CN204029245U - 一种手术模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种手术模拟系统，其手术模拟系统包括：模拟平台，模拟平台上设置有用于模拟人体器官以供切割和/或穿刺的物理模型；力回馈装置，力回馈装置上设置有力回馈致动器以及手术器械连接部件，手术器械连接部件可拆卸的连接有所述手术器械；三维跟踪器，三维跟踪器用于跟踪手术器械；显示装置，用于显示虚拟器官和/医学图像；控制模块，控制模块与力回馈装置、三维跟踪器和显示装置电信号连接，控制模块根据三维跟踪器的信号控制力回馈装置并在显示装置上显示相应的图像。本实用新型的手术模拟系统采用力回馈装置和物理模型相结合的方式进行手术模拟，可以更加逼真的模拟真实手术的场景，以帮助医务人员快速掌握手术技能。
Description
技术领域
本实用新型涉及虚拟手术技术领域，更具体地说，涉及一种手术模拟系统，尤其是带有触觉反馈的人体器官穿刺或切割手术模拟系统。
背景技术
穿刺和切割是外科手术中非常常见的操作，也几乎是每个医生应该掌握的基本常用技能之一。对于像介入肿瘤、胎儿诊断、射频肿瘤消融、局部麻醉、经皮穿刺导管插入和内窥镜等手术，由于手术难度比较高，需要精湛的技术。而精湛的技术需要经过大量的培训获得，比如，外科医生可能需要在数十位病人身上实践才能掌握该技能，但由于很多手术都具有很高的风险性，因此，通过在病人身上实践以掌握这些技能显然是不可行的。使用人体仿真物理模型在进行医学培训具有悠久的历史，人体仿真物理模型是一个模拟真实器官的物体，它可以提供类似实际操作中的情况，但是，由于模型的局限性，无法真实重建人体内部的实际构造，甚至会对基本的操作带来误导。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种手术模拟系统，可以用于手术模拟培训，以帮助医生快速掌握切割或穿刺等技能。
本实用新型的手术模拟系统包括：模拟平台，所述模拟平台上设置有用于模拟人体器官以供切割和/或穿刺的物理模型；
力回馈装置，所述力回馈装置上设置有力回馈致动器以及手术器械连接部件，所述力回馈致动器的位置由内置或外置的三维传感器侦测和记录，所述手术器械连接部件可拆卸的连接有所述手术器械；
三维跟踪器，所述三维跟踪器为深度相机、光学跟踪仪或电磁跟踪仪，用于跟踪所述手术器械的外露部分的位置和方向，侦测和记录所述手术器械在物理模型上的切割和/或穿刺点的位置；
控制模块，所述控制模块与所述力回馈装置、三维跟踪器和显示装置电信号连接，所述控制模块根据所述力回馈致动器以及所述三维跟踪器的信号控制所述力回馈装置并在显示装置上显示相应的图像。
在本实用新型所述的手术模拟系统中，所述手术器械插入所述物理模型之前，由所述力回馈装置提供回馈力；所述手术器械刺入所述物理模型时，由所述力回馈装置、以及所述物理模型一起提供回馈力；所述手术器械在所述物理模型内操作时，由所述力回馈装置、以及所述物理模型内部的摩擦一起提供回馈力。
在本实用新型所述的手术模拟系统中，所述手术器械为穿刺或/和切割器械，所述手术器械包括可旋转的手柄以及设置在手柄上的针头或刀锋。
在本实用新型所述的手术模拟系统中，所述显示装置用于显示虚拟器官和/医学图像。
在本实用新型所述的手术模拟系统中，所述物理模型由具有柔软表面的膜制成以供所述手术器械反复切割和/或穿刺，所述物理模型内部填充有软质材料以在所述手术器械插入时提供摩擦力并限制所述手术器械插入之后的路径。
实施本实用新型的手术模拟系统，具有以下有益效果：本实用新型的手术模拟系统采用力回馈装置和物理模型相结合的方式进行手术模拟，可以更加逼真的模拟真实手术的场景，以帮助医务人员快速掌握手术技能。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：
图1是本实用新型的手术模拟系统的示意图。
其中：101、力回馈装置，102、力回馈致动器，103、手术器械连接部件，201、手术器械，202、手术器械的插入到物理模型内的部分，301、物理模型，302、模拟平台，303、穿刺点，401、显示装置，402、显示图像，403、三维跟踪器。
具体实施方式
为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。
如图1所示，为本实用新型的手术模拟系统的示意图，其用于穿刺和/切割等基本手术操作的模拟。如图所示，该手术模拟系统包括模拟平台302、力回馈装置101、三维跟踪器403、显示装置401和控制模块。
其中，模拟平台302作为进行模拟穿刺和/切割操作的平台，模拟平台302上设置物理模型301，物理模型301用于模拟人体器官，以供进行穿刺和/切割操作，物理模型301可以根据需要更换，以提供不同的手术操作模拟。
力回馈装置101用于模拟手术时作用于操作者的回馈力，力回馈装置101上设置有力回馈致动器102以及手术器械连接部件103。力回馈致动器102包括步进电机和/或定位致动器，用于模拟手术时操作者所体验到的回馈力，也即阻力，力回馈致动器102的位置由内置或外置的三维传感器侦测和记录。手术器械连接部件103可拆卸的连接有所述手术器械201，手术器械可以是用于穿刺和/切割的手术器械，或者进行其他手术操作的手术器械。
三维跟踪器403可以是深度相机、光学跟踪仪或电磁跟踪仪等传感器件，用于跟踪手术器械201的外露部分的位置和方向，侦测和记录手术器械201在物理模型301上的切割和/或穿刺点的位置，三维跟踪器403将手术器械201的运动，并将获得的信息传输给控制模块，控制模块通过视觉分析算法，本实用新型采用模板匹配的方法来识别手术器械201的刺入物理模型301的部分，例如手术器械201的针头或刀锋，用以精确计算虚拟器官和手术器械的变形和触觉模拟，从而可以加强计算的精确度，并估算插入后的手术器械的弯曲程度。
显示装置401可以是一般的显示装置或者是带有触摸屏的显示装置，其用于显示虚拟器官和/医学图像402。
控制模块可以是计算机或者服务器，用于整个手术模拟系统的控制，控制模块分别与力回馈装置101、三维跟踪器403和显示装置401电信号连接，控制模块根据力回馈致动器102以及三维跟踪器403的信号控制力回馈装置101并在显示装置401上显示相应的图像，力回馈装置的回馈力大小，由控制模块根据三维跟踪器403的信号进行计算后获得。
穿刺和/切割操作的力模型计算会考虑到模拟平台接收到的路径限制力以及其他各个阶段的力模型。手术器械201插入物理模型301之前，由力回馈装置101提供回馈力；手术器械201刺入物理模型301时，由力回馈装置101、以及物理模型301一起提供回馈力；手术器械201在物理模型301内操作时，由力回馈装置101、以及物理模型301内部的摩擦一起提供回馈力。
本实用新型的手术模拟系统的手术器械201可以为穿刺器械、切割器械或其他手术器械，其中穿刺器械包括可旋转的手柄以及设置在手柄上的针头，切割器械包括可旋转的手柄以及设置在手柄上的刀锋。
为了更好的模拟人体器官，物理模型301由具有柔软表面的膜制成以供手术器械201复切割和/或穿刺，可以在物理模型301内部填充软质材料以在手术器械201插入时提供摩擦力并限制手术器械201插入之后的路径。
本实用新型的手术模拟系统的控制模块还提供一个评价模块以评价操作者的表现，这样可以帮助操作者检讨自己的表现和培训情况。
本实用新型还提供了一种手术模拟方法，包括：提供模拟平台302，模拟平台302上设置有用于模拟人体器官以供切割和/或穿刺的物理模型301；
用力回馈装置101模拟手术时所产生的作用到操作人员的回馈力，力回馈装置101上设置有力回馈致动器102以及手术器械连接部件103，力回馈致动器102的位置由内置或外置的三维传感器侦测和记录，手术器械连接部件103可拆卸的连接有所述手术器械201；
用三维跟踪器403用于跟踪手术器械201的外露部分的位置和方向，侦测和记录手术器械201在物理模型301上的切割和/或穿刺点的位置；
用显示装置401显示虚拟器官和/医学图像402；
用控制模块根据力回馈致动器102以及三维跟踪器403的信号控制力回馈装置101并通过显示装置401显示相应的图像。
在该手术模拟方法中，手术器械201插入物理模型301之前，由力回馈装置101提供回馈力；手术器械201刺入物理模型301时，由力回馈装置101、以及物理模型301一起提供回馈力；手术器械201在物理模型301内操作时，由力回馈装置101、以及物理模型301内部的摩擦一起提供回馈力。
利用本实用新型的手术模拟系统及方法进行手术培训时，每当手术器械201的位置变动时，控制模块根据三维跟踪器403的信号检测到该变动，使虚拟和真实手术器械201的位置及姿态同步。当跟踪到手术器械201刺入模拟平台302上的物理模型301时，控制模块将计算虚拟器官和手术器械的变形和触觉模拟。穿刺点303也可以用于估算及模拟手术器械的弯曲程度。同时，模拟平台为贯穿后的力回馈提供了额外的限制力，可以大大提高触觉体验。手术模拟的视觉效果可以由显示装置401显示。手术模拟系统的控制模块的评价模块可以在模拟操作结束后对手术模拟操作的准确度和时间管理提供分析，以帮助操作者提高。
本实用新型的手术模拟方法，可以任意选择模拟患者身体上的不同位置作开造手术通路的通孔，可于同一身体部位(如胸、腹、头颈、四肢)反复练习开造不同之通孔。
上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。
Claims (5)
1.一种手术模拟系统，其特征在于，包括：
模拟平台(302)，所述模拟平台(302)上设置有用于模拟人体器官以供切割和/或穿刺的物理模型(301)，所述物理模型(301)允许手术器械(201)物理地切割和/或穿刺；
力回馈装置(101)，所述力回馈装置(101)上设置有力回馈致动器(102)以及手术器械连接部件(103)，所述力回馈致动器(102)的位置由内置或外置的三维传感器侦测和记录，所述手术器械连接部件(103)可拆卸的连接有所述手术器械(201)；
三维跟踪器(403)，所述三维跟踪器(403)为深度相机、光学跟踪仪或电磁跟踪仪，用于跟踪所述手术器械(201)的外露部分的位置和方向，侦测和记录所述手术器械(201)在物理模型(301)上的切割和/或穿刺点的位置；
控制模块，所述控制模块与所述力回馈装置(101)、三维跟踪器(403)和显示装置(401)电信号连接，所述控制模块根据所述力回馈致动器(102)以及所述三维跟踪器(403)的信号控制所述力回馈装置(101)并在显示装置(401)上显示相应的图像。
2.根据权利要求1所述的手术模拟系统，其特征在于，所述手术器械(201)插入所述物理模型(301)之前，由所述力回馈装置(101)提供回馈力；所述手术器械(201)刺入所述物理模型(301)时，由所述力回馈装置(101)、以及所述物理模型(301)一起提供回馈力；所述手术器械(201)在所述物理模型(301)内操作时，由所述力回馈装置(101)、以及所述物理模型(301)内部的摩擦一起提供回馈力。
3.根据权利要求1所述的手术模拟系统，其特征在于，所述手术器械(201)为穿刺或/和切割器械，所述手术器械(201)包括可旋转的手柄以及设置在手柄上的针头或刀锋。
4.根据权利要求1所受的手术模拟系统，其特征在于，所述显示装置(401)用于显示虚拟器官和/医学图像(402)。
5.根据权利要求1所述的手术模拟系统，其特征在于，所述物理模型由具有柔软表面的膜制成以供所述手术器械(201)反复切割和/或穿刺，所述物理模型(301)内部填充有软质材料以在所述手术器械(201)插入时提供摩擦力并限制所述手术器械(201)插入之后的路径。
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