專利名稱：一種多傳感器信息驅動的微創手術訓練裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于虛擬手術設備領域，尤其涉及一種虛擬膝關節鏡手術的裝置。
背景技術：
虛擬手術，又稱手術仿真，是虛擬現實技術在醫學領域中的應用。虛擬現實技術通過計算機圖形學中的真實感繪制方法逼真地表現出人體器宮的解剖結構、解剖位置、物理特征以及生理特征，模擬手術過程中可能遇到的各種現象，為醫生提供一個虛擬的手術場景，同時通過交互設備，使醫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行交互來完成手術過程的模擬。虛擬手術系統可供醫生進行手術訓練、手術計劃甚至輔助真實的手術治療。關節鏡手術開始主要應用于膝關節，20世紀初起源于日本，20世紀70年代 后在美國等國家得到長足的發展。關節鏡手術器械價格昂貴，患者的手術需求較多，但是熟練使用的醫生不多，主要是關節鏡手術有很多制約因素，如醫生的視野窄，手、眼的協作受到限制，手術器械的活動范圍有限，手術操作難度高，不經過長期訓練以及經驗積累，醫生難以勝任。而目前的方法是讓被訓練者觀察有經驗的外科醫生的操作，以熟悉整個手術過程，或用其他塑料仿制品代替，受訓者無法感受到手術器械與組織之間正確的力的交互，這樣正式手術時風險很高。與快速發展的手術需求相比，缺乏熟練掌握關節鏡手術的醫生是制約關節鏡手術普及發展的一個瓶頸。如何提供一種更好的方式對關節鏡手術操作人員進行訓練與教育，以縮短知識獲取的時間和成本已經成為本領域亟待解決的問題，基于虛擬現實技術的關節鏡手術訓練系統可以隨時隨地開展訓練，使用成本很低，無疑對于手術技術的發展與推廣具有很高的使用價值，但是當前國內的虛擬膝關節鏡手術的研究多處于軟件開發階段，硬件交互設備的發展嚴重滯后，成為此關節鏡手術虛擬訓練水平提高的一大障礙。

發明內容
針對上述當前關節鏡手術虛擬領域所遇到的問題，本發明提供一種能根據使用者不同及能根據不同操作人員的操作習慣，靈活調整手術刀和內窺鏡的位置和角度，可以達到逼真模擬關節手術的效果的多傳感器信息驅動的微創手術訓練裝置。本發明結構簡單，易于操作和維修。本發明的技術方案為本發明的多傳感器信息驅動的微創手術訓練裝置，包括底座和安裝在所述底座上的兩個操縱臂，操縱臂包括有第一撐架、第二撐架及操縱頭，第一撐架安裝在底座的上端，第二撐架與第一撐架連接，操縱頭連接在第二撐架的端部，操縱頭包括有第一框架及套裝在第一框架外側的第二框架，第一框架及第二框架上裝設有沿X軸方向轉動的機構、沿Y軸方向轉動的機構及沿Z軸方向轉動及直線運動的機構，其中
沿X軸方向轉動的機構包括第一角位移傳感器、第一連接導桿及固定塊,第一角位移傳感器安裝在第一框架的其中一側壁所設的安裝孔上，且第一角位移傳感器的轉動端置于固定塊所設的軸孔上，第一連接導桿裝設在第一框架的另一側壁上，且第一連接導桿的兩端分別與固定塊及第一框架相連接，固定塊能以第一角位移傳感器的轉動端和第一連接導桿為軸進行轉動；
沿Y軸方向轉動的機構包括第二角位移傳感器及第二連接導桿，其中第二角位移傳感器安裝在第二框架的其中一側壁上，且第二角位移傳感器的轉動端置于第一框架所設的軸孔上，第二連接導桿裝設在連接在第二框架的另一側壁上，且第二連接導桿的兩端分別與第一框架與第二框架連接，第一框架相對第二框架能以第二角位移傳感器的轉動端和第二連接導桿為軸進行轉動；
沿Z軸方向轉動及直線運動的機構包括有安裝在固定塊上的第三角位移傳感器和直線位移傳感器，第三角位移傳感器的轉動端及直線位移傳感器的拉桿通過角套筒與直線軸套連接，直線軸套與第三角位移傳感器的轉動端連接。 上述直線軸套的突出塊與第三角位移傳感器的轉動端所設的凹槽連接，第三角位移傳感器置于固定塊所設的圓形孔上。上述第一角位移傳感器的轉動端與固定塊所設的軸孔過盈配合；第二角位移傳感器的轉動端與第一框架所設的軸孔過盈配合；第三角位移傳感器與固定塊所設的圓形孔過盈配合。上述底座的上端為槽型鋼板，下端為圓形鐵塊，兩個操縱臂安裝在槽型鋼板的兩壁面上，且相對所述底座的中心面對稱，圓形鐵塊通過槽鋼與槽型鋼板連接，并支撐上層結構。上述第一撐架與所述第二撐架和所述底座均為螺栓控制的可調節相對角度連接。上述第二框架上裝設有第一滾針軸承，第一連接導桿支承在第二框架上裝設的第一滾針軸承上；第一框架上裝設有第二滾針軸承，第二框架上裝設有第三滾針軸承，第二連接導桿的兩端分別支承在第一框架上裝設的第二滾針軸承上及支承在第二框架上所設的第三滾針軸承上。上述直線位移傳感器的兩側對稱設有第一直線導桿及第二直線導桿，固定塊上設有用來引導第一直線導桿及第二直線導桿的轉動軌跡的引導槽。上述直線位移傳感器上的拉桿與直線軸套通過螺紋孔連接，直線軸套置于角套筒內，并且直線軸套上所設的凸塊與第三角位移傳感器的轉動端所設的凹槽在角套筒內連接，角套筒與第三角位移傳感器通過螺紋連接。上述第一導位桿通過手握夾緊片的第一通孔、直線軸套的第三通孔與固定塊的凹形槽連接，第二導位桿通過手握夾緊片的第二通孔、直線軸套的第四通孔與固定塊的凹形槽連接。上述手握夾緊片中間開有用于置放直線位移傳感器的圓形孔，且手握夾緊片通過所設的緊固孔夾緊直線位移傳感器，使手握夾緊片與直線位移傳感器連為一體；上述第二框架通過螺紋孔與第二撐架連接，第二撐架通過下端通孔與第一撐架所設的螺紋孔連接；第一撐架通過所設的螺紋孔與底座的槽型鋼板(102)所設的螺紋孔連接。本發明能根據使用者的不同及根據不同操作人員的操作習慣，靈活調整手術刀和內窺鏡的位置和角度，達到逼真模擬關節手術的效果，縮短了手術醫師的培訓時間，節省了培訓費用，另外，本發明結構簡單，采用模塊化裝配設計的結構思想，易于操作和維修。


圖I為本發明自由度分析示意 圖2為本發明操縱頭裝配爆炸 圖3為本發明第二框架安裝傳感器的示意 圖4為本發明第二框架安裝傳感器的示意 圖5為本發明第一框架安裝傳感器示意 圖6為本發明第一導位桿及第二導位桿的安裝示意 圖7為本發明緊固塊與傳感器安裝示意 圖8為本發明第一撐架與底座的安裝示意圖；
圖9為操縱頭結構的局部放大 圖10為本發明總體裝配圖。
具體實施例方式 下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步的說明。如圖2-9所示，一種多傳感器信息驅動的微創手術訓練裝置，包括底座40和安裝在所述底座40上的兩個操縱臂100，其特征在于所述底座40上端為槽型鋼板，下端為圓形鐵塊。所述操縱臂100包括安裝在所述底座40槽型鋼板上的第一撐架37、與所述第一撐架37相連接的第二撐架34和連接在所述第二撐架34端部的操縱頭101，該操縱頭101包括第一框架12、套裝在第一框架12外側的第二框架17，第一框架12及第二框架17上裝設有沿X軸方向轉動的機構、沿Y軸方向轉動的機構及沿Z軸方向轉動及直線運動的機構，其中
沿X軸方向轉動的機構包括安裝在第一框架12側壁上的第一角位移傳感器I和通過第一角位移傳感器I的轉動端、第一連接導桿11與第一框架12相連接的固定塊8，其中，固定塊8能以第一角位移傳感器I的轉動端和第一連接導桿11為軸轉動；第一角位移傳感器I用于捕獲此自由度的轉動量信息。沿Y軸方向轉動的機構包括安裝在第二框架17側壁上的第二角位移傳感器2和連接第一框架12與第二框架17的第二連接導桿15，其中，第一框架12相對第二框架17能以第二角位移傳感器2的轉動端和第二連接導桿15為軸轉動；第二角位移傳感器2用于捕獲此自由度的轉動量信息。沿Z軸方向轉動及直線運動的機構包括有安裝在固定塊8上的第三角位移傳感器6和直線位移傳感器24。其中，第三角位移傳感器6的轉動端與直線位移傳感器24的拉桿通過角套筒7直線軸套19連接。直線軸套19的突出塊與第三角位移傳感器6的轉動端凹槽連接。本實施例中，所述兩個操縱臂100安裝在所述底座40上端的槽型鋼板102的兩壁面上且相對所述底座40的中心面對稱。圓形鐵塊103、槽鋼和槽型鋼板102焊接在一起，并通過MlO X I. 0螺紋孔支撐上層結構。本實施例中，所述第一撐架37與所述第二撐架34和所述底座40均為螺栓控制的可調節相對角度連接。選用六角螺栓作為控制螺栓，六角螺栓為國標通用件，符合模塊化設計思想。本實施例中，所述第一連接導桿11和是通過安裝在所述第二框架12上的第一滾針軸承11連接到所述第二框架12上的；所述第二連接導桿15是通過安裝在所述第一框架12上的第二滾針軸承14和第三滾針軸承16連接到所述第二框架17上的。滾針軸承內徑為6外徑為10，屬于國家標準通用件。本實施例中，所述固定塊8中間開有圓形孔和圈形槽。圓形孔用來置放第三角位移傳感器6，第三角位移傳感器6通過過盈配合與圓形孔配合。圈形槽用來引導第一導位桿21及第二導位桿27的轉動軌跡，第一導位桿21及第二導位桿27可以輔助手握夾緊片22旋轉直線位移傳感器24。本實施例中，所述直線位移傳感器24的拉桿與直線軸套19中心線上的M4螺紋孔28連接。直線軸套19可以至于角套筒7內，并且直線軸套19的凸塊與第三角位移傳感器6的轉動端凹槽在角套筒7內連接。角套筒7與第三角位移傳感器6螺紋連接。連接后的角套筒7位于固定塊8上。可以驅動固定塊8做X軸旋轉運動。本實施例中，第一導位桿21通過手握夾緊片22的第一通孔23、直線軸套19的第 三通孔20與固定塊8的凹形槽連接。第二導位桿27通過手握夾緊片22的第二通孔、直線軸套19的第四通孔29與固定塊8的凹形槽連接。第一導位桿21與第二導位桿27的位置關于直線位移傳感器24對稱。其中，第一通孔23中心線、第三通孔20中心線與固定塊8的凹形槽的中心圓在一條直線上；第二通孔與第四通孔也具有類似要求。這樣可以使手握夾緊片22在Z軸直線方向自由移動。此外，手握夾緊片22中間開有圓形孔，用于置放直線位移傳感器24，通過緊固孔26夾緊直線位移傳感器24，使手握夾緊片22與直線位移傳感器24連為一體。手握夾緊片22可以控制直線位移傳感器24的外筒做直線往復運動。本實施例中，第二框架17通過四個M5螺紋孔33與第二撐架34連接。第二撐架34下端O 11通孔35與第一撐架37的MlO螺紋孔36連接，連接件為公稱直徑O 10的六角螺栓。第一撐架37 MlO螺紋孔38與底座40的槽型鋼板102的MlO螺紋孔39連接，連接件為公稱直徑OlO的六角螺栓。本實施例中，第一角位移傳感器I的轉動端與固定塊8的軸孔5過盈配合；第二角位移傳感器2的轉動端與第一框架12的軸孔4過盈配合；第三角位移傳感器6與固定塊8的圓形孔過盈配合。通過把模擬手術操作中手術刀在創口上的旋轉動作分解為緊固塊8繞第一角位移傳感器I的轉動端和第一連接導桿11的轉動和第一框架12繞第二角位移傳感器2的轉動端和第二連接導桿15的轉動，到達模擬真實手術旋轉操作的目的。本實施例中，第二撐架34通過六角螺栓與第二框架17固定連接在一起，并且能夠以孔35和孔36為原點一起旋轉。裝配在一起的操縱頭101、第二撐架34和第一撐架37能夠以孔38和孔39為原點一起旋轉。本發明的工作原理如下如圖I所示，將膝關節鏡手術操作分解為四個自由度的運動繞X軸轉動、繞Y軸轉動、沿Z軸運動和Z軸自轉動。本發明裝置中第一角位移傳感器I的轉動端和第二連接導桿11的轉動實現手術操作中繞X軸轉動；第二角位移傳感器2的轉動端和第二連接導桿15的轉動實現手術操作中繞Y軸轉動；直線位移傳感器24根據手握夾緊片22沿拉桿的直線位移進給捕獲手術操作中沿Z軸運動信息；緊固塊8固定的第三角位移傳感器6捕獲Z軸自轉動信息；用手旋轉手握夾緊片22，第三角位移傳感器6和直線位移傳感器24是一起轉動的，這樣就可以捕獲這個轉動的信息。本發明中第一角位移傳感器I的轉動端和第二連接導桿11的轉動由第一角位移傳感器I捕獲；第二角位移傳感器2的轉動端和第二連接導桿15的轉動由第二角位移傳感器2捕獲。直線位移傳感器的移動和旋轉，分別由直線位移傳感器24和第三角位移傳感器6捕獲。本發明能根據使用者的不同及其不同的操作習慣，靈活調整手術刀和內窺鏡的 位置和角度，達到逼真模擬關節手術的效果，縮短了手術醫師的培訓時間，節省了培訓費用，另外，此裝置結構簡單，采用模塊化的設計思想，易于操作和維修。
權利要求
1.一種多傳感器信息驅動的微創手術訓練裝置，包括底座(40)和安裝在所述底座(40)上的兩個操縱臂(100)，其特征在于操縱臂(100)包括有第一撐架(37)、第二撐架(34)及操縱頭(101 )，第一撐架(37)安裝在底座(40)的上端，第二撐架(34)與第一撐架(37)連接，操縱頭(101)連接在第二撐架(34)的端部，操縱頭(101)包括有第一框架(12)及套裝在第一框架(12)外側的第二框架(17)，第一框架(12)及第二框架(17)上裝設有沿X軸方向轉動的機構、沿Y軸方向轉動的機構及沿Z軸方向轉動及直線運動的機構，其中 沿X軸方向轉動的機構包括第一角位移傳感器(I)、第一連接導桿(11)及固定塊(8)，第一角位移傳感器(I)安裝在第一框架(12)的其中一側壁所設的安裝孔(3)上，且第一角位移傳感器(I)的轉動端置于固定塊(8)所設的軸孔(5)上，第一連接導桿(11)裝設在第一框架(12)的另一側壁上，且第一連接導桿(11)的兩端分別與固定塊(8)及第一框架(12)相連接，固定塊(8)能以第一角位移傳感器(I)的轉動端和第一連接導桿(11)為軸進行轉動； 沿Y軸方向轉動的機構包括第二角位移傳感器(2)及第二連接導桿(15)，其中第二角位移傳感器(2)安裝在第二框架(17)的其中一側壁上，且第二角位移傳感器(2)的轉動端置于第一框架(12)所設的軸孔(4)上，第二連接導桿(15)裝設在連接在第二框架(17)的另一側壁上，且第二連接導桿(15)的兩端分別與第一框架(12)與第二框架(17)連接，第一框架(12)相對第二框架(17)能以第二角位移傳感器(2)的轉動端和第二連接導桿(15)為軸進行轉動； 沿Z軸方向轉動及直線運動的機構包括有安裝在固定塊(8)上的第三角位移傳感器(6)和直線位移傳感器(24)，第三角位移傳感器(6)的轉動端及直線位移傳感器(24)的拉桿通過角套筒(7)與直線軸套(19)連接，直線軸套(19)與第三角位移傳感器(6)的轉動端連接。
2.根據權利要求I所述的多傳感器信息驅動的微創手術訓練裝置，其特征在于上述直線軸套(19)的突出塊與第三角位移傳感器(6)的轉動端所設的凹槽連接，第三角位移傳感器(6)置于固定塊(8)所設的圓形孔上。
3.根據權利要求I所述的多傳感器信息驅動的微創手術訓練裝置，其特征在于上述第一角位移傳感器(I)的轉動端與固定塊(8)所設的軸孔(5)過盈配合；第二角位移傳感器(2)的轉動端與第一框架(12)所設的軸孔(4)過盈配合；第三角位移傳感器￠)與固定塊(8)所設的圓形孔過盈配合。
4.根據權利要求I所述的多傳感器信息驅動的微創手術訓練裝置，其特征在于上述底座(40)的上端為槽型鋼板(102)，下端為圓形鐵塊(103)，兩個操縱臂(100)安裝在槽型鋼板(102)的兩壁面上，且相對所述底座(40)的中心面對稱，圓形鐵塊(103)通過槽鋼與槽型鋼板(102)連接，并支撐上層結構。
5.根據權利要求I所述的多傳感器信息驅動的微創手術訓練裝置，其特征在于上述第一撐架(37 )與所述第二撐架(34 )和所述底座(40 )均為螺栓控制的可調節相對角度連接。
6.根據權利要求I至5任一項所述的多傳感器信息驅動的微創手術訓練裝置，其特征在于上述第二框架(12)上裝設有第一滾針軸承(10)，第一連接導桿(11)支承在第二框架(12)上裝設的第一滾針軸承(10)上；第一框架(12)上裝設有第二滾針軸承(14)，第二框架(17)上裝設有第三滾針軸承(16)，第二連接導桿(15)的兩端分別支承在第一框架(12)上裝設的第二滾針軸承(14)上及支承在第二框架(17)上所設的第三滾針軸承(16)上。
7.根據權利要求6所述的多傳感器信息驅動的微創手術訓練裝置，其特征在于上述直線位移傳感器(24)的兩側對稱設有第一直線導桿(21)及第二直線導桿(27)，固定塊(8)上設有用來引導第一直線導桿(21)及第二直線導桿(27)的轉動軌跡的引導槽。
8.根據權利要求7所述的多傳感器信息驅動的微創手術訓練裝置，其特征在于上述直線位移傳感器(24)上的拉桿與直線軸套(19)通過螺紋孔(28)連接，直線軸套(19)置于角套筒(7)內，并且直線軸套(19)上所設的凸塊與第三角位移傳感器(6)的轉動端所設的凹槽在角套筒(7)內連接，角套筒(7)與第三角位移傳感器(6)通過螺紋連接。
9.根據權利要求7所述的多傳感器信息驅動的微創手術訓練裝置，其特征在于上述第一導位桿(21)通過手握夾緊片(22)的第一通孔(23)、直線軸套(19)的第三通孔(20)與固定塊(8)的凹形槽連接，第二導位桿(27)通過手握夾緊片(22)的第二通孔、直線軸套(19)的第四通孔(29)與固定塊(8)的凹形槽連接。
10.根據權利要求9所述的多傳感器信息驅動的微創手術訓練裝置，其特征在于上述手握夾緊片(22)中間開有用于置放直線位移傳感器(24)的圓形孔，且手握夾緊片(22)通過所設的緊固孔(26)夾緊直線位移傳感器(24)，使手握夾緊片(22)與直線位移傳感器(24)連為一體；上述第二框架(17)通過螺紋孔(33)與第二撐架(34)連接，第二撐架(34)通過下端通孔(35)與第一撐架(37)所設的螺紋孔(36)連接；第一撐架(37)通過所設的螺紋孔(38)與底座(40)的槽型鋼板(102)所設的螺紋孔(39)連接。
全文摘要
本發明提供的一種多傳感器信息驅動的微創手術訓練裝置。包括底座和安裝在所述底座上的兩個操縱臂，操縱臂包括有第一撐架、第二撐架及操縱頭，第一撐架安裝在底座的上端，第二撐架與第一撐架連接，操縱頭連接在第二撐架的端部，操縱頭包括有第一框架及套裝在第一框架外側的第二框架，第一框架及第二框架上裝設有沿X軸方向轉動的機構、沿Y軸方向轉動的機構及沿Z軸方向轉動及直線運動的機構。本發明能根據使用者不同及能根據不同操作人員的操作習慣，靈活調整手術刀和內窺鏡的位置和角度，可以達到逼真模擬關節手術的效果，縮短了手術醫師的培訓時間。本發明是一種結構簡單，易于操作和維修的方便實用的多傳感器信息驅動的微創手術訓練裝置。
文檔編號G09B23/28GK102800233SQ201210255229
公開日2012年11月28日 申請日期2012年7月23日 優先權日2012年7月23日
發明者何漢武, 李晉芳, 何宇磊, 雷鈞 申請人:廣東工業大學