[实用新型]带力反馈的膝关节镜手术训练装置

说明书

技术领域

本发明专利属于虚拟手术设备领域，涉及了力反馈技术，同时涉及一种虚拟膝关节镜手术的装置。

背景技术

虚拟手术，又称手术仿真，是虚拟现实技术在医学领域中的应用。虚拟现实技术通过计算机图形学中的真实感绘制方法逼真地表现出人体器宫的解剖结构、解剖位置、物理特征以及生理特征，模拟手术过程中可能遇到的各种现象，为医生提供一个虚拟的手术场景，同时通过交互设备，使医生能够感知到与虚拟器官的交互并通过与虚拟人体器官进行交互来完成手术过程的模拟。虚拟手术系统可供医生进行手术训练、手术计划甚至辅助真实的手术治疗。关节镜手术开始主要应用于膝关节，20世纪初起源于日本，20世纪70年代后在美国等国家得到长足的发展。关节镜手术器械价格昂贵，患者的手术需求较多，但是熟练使用的医生不多，主要是关节镜手术有很多制约因素，如医生的视野窄，手、眼的协作受到限制，手术器械的活动范围有限，手术操作难度高，不经过长期训练以及经验积累，医生难以胜任。而目前的方法是让被训练者观察有经验的外科医生的操作，以熟悉整个手术过程，或用其他塑料仿制品代替，受训者无法感受到手术器械与组织之间正确的力的交互，这样正式手术时风险很高。与快速发展的手术需求相比，缺乏熟练掌握关节镜手术的医生是制约关节镜手术普及发展的一个瓶颈。如何提供一种更好的方式对关节镜手术操作人员进行训练与教育，以缩短知识获取的时间和成本已经成为本领域亟待解决的问题，

基于虚拟现实技术的关节镜手术训练系统可以随时随地开展训练，使用成本很低，无疑对于手术技术的发展与推广具有很高的使用价值，但是当前国内的虚拟膝关节镜手术的研究多处于软件开发阶段，硬件交互设备的发展严重滞后，成为此关节镜手术虚拟训练水平提高的一大障碍。

发明内容

针对上述当前虚拟关节镜手术领域所遇到的问题，本发明专利提供一种虚拟膝关节镜手术交互装置，其能根据使用者不同及其不同的操作习惯，灵活调整手术刀和内窥镜的位置和角度，同时还可以通过电机感受到一种反馈力，给人一种更加逼真的效果，可以达到逼真模拟关节手术的效果，另外，此装置结构简单，易于操作和维修。

本发明专利的技术方案为：带力反馈的膝关节镜手术训练装置，包括滑轨（1）、滑块（2）、支撑柱（3）、底板（4）、支撑盘（8）、第一支撑架（10）、第二支撑架（11）、第一齿轮（14）、第二齿轮（21）、第三齿轮（23）、齿条（17）、轴承连接盘（12）、第一联轴器（7）、第二联轴器（13）、第三联轴器（19）、第四联轴器（20）、角位移传感器（28）、第一电机（33）、第二电机（39）、第三电机（41）、第四电机（42）、第五电机（43）、第六电机（44）、第七电机（45）等组件，机构的左部分和右部分除手柄部位基本相同，其特征在于：该装置含有5个空间自由度、7个增量式编码器、7个电机和2个角位移传感器，应用力反馈技术，实时捕获操作者的动作，返还操作者相应的反馈力，滑轨（1）与滑块（2）可以进行横向调整。

本发明专利所述底板（4）的底面同连接盘（5）通过螺钉进行固定连接，然后连接盘（5）和第二电机（39）通过螺钉进行固定，这样使第二电机（39）固定在底板（4）底面处，以便后面接收第一联轴器（7）传递过来的转矩。

本发明专利所述第二电机（39）轴伸入第一联轴器（7）再通过第一联轴器（7）外表面的螺钉周向固定在一起，第一联轴器（7）另一端伸入支撑盘（8）的开孔得以固定，使得支撑盘（8）的水平面转矩可以传递给第一联轴器（7），第一联轴器（7）进而将转矩通过电机轴传递给第二电机（39），第二电机（39）接收到转动信号后将信号传递给增量式编码器，并由增量式编码器传递给系统进行计算，系统经过计算后反馈给增量式编码器反馈力数据，增量式编码器再将此数据传递给第二电机（39），第二电机（39）以此数据产生一个反馈力，操作者因此感受到反馈力而获得更真实的操作体验。

本发明专利所述第三电机（41）通过螺钉固定在轴承连接盘（12）上，轴承连接盘（12）通过螺钉固定在第一支撑架（10）上，因此第三电机（41）和轴承连接盘（12）以及第一支撑架（10）固定在一起，第三电机（41）伸出部分的电机轴伸入第二联轴器（13），再通过第二联轴器（13）外表面的螺钉周向固定在一起，第二联轴器（13）的另一侧通过键连接和第一齿轮（14）周向固定，因此第一齿轮（14）的转动可以通过第二联轴器（13）传递给第三电机（41）。