用于虛擬手術(shù)訓(xùn)練實現(xiàn)人機(jī)交互的手術(shù)鉗接口裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了用于虛擬手術(shù)訓(xùn)練實現(xiàn)人機(jī)交互的手術(shù)鉗接口裝置，包括安裝底座（1）以及安裝底座（1）上設(shè)置的手術(shù)鉗裝置（6），其特征在于：所述安裝底座（1）上還設(shè)置有多個主/被動混合驅(qū)動器以及連桿機(jī)構(gòu)，手術(shù)鉗裝置（6）通過主/被動混合驅(qū)動器以及連桿機(jī)構(gòu)與安裝底座（1）連接，本發(fā)明利用主動驅(qū)動器補(bǔ)償被動力觸覺交互設(shè)備的非有益綜合阻尼力是一個較好的解決方案，而且有效地解決了被動力觸覺交互裝置無法模擬儲能元件問題。
【專利說明】用于虛擬手術(shù)訓(xùn)練實現(xiàn)人機(jī)交互的手術(shù)鉗接口裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及輔助醫(yī)療器械【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及用于虛擬手術(shù)訓(xùn)練實現(xiàn)人機(jī)交互的手術(shù)鉗接口裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的發(fā)展，人們對生命健康品質(zhì)的要求越來越高，世界各國對醫(yī)療技術(shù)特別是外科手術(shù)的安全性提出更高的要求，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，臨床手術(shù)的失誤80%是人為失誤引起的。美國一家醫(yī)療保健評級機(jī)構(gòu)HealthGrades開展了一項為期3年的調(diào)查，結(jié)果表明:在調(diào)查期間，共有23萬人死于手術(shù)失誤，所以手術(shù)訓(xùn)練對于年輕外科醫(yī)生的成長極為重要，然而傳統(tǒng)手術(shù)訓(xùn)練方式存在諸多問題，為了解決傳統(tǒng)手術(shù)訓(xùn)練方式的局限性，虛擬手術(shù)技術(shù)成為近年研究熱點之一。
[0003]傳統(tǒng)的手術(shù)訓(xùn)練依賴于活體動物、動物和人的尸體、病人、無機(jī)材料合成模型等，許多問題使手術(shù)訓(xùn)練面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，活體動物一般不能準(zhǔn)確反應(yīng)出人體解剖學(xué)特征，成本較高并受動物保護(hù)相關(guān)法律的制約；動物尸體較為便宜，仍然存在與人體的解剖學(xué)特征相差甚遠(yuǎn)的問題；人的尸體數(shù)量較少，與活體的器官組織具有不同的生理特征，不能產(chǎn)生流血、血壓等生理現(xiàn)象，并且具有不可重復(fù)性特點，還涉及到道德和倫理問題；在針對病人進(jìn)行手術(shù)訓(xùn)練時，不良的深度觸覺、有限的視覺區(qū)域和不當(dāng)?shù)氖盅蹍f(xié)調(diào)性很容易對病人產(chǎn)生傷害，存在著很大的危險性；無機(jī)材料合成模型的缺點較為明顯，包括存在生理特征重現(xiàn)性差和解剖學(xué)特征有限的變化性等問題。因此年輕外科醫(yī)生參與手術(shù)訓(xùn)練的機(jī)會和次數(shù)受到了很大的限制，而想要達(dá)到必須的技能水平需要長時間的學(xué)習(xí)和反復(fù)的訓(xùn)練，例如，一個醫(yī)生要想使鎖孔手術(shù)達(dá)到熟練的程度需要至少750次的手術(shù)過程訓(xùn)練。隨著機(jī)器人技術(shù)、計算機(jī)圖形學(xué)、生物工程學(xué)和數(shù)學(xué)建模技術(shù)的高速發(fā)展，基于虛擬現(xiàn)實的虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)為醫(yī)護(hù)人員的手術(shù)訓(xùn)練提供了機(jī)會，也為傳統(tǒng)手術(shù)訓(xùn)練所面臨的一系列問題提供了一種具有潛力的解決方案。虛擬手術(shù)訓(xùn)練過程中，醫(yī)生通過力觸覺設(shè)備對虛擬的器官進(jìn)行手術(shù)，感覺好像他們處在真實的環(huán)境當(dāng)中對真實的器官操作一樣，虛擬手術(shù)不僅可以毫無限制的重復(fù)操作，而且可以根據(jù)需要設(shè)置不同訓(xùn)練難度，讓不同級別的醫(yī)療人員反復(fù)訓(xùn)練，訓(xùn)練的結(jié)果也可以保存起來方便以后的學(xué)習(xí)，訓(xùn)練所花的成本也非常低。同時可以用來評估手術(shù)結(jié)果，包括完成手術(shù)時間、手術(shù)操作的精確度、動作的簡潔性、人為失誤的數(shù)量、手術(shù)路徑的長度、患者的安全性、受訓(xùn)者個人滿意程度等，通過這些基本參數(shù)的提高，可以保證手術(shù)成功和減低病人痛苦，提高手術(shù)成功率。虛擬手術(shù)中獲得的經(jīng)驗可以應(yīng)用于實際手術(shù)中，Reznick和MacRae的研究表明:通過虛擬手術(shù)訓(xùn)練的醫(yī)生在做解剖手術(shù)時其速度更快，失誤更少并且動作更簡潔性得分更高，根據(jù)Larsen和Soerensen等人的評估，從虛擬手術(shù)訓(xùn)練中獲得的經(jīng)驗可以直接用于手術(shù)室中，在初次手術(shù)中，經(jīng)過一定程度訓(xùn)練的醫(yī)生操作水平能夠達(dá)到經(jīng)過一年或更長時間臨床訓(xùn)練醫(yī)生的水準(zhǔn)。因為虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)提供了種既安全又節(jié)省的訓(xùn)練方案并被實踐證明行之有效，已得到世界各國越來越多的關(guān)注。
[0004]目前存在的用于虛擬手術(shù)訓(xùn)練實現(xiàn)人機(jī)交互的手術(shù)工具接口裝置中，不管是已商業(yè)化的力覺交互裝置，還是基于這些設(shè)備開發(fā)的力觸覺交互裝置，或是其它新開發(fā)的力觸覺交互裝置，大多數(shù)由電機(jī)驅(qū)動的主動力觸覺交互裝置，主動型力觸覺交互裝置用于虛擬手術(shù)訓(xùn)練時具有很大的靈活性，但存在著以下問題:
(1)穩(wěn)定性相對較差，這主要是由電機(jī)或其它主動驅(qū)動器自身固有的特性造成的；
(2)保真性相對較差，在模擬硬接觸如對牙齒或骨骼手術(shù)時電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)易產(chǎn)生振動，造成與真實環(huán)境手術(shù)相比，失真較大，在模擬人體肌體軟組織手術(shù)時，因為人體肌體組織特別是內(nèi)臟組織不是完全意義上的彈性體，在受壓、切割或針刺時是非線性的彈性形變，存在一定的粘滯性特征，因此利用主動交互設(shè)備對這些組織手術(shù)過程的模擬存在較大的失真；
(3)存在一定的危險性，盡管目前的虛擬手術(shù)訓(xùn)練交互裝置集成了許多冗余部件以確保整個系統(tǒng)操作的安全性，事實上這些冗余設(shè)計策略也大大地減少了手術(shù)事故的風(fēng)險性，但可能存在的系統(tǒng)失效會使患者受到傷害，導(dǎo)致系統(tǒng)失效的因素有電機(jī)、放大器、傳感器等故障，也有可能是復(fù)雜控制算法中存在的未被發(fā)覺的程序錯誤，另一方面電機(jī)的反沖力容易對操作者產(chǎn)生傷害；
(4)體積較大，研究表明，產(chǎn)生相同大小的力，主動驅(qū)動器的體積要比被動驅(qū)動器大得多，由此造成驅(qū)動機(jī)構(gòu)的慣量、摩擦力都比較大，也容易造成較大的失真；
(5)能耗較大，一個電機(jī)驅(qū)動的小型商業(yè)化力反饋操縱桿對操作者施加連續(xù)的力消耗功率達(dá)到10-30瓦，而一個臺式的力反饋設(shè)備消耗的能量將更多，因此需要配備外部電源適配器，使設(shè)備的便攜性大打折扣，這也是主動力覺交互設(shè)備設(shè)計中一個很大的問題。
[0005]被動式力交互裝置應(yīng)用于虛擬手術(shù)訓(xùn)練中能夠保持較好的穩(wěn)定性、安全性和較低的能耗，但因為反饋力的產(chǎn)生完全依賴于機(jī)械接觸，所以當(dāng)使用快速開關(guān)控制器控制時容易造成系統(tǒng)的振動，模擬肌體組織柔順性也存在很大難度。更有甚者，摩擦材料具有比較高的動摩擦系數(shù)，容易導(dǎo)致粘滑現(xiàn)象發(fā)生，這種現(xiàn)象能夠造成反饋力的不連續(xù)，使模擬過程出現(xiàn)失真。另外，被動力式觸覺交互設(shè)備也具有天生的缺點，即無法模擬儲能物體如彈性體。盡管磁流變液能夠較好的模擬粘滯性物體，但人的肌體組織同時具有彈性和粘滯性，利用被動驅(qū)動器設(shè)計的力觸覺交互設(shè)備存在一定的非有益綜合阻尼力，設(shè)備固有的不足使得這些非有益綜合阻尼力無法得到補(bǔ)償，因此無法模擬小于其非有益綜合阻尼力的力，如在模擬無約束空間運(yùn)動時產(chǎn)生失真。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種保真度高、能夠模擬手術(shù)過程中對肌體組織剪切、鉗夾等現(xiàn)象實現(xiàn)虛擬手術(shù)訓(xùn)練中人機(jī)交互的手術(shù)鉗接口裝置，本發(fā)明利用主動驅(qū)動器補(bǔ)償被動力觸覺交互設(shè)備的非有益綜合阻尼力是一個較好的解決方案，而且有效地解決了被動力觸覺交互裝置無法模擬儲能元件問題。
[0007]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
用于虛擬手術(shù)訓(xùn)練實現(xiàn)人機(jī)交互的手術(shù)鉗接口裝置，包括安裝底座(I)以及安裝底座(1)上設(shè)置的手術(shù)鉗裝置(6)，其特征在于:所述安裝底座(1)上還設(shè)置有多個主/被動混合驅(qū)動器以及連桿機(jī)構(gòu)，手術(shù)鉗裝置(6)通過主/被動混合驅(qū)動器以及連桿機(jī)構(gòu)與安裝底座(1)連接；所述主/被動混合驅(qū)動器包括第一主/被動混合驅(qū)動器(2)、第二主/被動混合驅(qū)動器
(3)；
所述連桿機(jī)構(gòu)包括第一連桿(4)、第二連桿(5)；
所述第一主/被動混合驅(qū)動器(2)、第二主/被動混合驅(qū)動器(3)均固定設(shè)置于安裝底座(I)的水平底面上，第一主/被動混合驅(qū)動器(2)通過輸出軸(7)上設(shè)置的軸承與第一連桿(4)的一端連接，第一連桿(4)的相對端通過萬向節(jié)與手術(shù)鉗裝置(6)的A手柄(61)連接，第二主/被動混合驅(qū)動器(3)通過輸出軸(8)上設(shè)置的軸承與第二連桿(5)的一端連接，第二連桿(5)的相對端通過萬向節(jié)與手術(shù)鉗裝置(6)的B手柄(62)連接；
所述第一主/被動混合驅(qū)動器(2)、第二主/被動混合驅(qū)動器(3)以及手術(shù)鉗裝置(6)通過控制器與虛擬手術(shù)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
[0008]本發(fā)明進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)方案是:
所述手術(shù)鉗裝置(6)包括手術(shù)鉗(64)及其A手柄(61)、B手柄(62)上設(shè)置的力傳感器
(63)。
[0009]本發(fā)明進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)方案是:
所述主/被動混合驅(qū)動器包括驅(qū)動電機(jī)(8)、減速器(9)、磁流電液阻尼器(10)以及角度傳感器(11)，驅(qū)動電機(jī)(8 )通過減速器(9 )與磁流變液阻尼器(10 )轉(zhuǎn)動連接，磁流變液阻尼器(10)設(shè)置有輸出軸(7)，角度傳感器(11)位于驅(qū)動電機(jī)(8)底部。
[0010]本發(fā)明進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)方案是:` 所述第一主/被動混合驅(qū)動器(2)與第二主/被動混合驅(qū)動器(3)輸出軸(7)的軸線位于同一垂直平面，且兩者軸線平行設(shè)置。
[0011]本發(fā)明專利與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下明顯優(yōu)點:
1、本發(fā)明采用基于新興的磁流變技術(shù)磁流電液阻尼器，磁流變液在磁場作用下產(chǎn)生磁流變效應(yīng)，使表征磁流變液流變特性的表觀粘度發(fā)生變化，能夠在瞬間從牛頓液體狀態(tài)變化為類固體狀態(tài)，并且該過程可逆，因此磁流變液在模擬肌體組織柔順性方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。磁流變液阻尼器不是機(jī)械直接接觸，而是利用流體傳遞力矩，因此更為穩(wěn)定和連續(xù)。
[0012]2、本發(fā)明磁流電液阻尼器能夠有效地模擬肌體組織的粘滯性特征，無法模擬肌體組織彈性的受力特征，因此采用電機(jī)與磁流變液阻尼器相結(jié)合，組成基于電機(jī)和磁流變液阻尼器相結(jié)合的主/被動混合驅(qū)動器，能夠?qū)崿F(xiàn)肌體組織彈性和粘滯性的模擬，不但如此，混合驅(qū)動器能夠?qū)崿F(xiàn)較大范圍和快速響應(yīng)的力反饋，使手術(shù)鉗接口裝置能夠高保真地模擬對人體不同肌體組織(從較硬的骨組織到較軟的腦組織)的剪切、鉗夾等過程。
[0013]3、本發(fā)明所采用手術(shù)鉗裝置能夠模擬手術(shù)鉗對肌體組織剪切、鉗夾，在其它運(yùn)動方向上不受力作用，使得手術(shù)過程模擬更具真實性。
[0014]4、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，整個裝置結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，機(jī)械加工精度要求也不高。
[0015]5、本發(fā)明整個裝置采用輕質(zhì)材料做成，使其轉(zhuǎn)動慣量小，磁流變液阻尼器和機(jī)械加工摩擦力等非有益綜合阻尼力可以通過電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償，從而使得手術(shù)鉗在自由狀態(tài)下阻尼力很小。
[0016]6、本發(fā)明控制簡單，電流信號與磁流變液阻尼器輸出力矩信號存在明確的函數(shù)關(guān)系，因此只需給阻尼器提供電流信號便可準(zhǔn)確地控制其動作?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的接口裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明主/被動混合驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意簡圖；
圖3為本發(fā)明系統(tǒng)原理圖。
【具體實施方式】
[0018]如圖1、2、3所示，本發(fā)明包括安裝底座I以及安裝底座I上設(shè)置的手術(shù)鉗裝置6，安裝底座I上還設(shè)置有多個主/被動混合驅(qū)動器以及連桿機(jī)構(gòu)，手術(shù)鉗裝置6通過主/被動混合驅(qū)動器以及連桿機(jī)構(gòu)與安裝底座I連接；手術(shù)鉗裝置6包括手術(shù)鉗64及其A手柄61、B手柄62上設(shè)置的力傳感器63 ;主/被動混合驅(qū)動器包括第一主/被動混合驅(qū)動器2、第二主/被動混合驅(qū)動器3 ;所述第一主/被動混合驅(qū)動器2與第二主/被動混合驅(qū)動器3輸出軸7的軸線位于同一垂直平面，且兩者軸線平行設(shè)置；主/被動混合驅(qū)動器包括驅(qū)動電機(jī)8、減速器9、磁流變液阻尼器10以及角度傳感器11，驅(qū)動電機(jī)8通過減速器9與磁流變液阻尼器10轉(zhuǎn)動連接，磁流變液阻尼器10設(shè)置有輸出軸7，角度傳感器11位于驅(qū)動電機(jī)8底部；連桿機(jī)構(gòu)包括第一連桿4、第二連桿5 ;第一主/被動混合驅(qū)動器2、第二主/被動混合驅(qū)動器3均固定設(shè)置于安裝底座I的水平底面上，第一主/被動混合驅(qū)動器2通過輸出軸8上設(shè)置的軸承與第一連桿4的一端連接，第一連桿4的相對端通過萬向節(jié)與手術(shù)鉗裝置6的A手柄61連接，第二主/被動混合驅(qū)動器3通過輸出軸8上設(shè)置的軸承與第二連桿5的一端連接，第二連桿5的相對端通過萬向節(jié)與手術(shù)鉗裝置6的B手柄62連接；第一主/被動混合驅(qū)動器2、第二主/被動混合驅(qū)動器3以及手術(shù)鉗裝置6通過控制器與虛擬手術(shù)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
[0019]結(jié)合附圖簡述本發(fā)明的工作原理:
本發(fā)明手術(shù)刀接口裝置結(jié)構(gòu)如圖1、2所示，訓(xùn)練者通過操作手術(shù)鉗柄控制虛擬手術(shù)環(huán)境下的手術(shù)鉗和患者進(jìn)行交互，手術(shù)鉗兩鉗口作張開或夾緊運(yùn)動時主/被動混合驅(qū)動器的角度傳感器測量手術(shù)鉗的鉗口張合角度和速度，控制虛擬手術(shù)鉗按相同的張合角度和速度在虛擬手術(shù)環(huán)境中運(yùn)動，當(dāng)虛擬手術(shù)鉗接觸患者的病灶處，將受到虛擬肌體組織的作用力，該力信號通過控制器傳遞到手術(shù)鉗接口裝置，控制手術(shù)鉗接口裝置的主/被動混合驅(qū)動器動作，在人的手部產(chǎn)生同樣大小的力，同時手術(shù)鉗64的A手柄61、B手柄62的力傳感器檢測到該力，并將該力與從虛擬環(huán)境傳遞回來的力相比較，如有偏差立即進(jìn)行調(diào)整，使得訓(xùn)練者手部受力能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地跟蹤虛擬手術(shù)鉗受力。手術(shù)鉗接口裝置的主/被動混合驅(qū)動器可以實現(xiàn)左右撥動肌體組織力的模擬，手術(shù)鉗接口裝置還可以實現(xiàn)對肌體組織剪切的模擬，可以用于手術(shù)剪人機(jī)交互接口裝置。因此，本發(fā)明用于虛擬手術(shù)訓(xùn)練實現(xiàn)人機(jī)交互的手術(shù)鉗接口裝置能夠?qū)崿F(xiàn)肌體組織的鉗夾、剪切和左右撥動等力的模擬，又因為采用基于電機(jī)和磁流變液阻尼器混合驅(qū)動的驅(qū)動器，使手術(shù)訓(xùn)練過程更具有真實性，為有效促進(jìn)年輕醫(yī)生手術(shù)技術(shù)的提高起著積極作用。
[0020]本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.用于虛擬手術(shù)訓(xùn)練實現(xiàn)人機(jī)交互的手術(shù)鉗接口裝置，包括安裝底座(I)以及安裝底座(I)上設(shè)置的手術(shù)鉗裝置(6)，其特征在于:所述安裝底座(I)上還設(shè)置有多個主/被動混合驅(qū)動器以及連桿機(jī)構(gòu)，手術(shù)鉗裝置(6)通過主/被動混合驅(qū)動器以及連桿機(jī)構(gòu)與安裝底座(I)連接； 所述主/被動混合驅(qū)動器包括第一主/被動混合驅(qū)動器(2)、第二主/被動混合驅(qū)動器(3)； 所述連桿機(jī)構(gòu)包括第一連桿(4)、第二連桿(5)； 所述第一主/被動混合驅(qū)動器(2)、第二主/被動混合驅(qū)動器(3)均固定設(shè)置于安裝底座(I)的水平底面上，第一主/被動混合驅(qū)動器(2)通過輸出軸(8)上設(shè)置的軸承與第一連桿(4)的一端連接，第一連桿(4)的相對端通過萬向節(jié)與手術(shù)鉗裝置(6)的A手柄(61)連接，第二主/被動混合驅(qū)動器(3)通過輸出軸(7)上設(shè)置的軸承與第二連桿(5)的一端連接，第二連桿(5)的相對端通過萬向節(jié)與手術(shù)鉗裝置(6)的B手柄(62)連接； 所述第一主/被動混合驅(qū)動器(2)、第二主/被動混合驅(qū)動器(3)以及手術(shù)鉗裝置(6)通過控制器與虛擬手術(shù)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于虛擬手術(shù)訓(xùn)練實現(xiàn)人機(jī)交互的手術(shù)鉗接口裝置，其特征在于:所述手術(shù)鉗裝置(6)包括手術(shù)鉗(64)及其A手柄(61)、B手柄(62)上設(shè)置的力傳感器(63)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于虛擬手術(shù)訓(xùn)練實現(xiàn)人機(jī)交互的手術(shù)鉗接口裝置，其特征在于:所述主/被動混合驅(qū)動器包括驅(qū)動電機(jī)(8)、減速器(9)、磁流變液阻尼器(10)以及角度傳感器(11)，驅(qū)動電機(jī)(8)通過減速器(9)與磁流電液阻尼器(10)轉(zhuǎn)動連接，磁流變液阻尼器(10)設(shè)置有輸出軸(7)，角度傳感器(11)位于驅(qū)動電機(jī)(8)底部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于虛擬手術(shù)訓(xùn)練實現(xiàn)人機(jī)交互的手術(shù)鉗接口裝置，其特征在于:所述第一主/被動混合驅(qū)動器(2)與第二主/被動混合驅(qū)動器(3)輸出軸(7)的軸線位于同一垂直平面，且兩者軸線平行設(shè)置。
【文檔編號】G09B23/28GK103473978SQ201310446216
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】戴金橋, 俞阿龍, 孫紅兵, 孫華軍, 姬保衛(wèi) 申請人:淮陰師范學(xué)院