[发明专利]一种模拟手术刀方法及装置

权利要求书

1.一种模拟手术刀装置，其特征在于，

包括主控盒和模拟手术刀，所述主控盒通过三根柔性连接线连接到所述模拟手术刀尾部，所述主控盒与所述模拟手术刀通过蓝牙进行通信获取所述模拟手术刀数据。

2.根据权利要求1所述主控盒，其特征在于，

包括蓝牙SOC主处理器模块、光栅编码模块、电源模块和主控壳体；所述蓝牙SOC主处理器模块、光栅编码模块和电源模块通过导线连接，蓝牙SOC主处理器模块、光栅编码模块、电源模块固定在主控壳体内部；

所述蓝牙SOC主处理器模块用于对所述光栅编码模块输出的编码信号进行解码识别，三维锥体空间函数关系算法处理，与所述模拟手术刀的蓝牙SOC从处理器模块通信，获得模拟手术刀姿态信息和校准按键状态信息，进行数据融合处理获得模拟手术刀空间定位信息，并把融合处理后的模拟手术刀空间定位信息发送给外部应用系统；

所述光栅编码模块包含三组光栅编码子模块，每组光栅编码器子模块包含一个光电编码器、一个光栅盘、一根柔性连接线、一个绕线盘和固定座组成，三组光栅编码子模块通过各自的固定座同一平面内，光栅盘固定在绕线盘外，与绕线盘同轴线运动，连接线缠绕在绕线盘上，连接线被拉动时带动绕线盘和光栅盘转动，光栅盘转动使得光栅刻度通过光电编码器，产生编码信号；所述绕线盘具有自动收缩柔性连接线的弹性回收装置；

所述电源模块采用大容量锂电池供电，为主控盒提供电源。

3.根据权利要求1所述模拟手术刀，其特征在于，

包含蓝牙SOC从处理器模块、九轴传感器、锂电池、校准按键和模拟手术刀壳体；所述蓝牙SOC从处理器模块、九轴传感器、锂电池、校准按键通过导线连接；蓝牙SOC从处理器模块、九轴传感器、锂电池、校准按键均固定于模拟手术刀壳体内，其中校准按键部分外露便于按压操作；

所述蓝牙SOC从处理器模块用于获取传感器信息、检测校准按键状态、姿势算法运算及与所述蓝牙SOC主处理器模块通信；

所述九轴传感器，用于捕捉模拟手术刀的自身姿态；

所述锂电池用于给模拟手术刀供电。

4.一种模拟手术刀方法，其特征在于，

模拟手术刀方法实现步骤如下，

步骤一，设光栅编码模块的三根柔性连接线出口为A、B和C，A、B和C在一个平面内组成一个等边三角形，边长为L,等边三角形中心点P到A、B、C的距离为L₀=(L/), 三根柔性连接线与模拟手术刀尾部的连接点设为M，M在三维空间中的坐标为（x,y,z），M到A、B、C的距离为a、b、c；

以A点为原点，AC为X轴，A、B、C点所在平面为X轴和Y轴所在平面，以三根柔性连接线拉动方向且垂直于X轴和Y轴所在平面为Z轴，建立三维坐标系；

步骤二，模拟手术刀系统校准，让模拟手术刀尾部处于三根柔性连接线穿出口组成的等边三角形中心位置，处于自然下垂状态，按校准按钮对系统进行初始状态校准，包括三个光栅编码器初始化当前状态、模拟手术刀姿态校准，获得初始位置时三根柔性连接线被拉扯出来的长度L₀；

步骤三，拉动模拟手术刀，通过三根连接线带动光栅编码器子模块的绕线盘和光栅盘转动，光栅盘的光栅刻度通过光电编码器输出编码信号，每个光栅刻度通过光电编码器后将产生两个以九十度正交的方波信号，通过软件对光电编码器输出的方波信号进行方波数量的计数识别，根据光栅盘半径与绕线盘中绕线厚度比例，可计算出绕线长度与光电编码器输出编码信号中方波数量的关系，通过对编码信号进行解码识别，可获得三条连接线被拉动长度L_A、L_B、L_C，则以下关系成立：

a= L₀+L_A （1）

b= L₀+L_B （2）

c= L₀+L_C （3）

其中L_A是A点连接线被拉动的长度，L_B是B点连接线被拉动的长度、L_C是C点连接线被拉动的长度；

步骤四，根据三维空间坐标系，具有以下公式成立：

（4）

（5）

（6）

根据公式（4）（5）（6）可计算出x、y、z如下

（7）

(8)

(9)

根据公式（1）、（2）、（3）和公式（7）、（8）、（9）可计算出M点的三维空间坐标x、y、z，根据坐标（x,y,z）确定模拟手术刀尾部在三维空间中的位置；

步骤五，通过所述模拟手术刀中的九轴传感器实时捕捉该模拟手术刀的空间姿态，根据所述模拟手术刀实时的空间姿态与校准时模拟手术刀初始参考姿态，可获得所述模拟手术刀相对于校准位置的空间姿态变化量，以欧拉角表示：俯仰角Pitch、横滚角Roll和航向角Yaw；

根据模拟手术刀具有固定的长度、模拟手术刀尾部在三维空间中的位置坐标M（x,y,z）、模拟手术刀的空中姿态欧拉角，实现对所述模拟手术刀的整体空间定位。

5.根据权利要求4所述方法，其特征还在于，

在模拟手术刀工作状态过程中，所述模拟手术刀姿态数据Pitch、Roll、Yaw、所述模拟手术刀尾部空间位置坐标M（x,y,z）、所述模拟手术刀长度数据等通过所述蓝牙SOC主处理器发送给外部专用配套软件，进行模拟手术刀姿势图像的可视化显示；所述模拟手术刀长度数据也可以直接在外部专用配套软件中进行配置设置，而无需通过本发明所述的模拟手术刀装置发送，减少通信数据量，提高效率；

所述外部专用配套软件非本专利技术方案内容。