[发明专利]一种手术模拟装置

说明书

本发明涉及一种为手持模拟器械的使用者的外科手术模拟装置，允许在模拟例如腹腔镜、关节镜或胸腔镜手术时进行模拟改进。本发明还涉及一种用于外科手术模拟系统的触觉使用者界面设备。

技术领域

本发明涉及用于使用者操作模拟仪器的外科手术模拟装置，允许在模拟例如腹腔镜、关节镜或胸腔镜手术时进行模拟改进。本发明还涉及一种用于外科手术模拟系统的触觉使用者界面设备。

背景技术

外科模拟系统越来越多地被用来在无风险的环境中训练医生进行不同的外科手术。特别是在腹腔镜、关节镜等微创外科领域，外科手术模拟系统得到了高度的认可。模拟软件已经变得非常逼真，使得计算机生成的图像和与模拟机交互时的行为具有很高的逼真度，但模拟中仍有与现实明显不同的元素，而本发明的目的是解决其中一些与使用者界面设备相关的问题。

模拟系统通常包括一台带有模拟软件的计算机和一个使用者界面设备，且该设备为操作员提供了一个逼真的培训环境。使用者界面设备包括可演示一个或多个外科手术器械(以下称为“器械”)的装置，例如操作者可以操作的抓握器、剪刀、针驱动器、内窥镜等。使用者界面设备中的传感器实时跟踪器械的运动，且这些运动被实时发送到模拟计算机，并通过软件在计算机中使用所收到的角度和位置创建与器械姿势相对应的视频并创建交互响应，例如组织变形、制导、度量计算等。一些使用者界面设备还包含致动器，使使用者能够收到力觉反馈。在这种情况下，使用者界面设备是触觉使用者界面设备。所述触觉使用者界面设备的模拟软件根据例如与组织的碰撞或相互作用计算力和力矩。这些力和力矩被发送到使用者界面设备，且使用者界面设备将相应的力和力矩输出到致动器，使使用者感觉到与屏幕上显示的组织的几何视图的碰撞。力觉反馈提供了额外的真实度，且已被证明能对学习和训练产生积极影响。本发明具有力觉反馈，因此可以称为触觉使用者界面设备。本发明也可实施于没有力觉反馈，因此，在下文中，本发明将被称为使用者界面设备。本发明意图同时覆盖触觉和非触觉的实施方案。

例如，对于腹腔镜，使用者界面设备是一个相对复杂的装置，因为它需要在四自由度中跟踪一个器械，并且最终(对于触觉界面设备)，它还应向所有四个自由度提供力觉反馈。通常，这种装置跟踪一个刚性的细长物体，为在微创手术过程中使用的一个器械表现形式的轴类零件。例如，一个用来夹持或解剖组织的抓取器，实际上直径为5毫米，长约350毫米。儿科手术使用的器械要短得多，肥胖患者使用的器械要长得多。

实际上，微创外科手术，例如腹腔镜手术通常可以通过3-4个所谓的端口来完成，且这些端口是通过穿入病人身体在病人身上布置的管状装置，使得能够进入患者体内的目标区域。一些通常比较复杂的手术，最多需要使用6个端口。操作者通过这些端口能够从不同的方向进入，且许多端口可以同时用于不同的任务。在一些文献中，这些端口被称为工作端口、作用域端口和回缩端口。工作端口是指通过解剖、切割、缝合或缝合组织来完成主要工作的端口。回缩端口是一个或多个助手用来为主要操作者创造良好的工作空间和进入手术目标区域的端口，例如，回缩或推开器官。作用域端口被用于腹腔镜，通常由专门的助理外科医生操作。在手术中，如果进入或查看被认为是有益的，则作用域端口可以成为备用工作端口，反之亦然。一个典型的外科手术团队由几个成员组成，包括主治外科医生、助理外科医生、外科医生、擦洗护士、麻醉医师等。

根据应用于腹腔镜、关节镜或胸腔镜模拟领域的部分具有或没有触觉功能的旋转悬挂式使用者界面的现有技术，它包括由带计算机、监视器、键盘和与一个用于摄像机仪器的作用域端口和两个工作器械相对应的一套使用者界面组成的轮式推车的工作站。它的作用域端口和器械端口有固定位置，意味着模拟端口位置是固定的，无论整体或单个位置均不能改变。作用域端口位于器械端口之间和下面(或相对于操作员的近端)。使用者不能根据具体的手术改变和调整所述设置，其缺点是所述手术训练不能反映实际的端口几何设置。如上所述，实际的端口设置根据不同的手术有很大的不同，并且由于模拟器中的程序化练习针对许多不同的区域(肝、胃、脾、肾等)，实际的端口设置和其相应的模拟端口设置将变得极其不同，使得练习因手术无法反应模拟器静态设置而变得不切实际。