括操作台面和位于操作台面下方并可驱动操作台面竖直上下运动的升降台，所述仿真人体设置在操作台面上；

所述拟真手术器械被设置成供操作人员手持，并在所述仿真人体上进行模拟手术操作，所述拟真手术器械采用钝化的手术器械，并设置有用以感应拟真手术器械位置信息的位置定位器；

所述仿真人体内设置有多个相互独立的容纳腔，每个容纳腔具有一填充口，填充口通过一抽放装置连接至一装载有弹性填充物的物料库；所述抽放装置被设置成用于控制将弹性填充物移入/移出容纳腔；

所述虚拟影像显示装置被设置成以头戴式显示方式，佩戴在操作者头部，用以供查看虚拟现实影像或者图片。

2.根据权利要求1所述的用于虚拟手术系统的手术人体触觉模拟装置，其特征在于，所述操作台的支撑脚下方分布安装有多个高度调节部，用于调节操作台的高度和/倾斜度。

3.根据权利要求1所述的用于虚拟手术系统的手术人体触觉模拟装置，其特征在于，所述位置定位器为光电传感器。

4.根据权利要求1所述的用于虚拟手术系统的手术人体触觉模拟装置，其特征在于，所述仿真人体内填充有多层填充空腔，内部填充弹性填充物。

5.根据权利要求1或4所述的用于虚拟手术系统的手术人体触觉模拟装置，其特征在于，所述弹性填充物为凝胶。

6.根据权利要求1所述的用于虚拟手术系统的手术人体触觉模拟装置，其特征在于，每个容纳腔对应地设置一个抽放装置，或者多个容纳腔共用一个抽放装置。

7.根据权利要求1所述的用于虚拟手术系统的手术人体触觉模拟装置，其特征在于，所述的抽放装置采用凝胶泵。

8.根据权利要求7所述的用于虚拟手术系统的手术人体触觉模拟装置，其特征在于，所述凝胶泵通过对应的软管和接头与每个容纳腔连接。

Images