CN103280145B - 心血管介入虚拟手术力反馈系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于力反馈的心血管介入虚拟手术仿真系统，包括：位移采集单元、力反馈机构、电机驱动器、处理器和计算机，所述位移采集单元包括导丝位移采集单元、球囊导管位移采集单元和指引导管位移采集单元；所述力反馈机构包括导丝力反馈机构、球囊导管力反馈机构和球囊导管力反馈机构。本发明用于模拟心血管介入治疗中插入导丝、导管等过程中的运动感和力觉感，手术精确性高，重复性好，可以缩短医生的培养周期，降低手术风险。
Description
技术领域
本发明涉及一种虚拟手术仿真系统，具体地，涉及的是一种基于力反馈的心血管介入虚拟手术仿真系统。
背景技术
冠状动脉粥样硬化性心脏病(CoronaryAtheroscleroticHeartDisease)简称冠心病，是指人体心脏冠状动脉血管发生粥样硬化使心脏血管腔壁变狭窄甚至阻塞，或者因心脏冠状动脉血管功能性改变(例如痉挛)导致心肌供血不足致使心脏缺氧甚至坏死而引发的心脏病。冠心病是动脉血管发生粥样硬化而引起人体各组织器官发生病变的最常见的发病类型，严重威胁着人类的健康。冠心病的治疗方法通常分为四种：运动锻炼治疗、药物治疗、外科手术治疗以及介入手术治疗。其中，心血管介入治疗疗效迅速、显著，病人术后恢复周期短，现已成为冠心病的主要诊治方式之一，也是未来数字化医学的发展方向。然而，由于心血管介入手术是一项非常复杂、耗时的精细手术，需要操作医生有精湛的手术技能。传统的在病人身上训练的培训模式，由于手术过程有一定风险，已逐渐不被接受。为了解决上述困难，研发一种心血管虚拟现实手术培训系统将成为一种趋势。
经对现有技术的检索发现，中国发明专利公开号CN101441831A，记载了一种力反馈的虚拟手术仿真系统，该技术包括单自由度机械手、控制电路和电源，其中单自由度机械手包括机械臂、力矩电机、位置传感器、电机支撑盘和底盘，控制电路包括信号调理电路、数据采集卡、碰撞检测模块、软组织形变计算模块、显示模块、力反馈计算模块、单片机及外围电路和电机驱动电路，该装置可供外科医生进行单自由度力反馈的外科手术训练。对于手术过程更为复杂的心血管介入手术，单自由度力反馈的手术训练系统显然不能满足要求。由于缺乏专用的心血管介入虚拟手术仿真系统，人们不得不利用现有的虚拟手术仿真设备。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于力反馈的心血管介入虚拟手术仿真系统，能模拟心血管介入治疗中插入导丝、导管等介入器械的运动感与力觉感。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供一种基于力反馈的心血管介入虚拟手术仿真系统，包括：位移采集单元、力反馈机构、电机驱动器、处理器和计算机，所述位移采集单元包括导丝位移采集单元、球囊导管位移采集单元和指引导管位移采集单元；所述力反馈机构包括导丝力反馈机构、球囊导管力反馈机构和指引导管力反馈机构，其中：
所述导丝力反馈机构由导丝推拉力反馈机构和捻旋力反馈机构，推拉力反馈机构提供给导丝大小可调的推拉反馈力，捻旋力反馈机构提供给导丝大小可调的旋转力反馈；
所述球囊导管力反馈机构、所述指引导管力反馈机构均由对应器械的推拉力反馈机构、捻旋力反馈机构以及插入导向机构组成，此处推拉力反馈机构分别提供给球囊导管、指引导管大小可调的推拉反馈力，捻旋力反馈机构分别提供给球囊导管、指引导管大小可调的旋转力反馈；所述插入导向机构引导介入器械进入对应的所述力反馈机构，之后复位；
所述导丝位移采集单元、所述球囊导管位移采集单元以及所述指引导管位移采集单元用于测量插入本仿真系统的三种介入器械即导丝、球囊导管以及指引导管的位移，并将采集到的三种介入器械的轴向位移和旋转位移，并传送给计算机进行计算分析；
所述计算机根据计算分析的结果发送控制信号给处理器；
所述处理器接受计算机发送的控制信号，并转换成相应的控制信号发送给电机驱动器；
所述电机驱动器接收处理器发出的控制信号，转换成电机工作的驱动信号，用于驱动所述导丝力反馈机构、所述球囊导管力反馈机构和所述指引导管力反馈机构力中的电机，带动这三个力反馈机构对所述导丝、所述球囊导管和所述指引导管施加运动阻力，即为人手感知到的反馈力。
优选地，所述位移采集单元均采用非接触位移测量方式，具体采用的是激光鼠标位移传感器，用于测量插入本仿真系统的三种介入器械的位移。
优选地，所述导丝位移采集单元、球囊导管位移采集单元和指引导管位移采集单元，以及所述导丝力反馈机构、球囊导管力反馈机构和指引导管力反馈机构均位于底座上。
优选地，所述导丝、球囊导管以及指引导管对应的推拉力反馈机构结构相同，均包括：推拉夹紧机构、楔形块基座、推拉联轴器、推拉微型丝杠、推拉微型直线导轨、推拉限位块和推拉电机，其中：推拉夹紧机构的固定端固定于底座，移动端通过轴承配合固定在楔形块基座右上方；推拉微型直线导轨的移动滑块通过螺纹连接固定在楔形块基座左下方，推拉微型直线导轨的固定导槽固定在底座上，推拉限位块固定在推拉微型直线导轨固定导槽的末端；推拉微型丝杠的丝杠螺母通过螺纹连接固定在楔形块基座左上方，推拉微型丝杠的丝杠轴末端通过推拉联轴器与推拉电机的输出轴末端进行连接，推拉联轴器位于推拉限位块后方，推拉电机固定在推拉联轴器后方的挡板上。
优选地，所述导丝、球囊导管以及指引导管对应的捻旋力反馈机构结构相同，均包括：旋转夹紧机构、动滑轮基座、旋转联轴器、旋转微型丝杠、旋转微型直线导轨、旋转限位块和旋转电机，其中：旋转夹紧机构的定滑轮固定于底座，动滑轮通过轴承配合固定在动滑轮基座右下方；旋转微型直线导轨的移动滑块通过螺纹连接固定在旋转夹紧机构的动滑轮基座左下方，旋转微型直线导轨的固定导槽固定在底座上，旋转限位块固定在旋转微型直线导轨固定导槽的末端；旋转微型丝杠的丝杠螺母通过螺纹连接固定在旋转夹紧机构的动滑轮基座左上方，旋转微型丝杠的丝杠轴末端通过旋转联轴器与旋转电机的输出轴末端进行连接，旋转联轴器位于旋转限位块后方，旋转电机固定在旋转联轴器后方的挡板上。
优选地，所述球囊导管以及指引导管对应的插入导向机构结构相同，均包括：滑动块、传动线、导柱、导向管、导向机构基板和导向电机，其中：导向机构基板固定在底座上，导柱穿过导向机构基板上的安装孔，导柱末端用螺母压紧在导向机构基板上，传动线缠绕在导向机构基板上的滑轮内槽，滑动块通过四个安装孔分别与导柱和传动线进行轴孔配合，导向管穿过滑动块下方的导向孔，导向电机固定在导向机构基板的后上方。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明用于模拟心血管介入治疗中插入导丝、导管等过程中的运动感和力觉感，解决了虚拟手术系统中视觉、运动觉和力觉的协调难题，手术精确性高，重复性好，可以缩短医生的培养周期，降低手术风险。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的系统框图。
图2为本发明的整体机械结构示意图。
图3为本发明的介入器械力反馈机构结构示意图。
图4为本发明的球囊导管推拉力反馈机构结构示意图。
图5为本发明的球囊导管推拉夹紧机构结构示意图。
图6为本发明的球囊导管捻旋力反馈机构结构示意图。
图7为本发明的球囊导管导向机构结构示意图。
图8为本发明的位移采集单元结构示意图。
图中：导丝100，球囊导管200，指引导管300，导丝力反馈机构101，导丝位移采集单元102，球囊导管力反馈机构201，球囊导管位移采集单元202，指引导管力反馈机构301，指引导管位移采集单元302，电机驱动器400，处理器500，计算机600；
导丝力反馈机构101，导丝位移采集单元102，球囊导管力反馈机构201，球囊位移采集单元202，指引导管力反馈机构301，指引导管位移采集单元302；
推拉力反馈机构210，捻旋力反馈机构211，插入导向机构212；
底座219，驱动电机220，联轴器222，推拉限位块223，精密微型直线导轨228，精密微型丝杠229，楔形块基座232，夹紧机构233；
轴承240，楔形块241，夹紧片基座242，上滑块243，微型弹簧244，夹紧片246，轴承247，夹紧片248，下滑块251，导向柱252；
驱动电机260，联轴器262，旋转限位块263，精密微型丝杠267，动滑轮基座268，精密微型直线导轨269，弹簧273，动滑轮275，定滑轮277；
电机280，驱动轮281，导柱282，传动线283，滑动块284，导向机构基板286，导向管291；
激光鼠标位移传感器203，导向管固定座204、205，导轨206，介入器械导向管207、208。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，心血管介入虚拟手术系统包括：导丝100，球囊导管200，指引导管300，导丝力反馈机构101，导丝位移采集单元102，球囊导管力反馈机构201，球囊导管位移采集单元202，指引导管力反馈机构301，指引导管位移采集单元302，电机驱动器400，处理器500以及计算机600。
进行心血管介入虚拟手术时，训练人员操作导丝100、球囊导管200、指引导管300等三种介入器械，位移采集单元102、202、302分别采集其在推拉运动方向和旋转方向两个自由度的位移、速度信息，并传送给计算机600进行计算分析，并发送控制信号给处理器500，处理器500根据计算机指令控制电机驱动器400驱动力反馈机构101、201、301中的电机带动力反馈机构对介入器械即导丝100、球囊导管200、指引导管300施加运动阻力，即为人手感知到的反馈力。
如图2所示，所述力反馈整体机械机构部分包括三部分：导丝力反馈机构101与导丝位移采集单元102、球囊导管力反馈机构201与球囊位移采集单元202、指引导管力反馈机构301与指引导管位移采集单元302。三部分结构功能类似，分别用于接收介入器械即导丝100、球囊导管200、指引导管300，且均位于底座上。故下文选取部分结构进行阐述。
如图3所示，所述球囊导管力反馈机构201包括：推拉力反馈机构210、捻旋力反馈机构211和插入导向机构212。当球囊导管200到达力反馈机构201时，首先进入导向机构212，在导向机构212的引导下，依次通过推拉力反馈机构210和捻旋力反馈机构211。
如图4、5所示，所述导丝100、球囊导管200以及指引导管300对应的推拉力反馈机构结构相同，在本实施例中均包括：驱动电机220、联轴器222、推拉限位块223、精密微型直线导轨228、精密微型丝杠229、楔形块基座232、夹紧机构233、夹紧片基座242、楔形块241、上滑块243、下滑块251、导向柱252、微型弹簧244、夹紧片246、夹紧片248、轴承240和轴承247，其中它们的连接关系为：推拉夹紧机构233通过轴承247固定于底座219，夹紧机构233的移动端为楔形块241，其固定端由夹紧片基座242上的各元件组成，夹紧片基座242的侧面孔内穿过导向柱252，导向柱252轴上套有微型弹簧244，上滑块243和下滑块251分别套在导向柱252的两端，并压在微型弹簧244前端，微型弹簧244末端为夹紧片246和248，楔形块241通过轴承240配合固定在楔形块基座232右上方，精密微型直线导轨228的移动滑块通过螺纹连接固定在楔形块基座232左下方，精密微型直线导轨228的固定导槽固定在底座219上，推拉限位块223位于精密微型直线导轨228固定导槽的末端，精密微型丝杠229的丝杠螺母通过螺纹连接固定在楔形块基座232左上方，精密微型丝杠229的丝杠轴末端通过联轴器222与驱动电机220的输出轴末端进行连接，驱动电机220通过螺钉固定在后方的挡板上。
推拉力反馈机构210的实现原理为：在驱动电机220的带动下，通过联轴器222、精密微型丝杠229和精密微型直线导轨228将电机轴的旋转运动转化为楔形块基座231的直线运动，楔形块基座232带动楔形块241沿着球囊导管200的轴线方向运动，驱动上滑块243、下滑块251沿着导向柱252相向运动，上、下滑块243、251相向运动时通过微型弹簧244带动夹紧片246、248压迫已到位的球囊导管200，球囊导管200运动时将会受到一定大小的摩擦阻力，传递到人手即为感受到的推拉反馈力；当楔形块241退回时，上、下滑块243、251以及夹紧片246、248在微型弹簧244的弹力下自动复位；若此时捻旋球囊导管200做周向旋转运动，整个夹紧机构233会绕着球囊导管200轴向做同步旋转，这是由于采用的是特种陶瓷轴承240、247，摩擦系数非常小，夹紧机构233旋转时的摩擦阻力可忽略。本实施例中所述的特种陶瓷比如氧化锆。
如图6所示，所述导丝、球囊导管以及指引导管对应的捻旋力反馈机构结构相同，在本实施例中均包括：驱动电机260、联轴器262、旋转限位块263、精密微型丝杠267、精密微型直线导轨269、动滑轮基座268、弹簧273、动滑轮275、定滑轮277，其中它们的连接关系为：定滑轮277固定于底座219，动滑轮275通过轴承配合固定在动滑轮基座268右下方，精密微型直线导轨269的移动滑块通过螺纹连接固定在动滑轮基座268左下方，旋转微型直线导轨269的固定导槽固定在底座219上，旋转限位块263位于精密微型直线导轨269的固定导槽的末端，精密微型丝杠267的丝杠螺母通过螺纹连接固定在动滑轮基座268左上方，旋转微型丝杠267的丝杠轴末端通过联轴器262与驱动电机260的输出轴末端进行连接，旋转电机260通过螺钉固定在联轴器262后方的挡板上。
捻旋力反馈机构211的实现原理为：在驱动电机260的带动下，通过联轴器262、精密微型丝杠267和精密微型直线导轨269将电机轴的旋转运动转化为动滑轮基座268的直线运动，动滑轮基座268通过弹簧273带动动滑轮275朝定滑轮277运动，给球囊导管200施加一定大小的压力，由于滑轮275、277外缘是圆形凹面，球囊导管200旋转时会受到一定大小的运动阻力，传递到人手即为感受到的捻旋反馈力。
如图7所示，所述球囊导管以及指引导管对应的插入导向机构结构相同，在本实施例中均包括：电机280、驱动轮281、导柱282、传动线283、滑动块284、导向机构基板286、导向管291，其中它们的连接关系为：导向机构基板286固定在底座219上，导柱282穿过基板286上的安装孔，导柱282末端用螺母压紧在导向机构基板286上，传动线283缠绕在导向机构基板286上的驱动轮281内槽，滑动块284通过四个安装孔分别与导柱282和传动线283进行轴孔配合，导向管291穿过滑动块284下方的导向孔，导向电机280通过螺钉固定在导向机构基板286的后上方。驱动轮281固定在电机280后方的底座219上。
导向机构212的实现原理为：球囊导管200在进入推拉力反馈机构210之前先进入导向机构212的导向管291，此时，电机280带动驱动轮281旋转，通过传动线283带动滑动块284沿着滑动块282导向轴运动，滑动块282带动导向管291进入推拉力反馈机构210，将球囊导管200送入指定位置，之后滑动块284复位，退回原来位置。这样球囊导管200就顺利通过推拉力反馈机构210的狭窄部位，导向机构212便完成了其导向功能。
如图8所示，位移采集单元202包括：激光鼠标位移传感器203，介入器械导向管207、208，导向管固定座204、205，导轨206。激光鼠标位移传感器203固定在底座219上，导向管固定座204和205分别位于激光鼠标位移传感器203的两端，其底部通过楔形面与导轨206进行配合，导轨206用螺钉固定在底座219上，介入器械导向管207和208固定在导向管固定座204上。
位移测量的实现原理为：介入器械沿着导向管207穿过激光鼠标位移传感器203的测量区域，并进入导向管208，此时，激光鼠标位移传感器203实时测量介入器械的轴向位移和旋转位移，并将位移信号发送给计算机600进行处理；导向管固定座204、205的位置可沿着导轨206调整。
使用本心血管介入虚拟手术力反馈系统的规范如下：
训练人员首先插入指引导管300，人手操作指引导管300时首先通过位移采集单元302，传感器会实时测量测量指引导管300的轴向位移和旋转位移，并将位移信号发送给计算机600进行处理，计算机600根据位移信号计算出相应的推拉反馈力和捻旋反馈力，并输出相应的控制信号给处理器500,处理器500根据事先编写的程序控制电机驱动器400驱动电机带动力反馈机构301给介入器械施加运动阻力。之后插入导丝100和球囊导管200，操作过程与指引导管300的操作类似。
本发明用于模拟心血管介入治疗中插入导丝、导管等过程中的运动感和力觉感，手术精确性高，重复性好，可以缩短医生的培养周期，降低手术风险。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种基于力反馈的心血管介入虚拟手术仿真系统，其特征在于，包括：位移采集单元、力反馈机构、电机驱动器、处理器和计算机，所述位移采集单元包括导丝位移采集单元、球囊导管位移采集单元和指引导管位移采集单元；所述力反馈机构包括导丝力反馈机构、球囊导管力反馈机构和指引导管力反馈机构，其中：
所述导丝力反馈机构由导丝推拉力反馈机构和捻旋力反馈机构构成，所述导丝推拉力反馈机构提供给导丝大小可调的推拉反馈力，所述捻旋力反馈机构提供给导丝大小可调的旋转力反馈；
所述球囊导管力反馈机构、所述指引导管力反馈机构均由对应器械的推拉力反馈机构、捻旋力反馈机构以及插入导向机构组成，此处对应器械的推拉力反馈机构分别提供给球囊导管、指引导管大小可调的推拉反馈力，对应器械的捻旋力反馈机构分别提供给球囊导管、指引导管大小可调的旋转力反馈；所述插入导向机构引导介入器械进入对应的所述力反馈机构，之后复位；
所述导丝位移采集单元、所述球囊导管位移采集单元以及所述指引导管位移采集单元用于测量插入本仿真系统的三种介入器械即导丝、球囊导管以及指引导管的位移，并将采集到的三种介入器械的轴向位移和旋转位移，传送给计算机进行计算分析；
所述计算机根据计算分析的结果发送控制信号给处理器；
所述处理器接受计算机发送的控制信号，并转换成相应的控制信号发送给电机驱动器；
所述电机驱动器接收处理器发出的控制信号，转换成电机工作的驱动信号，用于驱动所述导丝力反馈机构、所述球囊导管力反馈机构和所述指引导管力反馈机构中的电机，带动这三个力反馈机构对所述导丝、所述球囊导管和所述指引导管施加运动阻力，即为人手感知到的反馈力。
2.根据权利要求1所述的基于力反馈的心血管介入虚拟手术仿真系统，其特征在于，所述导丝位移采集单元、球囊导管位移采集单元和指引导管位移采集单元，以及所述导丝力反馈机构、球囊导管力反馈机构和指引导管力反馈机构均位于底座上。
3.根据权利要求2所述的基于力反馈的心血管介入虚拟手术仿真系统，其特征在于，所述导丝、球囊导管以及指引导管对应的推拉力反馈机构结构相同，均包括：推拉夹紧机构、楔形块基座、推拉联轴器、推拉微型丝杠、推拉微型直线导轨、推拉限位块和推拉电机；推拉夹紧机构的固定端固定于所述底座，移动端通过轴承配合固定在楔形块基座右上方，推拉微型直线导轨的移动滑块通过螺纹连接固定在楔形块基座左下方，推拉微型直线导轨的固定导槽固定在所述底座上，推拉限位块固定在推拉微型直线导轨固定导槽的末端，推拉微型丝杠的丝杠螺母通过螺纹连接固定在楔形块基座左上方，推拉微型丝杠的丝杠轴末端通过推拉联轴器与推拉电机的输出轴末端进行连接，推拉联轴器位于推拉限位块后方，推拉电机固定在推拉联轴器后方的挡板上。
4.根据权利要求2所述的基于力反馈的心血管介入虚拟手术仿真系统，其特征在于，所述导丝、球囊导管以及指引导管对应的捻旋力反馈机构结构相同，均包括：旋转夹紧机构、动滑轮基座、旋转联轴器、旋转微型丝杠、旋转微型直线导轨、旋转限位块和旋转电机，旋转夹紧机构的定滑轮固定于所述底座，动滑轮通过轴承配合固定在动滑轮基座右下方，旋转微型直线导轨的移动滑块通过螺纹连接固定在动滑轮基座左下方，旋转微型直线导轨的固定导槽固定在所述底座上，旋转限位块固定在旋转微型直线导轨固定导槽的末端，旋转微型丝杠的丝杠螺母通过螺纹连接固定在动滑轮基座左上方，旋转微型丝杠的丝杠轴末端通过旋转联轴器与旋转电机的输出轴末端进行连接，旋转联轴器位于旋转限位块后方，旋转电机固定在旋转联轴器后方的挡板上。
5.根据权利要求2所述的基于力反馈的心血管介入虚拟手术仿真系统，其特征在于，所述球囊导管以及指引导管对应的插入导向机构结构相同，均包括：滑动块、传动线、导柱、导向管、导向机构基板和导向电机，导向机构基板固定在底座上，导柱穿过基板上的安装孔，导柱末端用螺母压紧在导向机构基板上，传动线缠绕在导向机构基板上的滑轮内槽，滑动块通过四个安装孔分别与导柱和传动线进行轴孔配合，导向管穿过滑动块下方的导向孔，导向电机固定在导向机构基板的后上方。
6.根据权利要求2-5任一项所述的基于力反馈的心血管介入虚拟手术仿真系统，其特征在于，所述位移采集单元采用非接触位移测量方式，用于测量插入本仿真系统的三种介入器械的位移。
7.根据权利要求6所述的基于力反馈的心血管介入虚拟手术仿真系统，其特征在于，所述位移采集单元采用激光鼠标位移传感器。
8.根据权利要求7所述的基于力反馈的心血管介入虚拟手术仿真系统，其特征在于，所述位移采集单元包括：激光鼠标位移传感器，介入器械导向管，导向管固定座以及导轨，它们的连接关系为：激光鼠标位移传感器固定在底座上，导向管固定座分别位于激光鼠标位移传感器的两端，其底部通过楔形面与导轨进行配合，导轨固定在底座上，介入器械导向管固定在导向管固定座上。
9.根据权利要求8所述的基于力反馈的心血管介入虚拟手术仿真系统，其特征在于，介入器械沿着介入器械导向管穿过激光鼠标位移传感器的测量区域，并进入导向管，此时，激光鼠标位移传感器实时测量介入器械的轴向位移和旋转位移，并将位移信号发送给计算机进行处理；导向管固定座的位置可沿着导轨调整。
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