一種具有柔和力反饋的內(nèi)窺鏡仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于在微創(chuàng)手術(shù)中用于仿真訓(xùn)練教學(xué)的一種具有柔和力反饋的內(nèi)窺 鏡仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，W腹腔鏡技術(shù)為代表的微創(chuàng)外科手術(shù)迅速興起，許多傳統(tǒng)手術(shù)都開始采 用微創(chuàng)外科技術(shù)。然而，微創(chuàng)手術(shù)受到視野視察范圍小、術(shù)者缺乏觸覺感覺、手術(shù)區(qū)域靈活 性小、人機(jī)協(xié)調(diào)困難等方面的限制。因此，要達(dá)到專業(yè)手術(shù)醫(yī)生的水平，較傳統(tǒng)手術(shù)而言需 要更長時(shí)間的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。同時(shí)，在傳統(tǒng)的手術(shù)訓(xùn)練中，實(shí)習(xí)醫(yī)生往往是在經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生 演示后對人造模型、尸體、動物等對象進(jìn)行練習(xí)。然而，人造模型真實(shí)感不夠，尸體資源有限 且昂貴，動物活體組織及結(jié)構(gòu)與人體差異較大。
[0003] 繼而就出現(xiàn)了W微創(chuàng)手術(shù)為藍(lán)本的模擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，大多數(shù)的仿真系統(tǒng)中仿真 度不高，一方面因?yàn)樘摂M模型不夠逼真，而另一方面在于模擬操作中力的反饋真實(shí)程度。因 為在微創(chuàng)手術(shù)過程中，醫(yī)生不僅僅是依靠視覺來判斷器械和人體腔體內(nèi)壁的相對位置W及 最適合的操作位置，而更多的時(shí)候是依靠手感來作為處理病灶點(diǎn)的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)。所W在 傳統(tǒng)的電機(jī)反饋中無法形象的模擬在真實(shí)人體中器械和腔體內(nèi)壁交設(shè)時(shí)所產(chǎn)生的柔體變 形的力點(diǎn)，使操作者失去對手感的培養(yǎng)，達(dá)不到模擬培訓(xùn)的效果。
[0004] 臨床手術(shù)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練在醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域一直是個(gè)難題，因?yàn)樵撽P(guān)系到人的生命安 全，在病人身上學(xué)習(xí)和訓(xùn)練是絕對不可能的。動物和尸體解剖固然能起到一定的練習(xí)作用， 但畢竟和真正的臨床手術(shù)有很大區(qū)別。因此，=維模擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生了。但傳 統(tǒng)的電機(jī)反饋中無法形象的模擬在真實(shí)人體中器械和腔體內(nèi)壁交設(shè)時(shí)所產(chǎn)生的柔體變形 的力點(diǎn)，使操作者失去對手感的培養(yǎng)，達(dá)不到模擬培訓(xùn)的效果。本實(shí)用新型利用專口設(shè)計(jì)的 硬件結(jié)構(gòu)，將仿真手術(shù)器械、傳感器和力反饋結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合起來，達(dá)到仿真模擬各種臨床手 術(shù)的模擬和訓(xùn)練效果的系統(tǒng)。
[0005] 本申請人曾于2013. 11. 27公開了一份專利號為化201320068523. 0的實(shí)用新型專 利，名為"一種力反饋內(nèi)窺鏡手術(shù)訓(xùn)練裝置"，其方案采用了一種磁性力反饋控制裝置，通過 驅(qū)動電路使力反饋線圈通電產(chǎn)生電流一定的電場，進(jìn)而產(chǎn)生一與真實(shí)腔體內(nèi)壁觸感相似的 磁場，從而使得醫(yī)務(wù)訓(xùn)練者在學(xué)習(xí)過程中真正體驗(yàn)到手術(shù)過程的真實(shí)手感。但在實(shí)際使用 時(shí)，發(fā)現(xiàn)該訓(xùn)練裝置存在失真問題，需要操作桿通過接觸腔體內(nèi)壁模型后才能激發(fā)力反饋， 有一定滯后性，使得手柄運(yùn)動過程缺乏真實(shí)感，同時(shí)手柄運(yùn)動過程不能全程監(jiān)控，手柄圖像 會產(chǎn)生跳動、竄動等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了訓(xùn)練效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本實(shí)用新型提供一種具有柔和力反饋的內(nèi)窺鏡仿真 訓(xùn)練系統(tǒng)，W解決現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題。本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是：一種具有柔 和力反饋的內(nèi)窺鏡仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：
[0007] 一立體轉(zhuǎn)動操作臺，所述的立體轉(zhuǎn)動操作臺由一垂直轉(zhuǎn)動支架和一水平轉(zhuǎn)動支架 組成，其中，所述水平轉(zhuǎn)動支架包括底座、轉(zhuǎn)動臺和兩塊夾板組成，所述底座中間設(shè)有立軸， 所述轉(zhuǎn)動臺設(shè)有一中屯、孔，孔內(nèi)設(shè)有軸承，所述轉(zhuǎn)動臺套裝在于所述立軸，所述立軸上端穿 過所述轉(zhuǎn)動臺中屯、孔與固定于所述轉(zhuǎn)動臺上端面的水平方向圓光柵旋轉(zhuǎn)編碼器聯(lián)接；所述 垂直轉(zhuǎn)動支架包括一手術(shù)器械固定板和U形支架，所述手術(shù)器械固定板兩側(cè)各設(shè)有一根橫 軸，分別插入所述U形支架兩側(cè)立板上的通孔中，所述U形支架底部通過兩塊所述夾板與所 述轉(zhuǎn)動臺固定為一體，兩塊所述夾板之間通過螺栓連接；所述手術(shù)器械固定板的一根橫軸 外端與設(shè)置于所述U形支架的一側(cè)的上下方向光柵編碼器固接，所述手術(shù)器械固定板的另 一根橫軸外端與固定在所述U形支架另一側(cè)的上下方向電磁剎車器固接；
[000引一固定于該立體轉(zhuǎn)動操作臺上的仿真內(nèi)窺鏡手術(shù)器械，包括操作手柄和與之連接 的操縱桿，所述操縱桿外部套裝有一直線軸承，所述直線軸承固定于所述手術(shù)器械固定板 的上端；所述操縱桿的外圓面設(shè)有齒條，所述直線軸承底部中間開有一缺口，缺口內(nèi)裝有一 直齒輪，該直齒輪與所述操縱桿的外圓面齒條曬合；所述直齒輪同軸裝有上圓錐齒輪和前 后方向圓光柵旋轉(zhuǎn)編碼器，二者分別位于所述直線軸承的兩側(cè)；該上圓錐齒輪與下圓錐齒 輪曬合；所述下圓錐齒輪固定于一根磁性軸端部，該磁性軸下端與一固定于所述手術(shù)器 械固定板上的永磁鐵固定圓筒活動聯(lián)接，所述永磁鐵固定圓筒底部通過螺絲與前后方向電 磁剎車器固定聯(lián)接；所述永磁鐵固定圓筒內(nèi)腔中開有=個(gè)大體排列成一直線的盲孔，所述 磁性軸下部安裝于中屯、盲孔中，可在該中屯、盲孔中自由轉(zhuǎn)動；所述中屯、盲孔兩側(cè)盲孔中均 固定有永磁體，所述永磁體的磁極與所述磁性軸的磁極異性相對，通過磁力將所述永磁鐵 固定圓筒吸附于所述磁性軸上，所述永磁鐵固定圓筒兩端通過軸承座定位，可隨所述磁性 軸一起轉(zhuǎn)動；
[0009] 所述磁性軸與所述永磁鐵固定圓筒依靠磁力吸附在一起，在不滿足產(chǎn)生力反饋的 條件時(shí)，永磁鐵固定圓筒與前后方向電磁剎車器的轉(zhuǎn)子隨磁性軸同步轉(zhuǎn)動，前后方向電磁 剎車器的定子固定在手術(shù)器械固定板上的安裝座上；一旦遇到滿足力反饋的條件（即需要 發(fā)生力反饋）時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)會將電信號傳遞給前后方向電磁剎車器，電磁剎車器一般采 用電磁粉末剎車器，激磁線圈通電時(shí)形成磁場，磁粉在磁場作用下磁化，形成磁粉鏈，并在 固定的導(dǎo)磁體與轉(zhuǎn)子間聚合，靠磁粉的結(jié)合力和摩擦力實(shí)現(xiàn)制動。激磁電流消失時(shí)磁粉處 于自由松散狀態(tài)，制動作用解除。該種剎車器體積小，重量輕，激磁功率小，而且制動力矩 與轉(zhuǎn)動件轉(zhuǎn)速無關(guān)，便于自動控制，適用于各種機(jī)器的驅(qū)動系統(tǒng)。前后方向電磁剎車器鎖死 后停止旋轉(zhuǎn)，所述永磁鐵固定圓筒也被鎖死，該樣本來同步旋轉(zhuǎn)的磁性軸就會與兩側(cè)的永 磁體發(fā)生相對運(yùn)動，手柄端就會感覺到磁性軸傳遞過來的因磁極分離而產(chǎn)生的吸力，從而 達(dá)到柔和力反饋的作用，手柄停止操作后，所述磁性軸在兩側(cè)的永磁體吸引下自動復(fù)位。
[0010] 一磁性力反饋控制裝置，包括單片機(jī)系統(tǒng)，所述單片機(jī)系統(tǒng)的信號輸入端分別與 所述上下方向光柵編碼器、前后方向光柵編碼盤W及水平方向光柵編碼器的信號輸出端連 接，用于接收=個(gè)所述光柵編碼盤發(fā)出的旋轉(zhuǎn)參數(shù)；所述單片機(jī)系統(tǒng)的信號輸出端分別與 所述前后方向電磁剎車器、上下方向電磁剎車器的控制端連接，用于控制兩個(gè)所述電磁剎 車器的狀態(tài)切換。
[0011] 操縱桿外圓面設(shè)計(jì)成齒條形式，在直線軸承的支承下自由的做往復(fù)直線運(yùn)動，操 縱桿的齒條與直齒輪曬合，該使得手柄的直線運(yùn)動被轉(zhuǎn)換成圓周運(yùn)動，與直齒輪同軸安裝 的前后方向圓光柵旋轉(zhuǎn)編碼器就可w通過讀取直齒輪圓周運(yùn)動的參數(shù)，獲得器械手柄的伸 縮運(yùn)動參數(shù)。同時(shí)，上下方向光柵編碼器可獲取手術(shù)器械固定板的前后運(yùn)行參數(shù)，水平方 向光柵編碼器可獲取手術(shù)器械固定板的水平旋轉(zhuǎn)參數(shù)，手柄在=個(gè)自由度的運(yùn)動參數(shù)均通 過上述=個(gè)編碼器反饋給單片機(jī)，單片機(jī)將手柄位置參數(shù)代入手術(shù)模擬場景，并在顯示屏 上顯示出手柄在虛擬人體模型內(nèi)運(yùn)動，當(dāng)手柄位置參數(shù)錯(cuò)誤，接觸到虛擬的人體部位，單片 機(jī)即發(fā)出控制信號，控制相應(yīng)的電磁剎車器剎車，使手柄產(chǎn)生力反饋。上述=個(gè)光柵編碼盤 采用的光柵盤均為在圓周上等分為1000個(gè)單位，精度完全可W滿足仿真夾錯(cuò)的位移檢測 需要。
[0012] 有