[发明专利]虚拟手术刀装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于虚拟外科手术中的人机交互设备，特别是能够实时地将虚拟手术刀在空间中的精确位置和姿态信息传送给计算机系统，并能根据环境需要为操作者提供力觉反馈功能的人机接触交互设备。

背景技术

虚拟外科手术是虚拟现实技术在医学领域中的重要应用，它可以使医务人员沉浸于计算机生成的虚拟手术环境内，通过虚拟手术器械体验和学习如何进行各种手术，并培养应付各种突发情况的能力。在虚拟外科手术系统中，为了实现与虚拟人体或虚拟器官的人机交互，必须能够实时地将虚拟手术器械在空间中的位置和姿态信息传送给生成虚拟视景的计算机系统；同时，为了使操作者能在虚拟场景中身临其境地完成各项操作，手术器械上力觉反馈系统也是必不可少的。目前，在众多虚拟外科手术采用的虚拟手术器械中具有代表性的有美国Sensable公司的产品PHANTOM。美国Sensable公司的产品PHANTOM是一种在虚拟外科手术系统中得到较多使用的力觉反馈设备。PHANTOM是一个具有六个自由度的机电一体化装置，如图1所示，操作方式是以手拖动操作杆。该装置上安装有六个高精度位置传感器和六个直流电机，可以实时给出笔式操作杆的空间位置和姿态，并可以通过操作杆对操作者进行力反馈，因此可以作为虚拟手术刀或手术缝针使用。

虽然PHANTOM的力反馈设备可以作为虚拟手术器械使用，但是，不足之处是这些设备价格昂贵，结构复杂。而且在形态和操作方式方面与实际的手术器械也有很大差异，因而难以满足虚拟外科手术系统的实际需要。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种由微处理器控制的，基于真实手术刀外形的，高精度，高性能的具有力觉反馈功能的虚拟手术刀系统。

为实现上述目的，虚拟手术刀装置包括微控制器和手术刀，力传递装置，连接在手术刀和比例电磁铁之间，用于传递比例电磁铁提供的驱动力；复位弹簧，接在力传递装置两端；位于手术刀刀柄上的力传感器，检测手术刀向上的力；三维跟踪设备，检测手术刀的位置及手术刀地姿态。

本系统所采用的三维跟踪装置和力反馈机构都具有体积小、重量轻的特点，不妨碍操作者的动作，能够方便地使用该系统进行虚拟手术。

附图说明

图1是现有技术虚拟手术刀的外形图；

图2是本发明虚拟手术刀的结构图；

图3是磁传感器的原理图。

具体实施方式

如图2所示，该系统尖端上面安装了基于体积小、精度高磁传感器的三维跟踪设备10，通过磁传感器测出被跟踪手术刀的精确位置以及手术刀的姿态信息。

使用本发明进行虚拟手术，当虚拟手术刀与虚拟人体或虚拟器官接触时，力觉反馈装置将通过虚拟手术刀对操作者进行触觉和力觉反馈。力觉反馈装置主要包括比例电磁铁1、支架2、复位拉簧3、护套4、钢丝绳5、复位压簧6、固定螺丝7、压力传感器8、微控制器12。右侧的驱动装置比例电磁铁1提供整个系统一个大小可控的驱动力，驱动力的方向向右。驱动力克服复位弹簧3、6的弹力，通过钢丝绳一护套这种力传递方式把力传递到手术刀11的刀柄上，钢丝绳5采用直径为0.3-1.2毫米的多股钢丝绳，护套4采用直径为0.8-2.5毫米的紧密饶制的弹簧管，其一端固定在支架2上，另一端通过螺母16固定在手术刀刀柄的后端，钢丝绳一护套的最大长度可以达到1.2米，这种力的传递方式使得操作者受到的约束大大减少，操作者的手可以在很大的一个空间中自由地活动，手术刀11的刀柄被改造成铰链机构，其前后部分可以绕轴14转动，钢丝绳5的一端被螺丝7固定在刀柄的前半部，比例电磁铁1产生的驱动力通过钢丝绳一护套这种传递方式就把力传递到了刀柄的前半部，并会使之产生一个绕轴14沿顺时针方向的运动趋势，这种趋势会在操作者手15的食指的指端13处产生一向上的力，该力的大小可以通过安装在刀柄上的力传感器8检测出来。在实际应用中，当虚拟现实系统计算出虚拟物体与手术刀的接触力后，实时地把接触力的信息通过通讯接口传给本发明的微控制器，微控制器把这一接触力信息作为控制量，微控制器采集力传感器8的输出，并与控制量比较进行闭环反馈控制，使得手术刀施加在操作者手指端部13处的力跟随控制量的变化，与控制量保持一致。数据线9用于传输检测的数据。

如图3所示，微处理器驱动三维电磁源，向周围发送电磁场信号，磁传感器将检测到周围电磁场信号送到微处理器进行算法处理，得到虚拟手术刀在空间的位置和姿态信息，微处理器将此信息传送到计算机。计算机根据手术刀在空间的位置，来确定虚拟手术刀是否与虚拟人体发生接触。当手术刀与虚拟人体接触时，虚拟现实系统计算出虚拟物体与手术刀的接触力后，实时地把接触力的信息通过通讯接口传给本发明的微控制器，微控制器把这一接触力信息作为控制量，微控制器采集力传感器8的输出，并与控制量比较进行闭环反馈控制，使得手术刀施加在操作者手指端部13处的力跟随控制量的变化，与控制量保持一致。