專利名稱：虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于虛擬手術(shù)設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)的裝置。
背景技術(shù)：
虛擬手術(shù)，又稱手術(shù)仿真，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通 過計算機(jī)圖形學(xué)中的真實(shí)感繪制方法逼真地表現(xiàn)出人體器宮的解剖結(jié)構(gòu)、解剖位置、物理 特征以及生理特征，模擬手術(shù)過程中可能遇到的各種現(xiàn)象，為醫(yī)生提供一個虛擬的手術(shù)場 景，同時通過交互設(shè)備，使醫(yī)生能夠感知到與虛擬器官的交互并通過與虛擬人體器官進(jìn)行 交互來完成手術(shù)過程的模擬。虛擬手術(shù)系統(tǒng)可供醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)訓(xùn)練、手術(shù)計劃甚至輔助真 實(shí)的手術(shù)治療。關(guān)節(jié)鏡手術(shù)開始主要應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)，20世紀(jì)初起源于日本，20世紀(jì)70年代 后在美國等國家得到長足的發(fā)展。關(guān)節(jié)鏡手術(shù)器械價格昂貴，患者的手術(shù)需求較多，但是熟 練使用的醫(yī)生不多，主要是關(guān)節(jié)鏡手術(shù)有很多制約因素，如醫(yī)生的視野窄，手、眼的協(xié)作受 到限制，手術(shù)器械的活動范圍有限，手術(shù)操作難度高，不經(jīng)過長期訓(xùn)練以及經(jīng)驗(yàn)積累，醫(yī)生 難以勝任。而目前的方法是讓被訓(xùn)練者觀察有經(jīng)驗(yàn)的外科醫(yī)生的操作，以熟悉整個手術(shù)過 程，或用其他塑料仿制品代替，受訓(xùn)者無法感受到手術(shù)器械與組織之間正確的力的交互，這 樣正式手術(shù)時風(fēng)險很高。與快速發(fā)展的手術(shù)需求相比，缺乏熟練掌握關(guān)節(jié)鏡手術(shù)的醫(yī)生是 制約關(guān)節(jié)鏡手術(shù)普及發(fā)展的一個瓶頸。如何提供一種更好的方式對關(guān)節(jié)鏡手術(shù)操作人員進(jìn) 行訓(xùn)練與教育，以縮短知識獲取的時間和成本已經(jīng)成為本領(lǐng)域亟待解決的問題，基于虛擬 現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)節(jié)鏡手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)可以隨時隨地開展訓(xùn)練，使用成本很低，無疑對于手術(shù)技 術(shù)的發(fā)展與推廣具有很高的使用價值，但是當(dāng)前國內(nèi)的虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)的研究多處于軟 件開發(fā)階段，硬件交互設(shè)備的發(fā)展嚴(yán)重滯后，成為此關(guān)節(jié)鏡手術(shù)虛擬訓(xùn)練水平提高的一大 障礙。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述當(dāng)前關(guān)節(jié)鏡手術(shù)虛擬領(lǐng)域所遇到的問題，本發(fā)明提供一種虛擬膝關(guān)節(jié)鏡 手術(shù)裝置，其能根據(jù)使用者不同及其不同的操作習(xí)慣，靈活調(diào)整手術(shù)刀和內(nèi)窺鏡的位置和 角度，可以達(dá)到逼真模擬關(guān)節(jié)手術(shù)的效果，另外，此裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于操作和維修。本發(fā)明的技術(shù)方案為虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)裝置包括底座和安裝在所述底座上的兩 個操縱臂，所述操縱臂包括安裝在所述底座上的第一撐架、與所述第一撐架相連接的第二 撐架和連接在所述第二撐架端部的操縱頭，該操縱頭包括第一框架、套裝在第一框架外的 第二框架，第一框架及第二框架上裝設(shè)有沿X軸方向轉(zhuǎn)動的機(jī)構(gòu)、沿Y軸方向轉(zhuǎn)動的機(jī)構(gòu)及 沿Z軸方向轉(zhuǎn)動及直線運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，其中沿X軸方向轉(zhuǎn)動的機(jī)構(gòu)包括安裝在第一框架側(cè)壁上的第一角位移傳感器和通過 安裝在第一框架側(cè)壁上的第一連接導(dǎo)桿、第二連接導(dǎo)桿與第一框架相連接的固定塊，其中， 固定塊能以第一連接導(dǎo)桿和第二連接導(dǎo)桿為軸轉(zhuǎn)動；沿Y軸方向轉(zhuǎn)動的機(jī)構(gòu)包括安裝在第二框架側(cè)壁上的第三角位移傳感器和連接第一框架與第二框架的第三連接導(dǎo)桿與第四連接導(dǎo)桿，其中，第一框架相對第二框架能以 第三連接導(dǎo)桿和第四連接導(dǎo)桿為軸轉(zhuǎn)動；沿Z軸方向轉(zhuǎn)動及直線運(yùn)動的機(jī)構(gòu)包括有安裝在固定塊上的第二角位移傳感器 和直線位移傳感器，其中，第二角位移傳感器的測量端與直線位移傳感器的拉桿連接。所述兩個操縱臂可安裝在所述底座的同一側(cè)面上且相對所述底座的中心面對稱。所述第一撐架與所述第二撐架和所述底座均為可調(diào)節(jié)相對角度的連接，可通過螺 母固定。所述第三連接導(dǎo)桿和第四連接導(dǎo)桿是通過安裝在所述第二框架上的第一滾針軸 承和第二滾針軸承連接到所述第二框架上的，所述第一連接導(dǎo)桿和第二連接導(dǎo)桿是通過安 裝在所述第一框架上的第三滾針軸承和第四滾針軸承連接到所述第一框架上的。所述固定塊分為易于安裝更換所述第一連接導(dǎo)桿和第二連接導(dǎo)桿的上下兩部分。所述第一角位移傳感器和第三角位移傳感器分別與所述第一框架和第二框架之 間設(shè)有第一墊片和第二墊片。本發(fā)明能根據(jù)使用者的不同及其不同的操作習(xí)慣，靈活調(diào)整手術(shù)刀和內(nèi)窺鏡的位 置和角度，達(dá)到逼真模擬關(guān)節(jié)手術(shù)的效果，縮短了手術(shù)醫(yī)師的培訓(xùn)時間，節(jié)省了培訓(xùn)費(fèi)用， 另外，此裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于操作和維修。


圖1為本發(fā)明自由度分析示意圖2為本發(fā)明操縱頭裝配爆炸圖3為本發(fā)明外框架安裝傳感器示意圖4為本發(fā)明撐架與外框架安裝示意圖5為本發(fā)明內(nèi)框架安裝傳感器示意圖6為本發(fā)明內(nèi)框架安裝連接導(dǎo)桿示意圖
圖7為本發(fā)明緊固塊與傳感器安裝示意圖
圖8為本發(fā)明撐架與底座安裝示意圖9為本發(fā)明總體裝配圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。如圖2-9所示，虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)裝置包括底座36和安裝在所述底座36上的兩 個操縱臂100，所述操縱臂100包括安裝在所述底座36上的第一撐架26、與所述第一撐架 26相連接的第二撐架25和連接在所述第二撐架25端部的操縱頭101，該操縱頭101包括 第一框架15、套裝在第一框架15外的第二框架16，第一框架15及第二框架16上裝設(shè)有沿 X軸方向轉(zhuǎn)動的機(jī)構(gòu)、沿Y軸方向轉(zhuǎn)動的機(jī)構(gòu)及沿Z軸方向轉(zhuǎn)動及直線運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，其中沿X軸方向轉(zhuǎn)動的機(jī)構(gòu)包括安裝在第一框架15側(cè)壁上的第一角位移傳感器1和 通過安裝在第一框架15側(cè)壁上的第一連接導(dǎo)桿5、第二連接導(dǎo)桿13與第一框架15相連接 的固定塊10，其中，固定塊10能以第一連接導(dǎo)桿5和第二連接導(dǎo)桿13為軸轉(zhuǎn)動；沿Y軸方向轉(zhuǎn)動的機(jī)構(gòu)包括安裝在第二框架16側(cè)壁上的第三角位移傳感器21和連接第一框架15與第二框架16的第三連接導(dǎo)桿12與第四連接導(dǎo)桿17，其中，第一框架15 相對第二框架16能以第三連接導(dǎo)桿12和第四連接導(dǎo)桿17為軸轉(zhuǎn)動；沿Z軸方向轉(zhuǎn)動及直線運(yùn)動的機(jī)構(gòu)包括有安裝在固定塊10上的第二角位移傳感 器8和直線位移傳感器7，其中，第二角位移傳感器8的測量端與直線位移傳感器7的拉桿 連接。所述兩個操縱臂100可安裝在所述底座36的同一側(cè)面上且相對所述底座36的中 心面對稱。所述第一撐架26與所述第二撐架25和所述底座36均為可調(diào)節(jié)相對角度的連接， 并可通過螺母固定，此種設(shè)計使該裝置的使用更具靈活性。所述第三連接導(dǎo)桿12和第四連接導(dǎo)桿17是通過安裝在所述第二框架16上的第 一滾針軸承11和第二滾針軸承18連接到所述第二框架16上的，所述第一連接導(dǎo)桿5和第 二連接導(dǎo)桿13是通過安裝在所述第一框架15上的第三滾針軸承4和第四滾針軸承14連 接到所述第一框架15上的。滾針軸承能使模擬手術(shù)中的轉(zhuǎn)動更靈活、自由。所述固定塊10分為易于安裝更換所述第一連接導(dǎo)桿5和第二連接導(dǎo)桿13的上下 兩部分，通過四個內(nèi)六角螺釘6固定在四個M8螺紋孔34處實(shí)現(xiàn)裝配。第二角位移傳感器8通過與緊固塊10的中間孔33過盈配合安裝固定，其可采集 來自直線位移傳感器7的旋轉(zhuǎn)量。所述第一角位移傳感器1和第三角位移傳感器21分別與所述第一框架15和第二 框架16之間設(shè)有第一墊片3和第二墊片19，分別由開槽螺釘2通過第一 M5螺紋孔31安裝 和由開槽螺釘20通過第二 M5螺紋孔22安裝。其中，第一角位移傳感器1通過測量第一連 接導(dǎo)桿5的轉(zhuǎn)動量達(dá)到捕獲虛擬手術(shù)中一個自由度的目的，第三角位移傳感器21通過測量 第四連接導(dǎo)桿17的轉(zhuǎn)動量達(dá)到捕獲虛擬手術(shù)中另一個自由度的目的。本實(shí)施例中，第一連接導(dǎo)桿5和第二連接導(dǎo)桿13與緊固塊10的緊固孔35為過盈 配合連接，第三連接導(dǎo)桿12和第四連接導(dǎo)桿17與第一框架15的第一緊固孔39、第二緊固 孔40為過盈配合連接。把模擬手術(shù)操作中手術(shù)刀在創(chuàng)口上的動作分解為緊固塊10繞第一 連接導(dǎo)桿5和第二連接導(dǎo)桿13的轉(zhuǎn)動和第一框架15繞第三連接導(dǎo)桿12和第四連接導(dǎo)桿 17的轉(zhuǎn)動。第二撐架25由開槽螺釘9與第二框架16固定連接在一起可以一起旋轉(zhuǎn)。第二撐架25與第一撐架26通過螺柱28連接，螺柱28兩端設(shè)有第一六角螺母27 和第二六角螺母29，可使第二撐架25相對于第一撐架26容易的緊固或旋轉(zhuǎn)角度。內(nèi)六角螺釘6通過第一撐架26底部的通孔37與底座36上的螺紋孔38連接，通 過內(nèi)六角螺釘6的松緊可以實(shí)現(xiàn)第一撐架26相對于底座36的固定與轉(zhuǎn)動。本發(fā)明的工作原理如下如圖1所示，將膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)操作分解為四個自由度的 運(yùn)動繞X軸轉(zhuǎn)動、繞Y軸轉(zhuǎn)動、沿ζ軸運(yùn)動和Z軸自轉(zhuǎn)動。本發(fā)明裝置中第一連接導(dǎo)桿5 和第二連接導(dǎo)桿13的轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)手術(shù)操作中繞X軸轉(zhuǎn)動；第三連接導(dǎo)桿12和第四連接導(dǎo)桿 17的轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)手術(shù)操作中繞Y軸轉(zhuǎn)動；直線位移傳感器7根據(jù)其滑套50沿拉桿的直線位移 進(jìn)給捕獲手術(shù)操作中沿Z軸運(yùn)動信息；緊固塊10固定的角位移傳感器8捕獲Z軸自轉(zhuǎn)動信 息；用手旋轉(zhuǎn)直線位移傳感器7，角位移傳感器8和直線位移傳感器7是一起轉(zhuǎn)動的，這樣 就可以捕獲這個轉(zhuǎn)動的信息。本發(fā)明中第一連接導(dǎo)桿5和第二連接導(dǎo)桿13的轉(zhuǎn)動由角位移傳感器1捕獲；第三連接導(dǎo)桿12和第四連接導(dǎo)桿17的轉(zhuǎn)動由角位移傳感器(21)捕獲。
本發(fā)明能根據(jù)使用者的不同及其不同的操作習(xí)慣，靈活調(diào)整手術(shù)刀和內(nèi)窺鏡的位 置和角度，達(dá)到逼真模擬關(guān)節(jié)手術(shù)的效果，縮短了手術(shù)醫(yī)師的培訓(xùn)時間，節(jié)省了培訓(xùn)費(fèi)用， 另外，此裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于操作和維修。
權(quán)利要求
虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)裝置，包括底座(36)和安裝在所述底座(36)上的兩個操縱臂(100)，其特征在于所述操縱臂(100)包括安裝在所述底座(36)上的第一撐架(26)、與所述第一撐架(26)相連接的第二撐架(25)和連接在所述第二撐架(25)端部的操縱頭(101)，該操縱頭(101)包括第一框架(15)、套裝在第一框架(15)外側(cè)的第二框架(16)，第一框架(15)及第二框架(16)上裝設(shè)有沿X軸方向轉(zhuǎn)動的機(jī)構(gòu)、沿Y軸方向轉(zhuǎn)動的機(jī)構(gòu)及沿Z軸方向轉(zhuǎn)動及直線運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，其中沿X軸方向轉(zhuǎn)動的機(jī)構(gòu)包括安裝在第一框架(15)側(cè)壁上的第一角位移傳感器(1)和通過安裝在第一框架(15)側(cè)壁上的第一連接導(dǎo)桿(5)、第二連接導(dǎo)桿(13)與第一框架(15)相連接的固定塊(10)，其中，固定塊(10)能以第一連接導(dǎo)桿(5)和第二連接導(dǎo)桿(13)為軸轉(zhuǎn)動；沿Y軸方向轉(zhuǎn)動的機(jī)構(gòu)包括安裝在第二框架(16)側(cè)壁上的第三角位移傳感器(21)和連接第一框架(15)與第二框架(16)的第三連接導(dǎo)桿(12)與第四連接導(dǎo)桿(17)，其中，第一框架(15)相對第二框架(16)能以第三連接導(dǎo)桿(12)和第四連接導(dǎo)桿(17)為軸轉(zhuǎn)動；沿Z軸方向轉(zhuǎn)動及直線運(yùn)動的機(jī)構(gòu)包括有安裝在固定塊(10)上的第二角位移傳感器(8)和直線位移傳感器(7)，其中，第二角位移傳感器(8)的測量端與直線位移傳感器(7)的拉桿連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)裝置，其特征在于所述兩個操縱臂(100) 安裝在所述底座(36)的同一側(cè)面上且相對所述底座(36)的中心面對稱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)裝置，其特征在于所述第一撐架(26)與所 述第二撐架(25)和所述底座(36)均為可調(diào)節(jié)相對角度的連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)裝置，其特征在于所述第三連接導(dǎo)桿(12) 和第四連接導(dǎo)桿(17)是通過安裝在所述第二框架(16)上的第一滾針軸承(11)和第二滾 針軸承(18)連接到所述第二框架(16)上的，所述第一連接導(dǎo)桿(5)和第二連接導(dǎo)桿(13) 是通過安裝在所述第一框架(15)上的第三滾針軸承(4)和第四滾針軸承(14)連接到所述 第一框架(15)上的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)裝置，其特征在于所述固定塊(10)分為易 于安裝更換所述第一連接導(dǎo)桿(5)和第二連接導(dǎo)桿(13)的兩部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)裝置，其特征在于所述第一角位移傳感器 (1)和第三角位移傳感器(21)分別與所述第一框架(15)和第二框架(16)之間設(shè)有第一墊 片(3)和第二墊片(19)。
全文摘要
本發(fā)明提供的虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)裝置包括底座和兩個操縱臂，操縱臂包括安第一撐架、第二撐架和操縱頭，該操縱頭包括第一框架、第二框架、第一角位移傳感器、第二角位移傳感器、第三角位移傳感器、直線位移傳感器、固定塊、第一連接導(dǎo)桿、第二連接導(dǎo)桿、第三連接導(dǎo)桿和第四連接導(dǎo)桿，其中第一框架與第二框架通過所述第三連接導(dǎo)桿和第四連接導(dǎo)桿轉(zhuǎn)動連接，所述固定塊通過第一連接導(dǎo)桿和第二連接導(dǎo)桿與第一框架轉(zhuǎn)動連接，第二角位移傳感器安裝在固定塊上且其轉(zhuǎn)動端與所述直線位移傳感器的導(dǎo)軌連接。本發(fā)明能根據(jù)使用者的不同及其不同的操作習(xí)慣，靈活調(diào)整手術(shù)刀和內(nèi)窺鏡的位置和角度，達(dá)到逼真模擬關(guān)節(jié)手術(shù)的效果，縮短了手術(shù)醫(yī)師的培訓(xùn)時間。
文檔編號G09B23/28GK101950502SQ201010297250
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月28日
發(fā)明者何宇磊, 何漢武, 李晉芳, 雷鈞, 韓雙景 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)