本發(fā)明涉及一種虛擬血管造影手術力反饋注射器裝置，屬于力反饋、虛擬手術領域。

背景技術：

心血管疾病目前是世界上死亡人數(shù)第一的疾病，其中動脈粥樣硬化是心血管疾病中最常見且危害較大的一種疾病。微創(chuàng)介入手術是現(xiàn)代醫(yī)學手術的一個巨大突破，其能夠有效的治療各類心血管疾病并且具有出血少、創(chuàng)傷低、恢復快、并發(fā)癥少等優(yōu)點。其中血管造影術是微創(chuàng)介入手術中一個非常重要的部分，手術通過注射器將造影劑通過導管注射到病變位置并在x-ray下進行顯影，這樣醫(yī)生就可以清晰的看到血管病變處的血管結構和病變位置以便對病變血管進行診斷和治療。但是，這個手術是一個非常復雜且精細的過程，需要長時間的訓練才能熟悉手術的整個操作過程，并且采用傳統(tǒng)的在病人身上進行訓練的方式具有較大的風險。因此采用虛擬現(xiàn)實技術對血管造影術進行訓練是一個便捷且有效的手段，手術中造影劑的注射是造影過程的起始，造影劑注射劑量、速度的大小決定了之后的造影圖像的結果，同時注射器注射造影劑的力觸覺是醫(yī)生訓練注射手感的決定性因素。

經對現(xiàn)有技術的檢索發(fā)現(xiàn)有研究者提出了相關的虛擬血管造影劑注射訓練設備，y.wang在“simulationofbloodflowandcontrastmediumpropagationforavascularinterventionalradiologysimulator”（master’sthesis,departmentofcomputing:imperialcollegelondon,2009）一文中描述了一個造影注射器，其中在注射器設計以恒定的速度進行造影劑的注射，并且沒有考慮注射過程的力觸覺對手術真實感的影響。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于以上已有的虛擬血管造影手術注射器設備的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種虛擬血管造影手術力反饋注射器裝置，為虛擬血管造影手術訓練提供逼真訓練環(huán)境以及力觸覺效果，能夠實時的得到造影劑注射的狀態(tài)以及注射器逼真的注射手感。

為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

一種虛擬血管造影手術力反饋注射器裝置，包括注射器力反饋機構、電源模塊、微處理單元、步進電機驅動器，所述注射器力反饋機構連接微處理單元和步進電機驅動器，所述步進電機驅動器通過電源模塊中的電平轉換模塊連接微處理單元；所述微處理單元從注射器力反饋機構中的空氣壓強傳感器和滑動電位器獲取數(shù)據，并發(fā)送脈沖控制信號給步進電機驅動器；所述步進電機驅動器將微處理單元產生的脈沖信號，轉換成步進電機的工作的驅動信號，用于驅動步進電機運作。

所述注射器力反饋機構主要包括步進電機，梯形絲杠，氣缸，空氣壓強傳感器，注射器，滑動電位器；所述步進電機的步進電機同步輪與螺母同步輪通過同步帶進行同步的運轉，其中螺母同步輪與螺母通過頂絲相互固定；通過約束支架一和約束支架二使螺母在固定位置進行旋轉，通過軸承一和軸承二對梯形絲杠進行支撐，梯形絲杠一端通過聯(lián)軸器與氣缸活塞桿固定連接，另一端固定方形板來防止梯形絲杠旋轉，保證梯形絲杠只進行水平移動，這樣使得梯形絲杠的水平移動帶動氣缸活塞桿進行水平移動，對氣缸與注射器連接形成整體的內部氣體體積進行壓縮或拉伸；所述氣缸通過氣閥依次與軟管一、空氣壓強傳感器、軟管二進行連接，注射器的注射口與軟管二密封連接，以上結構形成的整體的內部氣壓通過氣缸活塞桿進行控制，通過氣缸活塞桿的移動來模擬形成近似血壓的氣壓狀態(tài)產生對注射器活塞推進時的阻力，即為人手感知到的反饋力；其中，氣缸支架一，氣缸支架二為氣缸的支撐架，使氣缸活塞桿一端與梯形絲杠水平對齊；注射器支架一，注射器支架二為注射器的支撐架，使注射器的注射口與氣閥對齊連接；滑動電位器移動頭與注射器活塞固定連接，即注射器活塞移動距離與滑動電位器移動頭的移動距離同步且相等，所述滑動電位器移動頭移動的距離與滑動電位器兩端產生的電壓具有映射關系，通過實時獲取滑動電位器的電壓值的變化來得到注射器注射的速度以及注射劑量。

所述注射器為醫(yī)用血管造影手術中專用的造影劑注射器；所述步進電機為二相四線型的步進電機；所述空氣壓強傳感器為測量氣缸與注射器連接形成整體的內部氣壓值。

所述電源模塊包括直流電源、壓降模塊、電平轉換模塊，其中：所述直流電源為整個力反饋注射器裝置進行供電的24v直流電源；所述壓降模塊是將直流電源供電電壓轉換為5v和3.3v；所述電平轉換模塊是將微處理單元產生的3.3v脈沖轉換為5v脈沖。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下顯而易見的突出實質特點和顯著性技術進步：

1）通過氣缸模擬血管內部血壓來產生對注射器的活塞推進時的阻力，從而讓訓練醫(yī)生在訓練過程中能夠真實的感覺造影劑注射過程中的力反饋。

2）通過將滑動電位器的移動頭與注射器的活塞固定連接，并實時獲取電位器的電壓值的變化來得到注射器注射的速度以及注射劑量。

3）本發(fā)明用于模擬血管造影手術中造影劑注射過程中的注射狀態(tài)和力覺感，解決了虛擬造影手術中血管造影過程中視覺和力覺協(xié)調的難題，手術精確度高，重復性好，可以縮短醫(yī)生的培養(yǎng)周期，降低手術風險。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的裝置結構示意圖。

圖2為本發(fā)明的注射器力反饋機構機械示例圖。

圖3為本發(fā)明的步進電機及梯形絲杠處結構示例圖。

圖4為本發(fā)明的氣缸及注射器處結構示例圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

如圖1所示，一種虛擬血管造影手術力反饋注射器裝置，包括注射器力反饋機構、電源模塊、微處理單元、步進電機驅動器，所述注射器力反饋機構連接微處理單元和步進電機驅動器，所述步進電機驅動器通過電源模塊中的電平轉換模塊連接微處理單元；所述微處理單元從注射器力反饋機構中的空氣壓強傳感器和滑動電位器獲取數(shù)據，并發(fā)送脈沖控制信號給步進電機驅動器；所述步進電機驅動器將微處理單元產生的脈沖信號，轉換成步進電機的工作的驅動信號，用于驅動步進電機運作。

如圖2至圖4所示，所述注射器力反饋機構主要包括步進電機101，梯形絲杠201，氣缸301，空氣壓強傳感器401，注射器501，滑動電位器601；所述步進電機101的步進電機同步輪102與螺母同步輪202通過同步帶103進行同步的運轉，其中螺母同步輪202與螺母203通過頂絲相互固定；通過約束支架一204和約束支架二205使螺母203在固定位置進行旋轉，通過軸承一206和軸承二207對梯形絲杠201進行支撐，梯形絲杠201一端通過聯(lián)軸器209與氣缸活塞桿302固定連接，另一端固定方形板208來防止梯形絲杠201旋轉，保證梯形絲杠201只進行水平移動，這樣使得梯形絲杠201的水平移動帶動氣缸活塞桿302進行水平移動，對氣缸301與注射器501連接形成整體的內部氣體體積進行壓縮或拉伸；所述氣缸301通過氣閥303依次與軟管一402、空氣壓強傳感器401、軟管二403進行連接，注射器501的注射口與軟管二403密封連接，以上結構形成的整體的內部氣壓通過氣缸活塞桿302進行控制，通過氣缸活塞桿302的移動來模擬形成近似血壓的氣壓狀態(tài)產生對注射器活塞504推進時的阻力，即為人手感知到的反饋力；其中，氣缸支架一304，氣缸支架二305為氣缸301的支撐架，使氣缸活塞桿302一端與梯形絲杠201水平對齊；注射器支架一502，注射器支架二503為注射器501的支撐架，使注射器501的注射口與氣閥303對齊連接；滑動電位器移動頭602與注射器活塞504固定連接，即注射器活塞504移動距離與滑動電位器移動頭602的移動距離同步且相等，所述滑動電位器移動頭602移動的距離與滑動電位器601兩端產生的電壓具有映射關系，通過實時獲取滑動電位器601的電壓值的變化來得到注射器501注射的速度以及注射劑量。

所述注射器501為醫(yī)用血管造影手術中專用的造影劑注射器；所述步進電機101為二相四線型的步進電機；所述空氣壓強傳感器401為測量氣缸301與注射器501連接形成整體的內部氣壓值。

所述電源模塊包括直流電源、壓降模塊、電平轉換模塊，其中：所述直流電源為整個力反饋注射器裝置進行供電的24v直流電源；所述壓降模塊是將直流電源供電電壓轉換為5v和3.3v；所述電平轉換模塊是將微處理單元產生的3.3v脈沖轉換為5v脈沖。

本發(fā)明的工作過程如下：

進行心血管造影手術時，訓練人員通過推動注射器活塞504來完成造影劑的注射，通過注射器活塞504與滑動電位器移動頭602固定連接即可得到電位器的電壓值，微處理單元分別通過滑動電位器601和空氣壓強傳感器401得到注射器501注射的劑量以及氣缸301與注射器501連接形成整體的內部氣壓值，并發(fā)送控制信息給步進電機驅動器，步進電機驅動器通過給定的控制信息來控制步進電機101的運動，梯形絲杠201將步進電機101的旋轉位移轉化為直線位移，梯形絲杠201的移動帶動氣缸活塞桿302進行移動來控制氣缸301與注射器501連接形成整體的內部氣壓，通過模擬形成近似血壓的氣壓狀態(tài)來產生對注射器活塞504推進時的阻力，即為人手感知到的反饋力。

本發(fā)明用于模擬虛擬血管造影手術中造影劑的注射過程中的注射狀態(tài)和力覺感，解決了虛擬造影手術中血管造影過程中視覺和力覺協(xié)調的難題，手術精確度高，重復性好，可以縮短醫(yī)生的培養(yǎng)周期，降低手術風險。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質內容。