专利名称：多功能虚拟手术器械的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种虚拟手术器械，特别是一种可应用于医学培训系统的多功能虚拟外科手术器械，属于医疗训练器械领域。
背景技术：
现代科学技术的发展越来越体现多学科的交叉和渗透。虚拟现实在医学领域中的应用，使虚拟手术成为正在发展起来的研究方向。虚拟手术是利用各种医学影像数据，利用虚拟现实技术建立一个虚拟环境，医生借助虚拟环境进行手术计划、训练等。虚拟手术可以帮助医生制定手术方案；也可重复练习，降低手术训练费用，缩短培养外科医生的周期。虚拟手术训练系统具有低代价、零风险、多重复性、自动指导的优点，对于医学手术培训具有重要的意义。目前，虚拟手术的研究在国内尚处于起步阶段。实施虚拟手术的重要条件之一是提供虚拟的手术器械进行手术操作，作为操作者与虚拟场景进行实时交互的工具。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号02118522.0，名称为虚拟手术刀装置，该专利中使用了磁传感器的三维跟踪装置测出手术刀的三维位置和姿态信息，但满足需求的三维跟踪装置成本较高，会受电磁噪声的干扰，且不能适用于手术剪刀的操作，也不能适用于钳夹的操作，而手术剪刀的操作在许多外科手术中是重要的操作之一，手术钳夹的操作同样也是外科手术中的一个重要操作。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种多功能虚拟手术器械。使其适用于手术剪刀操作，也适用于手术钳夹、手术刀、手术磨钻等操作，抗电磁噪声的干扰，实现虚拟手术系统中操纵者与虚拟场景的交互。
本发明是通过以下技术方案实现的，包括控制检测系统，操作工作台。控制检测系统包括四个角位移传感器，一个直线位移传感器，数据采集卡，端子板。操作工作台包括底座，立柱，转臂，转筒，联轴器，连接筒，两个剪刀手柄。其连接关系为立柱固定在底座上，第一个角位移传感器设置在立柱的末端，转臂与立柱通过该角位移传感器的转轴相连。转臂上设置第二个角位移传感器，转筒通过该角位移传感器的转轴与转臂相连。直线位移传感器与转筒相连，直线位移传感器的末端设置联轴器，联轴器中设置第三个角位移传感器，连接筒前端的中心与该角位移传感器的转轴相连，连接筒的后端插入第四个角位移传感器，一个剪刀手柄固定在连接筒上，另一个剪刀手柄与第四个角位移传感器的转轴相连。
直线位移传感器含有接触片装置，该接触片装置设置在转筒中，直线位移传感器穿过转筒上的接触片与转筒相连。
控制检测系统中还设有直流电源，直流电源与各传感器连接，给传感器供电，传感器与端子板连接，端子板与数据采集卡连接。
工作台采用轻质铝合金或塑料件，在各个传感器和工作台之间，均增加一个塑料垫套，如塑料套，材料为尼龙。塑料垫套和工作台之间过盈配合固定。
以直流电源为外加信号源，给各传感器输送电压，操作手柄带动工作台中各机构的运动，由四个角位移传感器和一个直线位移传感器分别采集对应的角位移和直线位移数据，通过端子板传递到数据采集卡，采集卡上A/D模块得到数字信号，输入到虚拟系统中。通过实时获取以上的角位移和直线位移数据，从而检测到手术器械在三维空间自由运动过程中的信息，包括剪刀整体的空间自转位移、剪刀两柄的相对转动位移，剪刀整体沿空间任意转动的姿态信息，剪刀整体沿刀柄方向的直线位移。
本发明是一套虚拟手术剪刀的器械，也可以应用于其他种类的手术刀器械如手术钳夹、手术刀、手术磨钻等的虚拟操作，可以实现虚拟手术中的刀割、钳紧(夹紧)、剪断、磨骨头、钻孔等多种功能。
本发明能够实时地采集手术器械的空间运动的信息，精度高，鲁棒性能佳，使用灵活方便，可以实现虚拟手术过程中，手术剪、手术钳、手术刀、手术磨钻、手术打孔钻等操作，实时准确真实地模拟手术器械的操作运动。可适用多种手术器械的多项培训任务。
图1为本发明的结构示意2为本发明的控制检测系统结构框图具体实施方式
如图1、图2所示，本发明包括控制检测系统1，操作工作台2。控制检测系统1包括四个角位移传感器3、4、5、6，一个直线位移传感器7，数据采集卡8，端子板9，操作工作台2包括底座11，立柱12，转臂13，转筒15，联轴器16，连接筒17，两个剪刀手柄18、19，其连接关系为立柱12固定在底座11上，角位移传感器3设置在立柱12的末端，转臂13与立柱12通过该角位移传感器3的转轴相连，转臂13上设置角位移传感器4，转筒15通过角位移传感器4的转轴与转臂13相连，直线位移传感器7与转筒15相连，直线位移传感器7的末端设置联轴器16，联轴器16中设置角位移传感器5，连接筒17前端的中心与角位移传感器5的转轴相连，连接筒17的后端插入角位移传感器6，剪刀手柄18固定在连接筒17上，剪刀手柄19与角位移传感器6的转轴相连，角位移传感器3、4、5、6和直线位移传感器7通过端子板9连接到数据采集卡8。
直线位移传感器7含有接触片装置，该接触片装置设置在转筒15中，直线位移传感器7穿过转筒15上的接触片与转筒15相连。
在各个传感器3、4、5、6、7和操作工作台之间设置塑料垫套14，塑料垫套14和操作工作台2之间过盈配合固定。
控制检测系统1中还设有直流电源10，直流电源10与各传感器3、4、5、6、7连接，给传感器3、4、5、6、7供电，传感器3、4、5、6、7与端子板9连接，端子板9与数据采集卡8连接。当操作虚拟手术器械运动时，四个角位移传感器3、4、5、6和一个直线位移传感器7会分别采集对应的角位移和直线位移数据，通过端子板9将电压信号传递数据采集卡8，数据采集卡8上A/D模块得到数字信号，输入到虚拟系统中。
虚拟手术器械剪刀手柄19相对于剪刀手柄18转动，得到剪刀的开合的角位移；连接筒17相对于联轴器16转动，得到剪刀轴自转的角位移；直线位移传感器7相对于转筒15运动，得到手术剪刀的直线移动；转筒15相对于转臂13转动，转臂13相对于立柱12转动，得到手术刀轴三维姿态和三维空间的位置。这样，可以实时获取手术器械的空间运动的信息，准确真实地模拟手术器械的操作运动。
在计算机中虚拟手术剪刀的头部，再构造一双剪刀刀片的模型，通过计算出剪刀头部两刀片的相对运动与剪刀的一双剪刀手柄18、19的相对运动的对应关系，并根据测得的一双剪刀手柄18、19的相对位移，得到一双剪刀刀片的相对位移，并在虚拟环境中实时显示。其他的手术器械，如手术钳夹、手术磨钻、手术打孔的实现原理相同。在实现虚拟手术刀的动作时，忽略一对剪刀手柄18、19转动角位移，就可得到手术刀的操作。在实现虚拟手术磨钻、手术打孔的动作时，再忽略剪刀体的自转角位移，就可得到手术磨钻、手术打孔的操作。
权利要求
1.一种多功能虚拟手术器械，包括控制检测系统(1)、操作工作台(2)，其特征在于，还包括直线位移传感器(7)、数据采集卡(8)、端子板(9)，所述的控制检测系统(1)包括四个角位移传感器(3、4、5、6)，所述的操作工作台(2)包括底座(11)、立柱(12)、转臂(13)、转筒(15)、联轴器(16)、连接筒(17)、两个剪刀手柄(18、19)，立柱(12)固定在底座(11)上，角位移传感器(3)设置在立柱(12)的末端，转臂(13)与立柱(12)通过该角位移传感器(3)的转轴相连，转臂(13)上设置角位移传感器(4)，转筒(15)通过角位移传感器(4)的转轴与转臂(13)相连，直线位移传感器(7)与转筒(15)相连，直线位移传感器(7)的末端设置联轴器(16)，联轴器(16)中设置角位移传感器(5)，连接筒(17)前端的中心与角位移传感器(5)的转轴相连，连接筒(17)的后端插入角位移传感器(6)，剪刀手柄(18)固定在连接筒(17)上，剪刀手柄(19)与角位移传感器(6)的转轴相连，角位移传感器(3、4、5、6)和直线位移传感器(7)连接端子板(9)，端子板(9)连接到数据采集卡(8)。
2.根据权利要求1所述的多功能虚拟手术器械，其特征是，直线位移传感器(7)含有接触片装置，该接触片装置设置在转筒(15)中，直线位移传感器(7)穿过转筒(15)上的接触片与转筒(15)相连。
3.根据权利要求1所述的多功能虚拟手术器械，其特征是，控制检测系统(1)中还设有直流电源(10)，该直流电源(10)与各传感器(3，4，5，6，7)连接。
4.根据权利要求1或者3所述的多功能虚拟手术器械，其特征是，在各个传感器(3、4、5、6、7)和操作工作台(2)之间设置塑料垫套(14)，塑料垫套(14)和操作工作台(2)之间过盈配合固定。
全文摘要
一种多功能虚拟外科手术器械，属于医疗训练器械领域。本发明中，立柱固定在底座上，一角位移传感器设置在立柱的末端，转臂与立柱通过该角位移传感器相连，转臂上设置一角位移传感器，转筒通过该角位移传感器与转臂相连，直线位移传感器与转筒相连，直线位移传感器的末端设置联轴器，一角位移传感器设置在联轴器中，连接筒与该角位移传感器相连，连接筒的后端插入一角位移传感器，一剪刀手柄固定在连接筒上，另一剪刀手柄与一角位移传感器相连，各传感器通过端子板连接到数据采集卡。本发明能够实时地采集手术器械的空间运动的信息，精度高，鲁棒性能佳，使用灵活方便，实时准确真实地模拟多种手术器械的操作运动。
文档编号G09B23/28GK1700264SQ2005100270
公开日2005年11月23日 申请日期2005年6月23日 优先权日2005年6月23日
发明者谢叻, 周印, 李敏, 吴巧教, 肖波 申请人:上海交通大学