專利名稱：虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于虛擬手術(shù)設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)的裝置。
背景技術(shù)：
虛擬手術(shù)，又稱手術(shù)仿真，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通 過(guò)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的真實(shí)感繪制方法逼真地表現(xiàn)出人體器宮的解剖結(jié)構(gòu)、解剖位置、物理 特征以及生理特征，模擬手術(shù)過(guò)程中可能遇到的各種現(xiàn)象，為醫(yī)生提供一個(gè)虛擬的手術(shù)場(chǎng) 景，同時(shí)通過(guò)交互設(shè)備，使醫(yī)生能夠感知到與虛擬器官的交互并通過(guò)與虛擬人體器官進(jìn)行 交互來(lái)完成手術(shù)過(guò)程的模擬。虛擬手術(shù)系統(tǒng)可供醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)訓(xùn)練、手術(shù)計(jì)劃甚至輔助真 實(shí)的手術(shù)治療。關(guān)節(jié)鏡手術(shù)開始主要應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)，20世紀(jì)初起源于日本，20世紀(jì)70年代 后在美國(guó)等國(guó)家得到長(zhǎng)足的發(fā)展。關(guān)節(jié)鏡手術(shù)器械價(jià)格昂貴，患者的手術(shù)需求較多，但是熟 練使用的醫(yī)生不多，主要是關(guān)節(jié)鏡手術(shù)有很多制約因素，如醫(yī)生的視野窄，手、眼的協(xié)作受 到限制，手術(shù)器械的活動(dòng)范圍有限，手術(shù)操作難度高，不經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期訓(xùn)練以及經(jīng)驗(yàn)積累，醫(yī)生 難以勝任。而目前的方法是讓被訓(xùn)練者觀察有經(jīng)驗(yàn)的外科醫(yī)生的操作，以熟悉整個(gè)手術(shù)過(guò) 程，或用其他塑料仿制品代替，受訓(xùn)者無(wú)法感受到手術(shù)器械與組織之間正確的力的交互，這 樣正式手術(shù)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)很高。與快速發(fā)展的手術(shù)需求相比，缺乏熟練掌握關(guān)節(jié)鏡手術(shù)的醫(yī)生是 制約關(guān)節(jié)鏡手術(shù)普及發(fā)展的一個(gè)瓶頸。如何提供一種更好的方式對(duì)關(guān)節(jié)鏡手術(shù)操作人員進(jìn) 行訓(xùn)練與教育，以縮短知識(shí)獲取的時(shí)間和成本已經(jīng)成為本領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題，基于虛擬 現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)節(jié)鏡手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)可以隨時(shí)隨地開展訓(xùn)練，使用成本很低，無(wú)疑對(duì)于手術(shù)技 術(shù)的發(fā)展與推廣具有很高的使用價(jià)值，但是當(dāng)前國(guó)內(nèi)的虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)的研究多處于軟 件開發(fā)階段，硬件交互設(shè)備的發(fā)展嚴(yán)重滯后，成為此關(guān)節(jié)鏡手術(shù)虛擬訓(xùn)練水平提高的一大 障礙。
實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)上述當(dāng)前關(guān)節(jié)鏡手術(shù)虛擬領(lǐng)域所遇到的問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種虛擬膝關(guān) 節(jié)鏡手術(shù)裝置，其能根據(jù)使用者不同及其不同的操作習(xí)慣，靈活調(diào)整手術(shù)刀和內(nèi)窺鏡的位 置和角度，可以達(dá)到逼真模擬關(guān)節(jié)手術(shù)的效果，另外，此裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作和維修。本實(shí)用新型的技術(shù)方案為虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)裝置包括底座和安裝在所述底座上 的兩個(gè)操縱臂，所述操縱臂包括安裝在所述底座上的第一撐架、與所述第一撐架相連接的 第二撐架和連接在所述第二撐架端部的操縱頭，該操縱頭包括第一框架、套裝在第一框架 外的第二框架，第一框架及第二框架上裝設(shè)有沿X軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)、沿Y軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī) 構(gòu)及沿Z軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)及直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，其中沿X軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)包括安裝在第一框架側(cè)壁上的第一角位移傳感器和通過(guò) 安裝在第一框架側(cè)壁上的第一連接導(dǎo)桿、第二連接導(dǎo)桿與第一框架相連接的固定塊，其中， 固定塊能以第一連接導(dǎo)桿和第二連接導(dǎo)桿為軸轉(zhuǎn)動(dòng)；沿Y軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)包括安裝在第二框架側(cè)壁上的第三角位移傳感器和連接第一框架與第二框架的第三連接導(dǎo)桿與第四連接導(dǎo)桿，其中，第一框架相對(duì)第二框架能以 第三連接導(dǎo)桿和第四連接導(dǎo)桿為軸轉(zhuǎn)動(dòng)；沿Z軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)及直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)包括有安裝在固定塊上的第二角位移傳感器 和直線位移傳感器，其中，第二角位移傳感器的測(cè)量端與直線位移傳感器的拉桿連接。所述兩個(gè)操縱臂可安裝在所述底座的同一側(cè)面上且相對(duì)所述底座的中心面對(duì)稱。所述第一撐架與所述第二撐架和所述底座均為可調(diào)節(jié)相對(duì)角度的連接，可通過(guò)螺 母固定。所述第三連接導(dǎo)桿和第四連接導(dǎo)桿是通過(guò)安裝在所述第二框架上的第一滾針軸 承和第二滾針軸承連接到所述第二框架上的，所述第一連接導(dǎo)桿和第二連接導(dǎo)桿是通過(guò)安 裝在所述第一框架上的第三滾針軸承和第四滾針軸承連接到所述第一框架上的。所述固定塊分為易于安裝更換所述第一連接導(dǎo)桿和第二連接導(dǎo)桿的上下兩部分。所述第一角位移傳感器和第三角位移傳感器分別與所述第一框架和第二框架之 間設(shè)有第一墊片和第二墊片。本實(shí)用新型能根據(jù)使用者的不同及其不同的操作習(xí)慣，靈活調(diào)整手術(shù)刀和內(nèi)窺鏡 的位置和角度，達(dá)到逼真模擬關(guān)節(jié)手術(shù)的效果，縮短了手術(shù)醫(yī)師的培訓(xùn)時(shí)間，節(jié)省了培訓(xùn)費(fèi) 用，另外，此裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作和維修。


圖1為本實(shí)用新型自由度分析示意圖；圖2為本實(shí)用新型操縱頭裝配爆炸圖；圖3為本實(shí)用新型外框架安裝傳感器示意圖；圖4為本實(shí)用新型撐架與外框架安裝示意圖；圖5為本實(shí)用新型內(nèi)框架安裝傳感器示意圖；圖6為本實(shí)用新型內(nèi)框架安裝連接導(dǎo)桿示意圖；圖7為本實(shí)用新型緊固塊與傳感器安裝示意圖；圖8為本實(shí)用新型撐架與底座安裝示意圖；圖9為本實(shí)用新型總體裝配圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說(shuō)明。如圖2-9所示，虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)裝置包括底座36和安裝在所述底座36上的兩 個(gè)操縱臂100，所述操縱臂100包括安裝在所述底座36上的第一撐架沈、與所述第一撐架 26相連接的第二撐架25和連接在所述第二撐架25端部的操縱頭101，該操縱頭101包括 第一框架15、套裝在第一框架15外的第二框架16，第一框架15及第二框架16上裝設(shè)有沿 X軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)、沿Y軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)及沿Z軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)及直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，其中沿X軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)包括安裝在第一框架15側(cè)壁上的第一角位移傳感器1和 通過(guò)安裝在第一框架15側(cè)壁上的第一連接導(dǎo)桿5、第二連接導(dǎo)桿13與第一框架15相連接 的固定塊10，其中，固定塊10能以第一連接導(dǎo)桿5和第二連接導(dǎo)桿13為軸轉(zhuǎn)動(dòng)；沿Y軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)包括安裝在第二框架16側(cè)壁上的第三角位移傳感器21和連接第一框架15與第二框架16的第三連接導(dǎo)桿12與第四連接導(dǎo)桿17，其中，第一框架15 相對(duì)第二框架16能以第三連接導(dǎo)桿12和第四連接導(dǎo)桿17為軸轉(zhuǎn)動(dòng)；沿Z軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)及直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)包括有安裝在固定塊10上的第二角位移傳感 器8和直線位移傳感器7，其中，第二角位移傳感器8的測(cè)量端與直線位移傳感器7的拉桿 連接。所述兩個(gè)操縱臂100可安裝在所述底座36的同一側(cè)面上且相對(duì)所述底座36的中 心面對(duì)稱。所述第一撐架沈與所述第二撐架25和所述底座36均為可調(diào)節(jié)相對(duì)角度的連接， 并可通過(guò)螺母固定，此種設(shè)計(jì)使該裝置的使用更具靈活性。所述第三連接導(dǎo)桿12和第四連接導(dǎo)桿17是通過(guò)安裝在所述第二框架16上的第 一滾針軸承11和第二滾針軸承18連接到所述第二框架16上的，所述第一連接導(dǎo)桿5和第 二連接導(dǎo)桿13是通過(guò)安裝在所述第一框架15上的第三滾針軸承4和第四滾針軸承14連 接到所述第一框架15上的。滾針軸承能使模擬手術(shù)中的轉(zhuǎn)動(dòng)更靈活、自由。所述固定塊10分為易于安裝更換所述第一連接導(dǎo)桿5和第二連接導(dǎo)桿13的上下 兩部分，通過(guò)四個(gè)內(nèi)六角螺釘6固定在四個(gè)M8螺紋孔34處實(shí)現(xiàn)裝配。第二角位移傳感器8通過(guò)與緊固塊10的中間孔33過(guò)盈配合安裝固定，其可采集 來(lái)自直線位移傳感器7的旋轉(zhuǎn)量。所述第一角位移傳感器1和第三角位移傳感器21分別與所述第一框架15和第二 框架16之間設(shè)有第一墊片3和第二墊片19，分別由開槽螺釘2通過(guò)第一 M5螺紋孔31安裝 和由開槽螺釘20通過(guò)第二 M5螺紋孔22安裝。其中，第一角位移傳感器1通過(guò)測(cè)量第一連 接導(dǎo)桿5的轉(zhuǎn)動(dòng)量達(dá)到捕獲虛擬手術(shù)中一個(gè)自由度的目的，第三角位移傳感器21通過(guò)測(cè)量 第四連接導(dǎo)桿17的轉(zhuǎn)動(dòng)量達(dá)到捕獲虛擬手術(shù)中另一個(gè)自由度的目的。本實(shí)施例中，第一連接導(dǎo)桿5和第二連接導(dǎo)桿13與緊固塊10的緊固孔35為過(guò)盈 配合連接，第三連接導(dǎo)桿12和第四連接導(dǎo)桿17與第一框架15的第一緊固孔39、第二緊固 孔40為過(guò)盈配合連接。把模擬手術(shù)操作中手術(shù)刀在創(chuàng)口上的動(dòng)作分解為緊固塊10繞第一 連接導(dǎo)桿5和第二連接導(dǎo)桿13的轉(zhuǎn)動(dòng)和第一框架15繞第三連接導(dǎo)桿12和第四連接導(dǎo)桿 17的轉(zhuǎn)動(dòng)。第二撐架25由開槽螺釘9與第二框架16固定連接在一起可以一起旋轉(zhuǎn)。第二撐架25與第一撐架沈通過(guò)螺柱28連接，螺柱28兩端設(shè)有第一六角螺母27 和第二六角螺母四，可使第二撐架25相對(duì)于第一撐架沈容易的緊固或旋轉(zhuǎn)角度。內(nèi)六角螺釘6通過(guò)第一撐架沈底部的通孔37與底座36上的螺紋孔38連接，通 過(guò)內(nèi)六角螺釘6的松緊可以實(shí)現(xiàn)第一撐架沈相對(duì)于底座36的固定與轉(zhuǎn)動(dòng)。本實(shí)用新型的工作原理如下如圖1所示，將膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)操作分解為四個(gè)自由 度的運(yùn)動(dòng)繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)、繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)、沿Z軸運(yùn)動(dòng)和Z軸自轉(zhuǎn)動(dòng)。本實(shí)用新型裝置中第一連 接導(dǎo)桿5和第二連接導(dǎo)桿13的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手術(shù)操作中繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)；第三連接導(dǎo)桿12和第四 連接導(dǎo)桿17的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手術(shù)操作中繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)；直線位移傳感器7根據(jù)其滑套50沿拉桿 的直線位移進(jìn)給捕獲手術(shù)操作中沿Z軸運(yùn)動(dòng)信息；緊固塊10固定的角位移傳感器8捕獲Z 軸自轉(zhuǎn)動(dòng)信息；用手旋轉(zhuǎn)直線位移傳感器7，角位移傳感器8和直線位移傳感器7是一起轉(zhuǎn) 動(dòng)的，這樣就可以捕獲這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的信息。本實(shí)用新型中第一連接導(dǎo)桿5和第二連接導(dǎo)桿13的轉(zhuǎn)動(dòng)由角位移傳感器1捕獲；第三連接導(dǎo)桿12和第四連接導(dǎo)桿17的轉(zhuǎn)動(dòng)由角位移傳感 器捕獲。 本實(shí)用新型能根據(jù)使用者的不同及其不同的操作習(xí)慣，靈活調(diào)整手術(shù)刀和內(nèi)窺鏡 的位置和角度，達(dá)到逼真模擬關(guān)節(jié)手術(shù)的效果，縮短了手術(shù)醫(yī)師的培訓(xùn)時(shí)間，節(jié)省了培訓(xùn)費(fèi) 用，另外，此裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作和維修。
權(quán)利要求1.虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)裝置，包括底座(36)和安裝在所述底座(36)上的兩個(gè)操縱臂(100)，其特征在于所述操縱臂(100)包括安裝在所述底座(36)上的第一撐架( )、與 所述第一撐架06)相連接的第二撐架0 和連接在所述第二撐架0 端部的操縱頭(101)，該操縱頭(101)包括第一框架(15)、套裝在第一框架(15)外側(cè)的第二框架(16)，第 一框架(1 及第二框架(16)上裝設(shè)有沿X軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)、沿Y軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)及 沿Z軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)及直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，其中沿X軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)包括安裝在第一框架(1 側(cè)壁上的第一角位移傳感器(1)和 通過(guò)安裝在第一框架(1 側(cè)壁上的第一連接導(dǎo)桿(5)、第二連接導(dǎo)桿(1 與第一框架 (15)相連接的固定塊(10)，其中，固定塊(10)能以第一連接導(dǎo)桿(5)和第二連接導(dǎo)桿(13) 為軸轉(zhuǎn)動(dòng)；沿Y軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)包括安裝在第二框架(16)側(cè)壁上的第三角位移傳感器和 連接第一框架(1 與第二框架(16)的第三連接導(dǎo)桿(1 與第四連接導(dǎo)桿(17)，其中，第 一框架(1 相對(duì)第二框架(16)能以第三連接導(dǎo)桿(1 和第四連接導(dǎo)桿(17)為軸轉(zhuǎn)動(dòng)； 沿Z軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)及直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)包括有安裝在固定塊(10)上的第二角位移傳感器 (8)和直線位移傳感器(7)，其中，第二角位移傳感器(8)的測(cè)量端與直線位移傳感器(7) 的拉桿連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)裝置，其特征在于所述兩個(gè)操縱臂(100) 安裝在所述底座(36)的同一側(cè)面上且相對(duì)所述底座(36)的中心面對(duì)稱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)裝置，其特征在于所述第一撐架06)與所 述第二撐架0 和所述底座(36)均為可調(diào)節(jié)相對(duì)角度的連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)裝置，其特征在于所述第三連接導(dǎo)桿(12) 和第四連接導(dǎo)桿(17)是通過(guò)安裝在所述第二框架(16)上的第一滾針軸承(11)和第二滾 針軸承(18)連接到所述第二框架(16)上的，所述第一連接導(dǎo)桿( 和第二連接導(dǎo)桿(13) 是通過(guò)安裝在所述第一框架(1 上的第三滾針軸承(4)和第四滾針軸承(14)連接到所述 第一框架(1 上的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)裝置，其特征在于所述固定塊(10)分為易 于安裝更換所述第一連接導(dǎo)桿( 和第二連接導(dǎo)桿(1 的兩部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)裝置，其特征在于所述第一角位移傳感器 (1)和第三角位移傳感器分別與所述第一框架(1 和第二框架(16)之間設(shè)有第一墊 片(3)和第二墊片(19)。
專利摘要本實(shí)用新型提供的虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)裝置包括底座和兩個(gè)操縱臂，操縱臂包括安第一撐架、第二撐架和操縱頭，該操縱頭包括第一框架、第二框架、第一角位移傳感器、第二角位移傳感器、第三角位移傳感器、直線位移傳感器、固定塊、第一連接導(dǎo)桿、第二連接導(dǎo)桿、第三連接導(dǎo)桿和第四連接導(dǎo)桿，其中第一框架與第二框架通過(guò)所述第三連接導(dǎo)桿和第四連接導(dǎo)桿轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述固定塊通過(guò)第一連接導(dǎo)桿和第二連接導(dǎo)桿與第一框架轉(zhuǎn)動(dòng)連接，第二角位移傳感器安裝在固定塊上且其轉(zhuǎn)動(dòng)端與所述直線位移傳感器的導(dǎo)軌連接。本實(shí)用新型能根據(jù)使用者的不同及其不同的操作習(xí)慣，靈活調(diào)整手術(shù)刀和內(nèi)窺鏡的位置和角度，達(dá)到逼真模擬關(guān)節(jié)手術(shù)的效果，縮短了手術(shù)醫(yī)師的培訓(xùn)時(shí)間。
文檔編號(hào)G09B23/28GK201829118SQ20102054870
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2010年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月28日
發(fā)明者何宇磊, 何漢武, 李晉芳, 雷鈞, 韓雙景 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)