一种用于虚拟手术切割的仿真装置

1.本实用新型属于虚拟手术技术领域，具体地涉及一种用于虚拟软组织手术切割的仿真装置。

背景技术：

2.传统的手术训练只能靠动物、捐赠的人体或者某种材料制成的模型进行训练，模型重复利用次数少，因此虚拟手术技术解决了模型重复使用这一问题。随着计算机科技的发展以及vr(virtual reality)即虚拟现实技术的全新技术出现，对医疗领域产生了影响。为了减少医生在手术过程中因操作不当出现的医疗事故等问题，通过虚拟现实技术和医疗相结合，可为医生解决传统手术训练的不足，因此虚拟手术技术是目前的热点研究方向。
3.虚拟手术切割模拟是虚拟手术中的重要一环，基于现有的虚拟手术装置结构不够灵活且体积较大，操作起来不方便，并且在操作过程中容易产生结构不稳定的情况，虚拟手术装置结构主要通过其上设置的传感器将力反馈至控制系统，但现有的转向臂灵活性较差，导致力反馈误差较大，同时现有仿真装置的手术钳柄和手术刀柄在不使用时存在刮碰的问题，因此提供一种用于虚拟手术切割仿真装置，用于解决上述问题，再配合控制系统和仿真系统达到最好的手术训练效果。

技术实现要素：

4.发明目的：本实用新型提供了一种用于虚拟手术切割的仿真装置，其目的在于解决现有虚拟手术装置的转向臂灵活性较差，导致力反馈误差较大的问题，以及手术钳柄和手术刀柄易被刮碰的问题，本装置手握操作柄的运动状态可根据人体手臂运动状态以及反馈的实时性，有效地提高手术训练质量。
5.技术方案：
6.一种用于虚拟手术切割的仿真装置，该装置控制终端的两侧均通过旋转轴连接第一转向臂的一端，第一转向臂的另一端通过井字连接器连接第二转向臂的一端，第二转向臂的另一端通过转轴组件连接手术钳柄或者手术刀柄；手术钳柄和手术刀柄端部上均固定有力传感器；
7.转轴组件包括承接板和旋转关节；承接板通过转轴连接旋转关节的一端，旋转关节的另一端通过角度传感器连接手术钳柄或者手术刀柄，承接板的底部固定连接第二转向臂。
8.进一步的，第一转向臂和第二转向臂均为双连杆结构。
9.进一步的，井字连接器为两个对称放置的第一转向臂连接板，第一转向臂连接板相背的表面上均垂直设置有两个第二转向臂连接板，对称放置的第一转向臂连接板和第二转向臂连接板组成井字结构，第一转向臂连接板与第一转向臂固定连接，第二转向臂连接板与第二转向臂销轴连接。
10.进一步的，旋转轴与第一转向臂之间还连接张紧弹簧。
11.进一步的，控制终端的壳体上设置两个插孔，插孔内侧壁上垂直与插孔轴线方向上均开有限位孔，限位孔底部焊接有限位弹簧的一端，限位弹簧的另一端嵌套有限位球，限位球突出于限位孔；手术钳柄和手术刀柄上均设置有环形凹槽，手术钳柄和手术刀柄能插入对应的插孔内，环形凹槽与限位球能卡接。
12.有益效果：
13.本实用新型解决了在控制系统和仿真系统的基础上，该装置在井字连接器的连接下，可使第一转向臂和第二转向臂灵活地转动换向，转向臂是双连杆结构又有张紧弹簧的固定，操作过程中使该装置运动灵活，结构稳定，反馈时灵敏；通过有插孔的设置，能够让手术钳柄和手术刀柄支撑固定，方便医生拿取归整；通过手术钳柄和手术刀柄的结构，医生在虚拟手术切割仿真训练中，手握手术刀柄和手术钳柄真实结构，增加医生对手术刀具的使用触感，提高手术训练质量。
附图说明
14.图1为本实用新型的结构正视图；
15.图2为本实用新型的井字连接器结构图；
16.图3为本实用新型的结构左视图；
17.图4为本实用新型的结构剖视图；
18.图5为本实用新型的结构俯视图；
19.图6为本实用新型的手术钳剖视图；
20.图7为本实用新型的工作原理图；
21.图中标记：1、第二转向臂，2、井字连接器，3、第一转向臂，4、安装耳，5、手术钳柄，6、旋转关节，7、承接板，8、手术刀柄，9、张紧弹簧，10、旋转轴，11、限位弹簧，12、限位球，13、插孔，14、控制终端，15、转轴，16、角度传感器，17、力传感器，18、凹槽，19、限位孔，20、第一转向臂连接板，21、第二转向臂连接板。
具体实施方式
22.为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
23.如图1和3所示，一种用于虚拟手术切割的仿真装置，该装置控制终端14的两侧均通过旋转轴10连接第一转向臂3的一端，第一转向臂3的另一端通过井字连接器2连接第二转向臂1的一端，第二转向臂1的另一端通过转轴组件连接手术钳柄5或者手术刀柄8；手术钳柄5和手术刀柄8上均固定有力传感器17，力传感器17用于获取手术钳柄5和手术刀柄8的受力情况；如图3和6所示，转轴组件包括承接板7和旋转关节6；承接板7通过转轴15连接旋转关节6的一端，转轴15是凸形结构分别与旋转关节6末端内部过盈配合，与承接板7销连接，使旋转关节6可旋转360
°
模拟腕关节转动角度；旋转关节6的另一端通过角度传感器16连接手术钳柄5或者手术刀柄8，旋转关节6内部前端固定角度传感器16，角度传感器16是凸形传感器，分别过盈配合在旋转关节6的首端内部的手术钳柄5或者手术刀柄8上，固定连接旋转关节6，角度传感器16用来获取手术钳柄5或者手术刀柄8运动状态及角度，最终传输至
控制终端14；承接板7的底部通过螺栓固定连接第二转向臂1。
24.第一转向臂3和第二转向臂1均为双连杆结构，双连杆结构使转向臂结构轻，同时使运动过程中更加的稳定。
25.如图2所示，井字连接器2为两个对称放置的第一转向臂连接板20，第一转向臂连接板20相背的表面上均垂直设置有两个第二转向臂连接板21，对称放置的第一转向臂连接板20和第二转向臂连接板21组成井字结构，第一转向臂连接板20与第一转向臂3固定连接，第二转向臂连接板21与第二转向臂1销轴连接。通过井字连接器2使第二转向臂1的摆动方向所在的面与第一转向臂3的摆动方向所在的面垂直，其中当第二转向臂1摆动接触第一转向臂连接板20时，第二转向臂1与第一转向臂连接板20之间的夹角为60
°
，两个第一转向臂连接板20限制第二转向臂1的双连杆的摆动角度在30
°‑
150
°
范围之间，用于模拟人体小臂转动角度。
26.如图1和3所示，旋转轴10与第一转向臂3之间还连接张紧弹簧9。旋转轴10固定于控制终端14两侧，旋转轴10上有两对安装耳4，第一转向臂3为双连杆结构，双连杆的一端分别插在安装耳4中用螺栓连接，双连杆的另一端固定于井字连接器2上，第一转向臂3可实现绕旋转轴10中心轴线旋转360
°
模拟人体大臂转动角度，张紧弹簧9的一端固定在第一转向臂3的销轴上(双连杆中的一根连杆上)，另一端固定在安装耳4(距离固定张紧弹簧9的连杆远的安装耳4)中，用于提高稳定性。旋转轴10可购买于米思米公司型号为ssfmrra50-100-b5-s5的旋转轴。
27.如图4和5所示，控制终端14的壳体上设置两个插孔13，插孔13内侧壁上垂直与插孔13轴线方向上均开有限位孔19，限位孔19底部焊接有限位弹簧11的一端，限位弹簧11的另一端嵌套有限位球12，限位球12突出于限位孔19；手术钳柄5和手术刀柄8上均设置有环形凹槽18，手术钳柄5和手术刀柄8能插入对应的插孔13内，环形凹槽18与限位球12能卡接。当手术钳柄5或者手术刀柄8插入插孔13中，插孔璧上的限位球12通过手术钳柄5的钳头或手术刀柄8的刀头挤压限位弹簧11向后缩，最后限位球12离开钳头或刀头后卡在环形凹槽18里，用来支撑固定住手术钳柄5或手术刀柄8。
28.如图1和3所示，控制终端14为设置有显示屏的控制终端。显示屏是嵌入在控制终端14中，斜面角度为30
°
，该角度符合人体工学可减缓操作人员在手术训练时长时间低头劳累。如图7示，工作原理是：通过操作员的手动控制控制终端14，通过模拟出的虚拟力，反馈给操作员，通过显示屏上的切割仿真系统使操作员触觉、视觉感知到虚拟模型的信息，从而达到真实的模拟切割效果。
29.具体使用时，将控制终端14开机，显示虚拟手术切割仿真系统，控制终端14的显示屏底部的控制器初始化虚拟手术刀和虚拟手术钳的位置状态。完成初始化后，操作人员从插孔13中取出手术钳柄5后，操作人员的手按压在手术钳柄5上的力传感器17上获得操作人员的使用力度，再移动手术钳柄5，带动旋转关节6、第二转向臂1、第一转向臂3以及旋转轴10，通过角度传感器16获得进行刀尖和钳尖的运动的角度、位移的变化，根据位置动力学的计算后反馈到控制终端14的系统中，确定操作员对手术钳柄5的力度以及运动状态。手术刀柄8的操作步骤同上。最终在控制终端14的显示屏中显示虚拟环境中的虚拟手术刀和虚拟手术钳的同步动作。
30.本技术旋转轴10、井字连接器2和转轴组件活动灵活，最大限度模拟了拿刀、钳时
手臂和腕关节的活动范围及度，且装配的力传感器和角度传感器，实现虚拟手术臂的力度与角度的精确控制与传输；操作员能够准确地通过终端控制14显示的虚拟手术环境中虚拟手术钳和虚拟手术刀运动时的虚拟力度反馈到手术钳柄5和手术刀柄8上的真实力度，从而达到判断虚拟手术环境中时控制切割力度的大小。
31.通过虚拟手术切割训练，模拟出临床手术切割的过程，为后续真实操作积累操刀经验。
32.可以理解的是，以上关于本实用新型的具体描述，仅用于说明本实用新型而并非受限于本实用新型实施方式所描述的技术方案，本领域的普通技术人员相当理解，仍然可以对本实用新型专利进行修改或者等同替换，已达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本实使用新型的保护范围之内。

技术特征：

1.一种用于虚拟手术切割的仿真装置，其特征在于：该装置控制终端(14)的两侧均通过旋转轴(10)连接第一转向臂(3)的一端，第一转向臂(3)的另一端通过井字连接器(2)连接第二转向臂(1)的一端，第二转向臂(1)的另一端通过转轴组件连接手术钳柄(5)或者手术刀柄(8)；手术钳柄(5)和手术刀柄(8)端部上均固定有力传感器(17)；转轴组件包括承接板(7)和旋转关节(6)；承接板(7)通过转轴(15)连接旋转关节(6)的一端，旋转关节(6)的另一端通过角度传感器(16)连接手术钳柄(5)或者手术刀柄(8)，承接板(7)的底部固定连接第二转向臂(1)。2.根据权利要求1所述的一种用于虚拟手术切割的仿真装置，其特征在于：第一转向臂(3)和第二转向臂(1)均为双连杆结构。3.根据权利要求1所述的一种用于虚拟手术切割的仿真装置，其特征在于：井字连接器(2)为两个对称放置的第一转向臂连接板(20)，第一转向臂连接板(20)相背的表面上均垂直设置有两个第二转向臂连接板(21)，对称放置的第一转向臂连接板(20)和第二转向臂连接板(21)组成井字结构，第一转向臂连接板(20)与第一转向臂(3)固定连接，第二转向臂连接板(21)与第二转向臂(1)销轴连接。4.根据权利要求1所述的一种用于虚拟手术切割的仿真装置，其特征在于：旋转轴(10)与第一转向臂(3)之间还连接张紧弹簧(9)。5.根据权利要求1所述的一种用于虚拟手术切割的仿真装置，其特征在于：控制终端(14)的壳体上设置两个插孔(13)，插孔(13)内侧壁上垂直与插孔(13)轴线方向上均开有限位孔(19)，限位孔(19)底部焊接有限位弹簧(11)的一端，限位弹簧(11)的另一端嵌套有限位球(12)，限位球(12)突出于限位孔(19)；手术钳柄(5)和手术刀柄(8)上均设置有环形凹槽(18)，手术钳柄(5)和手术刀柄(8)能插入对应的插孔(13)内，环形凹槽(18)与限位球(12)能卡接。

技术总结

本实用新型涉及一种用于虚拟手术切割的仿真装置，该装置控制终端的两侧均通过旋转轴连接第一转向臂的一端，第一转向臂的另一端通过井字连接器连接第二转向臂的一端，第二转向臂的另一端通过转轴组件连接手术钳柄或者手术刀柄；手术钳柄和手术刀柄端部上均固定有力传感器；转轴组件包括承接板和旋转关节；承接板通过转轴连接旋转关节的一端，旋转关节的另一端通过角度传感器连接手术钳柄或者手术刀柄，承接板的底部固定连接第二转向臂。本实用新型解决现有虚拟手术装置的转向臂灵活性较差，导致力反馈误差较大的问题，以及手术钳柄和手术刀柄易被刮碰的问题。和手术刀柄易被刮碰的问题。和手术刀柄易被刮碰的问题。