用于外科手術模擬系統(tǒng)的用戶界面設備的制造方法
【專利說明】用于外科手術模擬系統(tǒng)的用戶界面設備發(fā)明領域
[0001]本發(fā)明涉及一種用于外科手術模擬系統(tǒng)的觸覺的用戶界面設備，并且特別地涉及一種用于模擬腹腔鏡手術的用戶界面設備。
[0002]發(fā)明背景
[0003]近年來，已經越來越多地使用用于外科手術模擬的系統(tǒng)，以訓練醫(yī)師各種外科手術程序而不把活的患者置于風險。特別是在微創(chuàng)手術的領域中，例如腹腔鏡術、內窺鏡術、結腸鏡檢查術等等，這樣的模擬系統(tǒng)已經獲得顯著的認可。在微創(chuàng)手術期間醫(yī)師通常依靠屏幕上的圖像而非依靠對患者的實際觀察，并且使用當今可用的強大的圖像渲染，可以使用非常高的現(xiàn)實程度模擬這樣的圖像。
[0004]為了與模擬軟件交互，模擬系統(tǒng)還需要輸入設備，即醫(yī)師可以操作并且模擬實際的外科手術儀器的硬件。這樣的輸入設備應當在物理外觀和功能上與實際的儀器相似。然而，它們必須還提供用于檢測模擬的儀器的目前位置的傳感器，由此使模擬軟件能夠在屏幕上提供合適的圖像。此外，這樣的設備優(yōu)選地包括觸覺反饋，即提供將在實際程序期間遇到的力的反饋。
[0005]在腹腔鏡檢查的情況下，輸入設備的一個實例是來自Immers1n Corp的虛擬腹腔鏡界面(VLI)。該設備包括對應于待插入患者中的儀器部分的剛性軸，以及醫(yī)師可以使用其移動儀器的手柄。為了模擬實際儀器的自由度，其經過小的開口進入患者身體中，軸通過框架支撐在具有兩個自由度(旋轉α，β)的樞轉點中。此外，軸可以沿著其縱向軸線以線性運動平移，即進入模擬人體和從其出來，并且可以圍繞該縱向軸線旋轉。手柄還包括握持部分，從而允許醫(yī)師在儀器的端頭處操作模擬的外科手術工具。輸入設備包含用于包括軸的旋轉的所有的自由度的傳感器。大多數(shù)的傳感器設置在樞軸轉動點的鄰近處，除了握持動作的傳感器，其在手柄中被發(fā)現(xiàn)并且通過單獨的信號接口設置在手柄上。該信號接口因此相對于框架是可運動的，并且用細繩連接至框架。正如在實際的儀器中，握持部分也可以相對于手柄的其余部分旋轉，對應于該握持部相對于工作位置的調整。這樣的調整不被傳感器檢測，并且不產生任何力反饋。
[0006]來自Immers1n Corp.的另一個實例是腹腔鏡外科手術工作站，(LSW)。正如在VLI中，當手柄旋轉時軸將旋轉，要求在樞轉點中檢測旋轉。然而，在這種情況下正是握持部分，其被固定地附接至軸。為了能夠調整握持位置，可旋轉的套筒布置在握持部分的前方，并且該套筒相對于手柄的旋轉被單獨地檢測。相對于套筒移動握持部(以及整個的手柄)將因此旋轉軸，但是握持部和套筒之間的相對旋轉將被檢測，使得模擬軟件可能把這解釋為握持部調整而非實際的儀器旋轉。與VLI相似，握持動作在握持部分中檢測。LSW是觸覺設備，即其具有布置為提供在所有的自由度上的力反饋的致動器。在力反饋的方面，僅旋轉套筒(這不旋轉軸)和旋轉整個手柄(包括套筒和軸)將導致相同的力反饋。
[0007]另一個實例是腹腔鏡脈沖引擎(LIE)，也來自Immers1n Corp0在該實例中，軸具有旋轉地固定的外部管子，該外部管子不旋轉。而是，手柄相對于管子旋轉，并且該運動通過在管子內側延伸的輪軸傳送至軸的遠端端部，在該位置其被旋轉譯碼器檢測。通過設置在握持部分的上側部的傳感器，握持動作的檢測與上文提到的LSW相似地進行。LIE因此也要求在設備的運動的部分上的兩個信號接口，一個在軸的遠端端部中，而一個在握持部分上。這些界面中的每一個需要用細繩連接至框架。
[0008]在本文本中的有關專利文獻是US 6，323，837和US 6，902, 405。
[0009]雖然有許多已經是可用的用戶界面，但是這些解決方案是機械地和電氣地復雜，典型地在電路在多個位置之間分布情況下。此外，由于許多連接至設備的電纜以及在某些情況下連接至握持部分的電纜，它們不能夠正確地模仿實際的外科手術儀器，例如腹腔鏡。
[0010]本發(fā)明的大體內容
[0011]本發(fā)明的一個目的是解決現(xiàn)有技術的缺點，并且提供功能上可靠的并且制造起來有成本效益的改進的用戶界面設備。另一個目的是向使用者提供在使用中提供更接近地相似于實際外科手術儀器的體驗的用戶界面設備。
[0012]根據本發(fā)明，這些目的和其他目的使用這樣的設備實現(xiàn)，該設備包括:具有沿著縱向軸線的主要延伸部的剛性軸，剛性軸由框架可樞轉地支撐，并且在軸向方向相對于框架是可運動的，但是關于框架相對于圍繞縱向軸線的旋轉被固定；以及手柄，其具有剛性地附接至剛性軸的傳感器主體，以及圍繞縱向軸線相對于傳感器主體是可旋轉的握持部分，握持部分適合于把使用者的握持運動轉換為線性位移。手柄還包括圍繞縱向軸線相對于傳感器主體和握持部分是可旋轉的轉子套筒，適合于檢測轉子套筒相對于傳感器主體的旋轉的旋轉傳感器，以及安裝在傳感器主體上并且連接成接收來自旋轉傳感器的第一檢測信號的信號接口。
[0013]這種設計的重要的特征是I)相對于圍繞其縱向軸線的旋轉被固定的軸，以及2)具有固定地附接至軸的傳感器主體的手柄，以及相對于傳感器主體是可旋轉的的轉子套筒。這些特征的組合在之前尚未公開，并且與現(xiàn)有技術用戶界面設備相比提供了多個優(yōu)點。
[0014]首先，所有的傳感器元件和電子電路可以設置在傳感器主體中或毗鄰傳感器主體，從而導致高效率的設計和制造。此外，也設置在傳感器主體上的信號接口將經受平移運動，但是不經受圍繞軸的縱向軸線的任何旋轉運動。這減少了在連接至信號接口的任何電纜或線上的剪切應力的和磨損的量，從而提高了用戶界面設備的壽命。
[0015]根據一個優(yōu)選的實施方案，手柄還包括安裝在傳感器主體中的線性傳感器，和用于把在握持部分中產生的任何線性位移傳送至線性傳感器的位移傳送結構，其中信號接口連接成接收來自線性傳感器的第二檢測信號。
[0016]根據該實施方案，此外握持動作可以在傳感器主體中被檢測，使得在握持部分中不需要傳感器電路。握持部分可以因此是純粹地機械的設備，從而有助于手柄的制造。
[0017]此外，因為需要僅一個單一的信號接口(從傳感器主體)，所以需要僅一個電纜或線。特別地，握持部分完全地沒有電纜或線。
[0018]在優(yōu)選的實施方案中，用戶界面設備布置為把觸覺反饋提供至使用者。為了該目的，多個致動器可以安裝在框架上以當軸和手柄相對于框架旋轉或平移時提供力反饋。通常，在至少一個線性的自由度和兩個旋轉的自由度中提供力反饋。
[0019]此外，布置為提供圍繞第一軸線(B)的力反饋的致動器可以有利地安裝在框架的圍繞第二軸線(A)與所述手柄一起旋轉的部分上。這意味著在致動器和第一軸線之間延伸的力傳送裝置，例如傳動皮帶或線，將在固定的路徑中運行，即將不經受扭曲或扭轉。在用于外科手術模擬的用戶界面設備的框架上的力反饋致動器的這種結構被認為是本身是新穎的并且有創(chuàng)造性的，此外不限于權利要求1的特征。
[0020]剛性軸可以具有在一個側部上的齒條，該齒條接合在所述框架上的齒輪，由此把軸的線性運動轉換為齒輪的旋轉。這種設計可以是能夠檢測軸位置，以及經由被連接至齒輪的致動器的力反饋的有效的方式。
[0021]附圖簡述
[0022]參照附圖將更詳細地描述本發(fā)明，附圖示出了本發(fā)明的目前優(yōu)選的實施方案。
[0023]圖1是根據本發(fā)明的一個實施方案的具有用戶界面設備的外科手術模擬系統(tǒng)的示意圖。
[0024]圖2是根據本發(fā)明的一個另外的實施方案的具有用戶界面設備的外科手術模擬系統(tǒng)的不意圖。
[0025]圖3是圖1中的手柄的側視圖。
[0026]圖4是圖2中的手柄的側視圖。
[0027]優(yōu)選實施方案詳述
[0028]圖1示出了根據本發(fā)明的一個實施方案的用戶界面設備1，作為模擬系統(tǒng)2的一部分示意性地被連接。
[0029]模擬系統(tǒng)2包括運行用于模擬外科手術程序的模擬軟件的處理單元3，以及用于把模擬的程序的可視化向使用者顯示的顯示器4。界面設備I連接至模擬系統(tǒng)，并且允許使用者為系統(tǒng)2提供輸入，由此與在顯示器設備中可視化的模擬交互。在此圖示的界面是觸覺裝備，即其適合于以界面的至少一些程度的自由度向使用者提供來自模擬的力反饋。注意，本發(fā)明不限于觸覺界面，而是也適用于非觸覺界面。
[0030]用戶界面設備I包括由框架11可樞轉地懸掛的可運動的儀器10。框架11允許儀器10圍繞第一軸線A和第二軸線B旋轉，第二軸線B通常正交于第一軸線A。
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