一种具有柔和力反馈的内窥镜仿真训练系统

摘要

本发明属于在微创手术中用于仿真训练教学的一种具有柔和力反馈的内窥镜仿真训练系统，操纵杆外圆面设计成齿条形式，操纵杆的齿条与直齿轮啮合，这使得手柄的直线运动被转换成圆周运动，与直齿轮同轴安装的前后方向圆光栅旋转编码器就可以通过读取参数，获得器械手柄的伸缩运动参数。同时，上下方向光栅编码器可获取手术器械固定板的前后运行参数，水平方向光栅编码器可获取手术器械固定板的水平旋转参数，手柄在三个自由度的运动参数均通过上述三个编码器反馈给单片机，单片机将手柄位置参数代入手术模拟场景，并在显示屏上显示出手柄在虚拟人体模型内运动，当手柄位置参数错误，单片机即控制相应的电磁刹车器刹车，使手柄产生力反馈。

说明书

技术领域

本发明属于在微创手术中用于仿真训练教学的一种具有柔和力反馈的内 窥镜仿真训练系统。

背景技术

近年来，以腹腔镜技术为代表的微创外科手术迅速兴起，许多传统手术 都开始采用微创外科技术。然而，微创手术受到视野视察范围小、术者缺乏 触觉感觉、手术区域灵活性小、人机协调困难等方面的限制。因此，要达到 专业手术医生的水平，较传统手术而言需要更长时间的学习和训练。同时， 在传统的手术训练中，实习医生往往是在经验丰富的医生演示后对人造模型、 尸体、动物等对象进行练习。然而，人造模型真实感不够，尸体资源有限且 昂贵，动物活体组织及结构与人体差异较大。

继而就出现了以微创手术为蓝本的模拟仿真训练系统，大多数的仿真系 统中仿真度不高，一方面因为虚拟模型不够逼真，而另一方面在于模拟操作 中力的反馈真实程度。因为在微创手术过程中，医生不仅仅是依靠视觉来判 断器械和人体腔体内壁的相对位置以及最适合的操作位置，而更多的时候是 依靠手感来作为处理病灶点的一个衡量标准。所以在传统的电机反馈中无法 形象的模拟在真实人体中器械和腔体内壁交涉时所产生的柔体变形的力点， 使操作者失去对手感的培养，达不到模拟培训的效果。

临床手术的学习和训练在医学教学领域一直是个难题，因为这关系到人 的生命安全，在病人身上学习和训练是绝对不可能的。动物和尸体解剖固然 能起到一定的练习作用，但毕竟和真正的临床手术有很大区别。因此，三维 模拟仿真训练系统就应运而生了。但传统的电机反馈中无法形象的模拟在真 实人体中器械和腔体内壁交涉时所产生的柔体变形的力点，使操作者失去对 手感的培养，达不到模拟培训的效果。本发明利用专门设计的硬件结构，将 仿真手术器械、传感器和力反馈结构有机结合起来，达到仿真模拟各种临床 手术的模拟和训练效果的系统。

本申请人曾于2013.11.27公开了一份专利号为ZL201320068523.0的发明 专利，名为“一种力反馈内窥镜手术训练装置”，其方案采用了一种磁性力反 馈控制装置，通过驱动电路使力反馈线圈通电产生电流一定的电场，进而产 生一与真实腔体内壁触感相似的磁场，从而使得医务训练者在学习过程中真 正体验到手术过程的真实手感。但在实际使用时，发现该训练装置存在失真 问题，需要操作杆通过接触腔体内壁模型后才能激发力反馈，有一定滞后性， 使得手柄运动过程缺乏真实感，同时手柄运动过程不能全程监控，手柄图像 会产生跳动、窜动等现象，严重影响了训练效果。

发明内容

为克服现有技术的不足之处，本发明提供一种具有柔和力反馈的内窥镜 仿真训练系统，以解决现有技术存在的技术问题。

本发明所采用的技术方案是：一种具有柔和力反馈的内窥镜仿真训练系统， 该系统包括：

一立体转动操作台，所述的立体转动操作台由一垂直转动支架和一水平 转动支架组成，其中，所述水平转动支架包括底座、转动台和两块夹板组成， 所述底座中间设有立轴，所述转动台设有一中心孔，孔内设有轴承，所述转 动台套装在于所述立轴，所述立轴上端穿过所述转动台中心孔与固定于所述 转动台上端面的水平方向圆光栅旋转编码器联接；所述垂直转动支架包括一 手术器械固定板和U形支架，所述手术器械固定板两侧各设有一根横轴，分别 插入所述U形支架两侧立板上的通孔中，所述U形支架底部通过两块所述夹板 与所述转动台固定为一体，两块所述夹板之间通过螺栓连接；所述手术器械 固定板的一根横轴外端与设置于所述U形支架的一侧的上下方向光栅编码器 固接，所述手术器械固定板的另一根横轴外端与固定在所述U形支架另一侧的 上下方向电磁刹车器固接；

一固定于该立体转动操作台上的仿真内窥镜手术器械，包括操作手柄和 与之连接的操纵杆，所述操纵杆外部套装有一直线轴承，所述直线轴承固定 于所述手术器械固定板的上端；所述操纵杆的外圆面设有齿条，所述直线轴 承底部中间开有一缺口，缺口内装有一直齿轮，该直齿轮与所述操纵杆的外 圆面齿条啮合；所述直齿轮同轴装有上圆锥齿轮和前后方向圆光栅旋转编码 器，二者分别位于所述直线轴承的两侧；该上圆锥齿轮与下圆锥齿轮啮合； 所述下圆锥齿轮固定于一根磁性轴端部，该磁性轴下端与一固定于所述手术 器械固定板上的永磁铁固定圆筒活动联接，所述永磁铁固定圆筒底部通过螺 丝与前后方向电磁刹车器固定联接；所述永磁铁固定圆筒内腔中开有三个大 体排列成一直线的盲孔，所述磁性轴下部安装于中心盲孔中，可在该中心盲 孔中自由转动；所述中心盲孔两侧盲孔中均固定有永磁体，所述永磁体的磁 极与所述磁性轴的磁极异性相对，通过磁力将所述永磁铁固定圆筒吸附于所 述磁性轴上，所述永磁铁固定圆筒两端通过轴承座定位，可随所述磁性轴一 起转动；

所述磁性轴与所述永磁铁固定圆筒依靠磁力吸附在一起，在不满足产生 力反馈的条件时，永磁铁固定圆筒与前后方向电磁刹车器的转子随磁性轴同 步转动，前后方向电磁刹车器的定子固定在手术器械固定板上的安装座上； 一旦遇到满足力反馈的条件(即需要发生力反馈)时，单片机系统会将电信 号传递给前后方向电磁刹车器，电磁刹车器一般采用电磁粉末刹车器，激磁 线圈通电时形成磁场，磁粉在磁场作用下磁化,形成磁粉链,并在固定的导磁 体与转子间聚合，靠磁粉的结合力和摩擦力实现制动。激磁电流消失时磁粉 处于自由松散状态，制动作用解除。这种刹车器体积小，重量轻,激磁功率小, 而且制动力矩与转动件转速无关，便于自动控制，适用于各种机器的驱动系 统。前后方向电磁刹车器锁死后停止旋转，所述永磁铁固定圆筒也被锁死， 这样本来同步旋转的磁性轴就会与两侧的永磁体发生相对运动，手柄端就会 感觉到磁性轴传递过来的因磁极分离而产生的吸力，从而达到柔和力反馈的 作用，手柄停止操作后，所述磁性轴在两侧的永磁体吸引下自动复位。

一磁性力反馈控制装置，包括单片机系统，所述单片机系统的信号输入 端分别与所述上下方向光栅编码器、前后方向光栅编码盘以及水平方向光栅 编码器的信号输出端连接，用于接收三个所述光栅编码盘发出的旋转参数； 所述单片机系统的信号输出端分别与所述前后方向电磁刹车器、上下方向电 磁刹车器的控制端连接，用于控制两个所述电磁刹车器的状态切换。

操纵杆外圆面设计成齿条形式，在直线轴承的支承下自由的做往复直线 运动，操纵杆的齿条与直齿轮啮合，这使得手柄的直线运动被转换成圆周运 动，与直齿轮同轴安装的前后方向圆光栅旋转编码器就可以通过读取直齿轮 圆周运动的参数，获得器械手柄的伸缩运动参数。同时，上下方向光栅编码 器可获取手术器械固定板的前后运行参数，水平方向光栅编码器可获取手术 器械固定板的水平旋转参数，手柄在三个自由度的运动参数均通过上述三个 编码器反馈给单片机，单片机将手柄位置参数代入手术模拟场景，并在显示 屏上显示出手柄在虚拟人体模型内运动，当手柄位置参数错误，接触到虚拟 的人体部位，单片机即发出控制信号，控制相应的电磁刹车器刹车，使手柄 产生力反馈。上述三个光栅编码盘采用的光栅盘均为在圆周上等分为1000个 单位，精度完全可以满足仿真夹钳的位移检测需要。

有益效果：1.本系统结构简单合理，而且体积相对较小，便于携带和运 输。

2.传感器精度高，模拟过程真实。由于传感器光栅盘划分单位非常小，这就 使得手柄运动可以实时传递给模拟图像，过程柔和真实，不会有跳动、窜动 等现象。

3.模型逼真细腻。本系统专门根据真实的手术视频模拟设计的仿真效果，无 论是手柄的力反馈感觉还是视觉上的体验，都非常完美地还原了临床手术的 真实感觉。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。

图1为本发明的结构示意图，

图2为本发明的局部放大图，

图3为磁性力反馈结构俯视图，

图4为磁性力反馈结构剖视图，

图5为仿真内窥镜手术器械的。

图中：1是直线轴承，2是操纵杆旋转传感器，3是夹钳传感器，4是轴 承架，5是上锥齿轮、6是下锥齿轮，7是上齿轮轴承支架,8永磁铁固定圆筒， 9是下齿轮轴承支架，10是直齿轮，11是前后方向电磁刹车器，12是上下 方向光栅编码器，13是手术器械固定板，14是上下方向电磁刹车器支架，15 上下方向电磁刹车器，16上下方向运动限位杆，17是光栅编码盘支架，18 是前后方向圆光栅旋转编码器，19是水平方向圆光栅旋转编码器，20是夹板， 21是柱形台，22是磁性轴，23是永磁体,24是U形支架，25手柄，26操纵 杆。

具体实施方式

参见图1、2，如图所示，一种具有柔和力反馈的内窥镜仿真训练系统， 该系统包括：

一立体转动操作台，所述的立体转动操作台由一垂直转动支架和一水平 转动支架组成，其中，所述水平转动支架包括底座、柱形台21和两块夹板20 组成，所述底座中间设有立轴，所述柱形台21设有一中心孔，孔内设有轴承， 所述柱形台21套装在于所述立轴上，所述立轴上端穿过所述柱形台21中心孔， 并与固定于所述柱形台21上端面的水平方向圆光栅旋转编码器19联接；

所述垂直转动支架包括一手术器械固定板13和U形支架24，所述手术器械 固定板13两侧各设有一根横轴，分别插入所述U形支架24两侧立板上的通孔 中，所述U形支架24底部通过两块所述夹板20与所述柱形台21固定为一体，两 块所述夹板20之间通过螺栓连接；所述手术器械固定板13的一根横轴外端与 设置于所述U形支架24的一侧的上下方向光栅编码器12固接，所述手术器械固 定板13的另一根横轴外端与固定在所述U形支架24另一侧的上下方向电磁刹 车器15固接，14是上下方向电磁刹车器支架。U形支架24前部设有上下方向运 动限位杆16，用于手术器械固定板13的限位。

一固定于所述立体转动操作台上的仿真内窥镜手术器械2，包括操作手 柄25和与之连接的操纵杆26，所述操纵杆26外部套装有一直线轴承1，所 述直线轴承1固定于所述手术器械固定板13的上端；所述操纵杆26的外圆 面设有齿条，所述直线轴承1底部中间开有一缺口，缺口内装有一直齿轮10， 该直齿轮10与所述操纵杆26的外圆面齿条啮合；所述直齿轮10同轴装有上 圆锥齿轮5和前后方向圆光栅旋转编码器18，二者分别位于所述直线轴承1 的两侧；该上圆锥齿轮5与下圆锥齿轮6啮合。

所述下圆锥齿轮6固定于一根磁性轴22端部，该磁性轴22下端与一固 定于所述手术器械固定板13上的永磁铁固定圆筒8活动联接，所述永磁铁固 定圆筒8底部通过螺丝与前后方向电磁刹车器11固定联接。

如图3所示，所述永磁铁固定圆筒为铝制柱形部件，中间开有三个大体 排列成一直线的盲孔，所述磁性轴22下部安装于中心盲孔中，可在该中心盲 孔中自由转动；所述中心盲孔两侧盲孔中均固定有永磁体23，所述永磁体23 的磁极与所述磁性轴22的磁极异性相对(如图4所示)，通过磁力将所述永 磁铁固定圆筒8吸附于所述磁性轴22上，所述永磁铁固定圆筒8两端通过上 齿轮轴承支架7和下齿轮轴承支架9定位，可随所述磁性轴22一起转动。

所述磁性轴22与所述永磁铁固定圆筒8依靠磁力吸附在一起，在不满足 产生力反馈的条件时，永磁铁固定圆筒8与前后方向电磁刹车器11的转子随 磁性轴22同步转动，前后方向电磁刹车器11的定子固定在手术器械固定板 13上的安装座上；一旦遇到满足力反馈的条件(即需要发生力反馈)时，单 片机系统会将电信号传递给前后方向电磁刹车器11，电磁刹车器一般采用电 磁粉末刹车器，激磁线圈通电时形成磁场，磁粉在磁场作用下磁化,形成磁粉 链,并在固定的导磁体与转子间聚合，靠磁粉的结合力和摩擦力实现制动。激 磁电流消失时磁粉处于自由松散状态，制动作用解除。这种刹车器体积小， 重量轻,激磁功率小,而且制动力矩与转动件转速无关，便于自动控制，适用 于各种机器的驱动系统。前后方向电磁刹车器11锁死后停止旋转，所述永磁 铁固定圆筒8也被锁死，这样本来同步旋转的磁性轴22就会与两侧的永磁体 23发生相对运动，手柄25端就会感觉到磁性轴22传递过来的因磁极分离而 产生的吸力，从而达到模拟柔和力反馈的效果，手柄25停止操作后，所述磁 性轴22在两侧的永磁体23吸引下自动复位。

磁性力反馈控制装置，包括单片机系统，所述单片机系统的信号输入端 分别与所述上下方向光栅编码器12、前后方向光栅编码盘18以及水平方向 光栅编码器19的信号输出端连接，用于接收三个所述光栅编码盘发出的旋转 参数；所述单片机系统的信号输出端分别与所述前后方向电磁刹车器11、上 下方向电磁刹车器15的控制端连接，用于控制两个所述电磁刹车器的状态切 换。

本系统可以完成多个科室手术项目的模拟仿真训练。本文以腹腔镜微创 手术中的胆囊切除手术为例。腹腔镜手术过程中需要使用双手同时操作两个 手柄25，另外还有一个内窥镜通过微创创口探入病人体内观察。因此系统在 整体结构方面由两个器械支架和中间的内窥镜支架构成。器械支架结构比较 复杂，主要由支架部分、器械运动支撑与传动部分、数据读取部分和力反馈 部分组成。内窥镜支架相对简单一点，没有力反馈，它的作用主要是调节视 野和角度：模拟内窥镜前进、后退和旋转等动作。手柄25在线轴承的支承下 的往复运动是模拟真正的器械前后方向运动的，手柄2525运动通过传感器反 馈给单片机，在显示屏上就能观察到手柄25在数字化模型内运动。为了使仿 真更加真实，本系统还模拟了手术过程中碰到组织的阻力感，即力反馈。在 本系统中，力反馈的方式采用的是磁性力反馈。这种磁性力反馈的优点是柔 和，稳定，而且比较可靠，精度高。本系统中，满足下面几个条件中的一个， 都会触发力反馈作用：1.操作过程中手柄25碰到不该碰到的组织和器官；2. 按照软件说明触碰到需要触碰的关键点；3.在使用模拟电刀切割不需要的组 织时。

电磁刹车器锁死的时间也可以通过软件来设置，可以选择一直锁死和瞬 间锁死然后解锁等不同模式。(上下方向和左右方向的运动，传动，传感器与 力反馈跟上述解释同理，在此不一一赘述)

本发明中采用的圆光栅在圆周上等分为1000个单位，精度完全可以满足 仿真夹钳的位移检测。然后是硬件与参数化三维模型，效果十分逼真。建好 的模型被放置在一个空间坐标系中，在X、Y、Z方向被均分为若干个单位， 这些单位在软件中跟仿真手术器械的空间位移范围所均分得到的参数化模型 与仿真器械模型单位相对应。

如图5所示，夹钳传感器3为三脚旋转电位器，其中公共端接地，手柄 25的两边分别接在电位器变阻的两端。该电位器可以检测并且将手柄25的 运动参数传递给单片机。图中的操纵杆旋转传感器2也是采用电位器的原理。 操纵杆26前后运动时，将由编码传感器18产生y分量，上下转动时由编码 传感器12产生z分量，水平转动时由编码传感器12产生x分量。再同时配 合上手柄25闭合时由夹钳传感器3产生的α分量和操纵杆26旋转时带动操 纵杆旋转传感器2产生的β分量，通过线缆同步传输到单片机系统里去，和 数字模型进行组合，从而构成一串矢量位移数组(x,y,z,α,β)，控制器 械模型进行和实际操纵杆26相同轨迹的5D运动。

将以上机械部分实现的5D运动的位移量通过传感器转化成数字矢量信号，根 据信号大小来实现高仿真的模型效果，即采用优化精确的方向包围盒(OBB) 碰撞检测算法，来实现手术器械与人体器官模型的位置演算和变形效果，并 在显示屏上实时显示出来。

方向包围盒(OBB)是一个长方体，类似于AABB,但具有方向性。存在多 种OBB的表达方式：8个顶点的点集、6个面的面集、3组平行面集合、一个 顶点和3个彼此正交的边向量，以及中心点、一个旋转矩阵和3个1/2边长。 通常，最后一种表达方式最为常用，并且与其他表达方式相比，其OBB间相 交测试更加便捷。

下面以三个平面碰撞检测为例，采用OBB碰撞检测优化算法来实现，设平面

p₁、，存在5种不同的相交可能性：

1.3个平面间彼此平行(也可能共面)。

2.一个平面贯穿两个平面平行，从而形成两条相互平行的交线。

3.3个平面相较于一条直线。

4.3个平面之间彼此两两相交于一天直线。

5.3个平面相较于一点。

下面定义3个平面。p₁：n₁·X＝d₁，p₂：n₂·X＝d₂，

p₃：n₃·X＝d₃。对于上述相交状态“1”，则有n₁·(n₂×n₃)＝0，其他状 态也可以类似方法加以定义。其中，当平面相交于一点X＝(x₁，x₂，x₃)时， 可将平面方程视为一个3×3线性方程组，并求解该交点：

n₁·X＝d₁

n₂·X＝d₂

n₃·X＝d₃

可利用高斯消元法或根据行列式和克莱姆法则求解该方程组。令${\left(\begin{array}{ccc}{n}_1^x& n_2^x& n_3^x\end{array}\right)}^T,$$m_2={\left(\begin{array}{ccc}{n}_1^y& n_2^y& n_3^y\end{array}\right)}^T,$$m_3={\left(\begin{array}{ccc}{n}_1^z& n_2^z& n_3^z\end{array}\right)}^T,$根据克莱姆法则， 解为：

x₁＝|d m₁ m₃|/|m₁ m₂ m₃

x₂＝|m₁ d m₃|/|m₁ m₂ m₃

x₃＝|＝₁ m₂d|/|m₁ m₂ m₃

其中，d＝[d₁ d₂ d₃]^T。

选择最为适宜的计算表达式——以尽可能复用某些计算式——标量三重积可 简化为：

x₁＝d·u/denom

x₂＝m₃·v/denom

x₃＝-m₂·v/denom

其中，u＝m₂×m₃，v＝m₁×d，denom＝m₁×m₁×u。

综上所述，通过硬件、软件、模型与传感装置的有机结合，仿真器械 手柄25在发生位移时，光电编码器通过读取光电圆光栅旋转编码器反馈的数 据信息转换成电信号，传递给单片机系统进行分析，并通过接口电路传输到 后台程序使之同步，将手柄25发生空间位移的每一点定义给参数化的手术模 型的各个坐标，这样就完成了硬件、软件与数据化模型的数据交互，可以完 美地将腹腔手术的整个过程通过本系统演示完成。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而 言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行 多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限 定。