專利名稱：一種手術(shù)刀的力采集裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及用于外科手術(shù)中手術(shù)器械上作用力的采集裝置技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種手術(shù)刀的力采集裝置。
背景技術(shù)：
虛擬外科手術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的重要應(yīng)用，它可以使醫(yī)務(wù)人員沉浸于計(jì)算機(jī)生成的虛擬手術(shù)環(huán)境內(nèi)，通過虛擬手術(shù)器械體驗(yàn)和學(xué)習(xí)如何進(jìn)行各種手術(shù)，并培養(yǎng)應(yīng)付各種突發(fā)情況的能力。在虛擬外科手術(shù)系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)與虛擬人體或虛擬器官的人機(jī)交互，必須能夠?qū)崟r(shí)地將虛擬手術(shù)器械在空間中的位置和姿態(tài)信息傳送給生成虛擬視景的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；同時(shí)，為了使操作者能在虛擬場(chǎng)景中身臨其境地完成各項(xiàng)操作，手術(shù)器械上力覺反饋系統(tǒng)也是必不可少的。
虛擬手術(shù)中虛擬手術(shù)器械碰撞、觸壓或切割虛擬人體和器官時(shí)，為了使操作者有真實(shí)的沉浸感，手術(shù)刀上的力覺反饋裝置會(huì)產(chǎn)生一個(gè)根據(jù)人體組織不同以及切割深度以及切割速度的不同而相應(yīng)變化的力覺再現(xiàn)。在虛擬手術(shù)的研究中，許多應(yīng)用都必須使用物理模型，以達(dá)到真實(shí)的視覺和觸覺效果，包括實(shí)時(shí)的手術(shù)模擬和醫(yī)學(xué)培訓(xùn)。為了準(zhǔn)確地模擬人體組織與器官錯(cuò)綜復(fù)雜的生物力學(xué)特性，這些應(yīng)用結(jié)合了各種不同的力學(xué)特性。
力覺建模主要包括虛擬物體的接觸響應(yīng)動(dòng)力學(xué)建模以及力覺的生成算法。如何建立虛擬環(huán)境的力覺模型成為虛擬手術(shù)技術(shù)研究中亟待解決的關(guān)鍵問題。力覺建模方法根據(jù)它們依據(jù)的形體表示方法的不同可以分為兩大類一類是基于邊界表示法的建模和基于體素表示法的建模，前者以1997年Thompson提出適用于NURBS模型的力再現(xiàn)方法為代表，后者以1996年R.S.Avila提出的基于體素的力覺再現(xiàn)模型為代表。力覺建模也可根據(jù)形變分為彈簧—質(zhì)點(diǎn)模型和有限元模型。質(zhì)點(diǎn)彈簧模型和有限單元法是根據(jù)物理作用來模擬物體變形的主要造型技術(shù)。由于前者相對(duì)簡(jiǎn)單，已被應(yīng)用到許多領(lǐng)域，例如面部組織模擬、顱面整形手術(shù)、內(nèi)窺鏡手術(shù)培訓(xùn)等。然而，質(zhì)點(diǎn)彈簧模型牽涉到繁復(fù)的剛度矩陣公式化程序，而且決定動(dòng)態(tài)特性的微分方程系統(tǒng)必須滿足一些條件，以避免在求數(shù)值解時(shí)失穩(wěn)。另一方面，有限元法被應(yīng)用到一些較準(zhǔn)確的變形模型上，以對(duì)軟組織的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系作更精密的分析，如生物力學(xué)、手術(shù)模擬等。雖然有限元法較為準(zhǔn)確，但涉及大量繁復(fù)的計(jì)算，不適合實(shí)時(shí)的交互應(yīng)用。這些物理模型的計(jì)算較為繁復(fù)，不適用于要求高更新率、實(shí)時(shí)可視化以及觸覺式反饋的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。而且這些建模方法是基于理論上的計(jì)算，由于人體組織與器官錯(cuò)綜復(fù)雜的生物力學(xué)特性，理論上得出的力與真實(shí)手術(shù)中的觸壓和切割力還是有差別。因而，建立一個(gè)適合虛擬現(xiàn)實(shí)使用的、具有真實(shí)效果的物理模型是一項(xiàng)非常重要任務(wù)。
至今為止很少有人對(duì)實(shí)際手術(shù)中手術(shù)刀的真實(shí)受力進(jìn)行力覺采集以及建模進(jìn)行研究。還沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方法仿真切割過程，也很少有文獻(xiàn)對(duì)實(shí)際手術(shù)刀切割軟組織過程中刀刃的真實(shí)受力以及對(duì)軟組織變形進(jìn)行研究、分析和建模。為了能夠建立一個(gè)基于真實(shí)切割數(shù)據(jù)力覺模型，該模型根據(jù)人體組織不同、切割深度以及切割速度的不同，產(chǎn)生的力不同。本文提出一種實(shí)時(shí)采集在切割過程中手術(shù)刀刃對(duì)人體組織器官施加的力，以及手術(shù)刀姿態(tài)、位置和運(yùn)動(dòng)信息方法，為基于真實(shí)切割的物理建模提供了必要條件。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種一種手術(shù)刀的力采集裝置，該裝置能夠同時(shí)采集外科手術(shù)中手術(shù)器械碰撞、觸壓和切割人體或器官時(shí)刀刃上的作用力，手術(shù)器械的位置、姿態(tài)，切割深度，以及切割速度信息。為虛擬手術(shù)中虛擬手術(shù)器械碰撞、觸壓和切割虛擬人體或器官時(shí)力反饋所需的力覺模型提供了足夠的數(shù)據(jù)信息。
包括計(jì)算機(jī)和手術(shù)刀，安裝在刀柄正下方的觸力傳感器，根據(jù)杠桿平衡原理得到外科手術(shù)或切割試驗(yàn)中手術(shù)刀刀刃上的作用力；三維跟蹤設(shè)備，檢測(cè)手術(shù)刀的位置及手術(shù)刀的姿態(tài)；加速度計(jì)，與三維跟蹤設(shè)備檢測(cè)到的信息結(jié)合，獲得手術(shù)刀運(yùn)動(dòng)速度。為虛擬手術(shù)中虛擬手術(shù)器械碰撞、觸壓和切割虛擬人體或器官時(shí)力反饋所需的力覺模型提供了足夠的數(shù)據(jù)信息。
本實(shí)用新型能夠?qū)崟r(shí)采集手術(shù)過程中手術(shù)刀對(duì)人體組織器官施加的力，手術(shù)刀的姿態(tài)、位置和速度，以及被切割的人體器官的組織和切割深度信息。目的是根據(jù)不同器官組織物理模型的不同，建立手術(shù)中相應(yīng)的力覺再現(xiàn)模型當(dāng)知道手術(shù)刀的姿態(tài)、位置和速度信息，以及被切割的人體器官的組織和切割深度，該模型會(huì)給出相應(yīng)的和實(shí)際手術(shù)中大小一致的力，實(shí)現(xiàn)虛擬手術(shù)過程中的力覺再現(xiàn)。這種方法減少了傳統(tǒng)中采用的理論建模方法的大量計(jì)算工作，給出真實(shí)的手術(shù)過程中手術(shù)刀刃上的受力，使操作者沉浸在虛擬手術(shù)環(huán)境里，視覺、觸覺等感覺器官同由計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，體驗(yàn)手術(shù)過程遇到的各種情況，降低了培養(yǎng)醫(yī)務(wù)人員的成本和時(shí)間。該實(shí)用新型具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，外科手術(shù)中的力采集裝置是在真實(shí)手術(shù)刀上進(jìn)行改造，它包括手術(shù)刀柄，刀柄外面通過轉(zhuǎn)軸安裝的外套，手術(shù)刀片，加速度計(jì)安裝在刀柄外套里用來測(cè)量手術(shù)刀運(yùn)動(dòng)速度；安裝在外套側(cè)面的三維跟蹤裝置檢測(cè)手術(shù)刀的位置和姿態(tài)信息；位于刀柄下方的觸力傳感器檢測(cè)刀柄施加在其上的壓力，根據(jù)杠桿平衡原理，可計(jì)算出刀刃上的作用力。
本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積輕、使用方便，不妨礙操作者的動(dòng)作的特點(diǎn)，能夠方便地使用該系統(tǒng)進(jìn)行手術(shù)或切割試驗(yàn)。
實(shí)用新型技術(shù)方案一種外科手術(shù)中力采集裝置，包括計(jì)算機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換卡和手術(shù)刀，還包括觸力傳感器，用于檢測(cè)外科手術(shù)或切割試驗(yàn)中手術(shù)刀上的作用力；
三維跟蹤設(shè)備，檢測(cè)手術(shù)刀的位置及手術(shù)刀的姿態(tài)。
加速度計(jì)，與三維跟蹤設(shè)備檢測(cè)到的信息結(jié)合，獲得手術(shù)刀運(yùn)動(dòng)速度；外科手術(shù)中力采集裝置，由信號(hào)傳輸線(1)，加速度計(jì)(2)，觸力傳感器(3)，外套(4)，刀柄(5)，轉(zhuǎn)軸(6)，刀片(7)和三維跟蹤裝置組成，加速度計(jì)(2)和刀柄(5)裝在外套(4)中，加速度計(jì)(2)處于最后部，觸力傳感器(3)處于刀柄(5)的后部，刀柄(5)通過轉(zhuǎn)軸(6)與外套(4)連接，刀片(7)安裝在刀柄(5)上，觸力傳感器(3)處于外套(4)的中下部，刀柄(5)的后下部和觸力傳感器(3)上的觸力球接觸，三維跟蹤裝置安裝在手術(shù)刀的力采集裝置的側(cè)面。


圖1是本實(shí)用新型手術(shù)刀力采集裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
使用本實(shí)用新型進(jìn)行手術(shù)或切割試驗(yàn)時(shí)，如圖1所示，手術(shù)刀柄5通過轉(zhuǎn)軸6安裝在管套4里；手術(shù)刀切割物體8受到使它繞轉(zhuǎn)軸6逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的力f，刀柄旋轉(zhuǎn)微小的角度刀柄后端就會(huì)和觸力傳感器3的受力球接觸，受到一個(gè)繞轉(zhuǎn)軸6順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的平衡力F。切割時(shí)手術(shù)刀傾斜的角度不同，刀片和切割平面接觸的接觸點(diǎn)不同，力臂l相應(yīng)變化。根據(jù)力矩平衡原理FL＝fl，可計(jì)算出切割力f。加速度計(jì)2測(cè)量出手術(shù)刀運(yùn)動(dòng)的速度信息。
觸力傳感器選用的是Honerwell公司的FS系列產(chǎn)品FSL05N2C，該傳感器觸力范圍是500g。加速度計(jì)采用了基于MEMS技術(shù)的霜軸加速度計(jì)ADXL202。這兩種傳感器都具有體積小，精度高，測(cè)量范圍大等特點(diǎn)。三維跟蹤裝置采用的是Polhemus公司的Fastrack產(chǎn)品，它使用方便，體積小，是一個(gè)六自由度的跟蹤器，位置精度能夠0.03″(0.08cm)RMS，旋轉(zhuǎn)角度精度達(dá)到0.15°RMS。該設(shè)計(jì)選用加速度計(jì)確定手術(shù)刀的運(yùn)動(dòng)速度信息，三維跟蹤裝置確定手術(shù)刀的姿態(tài)和位置信息，觸力傳感器采集手術(shù)刀上的作用力。
權(quán)利要求1.一種外科手術(shù)的力采集裝置，包括計(jì)算機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換卡和手術(shù)刀，其特征在于，還包括觸力傳感器，用于檢測(cè)外科手術(shù)或切割試驗(yàn)中手術(shù)刀上的作用力；三維跟蹤設(shè)備，檢測(cè)手術(shù)刀的位置及手術(shù)刀的姿態(tài)；加速度計(jì)，與三維跟蹤設(shè)備檢測(cè)到的信息結(jié)合，獲得手術(shù)刀運(yùn)動(dòng)速度。
2.按權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的手術(shù)刀力采集裝置包括手術(shù)刀和外套。
3.按權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，手術(shù)刀和外套用一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸安裝在一起。
4.按權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述外套里安裝了加速度計(jì)。
5.按權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述三維跟蹤裝置安裝在手術(shù)刀外套上。
6.按權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的觸力傳感器安裝在手術(shù)刀柄的正下方。
7.按權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的作用力、位置、姿態(tài)、加速度信號(hào)要傳遞到計(jì)算機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，由信號(hào)傳輸線(1)，加速度計(jì)(2)，觸力傳感器(3)，外套(4)，刀柄(5)，轉(zhuǎn)軸(6)，刀片(7)和三維跟蹤裝置組成，其特征在于，加速度計(jì)(2)和刀柄(5)裝在外套(4)中，加速度計(jì)(2)處于最后部，刀柄(5)通過轉(zhuǎn)軸(6)與外套(4)連接，刀片(7)安裝在刀柄(5)上，觸力傳感器(3)處于外套(4)的中下部，刀柄(5)的后下部和觸力傳感器(3)上的觸力球接觸，三維跟蹤裝置安裝在手術(shù)刀的力采集裝置的側(cè)面。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的手術(shù)刀的力采集裝置，其特征在于，觸力傳感器(3)安裝在刀柄(5)的正下方。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的手術(shù)刀的力采集裝置，其特征在于，加速度計(jì)(2)采用ADXL202。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的手術(shù)刀的力采集裝置，其特征在于，觸力傳感器(3)選用FSL05N2C。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的手術(shù)刀的力采集裝置，其特征在于，三維跟蹤裝置采用Fastrack。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種外科手術(shù)中力采集裝置，包括計(jì)算機(jī)和手術(shù)刀，信號(hào)傳輸線(1)，加速度計(jì)(2)，觸力傳感器(3)，外套(4)，刀柄(5)，轉(zhuǎn)軸(6)，刀片(7)和三維跟蹤裝置組成，加速度計(jì)(2)和刀柄(5)裝在外套(4)中，加速度計(jì)(2)處于最后部，刀柄(5)通過轉(zhuǎn)軸(6)與外套(4)連接，刀片(7)安裝在刀柄(5)上，觸力傳感器(3)處于外套(4)的中下部，刀柄(5)的下部和觸力傳感器(3)上的觸力球接觸，三維跟蹤裝置安裝在手術(shù)刀的力采集裝置側(cè)面。結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便，實(shí)時(shí)采集到刀刃上的受力、手術(shù)刀的位置和姿態(tài)、以及運(yùn)動(dòng)速度數(shù)據(jù)。為虛擬手術(shù)中的物理模型建模方法提供了必要條件。該實(shí)用新型具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)A61B17/32GK2733316SQ20042000648
公開日2005年10月12日 申請(qǐng)日期2004年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月30日
發(fā)明者原魁, 臧愛云, 嚴(yán)志剛, 付玉錦 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所