具有执刀手法识别功能的手术刀电子训练系统及训练方法

摘要

本发明公开了一种具有执刀手法识别功能的手术刀电子训练系统及训练方法。该训练系统包括由工程塑料制成的模拟手术刀，模拟手术刀的刀柄上固定有手型传感器，手型传感器上按照各执刀手法的标准执刀手型划分有对应的标准感应区域，刀柄尾端固定有倾角传感器；手型传感器和倾角传感器均与处理器连接，处理器还连接有行刀感应板、显示器、语音放音模块、FM无线调频发射器、FM无线耳机和电池。该训练方法为受训者使用模拟手术刀在行刀感应板上进行模拟解剖训练，处理器根据各传感器反馈的操作数据判断操作是否合格。该训练系统结构简单、智能性好，通过交互式的智能化训练和检测极大地提高了教学效果和解剖训练的精准度。

说明书

技术背景

本发明属于临床解剖教具技术领域，具体涉及一种具有执刀手法识别功 能的手术刀电子训练系统，还涉及使用该手术刀电子训练系统进行执刀手法 训练的训练方法。

背景技术

近年来，在医学解剖学及外科学教学及实验中，根据规范性教材《局部 解剖学》、《外科手术学》的教学要求，要求对受训者进行手术刀四种执刀方 式(执弓式、握持式、执笔式、反挑式)下的持刀、入刀、行刀及出刀的方 法训练。为了培训正确的手术刀运用及操作方法，培训者通过口述讲解要求 受训者注意手术刀把握的手型，还需要求受训者精细把握手术刀操作力度、 倾斜度、手术刀操作节律(走向、运动速度、距离)等等。因此，单凭口述 指导及有限的实验室环境下训练，要使受训者能迅速精细界定和把握手术刀 运用及操作方法有一定难度，常会出现受训者把握不准、不精细、效率低下 的问题，而且人工进行解剖及手术训练教学对教学环境要求高，这些问题都 制约着解剖教学的质量的提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有执刀手法识别功能的手术刀电子训练系 统。

本发明的另一目的是提供使用上述手术刀电子训练系统进行执刀手法训 练的训练方法。该训练系统用于临床解剖教学和解剖练习，通过交互式的智 能化训练和检测极大地提高了教学效果和解剖训练的精准度；该训练方法也 有效的解决了原有人工指导解剖手术训练带来的不精细、培训效率低、解剖 操作把握不准、训练环境受限制等问题。

为了实现以上目的，本发明采用的一个技术方案是，一种具有执刀手法 识别功能的手术刀电子训练系统，包括由工程塑料制成的模拟手术刀，模拟 手术刀的刀柄上固定有手型传感器，模拟手术刀的刀柄尾端固定有倾角传感 器；手型传感器和倾角传感器均与处理器连接，处理器还连接有行刀感应板、 显示器、语音放音模块、FM无线调频发射器、FM无线耳机和电池。

本发明还具有以下特点：

手型传感器采用点阵式压力传感器，为筒形传感器，套在模拟手术刀的 刀柄外并用紧固件固定。

手型传感器上按照各执刀手法的标准执刀手型划分有对应的标准感应区 域，具体为：手型传感器沿轴向向着刀柄末端的方向依次分为A、B、C三个 区，三个区内按照成年人正常执刀手型共划分有八个标准感应区域。以右手 持刀且刀头向下为模拟手术刀的标准方式，A区划分有四个标准感应区域， 分别为位于手型传感器的上、下、左、右方向的标准感应区域a、b、c、d；B 区划分有三个标准感应区域，分别为位于手型传感器的下、左、右方向的标 准感应区域e、f、g；C区划分有一个标准感应区域，为位于手型传感器2的 下方的标准感应区域h。

倾角传感器由微型的三轴重力加速度传感器芯片、接口调理及稳压电路 组成，为帽式封装结构，套在刀柄末端。

行刀感应板为电阻式压力板，划分有行刀训练操作区和按键区，按键区 设有各种执刀手法的选择按键。

处理器采用内部带有A/D变换器的单片机。语音放音模块由ISD系列可 寻址的语音录放芯片及外围录放电路组成；无线调频发射器采用多频点可选 的FM调频发射器；无线耳机采用多频点可选的头戴式FM无线耳机。

本发明采用的另一个技术方案是，使用上述手术刀电子训练系统进行执 刀手法训练的训练方法，包括以下步骤：

步骤1，选择训练内容。

处理器将训练提示信息传送给显示器和FM无线耳机，受训者按照训练 提示信息在行刀感应板的按键区中从多种执刀手法训练方式中选择一种工 作，系统便进入该执刀手法训练工作。

步骤2，模拟训练。

处理器将该执刀手法的操作要领及训练任务信息传送给显示器和FM无 线耳机，受训者按照操作要领及训练任务的要求用模拟手术刀在行刀感应板 的行刀训练操作区进行模拟训练；模拟训练过程中，手型传感器和倾角传感 器分别获取把握的手型和持刀的角度信息，行刀感应板的行刀训练操作区获 取行刀长度和行刀力度信息；处理器接收到以上信息后，根据受训者的训练 步骤依次对模拟手术刀把握的手型、持刀的垂直度、行刀长度和行刀力度进 行标准符合度检验，每一步骤的检验结果都通过显示器和FM无线耳机提示， 前一项检验不合格不进行下一项检验，受训者需继续当前步骤的训练，直到 检验合格才进行下一项检验。

步骤3、训练评判。

当模拟训练结束后，处理器判断整个模拟训练所用的时间是否符合设定 的时间，并将判断结果传输给显示器和FM无线耳机播放；然后返回步骤1， 受训者继续选择任一执刀手法训练方式进行模拟训练和检验，或直接退出系 统结束训练。

本发明还具有以下特点：

步骤2中各训练步骤标准符合度的检验方法为，处理器识别从手型传感 器、倾角传感器和行刀感应板传来的信息，将其与预先设定的数据进行对比 并计算出结果。具体检验方法如下：

把握的手型标准符合度的检验方法为：处理器从手型传感器上获取压力 点的位置，并检验在当前执刀手法下手型传感器上对应的各标准感应区域内 是否均有压力信号，如果是，则判断为合格；如果任意一个标准感应区域内 缺少压力信号，则判断为不合格。持刀垂直度标准符合度检验方法为：处理 器由倾角传感器获取模拟手术刀的角度信息，并将其与预设的标准角度进行 对比，角度误差不大于预设误差判断为合格，角度误差大于预设误差判断为 不合格。行刀长度标准符合度的检验方法为：处理器由行刀感应板获取行刀 长度信息，并将其与预设的标准长度进行对比，长度误差不大于预设误差判 断为合格，长度误差大于预设误差判断为不合格。行刀力度标准符合度的检 验方法为：处理器由行刀感应板获取行刀力度信息，并将其与预设的标准力 度进行对比，力度误差不大于预设误差判断为合格，力度误差大于预设误差 判断为不合格。

不同执刀手法所对应的手型传感器上压力感应情况定义如下：以右手持 刀且刀头向下为模拟手术刀的标准方式，当执刀手法为执弓式时，手型传感 器上的标准感应区域a、e和f这三个标准感应区域内均有压力信号；当执刀 手法为执笔式时，手型传感器上的标准感应区域a、f和h这三个标准感应区 域内均有压力信号；当执刀手法为握持式时，手型传感器上的标准感应区域d、 c和g这三个标准感应区域内均有压力信号；当执刀手法为反挑式时，手型传 感器上的标准感应区域b、f和h这三个标准感应区域内均有压力信号。

本发明的有益效果是：(1)本发明手术刀电子训练系统具有执刀手法识 别功能，想法新颖、结构简单、智能性好、精确度高，训练环境要求低、操 作趣味性强、既便于个体化训练又适合群体化教学等优点，是一种低功耗、 低成本、易于实现的手术刀电子训练教具。(2)本发明的手术刀电子训练方 法不受环境限制，其采用的交互式训练方法更可使操作者直观、精细地体会 操作方法，有利于提高执刀手法的培训效率和效果。(3)本发明的手术刀电 子训练系统具有用户自拓展功能，用户可根据教学内容需要更改或拓展教学 训练内容，也可通过更改系统语音、显示提示信息及训练预案数据，来增加 其它执刀手法训练或经典手术模仿训练预案以拓展该教学系统的功能。

附图说明

图1为本发明的手术刀电子训练系统的结构示意图；

图2为本发明的手术刀电子训练系统中模拟手术刀的结构示意图；

图3为图2的模拟手术刀中手型传感器上各标准感应区域的示意图；

图4为本发明的手术刀电子训练系统中行刀感应板的结构示意图。

图中，1.模拟手术刀，2.手型传感器，3.倾角传感器，4.处理器，5.行刀感 应板，6.显示器，7.语音放音模块，8.FM无线调频发射器，9.FM无线耳机， 10.电源，11.刀头，12.刀柄，13.倾角传感器数据线，14.标准感应区域a，15. 标准感应区域b，16.标准感应区域c，17.标准感应区域d，18.标准感应区 域e，19.标准感应区域f，20.标准感应区域g，21.标准感应区域h，22.手 型传感器数据线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

按照现有解剖教学和实验要求，受训者需要掌握执弓式、执笔式、握持 式、反挑式四种执刀手法的运用，下面以这四种执刀手法为例，说明本发明 的手术刀电子训练系统和训练方法，但本发明并不限于这四种执刀手法。

本发明提供了一种具有执刀手法识别功能的手术刀电子训练系统，如图1 所示，包括模拟手术刀1，模拟手术刀的刀柄12上固定有手型传感器2，模 拟手术刀1的刀柄12尾端固定有倾角传感器3；手型传感器2和倾角传感器 3均与处理器4连接，处理器4还连接有行刀感应板5、显示器6、语音放音 模块7、FM无线调频发射器8、FM无线耳机9和电池10。

如图2所示，模拟手术刀1由刀头11和刀柄12组成，刀头11和刀柄12 均由聚乙烯塑料制成，其形状、尺寸与真实手术刀一致。刀头11和刀柄12 的形状、尺寸可采用常用的22号柳叶刀和四号手术刀柄，也可采用其他型号 的刀头和刀柄。模拟手术刀1的刀头及刀柄心由聚乙烯材料制成，能在行刀 感应板5上作模拟行刀操作。

本发明的手型传感器2采用薄型筒形传感器，套在刀柄12外并用紧固件 固定；手型传感器2采用能分辨毫米级间隔精度的点阵式压力传感器，按手 术刀刀柄尺寸及操作手感要求设计成扁形套筒状，可以感应出作用于传感器 上手指按压的个数、位置、区域大小、压力大小等参数，并将这些参数传输 给处理器4进行变换识别。

手型传感器2上按照各执刀手法的标准执刀手型划分有对应的标准感应 区域。对于可识别执弓式、执笔式、握持式、反挑式这四种执刀手法的训练 系统来说，本发明的手型传感器2沿轴向向着刀柄12末端的方向依次分为A、 B、C三个区，并用线条区分三个区的位置，这三个区的长度均为3cm左右。 三个区内按照成年人执刀手型共划分有八个标准感应区域，如图3所示，A 区设有四个标准感应区域，B区设有三个标准感应区域，C区设有一个标准感 应区域；以刀头向下为模拟手术刀的标准执刀方式，则A区的四个标准感应 区域分别为位于手型传感器的上、下、左、右方向的标准感应区域a、b、c、 d；B区的三个标准感应区域分别位于手型传感器的下、左、右方向的标准感 应区域e、f、g；C区的一个标准感应区域位于手型传感器的下方的标准感应 区域h。按照通常的执刀手法的执刀姿势，A区可感应拇指、食指、中指压力， B区可感应拇指、食指、中指压力，C区可感应虎口的压力。受训者在执刀时 将手指按在各个区的相应位置即可。

对执弓式、执笔式、握持式、反挑式这四种执刀手法的判别，可通过对 手型传感器2上的感应信号的判断，可以方便、精确地判别出执刀手型是否 规范。

这四种执刀手法所对应的手型传感器上压力感应情况定义如下：当执刀 手法为执弓式时，手型传感器上的标准感应区域a14、标准感应区域e18和 标准感应区域f19这三个标准感应区域内均有压力感应信号，即食指、中指、 拇指均接触刀柄上该执刀手法对应位置；当执刀手法为执笔式时，手型传感 器上的标准感应区域a14、标准感应区域f19和标准感应区域h21这三个标 准感应区域内均有压力感应，即食指、拇指、虎口均接触刀柄上该执刀手法 对应位置；当执刀手法为握持式时，手型传感器标准感应区域d17、标准感 应区域c16和标准感应区域g20这三个标准感应区域内均有压力感应，即拇 指、食指、中指均接触刀柄上该执刀手法对应位置；当执刀手法为反挑式时， 手型传感器标准感应区域b15、标准感应区域f19和标准感应区域h21这三 个标准感应区域内均有压力感应，即食指、拇指、虎口均接触刀柄上该执刀 手法对应位置。

标准感应区域的设置的个数、位置可进一步根据实验要求的精度调整， 例如，当不需要特别高的判断精度时，处理器判断手型可不考虑虎口接触刀 柄的压力，则无需设计C区的标准感应区域h21。但若想进一步提高判断精 度，则可再增加其他标准感应区域。

标准感应区域的面积大小可以根据训练精度要求设置，例如以标准感应 位点为中心点，在中心点直径5mm范围内均为标准感应区域，只要获取到的 压力信号位置位于标准感应区域内，均可视为该标准感应区域内有压力信号。 若精度要求更高，可进一步减小标准感应区域面积。同时，由于每个受训者 手掌大小不一样，为了使该系统具有通用性，也可适当调整标准感应区域的 面积大小。

当然，手型传感器2还可以采用其它结构，或其他类型的压力传感器。 只要能测试起到测试手型的作用均可。例如，本发明的手型传感器2还可以 采用薄型片式结构的传感器，贴在刀柄12上。

倾角传感器3由微型的三轴重力加速度传感器芯片、接口调理及稳压电 路组成。通过对三轴重力加速度数据读入和解算，可实现对手术刀现行倾斜 角测量。为了掌握解剖过程中手木刀的持刀倾角，又能保持刀柄的原有尺寸 大小，不影响操作的手感，倾角传感器3釆用短形帽式封装结构，使用时可 方便地套在刀柄尾端。

当然，倾角传感器3还可以采用其它结构，或其他类型的倾角传感器。 只要能起到测试模拟手术刀角度变化的作用、不影响操作效果即可。

处理器4为内部带有A/D变换器的单片机，单机片内装有教学训练用的 手术刀操作训练预案和各种执刀手法操作参数限定值。为了进一步扩大本发 明系统的训练功能及扩大训练预案存储容量，可在本发明系统的处理器外另 接存储器，如AT24C512串行接口电可擦写存储器，该器件为大容量串行控 制的数据存储器，是一种性价比非常高的单片机外部数据存储器件。

行刀感应板5如图4所示，采用7-9寸大小的电阻式压力板，为模拟式位 置及压力参数输入部件。分为行刀训练操作区和按键区，按键区设有不同执 刀手法训练的选择按键，行刀训练操作区为执刀手法训练区，在训练时可直 接使用模拟手术刀在行刀训练操作区进行接触式模拟解剖操作，电阻式压力 板将操作者的行刀数据输入给处理器4中的A/D变换器进行变换识别，从而 感知模拟手术刀操作的入刀、行刀、方向、手术刀操作力度大小等参数。

显示器6为7-9寸大小的LCD显示屏，为操作参数显示部件，可显示： 手术刀把握的手型、倾斜的角度，手术刀的行刀走向、行刀距离，行刀的力 度、训练提示等参数。

语音放音模块7为ISD系列可寻址的语音录放模块，由ISD系列单片语 音录放芯片及外围录放电路组成。训练指导语音预先分条录入并存放在芯片 中，当要作提示时，由处理器4选取和控制播放，并送至无线调频发射器7， 变成FM语音无线广播输出。

FM无线调频发射器8为多频点可选的FM无线调频发射器。FM频段范 围：87.5-108.0Mhz，频点选择间隔为0.1Mhz。

FM无线耳机9是头戴式FM无线耳机，为一种多频点可选的FM无线耳 机，专门接收无线调频发射器7输出的相同频点的FM信号。

本发明还提供了一种使用该手术刀电子训练系统进行执刀手法训练的训 练方法，包括以下步骤：

1、选择训练内容。

打开电源10，处理器4将训练提示信息传送给显示器6和语音放音模块 7，通过显示器6显示训练提示信息，处理器4选择语音放音模块7中相应的 训练提示信息，并将该信息传送至FM无线调频发射器8，变成FM语音无线 广播输出，受训者可通过FM无线耳机9听到语音提示，按照提示要求在行 刀感应板5的按键区中从多种执刀手法训练方式中选择一种工作，系统便进 入该执刀手法训练工作。

处理器4将信息传送给FM无线耳机9的过程具体为：处理器4选择语 音放音模块7中相应的信息，将该信息通过FM无线调频发射器8变成FM语 音无线广播输出，再通过FM无线耳机9播出。

2、模拟训练。

处理器4将该执刀手法的操作信息传送给显示器6，通过显示器6显示该 执刀手法训练方式的基本执刀要领和模拟解剖任务及要求；处理器4选择语 音放音模块7播放与显示内容同步的语音训练指导信息，受训者可通过FM无 线耳机9听到语音提示，然后用模拟手术刀1在行刀感应板5的行刀训练操 作区按解剖任务及要求进行模拟解剖训练。

模拟训练过程中，手术刀电子训练系统按解剖任务及要求，依次对受训 者在解剖操作过程中将模拟手术刀把握的手型、持刀的垂直度、行刀长度和 行刀力度进行检验。每一步操作过程中，模拟手术刀1上的手型传感器2会 将手术刀把握的手型信息传输给处理器4，倾角传感器3会将持刀的垂直度信 息传输给处理器4，行刀感应板的行刀训练操作区会将行刀长度和行刀力度信 息传输给处理器4，处理器4会识别和判断受训者的当前操作数据是否符合解 剖任务要求及预设的操作参数限定值，无论是否符合都会通过显示器6和语 音放音模块7输出判断结果。如果当前操作不符合解剖任务要求及设定的操 作参数限定值，则处理器4不进行下一项操作内容的判断，要求受训者继续 当前操作训练，直到受训者的当前操作正确后处理器4才会进入下一项训练 内容的判断，此时受训者才可进行下一项操作。

训练过程的检验及顺序为，处理器依下列次序识别从各传感器接收到的 信息，并将其与解剖任务要求及预先设定的操作参数限定值进行对比并得出 结果。

把握的手型检验方法为：根据手型传感器传来的压力位点的位置，处理 器检验在当前执刀手法下手型传感器上对应的各标准感应区域内是否均有位 置精准的压力信号，如果是，则判断为合格；如果任意一个标准感应区域内 缺少位置精准的压力信号，则判断为不合格。标准感应区域的面积大小可以 根据训练精度要求设置，例如以标准感应位点为中心点，在中心点直径5mm 范围内均为标准感应区域内，只要获取到的压力信号位置位于标准感应区域， 均可视为该标准感应区域内有压力信号。

持刀的垂直度检验方法为：获取到的模拟手术刀的角度信息与任务预设 的标准角度进行对比，角度误差不大于预设误差判断为合格，角度误差大于 预设误差判断为不合格。预设误差可以根据训练精度要求设置，如设为±0.5°。

行刀长度检验方法为：获取到的行刀长度信息与任务预设的标准长度进 行对比，长度误差不大于预设误差判断为合格，长度误差大于预设误差判断 为不合格。预设误差可以根据训练精度要求设置，如设为±3％。

行刀力度检验方法为：获取到的行刀力度信息与任务预设的标准力度进 行对比，力度误差不大于预设误差判断为合格，力度误差大于预设误差判断 为不合格。预设误差可以根据训练精度要求设置，如设为±5g。

3、训练评判。

当一种执刀手法的模拟训练完成后，处理器4对整个模拟训练所用的时 间是否符合任务所设定的训练时间要求进行判断，并将判断结果传输给显示 屏6和语音放音模块7进行显示和语音提示。

每一种执刀手法的训练通过后，处理器再次将训练提示信息通过显示屏 和语音放音模块输出，要求受训者在行刀感应板的按键区中从多种执刀手法 训练方式中选择另一种训练方式，系统便进入另一种执刀手法训练工作，然 后继续模拟训练，或者选择退出结束本次训练。

下面以执弓式为例，说明本发明手术刀电子训练系统的实际训练过程。

1、选择训练内容。

打开电源10，受训者可从显示器看到训练提示信息，从FM无线耳机听 到语音提示，按照提示要求在行刀感应板的按键区中从多种执刀手法训练方 式中选择执弓式，系统便进入执弓式训练工作，受训者可通过显示器、FM无 线耳机了解执弓式执刀手法的要领和解剖训练任务及要求。

2、模拟训练。

受训者把握住模拟手术刀，在行刀感应板的行刀训练操作区按解剖训练 任务和要求进行模拟操作。

1)手术刀把握的手型测试：受训者先按执弓式把握模拟手术刀，系统则 判断手术刀把握的手型是否正确。若正确，则语音提示“手术刀把握的手型 正确”，显示屏显示：手术刀把握的手型＝“执弓式”。若不正确，则语音提示 “手术刀把握的手型不正确，请改变把握方式”，显示屏显示：手术刀把握的 手型＝“？？？”。当手术刀把握的手型不正确时，不进行下一步测试，继续 进行本测试，且每10秒测报一次。

2)持刀的垂直度测试：系统判断手术刀把握的垂直度是否正确。若正确， 则语音提示“手术刀把握的垂直度正确”，显示屏显示：手术刀把握的垂直度 ＝“XX.X度”。若不正确，则语音提示“请调整手术刀把握的垂直度”，显示 屏显示：手术刀把握的垂直度＝“XX.X度”。当手术刀把握的垂直度不正确时， 不进行下一步测试，继续进行本测试，且每10秒测报一次。

3)行刀长度和行刀力度测试：系统按解剖训练任务和要求判断行刀长度 和行刀力度是否正确。若正确，显示屏显示每次行刀的距离和力度，当连续5 次行刀操作不规范后，则语音提示：“请将手术刀行刀方式调整至任务要求范 围”。当行刀长度和行刀力度不规范时，不进行下一步测试，继续进行本测试， 且每10秒测报一次。

3、训练评判。当一种执刀手法的模拟训练完成后，系统显示操作者在本 次操作训练中，从操作训练开始至操作训练规范所占用的时间，并作出训练 评判：

(1)对于≤50秒者，显示并语音提示：“训练达标，好好保持”；

(2)对>50秒≤70秒者，显示并语音提示：“训练欠达标，继续努力”；

(3)对>70秒≤90秒者，显示并语音提示：“训练未达标，继续加油”。

做出训练评判后，系统显示并语音提示：“本次执刀方式训练结束，欢迎 下次再来！”；系统进入下一个新的训练选择阶段，等待受训者再次选择按键 进入下一个执刀方式训练，或选择退出系统，关闭电源停机。

其它执刀方式的实际训练过程与执弓式相似，只是各执刀手法的要领及 解剖训练任务和要求标准不同而巳。

本发明的手术刀电子训练系统具有用户自拓展功能，用户可根据教学内 容需要更改或拓展教学训练内容，如可通过处理器设置不同的提示语言、处 理器进行操作判断的时间间隔、训练次数、数值判别上限值等方法修改现有 训练预案；也可通过更改系统语音、显示提示信息及训练预案数据，来增加 其它执刀手法训练或经典手术模仿训练预案以拓展该教学系统的功能。

本发明一种具有执刀手法识别功能的手术刀电子训练系统，功能强大， 可用于多种解剖教学和训练，整个教学过程无需人工过多参与，受训者只需 根据系统的提示一步步进行交互式训练，精确度高，训练环境要求低，操作 趣味性强。该手术刀电子训练系统智能性好、结构简单、易于操作，既便于 个体化训练又适合群体化教学，是一种低功耗、低成本、易于实现的手术刀 电子训练教具。采用该系统进行执刀手法的训练不受环境限制，其采用的交 互式训练方法更可使操作者直观、精细地体会操作方法，有利于提高执刀手 法的培训效率和效果。

本发明以上描述只是部分实施案例，但是本发明并不局限于上述的具体 实施方式。上述的具体实施方式是示意性的，并不是限制性的。凡是采用本 发明的装置，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，所有具 体拓展均属本发明的保护范围之内。