CN103456223A - 基于力反馈的腹腔镜手术模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于力反馈的腹腔镜手术模拟系统，包括手术平台，主计算机，模拟器械，腹腔镜套管，力反馈设备，脚踏板和显示设备。本发明的腹腔镜手术模拟系统设计简洁、紧凑、美观，其可在主计算机生成的虚拟环境中利用模拟器械进行手术，提高临床手术水平，且大大节约了医务培训的费用和时间。同时，力反馈技术可以使使用者通过力反馈设备，与虚拟环境进行力觉交互，使培训更加真实、准确、可靠，增强了虚拟手术的沉浸感和真实性。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟手术技术领域，尤其涉及一种基于力反馈的腹腔镜手术模拟系统。
背景技术
自法国人Mouret进行第一例腹腔镜胆囊切除术开始，腹腔镜手术经过100多年的发展历程，已经成为一种医学界普遍采取的新技术。通过腹腔镜与电视摄像系统、手术专用器械等的结合，开创了腹部手术新型而理想的途径，是微创外科的典型代表。
腹腔镜手术时在人体腹部或腰背部打2～5个小孔，采用专用腹腔镜器械通过戳孔进行手术。实施腹腔镜手术创口小、恢复快，减轻了病人的痛苦，缩短了住院时间，同时手术后切口愈合瘢痕小，外观美观，很受病人和医生的欢迎。但是，实施腹腔镜手术必须依靠医生精湛的技术才能完成，而精湛的技术受手术经验、手术时间和空间的限制，只有通过训练才能获得。
现有的腹腔镜手术训练主要以模拟操作箱为主，操作箱就是模拟人体腔体，操作箱里面放置一些黄豆、线、小球等物品来虚拟人体内部。使用真实的器械在操作箱内进行各种基本手法或者是手术片段。这样的训练方法，没有直观呈现出人体腔体内部的实际构造，对于基本手法甚至会误导，部分的微创伤手术器械也不能进行练习，临床真实的微创伤手术还会由许多未知因素，也不能再操作箱内表现出来。
虚拟手术技术在医学领域中有重要的应用，是近年来研究的热点之一。借助于虚拟手术技术，医务人员可以再计算机生成的虚拟环境中利用仿真器械培训如何进行手术，虚拟手术系统还可以将熟练医生的操作进行录制和回放，节约了医务培训的费用和时间，从而达到迅速提高学习者技能的目的。在虚拟手术中，力反馈技术起着重要的作用，力反馈技术可以使医生通过操作虚拟手术系统的力反馈设备，与虚拟环境进行力觉交互，使培训更加真实、准确、可靠，增强了虚拟手术的沉浸感和真实性。然而在目前，类似系统十分少见，东京慈惠会医科大学和香港中文大学基于达芬奇手术机器人做了一些这方面的工作，取得了一定的研究成果，但是研发出的系统仍然很不成熟，而国内基于手术机器人的手术仿真尚未广泛开展，总之国内外的这方面研究还处于起步阶段。
有鉴于此，有必要提供一种基于力反馈的腹腔镜手术模拟系统以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于力反馈的腹腔镜手术模拟系统。
本发明的一种基于力反馈的腹腔镜手术模拟系统，所述腹腔镜手术模拟系统包括：
手术平台，所述手术平台内部设有容置空间，手术平台的上表面设有第一通孔、第二通孔及第三通孔；
主计算机，设于所述手术平台内部的容置空间中，用于通过模拟软件生成实时手术仿真图像；
模拟器械，所述模拟器械包括左手模拟器械、右手模拟器械，左手模拟器械和右手模拟器械分别插设于所述第一通孔和第二通孔内；
腹腔镜套管，设于所述手术平台上并插设于所述第三通孔内，用于控制显示设备上显示的视野；
力反馈设备，设于所述手术平台内部的容置空间中，所述力反馈设备设为两个，分别与所述左手模拟器械和右手模拟器械相连；
脚踏板，与所述主计算机相连，用于控制模拟器械的通电和冲洗；
显示设备，设于手术平台上，用于显示主计算机通过模拟软件生成的实时手术仿真图像。
作为本发明的进一步改进，所述力反馈设备上设有若干定位传感器。
作为本发明的进一步改进，所述定位传感器包括角度传感器或位移传感器。
作为本发明的进一步改进，所述主计算机包括数据处理模块，用于接收和计算所述力反馈设备上定位传感器的数据，并进行处理后产生三维仿真图像发送至所述显示设备上。
作为本发明的进一步改进，所述手术平台内容置空间分为相互连通的第一容置空间和第二容置空间，所述主计算机位于第二容置空间内，力反馈设备位于第一容置空间内。
作为本发明的进一步改进，所述腹腔镜套管显示的视野角度包括0°、30°和45°。
作为本发明的进一步改进，所述显示设备包括信息输入设备，所述信息输入设备为键盘、鼠标或触摸显示屏。
作为本发明的进一步改进，所述手术平台上还设有模拟人体躯干，所述模拟人体躯干上设有三个与手术平台相对应的通孔。
作为本发明的进一步改进，所述手术平台底部设置有至少四个滑轮，以方便腹腔镜手术模拟系统的移动。
作为本发明的进一步改进，所述每个滑轮上设置有个制动刹，以固定腹腔镜手术模拟系统的位置。
本发明的有益效果是：腹腔镜手术模拟系统设计简洁、紧凑、美观，其可在主计算机生成的虚拟环境中利用模拟器械进行手术，提高临床手术水平，且大大节约了医务培训的费用和时间。同时，力反馈技术可以使使用者通过力反馈设备，与虚拟环境进行力觉交互，使培训更加真实、准确、可靠，增强了虚拟手术的沉浸感和真实性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一优选实施方式中基于力反馈的腹腔镜手术模拟系统的结构示意图。
图2为本发明一优选实施方式中基于力反馈的腹腔镜手术模拟系统的俯视示意图。
图3为本发明一优选实施方式中基于力反馈的腹腔镜手术模拟系统的模块示意图。
具体实施方式
本发明基于力反馈的腹腔镜手术模拟系统，其包括：
手术平台，所述手术平台内部设有容置空间，手术平台的上表面设有第一通孔、第二通孔及第三通孔；
主计算机，设于所述手术平台内部的容置空间中，用于通过模拟软件生成实时手术仿真图像；
模拟器械，所述模拟器械包括左手模拟器械、右手模拟器械，左手模拟器械和右手模拟器械分别插设于所述第一通孔和第二通孔内；
腹腔镜套管，设于所述手术平台上并插设于所述第三通孔内，用于控制显示设备上显示的视野；
力反馈设备，设于所述手术平台内部的容置空间中，所述力反馈设备设为两个，分别与所述左手模拟器械和右手模拟器械相连；
脚踏板，与所述主计算机相连，用于控制模拟器械的通电和冲洗；
显示设备，设于手术平台上，用于显示主计算机通过模拟软件生成的实时手术仿真图像。
此本发明的腹腔镜手术模拟系统设计简洁、紧凑、美观，其可在主计算机生成的虚拟环境中利用模拟器械进行手术，提高临床手术水平，且大大节约了医务培训的费用和时间。同时，模拟器械上连接有力反馈设备，力反馈技术可以使使用者通过力反馈设备，与虚拟环境进行力觉交互，使培训更加真实、准确、可靠，增强了虚拟手术的沉浸感和真实性。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
参图1-图3所示分别为本发明一优选实施方式中基于力反馈的腹腔镜手术模拟系统100的结构示意图、俯视示意图和模块示意图。以下对腹腔镜手术模拟系统100的各组成部分作详细说明。
手术平台10的上下表面均为平面，其中上表面略长于下表面，手术平台10底部设置有滑轮16，以方便腹腔镜手术模拟系统的移动。每个滑轮13上设置有个制动刹161，以固定腹腔镜手术模拟系统的位置。优选地在本实施方式中滑轮的数量设置为4个，当腹腔镜手术模拟系统100移动到合适位置后，踩下制动刹161，可以固定腹腔镜手术模拟系统100的位置，需要移动腹腔镜手术模拟系统100时，再次踩下以放开制动刹161即可。
手术平台10呈中空装，内部设有容置空间，优选地，在本实施方式中容置空间包括第一容置空间11和第二容置空间12，第一容置空间11位于第二容置空间12的上方，且第一容置空间11和第二容置空间12相连通。优选地在本实施方式中，手术平台10采用流线型设计，第一容置空间11和第二容置空间12的两个圆弧状外侧面在位于模拟器械30的下方相切连接，在远离模拟器械30的一端呈圆弧状连接，在其他实施方式中第一容置空间11和第二容置空间12可以呈其他规则或不规则形状，只要内部设有足够的容置空间即可。
在手术平台10的上表面设有第一通孔13、第二通孔14及第三通孔15，第一通孔13、第二通孔14及第三通孔15均与第一容置空间11相连通。
主计算机20，设于所述手术平台10内部的第二容置空间12中。
主计算机20包括数据处理模块21，用于接收和计算所述力反馈设备50上定位传感器的数据，并进行处理后产生三维仿真图像发送至所述显示设备70上。
模拟器械30，所述模拟器械30包括左手模拟器械31和右手模拟器械32，左手模拟器械31和右手模拟器械32分别插设于所述第一通孔13和第二通孔14内，第一通孔13和第二通孔14完全相同且对称设置。模拟器械30包括直分离钳、弯分离钳、抓钳、钛夹钳、电凝钩、缝合针等。模拟器械的手柄处使用耐磨树脂制作，可以延长使用寿命，并且有类似真实器械的重量和手感，对于电路绝缘以及电子信号也能有效的屏蔽。
腹腔镜手术模拟系统100中的模拟器械30的器械手柄都是相同的，不同的器械表现在模拟器械30的虚拟端，根据不同训练操作，显示出不同的工具。在进行操作时，使用者通过对手术器械手柄的操纵，实现训练场景中相应的操作效果。每一个训练中使用到的各种各样的工具都是通过被选择这方式出现。在进行选择时，插入模拟器械后显示已选择的器械；如果需要重新选择器械，应先把模拟器械拔出，在主计算机20中更换模拟器械后，再将模拟器械插入进行操作。在使用时，使用者通过对模拟器械的移动、扣、释放等动作来实现模拟器械的操作，对应动作的操作效果则通过主计算机显示在显示设备上。
腹腔镜套管40，设于手术平台10上并插设于第三通孔15内，用于控制显示设备上显示的视野。
腹腔镜套管显示的视野角度包括0°、30°和45°等，使用者根据不同的需要，可以选择不同角度的腹腔镜，主计算机20根据使用者的选择，调用对应的场景，并将腹腔镜视野范围内的图像在显示设备70上显示出来。
在使用过程中，腹腔镜的视野变化是通过移动腹腔镜套管装置来控制的。在显示屏上显示的视野，跟随套管的位置和角度的调整发生相应的变化，其使用方法跟模拟器械的相同。当前腹腔镜的角度情况会显示在显示设备上，常用是0°或30°两个角度的方式显示。为方便操作，可以固定腹腔镜角度，使腹腔镜的视野保持现在的场景不变。如果需要改变腹腔镜的角度，先解除固定腹腔镜的角度，然后通过触摸点击或用鼠标点击选择需要的腹腔镜角度，就可以切换腹腔镜的角度。
力反馈设备50，设于手术平台10内部的第一容置空间11中，力反馈设备50设为两个，分别与左手模拟器械31和右手模拟器械32相连。
力反馈设备上设有若干定位传感器，定位传感器可为角度传感器或位移传感器等。定位传感器可以通过采集的数据，将这些数据传输到主计算机20中，主计算机20接收到数据后，调用微创手术的数据库和仿真软件，生成一个完全互动的病人和病情，通过电脑软件和空间定位的完美结合，在显示设备70上显示逼真的手术场景。同时，力反馈设备50还会将反馈力的大小和方向反馈到使用者的模拟器械上，使培训更加真实。
脚踏板60，与所述主计算机20相连，用于控制模拟器械40的通电和冲洗。
脚踏板60包括右脚踏板和左脚踏板，右脚踏板控制右手模拟器械32，左脚踏板控制左手模拟器械31。在选择完器械后，如果会使用到模拟器械的通电属性，可以在显示设备中预先设置模拟器械的电功率数值和通电属性的开关，当然在操作过程中调整也是可以的。如果模拟器械具有通电属性，而且器械的通电属性也打开。那么在训练过程中，通过踩踏和释放脚踏板进行通电的开始和结束操作。另外，冲洗的开和关也是由脚踏板控制的，踩踏脚踏板开始冲洗，释放脚踏板即停止冲洗。
显示设备70，设于手术平台10上，用于显示主计算机20通过模拟软件生成的实时手术仿真图像。
显示设备70还包括信息输入设备，信息输入设备为键盘、鼠标，显示设备70也可以为触摸显示屏。可以直接从屏幕上进行信息输入操作。在本实施方式中，采用键盘和鼠标的方式进行信息输入。进一步地，还设有与显示设备70配套的声音输出设备。
进一步地，手术平台10上还设有可拆卸的模拟人体躯干，模拟人体躯干上的腹部设有三个与手术平台相对应的通孔以供模拟器械30和腹腔镜套管40操作，通过模拟人体躯干的设置，可使得模拟训练更加真实。
本发明中腹腔镜手术模拟系统利用主计算机生成手术虚拟环境，通过控制模拟器械、腹腔镜和踏板在手术虚拟环境中进行虚拟手术，显示设备上可以直观的看到手术虚拟环境中的操作，同时，虚拟环境中的力通过力反馈设备将反馈力的大小和方向反馈到使用者的模拟器械上。
由以上技术方案可以见，本发明的腹腔镜手术模拟系统设计简洁、紧凑、美观，其可在主计算机生成的虚拟环境中利用模拟器械进行手术，提高临床手术水平，且大大节约了医务培训的费用和时间。同时，力反馈技术可以使使用者通过力反馈设备，与虚拟环境进行力觉交互，使培训更加真实、准确、可靠，增强了虚拟手术的沉浸感和真实性。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于力反馈的腹腔镜手术模拟系统，其特征在于，所述腹腔镜手术模拟系统包括：
手术平台，所述手术平台内部设有容置空间，手术平台的上表面设有第一通孔、第二通孔及第三通孔；
主计算机，设于所述手术平台内部的容置空间中，用于通过模拟软件生成实时手术仿真图像；
模拟器械，所述模拟器械包括左手模拟器械、右手模拟器械，左手模拟器械和右手模拟器械分别插设于所述第一通孔和第二通孔内；
腹腔镜套管，设于所述手术平台上并插设于所述第三通孔内，用于控制显示设备上显示的视野；
力反馈设备，设于所述手术平台内部的容置空间中，所述力反馈设备设为两个，分别与所述左手模拟器械和右手模拟器械相连；
脚踏板，与所述主计算机相连，用于控制模拟器械的通电和冲洗；
显示设备，设于手术平台上，用于显示主计算机通过模拟软件生成的实时手术仿真图像。
2.根据权利要求1所述的基于力反馈的腹腔镜手术模拟系统，其特征在于，所述力反馈设备上设有若干定位传感器。
3.根据权利要求2所述的基于力反馈的腹腔镜手术模拟系统，其特征在于，所述定位传感器包括角度传感器或位移传感器。
4.根据权利要求2所述的基于力反馈的腹腔镜手术模拟系统，其特征在于，所述主计算机包括数据处理模块，用于接收和计算所述力反馈设备上定位传感器的数据，并进行处理后产生三维仿真图像发送至所述显示设备上。
5.根据权利要求1所述的基于力反馈的腹腔镜手术模拟系统，其特征在于，所述手术平台内容置空间分为相互连通的第一容置空间和第二容置空间，所述主计算机位于第二容置空间内，力反馈设备位于第一容置空间内。
6.根据权利要求1所述的基于力反馈的腹腔镜手术模拟系统，其特征在于，所述腹腔镜套管显示的视野角度包括0°、30°和45°。
7.根据权利要求1所述的基于力反馈的腹腔镜手术模拟系统，其特征在于，所述显示设备包括信息输入设备，所述信息输入设备为键盘、鼠标或触摸显示屏。
8.根据权利要求1所述的基于力反馈的腹腔镜手术模拟系统，其特征在于，所述手术平台上还设有模拟人体躯干，所述模拟人体躯干上设有三个与手术平台相对应的通孔。
9.根据权利要求1所述的基于力反馈的腹腔镜手术模拟系统，其特征在于，所述手术平台底部设置有至少四个滑轮，以方便腹腔镜手术模拟系统的移动。
10.根据权利要求9所述的基于力反馈的腹腔镜手术模拟系统，其特征在于，所述每个滑轮上设置有个制动刹，以固定腹腔镜手术模拟系统的位置。
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