CN103943017B - 一种带有力反馈的虚拟腹腔镜手术模拟器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种带有力反馈的虚拟腹腔镜手术模拟器。该模拟器用来帮助外科医生完成腹腔镜手术的模拟训练，该模拟器包括如下部件：部件一是金属框及导轨。金属框用来支撑整个装置，导轨则固定在金属框上支撑起托盘，并使托盘能在导轨上左右滑动或者固定；部件二是金属托盘及托盘上用来固定力反馈设备的部分。该部件主要用来托起力反馈设备，并让力反馈设备放到托盘上时能被固定住；部件三是两台Phantom Omni力反馈设备。它们是该腹腔镜虚拟手术模拟器的核心部件；部件四是两柄跟Phantom Omni力反馈设备相连的腹腔镜手术钳。部件五是带有孔洞的橡胶板，固定在金属框的上面用来模拟人体肚皮。

Description

一种带有力反馈的虚拟腹腔镜手术模拟器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种带有力反馈的虚拟腹腔镜手术模拟器。

背景技术

随着虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术在医学领域应用的不断拓展和深入，虚拟手术（Virtual Surgery）及VR手术模拟器越来越受到人们的关注。以目前流行的腹腔镜微创外科为例，这种手术通过在病人腹部开孔，将手术器械和摄像头深入到腹腔内，医生从电脑屏幕上观察腹腔状况并操作手术器械，能够极大限度地减小创口，减轻病人的痛苦，缩短病人康复时间。这种手术方法给病人带来了福音，却对医生提出了更高的要求，医生必须经过充分的训练才能掌握其眼手协调能力，胜任相应手术。目前针对这类手术的训练通常是在尸体、动物或者人工合成物（如硅胶）上进行的。尸体能够提供一个真实的解剖结果，但是来源稀少，并且尸体跟活体对手术器械表现出的响应并不相同。动物活体能够表现出真实的响应，但费用昂贵，并且在医学伦理道德上越来越受到限制。人工合成物价格便宜，但是不能很好地反应软组织的特性。相比之下，虚拟手术技术具有手术环境及器械响应可控，可重复演练等多项优点，成为未来外科培训的发展趋势。医生借助VR手术模拟器进行手术训练及规划，可降低手术训练以及治疗的成本和风险；减少医生培训教学中对动物和尸体的依赖；提高临床医学诊断、治疗的技能和精度；使得高难度手术得以更快地普及；减轻患者的治疗痛苦、缩短滞院时间、降低医疗支出。对于缓解目前我国的医患矛盾，健全完善具有高科技含量的全民健康体系有着重要意义。

本发明设计了一种带有力反馈的虚拟腹腔镜手术模拟器。使得外科医生通过该平台能在电脑上进行各类腹腔镜手术的模拟训练。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供了一种带有力反馈的虚拟腹腔镜手术模拟器。其制作过程包括以下五个步骤：

步骤（1）、制作金属框及导轨。尺寸如图1所示。金属框的长宽高参数均为外边缘尺寸，金属框材料的厚度为3～4厘米比较合适，材料要求轻便，结实，耐用，不会生锈。其中金属条的连接可以用45度三角形金属块，通过上螺钉来连接。如果用焊接会不方便拆卸，也 不美观。滑轨的宽度设计为7～9厘米，这样托盘放在上面比较稳。滑轨厚度设计为4～5厘米，方便通过拧紧托盘下的螺钉可以使其固定在滑轨上的某一位置。

步骤（2）、制作托盘。尺寸如图2所示，可以先选择20厘米x18厘米的长方形塑料板（或者树脂板），按图2中所画虚线剪掉四个角，形成一个对称的六边形。注意：托盘需要有2厘米左右的厚度，因为需要与两块“L”型金属板件通过打孔上螺钉来连接，最后安放到滑轨上。最终这个托盘应该能比较好地托住力反馈设备的底座（见图4）。

步骤（3）、制作托盘上用来固定力反馈设备的金属板。当力反馈设备放到托盘上时，还需要将其固定住，设计示意图如图3。图中六边形是托盘，圆形虚线是力反馈设备的底座。分别在托盘的四个边（也就是图2中的虚线）中心位置处加装四个金属板，金属板的高度为4厘米左右，宽度3厘米左右（这个尺寸不需要很精确，主要是用来加装螺钉，固定力反馈设备用的。考虑到加工方便，也可以用L形金属板来代替）。在离金属板上边缘1厘米的位置处打一个孔，用来上螺钉。螺钉尖端粘上橡胶，最后能拧到跟力反馈设备的外壳充分贴近，起到固定设备的作用，且不会划伤设备外壳。金属板的底端打两个孔，通过螺钉跟托盘连接。其最终效果侧视图如图3、图4所示。

步骤（4）、在托盘下表面加装“L”型金属板。将两块“L”型金属板件通过打孔上螺钉连接到托盘（图2），最后安放到滑轨上。两块“L”型金属板之间的距离比滑轨的宽度稍微多一点，并可以通过带有把手的螺杆进行松紧调节。最终效果图如图5所示。

步骤（5）、连接力反馈设备的手柄及腹腔镜手术钳。将力反馈设备的手柄及腹腔镜手术钳用铜丝及万能胶连接起来，并在金属框的上面加装带有两个孔洞的橡胶板模拟人体的肚皮。让腹腔镜手术钳与力反馈设备相连时穿过塑料板上的孔洞，最终效果图如图6

所示：

本发明的样机如图7所示，与现有的医疗培训市场上常见的商业腹腔镜模拟器硬件相比的优点在于：

(1)本发明设计的模拟器通过Phantom Omni装置能够提供可靠的力反馈。在手术训练中，外科医生除了能观察到逼真的手术环境视觉效果，还能感受到真实的手感和力度。

(2)硬件平台所用材料简单、可靠，便于移动。

附图说明

图1为金属框及导轨的尺寸；

图2为托盘的尺寸（左：正面图，右：侧面图）；

图3为托盘及固定用金属板示意图；

图4为托盘、固定用金属板以及力反馈设备；

图5为滑轨上的托盘效果图；

图6为力反馈设备与腹腔镜手术钳的连接示意图；

图7a为样机的效果图之一；

图7b为样机的效果图之二；

图8本发明的结构图。

以下是图中各个标号的说明：

1.手柄（腹腔镜手术钳）；

2.橡胶板；

3.金属框；

4.力反馈设备；

5.托盘(用来承载，安放力反馈设备)；

6.滑轨(固定在金属框上，托盘可以在上面左右滑动。当拧紧托盘下的螺钉可以使其固定在滑轨上的某一位置)；

7.“L”型金属板；

8.金属板；

9.螺钉；

10.松紧可调螺杆；

具体实施方式

本发的一种带有力反馈的虚拟腹腔镜手术模拟器,其详细的制作过程包括以下五个步骤：

步骤（1）、制作金属框及导轨。尺寸如图1所示。金属框的长宽高参数均为外边缘尺寸，金属框材料的厚度为3～4厘米比较合适，材料要求轻便，结实，耐用，不会生锈。其中金属条的连接可以用45度三角形金属块，通过上螺钉来连接。如果用焊接会不方便拆卸，也不美观。滑轨的宽度设计为7～9厘米，这样托盘放在上面比较稳。滑轨厚度设计为4～5厘米，方便通过拧紧托盘下的螺钉可以使其固定在滑轨上的某一位置。

步骤（2）、制作托盘。尺寸如图2所示，可以先选择20厘米x18厘米的长方形塑料板（或者树脂板），按图2中所画虚线剪掉四个角，形成一个对称的六边形。注意：托盘需要有2厘米左右的厚度，因为需要与两块“L”型金属板件通过打孔上螺钉来连接，最后安放到滑轨上。最终这个托盘应该能比较好地托住力反馈设备的底座（见图4）。

步骤（3）、制作托盘上用来固定力反馈设备的金属板。当力反馈设备放到托盘上时，还需要将其固定住，设计示意图如图3。图中六边形是托盘，圆形虚线是力反馈设备的底座。分别在托盘的四个边（也就是图2中的虚线）中心位置处加装四个金属板，金属板的高度为 4厘米左右，宽度3厘米左右（这个尺寸不需要很精确，主要是用来加装螺钉，固定力反馈设备用的。考虑到加工方便，也可以用L形金属板来代替）。在离金属板上边缘1厘米的位置处打一个孔，用来上螺钉。螺钉尖端粘上橡胶以防止划伤设备。最后能拧到跟力反馈设备的外壳充分贴近，起到固定设备的作用，且不会划伤设备外壳。金属板的底端打两个孔，通过螺钉跟托盘连接。其最终效果俯、侧视图如图3、图4所示。

步骤（4）、在托盘下表面加装“L”型金属板。将两块“L”型金属板件通过打孔上螺钉连接到托盘（图2），最后安放到滑轨上。两块“L”型金属板之间的距离比滑轨的宽度稍微多一点，并可以通过带有把手的螺杆进行松紧调节。最终效果图如图5所示。

步骤（5）、连接力反馈设备的手柄及腹腔镜手术钳。将力反馈设备的手柄（图6）及腹腔镜手术钳（图1①）用铜丝及万能胶连接起来，并在金属框的上面加装带有两个孔洞的橡胶板（见图1）模拟人体的肚皮。让腹腔镜手术钳与力反馈设备相连时穿过塑料板上的孔洞，最终效果图如图6所示。

本发明未详细阐述的技术内容属于本领域技术人员的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种带有力反馈的虚拟腹腔镜手术模拟器，其特征在于，包括：

金属框及导轨：金属框用来支撑整个装置，导轨则固定在金属框上支撑起托盘，并使托盘能在其上滑动；

托盘：用来托起力反馈设备，并让力反馈设备Phantom Omni能够平稳地放到托盘上；

托盘上用来固定力反馈设备的金属板：属于托盘上的附属部件，当两台力反馈设备Phantom Omni安放在托盘上时能将力反馈设备固定住；

托盘下表面的“L”型金属板：用来使托盘能够在滑轨上左右滑动；当装置组装完毕时，使托盘能固定到滑轨上合适的位置；

两柄腹腔镜手术钳与Phantom Omni力反馈设备相连，并使腹腔镜手术钳穿过橡胶板的孔洞。

2.一种带有力反馈的虚拟腹腔镜手术模拟器的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤(1)、金属框及导轨的制作：金属框用来支撑整个装置，导轨则固定在金属框上支撑起托盘，并使托盘能在其上滑动；

步骤(2)、托盘的制作：用来托起力反馈设备，并让力反馈设备Phantom Omni能够平稳地放到托盘上；

步骤(3)、托盘上用来固定力反馈设备的金属板的制作：属于托盘上的附属部件，当两台力反馈设备Phantom Omni力反馈设备安放在托盘上时能将其固定住；

步骤(4)、在托盘下表面加装“L”型金属板：用来使托盘在滑轨上左右滑动；当装置组装完毕时，使托盘能固定到滑轨上合适的位置；

步骤(5)、将两柄腹腔镜手术钳与力反馈设备Phantom Omni相连，并使腹腔镜手术钳穿过橡胶板的孔洞；

所述步骤(1)、金属框及导轨的制作，金属框的长宽高参数均为外边缘尺寸，金属框材料的厚度为3～4厘米，材料要求不会生锈；其中金属条的连接用45度三角形金属块，通过上螺钉来连接；滑轨厚度为4～5厘米，方便通过拧紧托盘下的螺钉使其固定在滑轨上的某一位置；

所述步骤(2)、托盘的制作，先选择长方形塑料板，剪掉四个角，形成一个对称的六边形；托盘需要有2厘米的厚度，与两块“L”型金属板件通过打孔上螺钉来连接，最后安放到滑轨上；最终这个托盘能托住力反馈设备的底座；

所述步骤(3)、托盘上用来固定力反馈设备的金属板的制作，当力反馈设备放到托盘上时，还需要将其固定住，托盘是六边形，分别在托盘的四个边中心位置处加装四个金属板，在离金属板上边缘1厘米的位置处打一个孔，用来上螺钉；螺钉尖端粘上橡胶，最后能拧到跟力反馈设备的外壳贴近处，起到固定设备的作用，且不会划伤设备外壳；金属板的底端打两个孔，通过螺钉跟托盘连接；

所述步骤(4)、在托盘下表面加装“L”型金属板，将两块“L”型金属板件通过打孔上螺钉连接到托盘，最后安放到滑轨上；两块“L”型金属板之间的距离比滑轨的宽度大，并能通过带有把手的螺杆进行松紧调节；

所述步骤(5)、连接力反馈设备的手柄及腹腔镜手术钳，将力反馈设备的手柄及腹腔镜手术钳用铜丝及万能胶连接起来，并在金属框的上面加装带有两个孔洞的橡胶板模拟人体的肚皮，让腹腔镜手术钳与力反馈设备相连时穿过塑料板上的孔洞。