專利名稱：多功能虛擬手術器械的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種虛擬手術器械，特別是一種可應用于醫學培訓系統的多功能虛擬外科手術器械，屬于醫療訓練器械領域。
背景技術：
現代科學技術的發展越來越體現多學科的交叉和滲透。虛擬現實在醫學領域中的應用，使虛擬手術成為正在發展起來的研究方向。虛擬手術是利用各種醫學影像數據，利用虛擬現實技術建立一個虛擬環境，醫生借助虛擬環境進行手術計劃、訓練等。虛擬手術可以幫助醫生制定手術方案；也可重復練習，降低手術訓練費用，縮短培養外科醫生的周期。虛擬手術訓練系統具有低代價、零風險、多重復性、自動指導的優點，對于醫學手術培訓具有重要的意義。目前，虛擬手術的研究在國內尚處于起步階段。實施虛擬手術的重要條件之一是提供虛擬的手術器械進行手術操作，作為操作者與虛擬場景進行實時交互的工具。
經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利申請號02118522.0，名稱為虛擬手術刀裝置，該專利中使用了磁傳感器的三維跟蹤裝置測出手術刀的三維位置和姿態信息，但滿足需求的三維跟蹤裝置成本較高，會受電磁噪聲的干擾，且不能適用于手術剪刀的操作，也不能適用于鉗夾的操作，而手術剪刀的操作在許多外科手術中是重要的操作之一，手術鉗夾的操作同樣也是外科手術中的一個重要操作。
發明內容
本發明針對現有技術的不足和缺陷，提供一種多功能虛擬手術器械。使其適用于手術剪刀操作，也適用于手術鉗夾、手術刀、手術磨鉆等操作，抗電磁噪聲的干擾，實現虛擬手術系統中操縱者與虛擬場景的交互。
本發明是通過以下技術方案實現的，包括控制檢測系統，操作工作臺。控制檢測系統包括四個角位移傳感器，一個直線位移傳感器，數據采集卡，端子板。操作工作臺包括底座，立柱，轉臂，轉筒，聯軸器，連接筒，兩個剪刀手柄。其連接關系為立柱固定在底座上，第一個角位移傳感器設置在立柱的末端，轉臂與立柱通過該角位移傳感器的轉軸相連。轉臂上設置第二個角位移傳感器，轉筒通過該角位移傳感器的轉軸與轉臂相連。直線位移傳感器與轉筒相連，直線位移傳感器的末端設置聯軸器，聯軸器中設置第三個角位移傳感器，連接筒前端的中心與該角位移傳感器的轉軸相連，連接筒的后端插入第四個角位移傳感器，一個剪刀手柄固定在連接筒上，另一個剪刀手柄與第四個角位移傳感器的轉軸相連。
直線位移傳感器含有接觸片裝置，該接觸片裝置設置在轉筒中，直線位移傳感器穿過轉筒上的接觸片與轉筒相連。
控制檢測系統中還設有直流電源，直流電源與各傳感器連接，給傳感器供電，傳感器與端子板連接，端子板與數據采集卡連接。
工作臺采用輕質鋁合金或塑料件，在各個傳感器和工作臺之間，均增加一個塑料墊套，如塑料套，材料為尼龍。塑料墊套和工作臺之間過盈配合固定。
以直流電源為外加信號源，給各傳感器輸送電壓，操作手柄帶動工作臺中各機構的運動，由四個角位移傳感器和一個直線位移傳感器分別采集對應的角位移和直線位移數據，通過端子板傳遞到數據采集卡，采集卡上A/D模塊得到數字信號，輸入到虛擬系統中。通過實時獲取以上的角位移和直線位移數據，從而檢測到手術器械在三維空間自由運動過程中的信息，包括剪刀整體的空間自轉位移、剪刀兩柄的相對轉動位移，剪刀整體沿空間任意轉動的姿態信息，剪刀整體沿刀柄方向的直線位移。
本發明是一套虛擬手術剪刀的器械，也可以應用于其他種類的手術刀器械如手術鉗夾、手術刀、手術磨鉆等的虛擬操作，可以實現虛擬手術中的刀割、鉗緊(夾緊)、剪斷、磨骨頭、鉆孔等多種功能。
本發明能夠實時地采集手術器械的空間運動的信息，精度高，魯棒性能佳，使用靈活方便，可以實現虛擬手術過程中，手術剪、手術鉗、手術刀、手術磨鉆、手術打孔鉆等操作，實時準確真實地模擬手術器械的操作運動。可適用多種手術器械的多項培訓任務。
圖1為本發明的結構示意2為本發明的控制檢測系統結構框圖具體實施方式
如圖1、圖2所示，本發明包括控制檢測系統1，操作工作臺2。控制檢測系統1包括四個角位移傳感器3、4、5、6，一個直線位移傳感器7，數據采集卡8，端子板9，操作工作臺2包括底座11，立柱12，轉臂13，轉筒15，聯軸器16，連接筒17，兩個剪刀手柄18、19，其連接關系為立柱12固定在底座11上，角位移傳感器3設置在立柱12的末端，轉臂13與立柱12通過該角位移傳感器3的轉軸相連，轉臂13上設置角位移傳感器4，轉筒15通過角位移傳感器4的轉軸與轉臂13相連，直線位移傳感器7與轉筒15相連，直線位移傳感器7的末端設置聯軸器16，聯軸器16中設置角位移傳感器5，連接筒17前端的中心與角位移傳感器5的轉軸相連，連接筒17的后端插入角位移傳感器6，剪刀手柄18固定在連接筒17上，剪刀手柄19與角位移傳感器6的轉軸相連，角位移傳感器3、4、5、6和直線位移傳感器7通過端子板9連接到數據采集卡8。
直線位移傳感器7含有接觸片裝置，該接觸片裝置設置在轉筒15中，直線位移傳感器7穿過轉筒15上的接觸片與轉筒15相連。
在各個傳感器3、4、5、6、7和操作工作臺之間設置塑料墊套14，塑料墊套14和操作工作臺2之間過盈配合固定。
控制檢測系統1中還設有直流電源10，直流電源10與各傳感器3、4、5、6、7連接，給傳感器3、4、5、6、7供電，傳感器3、4、5、6、7與端子板9連接，端子板9與數據采集卡8連接。當操作虛擬手術器械運動時，四個角位移傳感器3、4、5、6和一個直線位移傳感器7會分別采集對應的角位移和直線位移數據，通過端子板9將電壓信號傳遞數據采集卡8，數據采集卡8上A/D模塊得到數字信號，輸入到虛擬系統中。
虛擬手術器械剪刀手柄19相對于剪刀手柄18轉動，得到剪刀的開合的角位移；連接筒17相對于聯軸器16轉動，得到剪刀軸自轉的角位移；直線位移傳感器7相對于轉筒15運動，得到手術剪刀的直線移動；轉筒15相對于轉臂13轉動，轉臂13相對于立柱12轉動，得到手術刀軸三維姿態和三維空間的位置。這樣，可以實時獲取手術器械的空間運動的信息，準確真實地模擬手術器械的操作運動。
在計算機中虛擬手術剪刀的頭部，再構造一雙剪刀刀片的模型，通過計算出剪刀頭部兩刀片的相對運動與剪刀的一雙剪刀手柄18、19的相對運動的對應關系，并根據測得的一雙剪刀手柄18、19的相對位移，得到一雙剪刀刀片的相對位移，并在虛擬環境中實時顯示。其他的手術器械，如手術鉗夾、手術磨鉆、手術打孔的實現原理相同。在實現虛擬手術刀的動作時，忽略一對剪刀手柄18、19轉動角位移，就可得到手術刀的操作。在實現虛擬手術磨鉆、手術打孔的動作時，再忽略剪刀體的自轉角位移，就可得到手術磨鉆、手術打孔的操作。
權利要求
1.一種多功能虛擬手術器械，包括控制檢測系統(1)、操作工作臺(2)，其特征在于，還包括直線位移傳感器(7)、數據采集卡(8)、端子板(9)，所述的控制檢測系統(1)包括四個角位移傳感器(3、4、5、6)，所述的操作工作臺(2)包括底座(11)、立柱(12)、轉臂(13)、轉筒(15)、聯軸器(16)、連接筒(17)、兩個剪刀手柄(18、19)，立柱(12)固定在底座(11)上，角位移傳感器(3)設置在立柱(12)的末端，轉臂(13)與立柱(12)通過該角位移傳感器(3)的轉軸相連，轉臂(13)上設置角位移傳感器(4)，轉筒(15)通過角位移傳感器(4)的轉軸與轉臂(13)相連，直線位移傳感器(7)與轉筒(15)相連，直線位移傳感器(7)的末端設置聯軸器(16)，聯軸器(16)中設置角位移傳感器(5)，連接筒(17)前端的中心與角位移傳感器(5)的轉軸相連，連接筒(17)的后端插入角位移傳感器(6)，剪刀手柄(18)固定在連接筒(17)上，剪刀手柄(19)與角位移傳感器(6)的轉軸相連，角位移傳感器(3、4、5、6)和直線位移傳感器(7)連接端子板(9)，端子板(9)連接到數據采集卡(8)。
2.根據權利要求1所述的多功能虛擬手術器械，其特征是，直線位移傳感器(7)含有接觸片裝置，該接觸片裝置設置在轉筒(15)中，直線位移傳感器(7)穿過轉筒(15)上的接觸片與轉筒(15)相連。
3.根據權利要求1所述的多功能虛擬手術器械，其特征是，控制檢測系統(1)中還設有直流電源(10)，該直流電源(10)與各傳感器(3，4，5，6，7)連接。
4.根據權利要求1或者3所述的多功能虛擬手術器械，其特征是，在各個傳感器(3、4、5、6、7)和操作工作臺(2)之間設置塑料墊套(14)，塑料墊套(14)和操作工作臺(2)之間過盈配合固定。
全文摘要
一種多功能虛擬外科手術器械，屬于醫療訓練器械領域。本發明中，立柱固定在底座上，一角位移傳感器設置在立柱的末端，轉臂與立柱通過該角位移傳感器相連，轉臂上設置一角位移傳感器，轉筒通過該角位移傳感器與轉臂相連，直線位移傳感器與轉筒相連，直線位移傳感器的末端設置聯軸器，一角位移傳感器設置在聯軸器中，連接筒與該角位移傳感器相連，連接筒的后端插入一角位移傳感器，一剪刀手柄固定在連接筒上，另一剪刀手柄與一角位移傳感器相連，各傳感器通過端子板連接到數據采集卡。本發明能夠實時地采集手術器械的空間運動的信息，精度高，魯棒性能佳，使用靈活方便，實時準確真實地模擬多種手術器械的操作運動。
文檔編號G09B23/28GK1700264SQ2005100270
公開日2005年11月23日 申請日期2005年6月23日 優先權日2005年6月23日
發明者謝叻, 周印, 李敏, 吳巧教, 肖波 申請人:上海交通大學