多种腔内治疗性内镜手术医教训练系统

摘要

本发明涉及医疗训练器械设计领域，特别涉及一种多种腔内治疗性内镜手术医教训练系统，包括操作模块、处理模块以及显示模块，所述的操作模块包括手柄以及支撑手柄前后、上下、左右运动的支架，手柄与支架间设置有位移传感器、力反馈单元、力反馈驱动电路，所述的位移传感器用于采集手柄的位置信息并输出至处理模块，处理模块对手柄、虚拟人体器官进行碰撞检测并输出控制信号至力反馈驱动电路，力反馈单元接收力反馈驱动电路输出的驱动信号通过钢丝给手柄施加一个反馈力，处理模块还接收脚踏输入的执行信号，处理模块对手柄和虚拟器官模型进行处理并输出至显示模块。该系统与模型相独立，针对不同的训练科目，只要在处理模块中设置不同的手柄模型、器官模型并更换手柄即可实现该科目的训练。

说明书

技术领域

本发明涉及医疗训练器械设计领域，特别涉及一种多种腔内治疗性 内镜手术医教训练系统。

背景技术

内镜微创手术实习医生以及基层医院医生，非常有必要到具有卫生 部内镜考评委认定的培训资格的内镜培训基地进行培训，对内镜微创外 壳器械的培养，从拿起内镜那一刻，直至最后操作结束，一步一步规范 化，这些程序式的规范操作看似基础，其实极为必要，如果不规范操作 的习惯持续多年，不但影响医疗器械质量，对医生自身知识技能掌握新 的医疗器械的培养也有害无益。目前国内常用的微创手术训练系统一般 均是从国外进口的，其存在如下不足：1、价格昂贵；2、不具备通用性， 往往一个训练系统仅针对一种训练科目。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多种腔内治疗性内镜手术医教训练系 统，具备通用性，适合各种训练科目的培训。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种多种腔内治疗性 内镜手术医教训练系统，包括操作模块、处理模块以及显示模块，所述 的操作模块包括手柄以及支撑手柄前后、上下、左右运动的支架，手柄 与支架间设置有位移传感器、力反馈单元、力反馈驱动电路，所述的位 移传感器用于采集手柄的位置信息并输出至处理模块，处理模块对手 柄、虚拟人体器官进行碰撞检测并输出控制信号至力反馈驱动电路，力 反馈单元接收力反馈驱动电路输出的驱动信号通过钢丝给手柄施加一 个反馈力，力反馈单元施加给手柄的反馈力的方向与手柄发生触碰前的 运动方向相反，处理模块还接收脚踏输入的执行信号，处理模块根据脚 踏输入的信号、碰撞检测的结果对手柄和虚拟器官模型进行处理并输出 至显示模块。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：该系统与模型相独立， 针对不同的训练科目，只要在处理模块中设置不同的手柄模型、器官模 型并更换手柄即可实现该科目的训练。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明操作模块结构示意图，不包括脚踏。

具体实施方式

下面结合图1至图3，对本发明做进一步详细叙述。

参阅图1、图2，一种多种腔内治疗性内镜手术医教训练系统，包 括操作模块10、处理模块20以及显示模块30，所述的操作模块10包 括手柄11以及支撑手柄11前后、上下、左右运动的支架12，手柄11 与支架12间设置有位移传感器13、力反馈单元14、力反馈驱动电路15， 所述的位移传感器13用于采集手柄11的位置信息并输出至处理模块 20，处理模块20对手柄11、虚拟人体器官进行碰撞检测并输出控制信 号至力反馈驱动电路15，力反馈单元14接收力反馈驱动电路15输出的 驱动信号通过钢丝给手柄11施加一个反馈力，力反馈单元14施加给手 柄11的反馈力的方向与手柄11发生触碰前的运动方向相反，处理模块 20还接收脚踏16输入的执行信号，处理模块20根据脚踏16输入的信 号、碰撞检测的结果对手柄11和虚拟器官模型进行处理并输出至显示 模块30。处理模块20中存储有或通过外界导入虚拟器官模型和手柄模 型，当训练人员进行操作手柄11时，处理模块20根据手柄11和虚拟 器官模型进行碰撞检测，如果没有发生碰撞，则直接将虚拟器官模型和 手柄11当前位置所对应的模型图输出至显示模块30予以显示即可；如 果发生了碰撞，处理模块20同时输出两路信号，一路信号输出至力反 馈驱动电路15，让其驱动力反馈单元14动作，同时还对发生碰撞的虚 拟器官模型进行形变处理，之后将形变后的虚拟器官模型以及手柄11 的模型输出至显示模块30。手柄11的位置只要发生改变，处理模块就 需要进行碰撞检测并处理。由于某些科目的操作较为复杂，除了需要移 动手柄11外，还需要其他的操作，比如钬激光碎石，需要用脚踏控制 激光的开启和关闭，脚踏的设置使得本发明能够满足更多操作。

碰撞检测的方法有很多种，作为本申请的优选方案，这里采用碰撞 球检测法。所述的处理模块20包括

手柄模型存储单元21，用于存储各种手柄的虚拟模型；

器官模型存储单元22，用于存储各种器官的虚拟模型；

模型预处理单元23，接收手柄模型存储单元21输出的手柄模型、 器官模型存储单元22输出的器官模型，并根据手柄模型、器官模型生 成若干隐形球体；

碰撞检测单元24，接收位移传感器13输出的位置信息并根据该位 置信息更新手柄模型的位置信息，同时监测手柄模型的隐形球体与器官 模型的隐形球体之间的间距；

模型处理单元25，接收碰撞检测单元24输出的间距信息、脚踏16 输入的操作信息，对手柄模型、器官模型进行处理并输出至显示模块30， 同时还输出控制信号至力反馈驱动电路15。

模型预处理单元23与模型处理单元25不一样，前者主要用于生成 隐形球体，便于碰撞检测单元24进行碰撞检测，后者则主要用于对有 发生变形的手柄模型、器官模型进行重构，并根据碰撞检测输出的间距 大小输出不同的控制信号来控制反馈力的大小。

人体器官模型的建立，可以通过软件来实现，下面以普外科腹腔镜 为例，完成模型仿真三维渲染的基本过程如下：（1）数据准备，即获取 仿真三维可视化工作所需的基本的具体腔体、器械仿真模型数据。（2） 启动数据模型，控制点校正，可手工或自动校验。（3）透视投影变换， 一些平面数据，为了将每一个点的反映出来，需要进行适当的透视投影 变换，即建立三维图像点间的透视关系，也同样可以在屏幕上生成不同 视角条件下的立体透视图。具体的模型由视点、视角、三维图形大小等 参数来确定。如数学模型改变视点的位置，就可以在屏幕上绘制出在不 同方位观察地面的立体透视图。（4）光照模型，为了逼真地反映腔体内 仿真表面明暗，颜色变化，需要根据光照方向和结点的法向量逐点计算 每个象素的颜色和灰度.然后反映到生成的普外科仿真三维模型上去， 可手工校验，并在软件中预设参数。一个好的光照模型评价是应该能产 生较好的立体视觉效果，较小的计算量，以保证较快的绘制速度。对腹 腔镜下景物中的普外科仿真表面，实际的开发过程中，可以先在3DMAX 获得基础的数据模型加工，光照模型要考虑光源的位置、光源的强度、 视点的位置、腔体内器官的漫反射光，以及器械面对光的反射和吸收特 性，在设置虚拟相机来手工验证效果，并在软件实现中进行参数校正。 （5）消隐和裁剪，消隐处理已有多种成熟而有效的算法，比较有代表 性的三种是：画家算法（优先度法）、深度缓冲器法、光线跟踪法。本 申请中采用的消隐处理是先做一次快速简单的光线跟踪法扫描消隐，然 后结合Z-buffer算法处理，最后当视点切换移动的时候启用画家算法 消隐，达到快速高效的消隐效果。图形裁剪就是根据模型视区的大小确 定三维普外科仿真的不可视部分，将已经落入显示器范围外的部分图形 自动裁剪掉，从而使显示屏给出一完整的三维图形画面。（6）图形绘制 和存储，依各种相应算法（如模拟灰度，分形几何，纹理影射等）绘制 并显示各种类型的三维普外科仿真图，并以标准图像文件格式进行记 录。（7）三维图形的后处理.在三维透视图上添加各种材质等，进行颜 色、亮度、对比度等处理。为了增加三维普外科仿真图的真实感使用性， 在已生成三维图的基础上，叠加显示实地区域内一些主要器官皮肤材质 或血管和有关普外科特征是十分必要的，这需要在3DMAX建立模型材质 库支撑下实现。（8）基于三维普外科仿真图的分析，在三维普外科仿真 图上依据有关参数，数据库或数据文件以及有关算法，进行普外科模型 仿真。

本发明中采用碰撞球检测算法，是考虑到其计算量小，并且通过监 测隐形球体球心间距可以得知手柄11与虚拟器官模型发生触碰的程度， 如果手柄模型处的隐形球体与虚拟器官模型的隐形球体球心间距等于 两个隐形球体的半径之和时，手柄与器官模型恰好处于待接触的临界 点，小于则说明已经发生触碰。

参阅图3，导杆112是设置在支架12内的，不易更换，更优选地， 所述的手柄11包括握持部111、导杆112，握持部111与导杆112构成 可拆卸式配合。所述的支架12包括底座121、回转支架122、翻转支架 123，所述的回转支架122通过第一转轴固定在底座121上，回转支架 122绕第一转轴在水平面内转动，所述的翻转支架123通过第二转轴固 定在回转支架122上，翻转支架123绕第二转轴在垂直平面内转动，所 述的导杆112与翻转支架123内设置的滑轨构成沿杆长方向的滑移配 合，杆长方向垂直于第二转轴。

所述的力反馈单元14包括底座121与回转支架122之间设置的第 一反馈单元、回转支架122与翻转支架123之间设置的第二反馈单元、 翻转支架123与导杆112之间设置的第三反馈单元。第一反馈单元通过 电机、钢丝提供给回转支架122水平范围内顺时针或逆时针方向旋转的 力，第二反馈单元通过电机、钢丝提供给翻转支架123垂直范围内顺时 针或逆时针方向旋转的力，第三反馈单元通过电机、钢丝提供给导杆112 沿杆长方向前进或后退的力。比如训练人员操作手柄11在水平范围内 顺时针转动并发生碰撞时，第一反馈单元就提供给回转支架122在水平 范围内逆时针转动，这样，训练人员就能感受到所谓的反馈力，其他方 向的力同理，这里不再详细阐述。

采用钢丝传递，其反馈力更为真实。电机通过钢丝带动回转支架 122、翻转支架123转动很容易实现，只要将钢丝设置成闭环状即可。 电机通过钢丝带动导杆112沿杆长方向移动，也容易实现，将钢丝两端 按直线状布置，其两端头固定在导杆112的两端，钢丝中段绕过电机轴 布置，这样，电机轴在转动时，带动钢丝发生位移，而钢丝的两端与导 杆112相固定，自然也就带动了导杆112移动。