CN105378819A - 用于手术模拟***的用户接口 - Google Patents

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克里斯特尔·约翰逊
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Abstract

一种用户接口设备(1)，包括支架(11)，该支架(11)具有支撑件(15)和围绕第一轴线(A)可旋转的悬架部分(16)。还包括相机模拟器(10)，相机模拟器(10)具有刚性轴(21)，刚性轴(21)具有沿纵向轴线(C)的主延伸部，刚性轴(21)由悬架部分(16)悬接使得其可以沿纵向轴线(C)平移。第一旋转传感器(25)布置成检测悬架部分(16)围绕第一轴线(A)的旋转，引导表面(18a)布置在距第一轴线(A)一距离处，并且第一滚子(30)布置在轴线(A)和引导表面(18a)之间，以当悬架部分(16)围绕第一轴线(A)旋转时旋转，其中第一旋转传感器(25)布置成检测第一滚子(30)的旋转。该解决方案能够得到价格更加合理的令人满意的测量分辨率。

Description

用于手术模拟***的用户接口
发明领域
本发明通常涉及用于手术模拟***的用户接口设备，并且更具体地涉及用于相机模拟器(camerasimulator)的接口。
发明背景
近年来，已经日益更多地使用用于手术模拟的***，以便使医师接受各种手术过程的训练，而不将活着的病人置于风险中。特别是在例如腹腔镜、胃镜、结肠镜等微创外科手术领域中，这样的模拟***已经获得了显著的认可。在微创外科手术期间，医师通常依赖屏幕上的图像，而不是依赖对病人的实际观察，并且使用当前可获得的强大的图像渲染，这样的图像可以以非常高的程度的真实性被模拟。
在实际的外科手术期间，该图像由相机提供。这样的相机的光学器件通常安装在轴的倒角的端部上，以能够得到可以覆盖从来自入口位置的直的视线被阻挡的区域的视野。可选地，整个相机可以安装在轴的倒角的端部上。轴可以旋转以产生更加优选的视野。然而，当轴旋转时，视野因此相对于手术器械，更确切地说相对于医师旋转，这可能不必要地使得手术更加困难。这个问题的一个解决方案是提供图像传感器，该图像传感器在相机中，例如在手柄中在轴的与光学元件相对的侧上是可旋转的，该手柄相对于轴和光学元件是可旋转的。
在手术模拟期间，为了与模拟软件互动，该模拟***还需要输入设备，即医生可以操作的并且模拟实际的手术器械的硬件。这样的输入设备应该在物理外观和功能上类似于实际的器械。已经显而易见的是，还需要真实地模拟相机的输入设备。
在例如由G-CoderSystemsAB开发的相机器械的例子中，这种设备包括刚性轴，其对应于例如待***病人体内的棒形透镜***和医生通过其可以移动相机的手柄。为了模拟实际腹腔镜(其穿过较小的开口进入病人身体)的自由度，该轴由固定的支架的球形接头枢转地支撑。另外，该轴能够以直线运动沿该轴的纵向轴线平移，即进出模拟的主体，以及围绕该纵向轴线旋转。手柄还包括允许医师旋转模拟图像传感器的可转动部分，和用于控制模拟软件的变焦、聚焦、锁定等的数个按钮和轮子。相机器械和支架包含用于所有自由度(包括轴和旋转部分的旋转)的传感器。
旋转传感器对于在器械的轴和例如球形接头的悬架部分之间的相对旋转运动的检测通常认为是方便的。根据简单的解决方案，旋转传感器与轴线同轴地布置以检测围绕该轴线的旋转。然而，在一些应用中，例如在相机应用中，围绕轴线的旋转必须以高精度进行检测，且常规的、充分小的且廉价的旋转传感器例如光学传感器没有为这种应用提供满意的分辨率。
更大的传感器可以提高分辨率，但是会导致更大的且笨重的枢转接头。另一个选择是借助一些种类的变速装置，例如，将传感器布置在滚子上以与围绕轴线布置的齿轮接合的变速装置来提高传感器的分辨率。如果齿轮比滚子大，齿轮围绕轴线旋转一周将导致滚子与传感器的多圈旋转。然而，这种解决方案也需要相对大的空间，从而导致笨重的设计。
本发明的一般公开
本发明的目的是克服上面提到的问题，且使用廉价的旋转传感器使高分辨率的旋转检测成为可能。
根据本发明，这个和其它的目的通过用于手术模拟***的用户接口设备实现，该接口包括支架，支架具有支撑件和围绕第一轴线相对于支撑件可旋转的悬架部分；器械，其具有刚性轴，该刚性轴具有沿不平行于第一轴线的纵向轴线的主延伸部(primaryextension)，该轴由悬架部分悬接以便沿纵向轴线相对于悬架部分是可平移的；和第一旋转传感器，其布置成检测悬架部分围绕第一轴线相对于支撑件的旋转。该接口设备还包括布置在距第一轴线一距离处的且相对于该支撑件被固定的引导表面，和布置在第一轴线和引导表面之间的第一滚子。第一滚子与引导表面摩擦地接合，以便当悬架部分围绕第一轴线相对于支撑件旋转时旋转，其中第一旋转传感器布置成检测第一滚子的旋转。
本发明对于非接触器械，例如通常不具有力反馈的相机模拟器特别有用，但是对于其它类型的器械也可以是有利的。
通过将引导表面相对于第一轴线径向地布置在该滚子的外部，可用的空间最佳用于实现改进的分辨率。本发明因此允许使用较小的传感器(具有相对低的分辨率)和较小的总体尺寸的枢转接头，同时仍然提供满意的分辨率。
悬架部分的有限的尺寸在期望将枢转接头，即悬架部分和其附接至支撑件的附接部容纳在封闭罩中的应用中是特别有利的。在这样的例子中，引导表面可以由集成在支撑件中的罩的一部分的内表面形成。
第一滚子可以布置在抵靠该引导表面被弹簧加载的第一杆上。这样的布置将保证滚子与表面之间的充分摩擦。
根据一个实施方案，第二滚子与刚性轴摩擦地接合以便当刚性轴沿纵向轴线相对于悬架部分平移时旋转，且第二旋转传感器布置成检测第二滚子的旋转。通过这种布置，两个自由度的检测在相对有限的空间中被检测。第二滚子还可以布置在被弹簧加载的杆上。
刚性轴就围绕纵向轴线的旋转而言相对于所述悬架部分可以被固定。这样的设计消除了对在悬架部分中的需要另外空间的另一个传感器的需求。而且，检测轴围绕轴线的旋转同时检测该相同的轴沿该相同的轴线的平移是困难的。如果该轴相对于围绕纵向轴线的旋转被固定，该相机器械的手柄的旋转优选地设置在该手柄中。
附图简要说明
参照示出了本发明的当前优选的实施方案的附图，将更详细地描述本发明。
图1是根据本发明的实施方案的带有相机接口设备的手术模拟***的示意图。
图2是在图1中的相机接口设备的示意且部分分解图。
图3是在图2中的悬架部分的示意图。
图4是在图2的手柄的横截面图。
优选实施方式详述
图1示出了实施根据本发明的实施方案的用户接口设备1的模拟***2。根据本发明的用户接口设备可以在许多其它类型的模拟***，包括非手术模拟***中实施。在该阐明的例子中，模拟***2是手术模拟***且包括运行用于模拟手术过程的模拟软件的处理单元3，和用于向用户显示模拟过程的显像的显示器4。该***还具有连接至处理单元3的三个用户接口设备1、5。这些接口设备中的两个接口设备5适合于模拟由医生在人体内操作的手术器械。第三接口设备1适合于模拟设置在人体内的相机且布置成获得来自手术过程的可视化输出，在使用中，三个接口由使用者，通常是为特定手术过程进行训练的医师使用，以与处理单元3中运行的并且显现在显示设备4上的模拟互动。特别地，显示在显示器4上的可视化输出将取决于相机接口设备1的位置和方向。
图2和图3非常示意性地示出了在图1中的相机接口设备1的一些部分以图示该接口的各种自由度。相机器械10实质上包括附接至刚性轴21的端部的手柄20，刚性轴21通过支架11枢转地悬挂。支架11允许轴围绕第一轴线A和第二轴线B旋转，第二轴线B通常正交于第一轴线A。
在图示的实施方案中，围绕第二轴线B的旋转由支撑件15提供，支撑件15通过合适的轴承13旋转地安装至支架11的固定的底座12。旋转传感器(未示出)设置成检测支撑件15相对于底座12的位置。例如，传感器可以是集成在底座12中的且布置成检测旋转的旋转编码器。
器械10的轴21通过悬架部分16可滑动地被悬接，悬架部分16可旋转地安装在可旋转的支撑件15上以便围绕轴线A是可旋转的。悬架部分16布置在半球形罩17中，半球形罩17适合于与固定至支撑件15的类似的罩18紧密地固定。
主要参考图3，传感器装置设置在外壳17中。这里的传感器装置包括检测悬架部分16相对于支撑件15围绕轴线A的旋转的第一传感器25，和检测轴21相对于悬架部分16的平移的第二传感器26。
第一传感器25这里是旋转传感器，例如光学传感器或磁性传感器。该传感器具有编码器(在图3中不可见)，和联接至相对于编码器可旋转的销28的编码构件，例如盘。销28的相对旋转可以通过编码器检测，且导致表征旋转的传感器信号。编码器布置在杆29上，杆29枢转地附接至安装位置X且抵靠引导表面18a由弹簧加载，引导表面18a相对于支撑件15被固定。引导表面18a这里由罩18的内部表面18a形成。滚子30固定至销28且与引导表面18a实现摩擦接触。如果优选，引导表面18a与滚子可以具有结构化的接合表面以增加摩擦。
在悬架部分16相对于支撑件15旋转时，滚子30将沿表面18a旋转，且销28的旋转由编码器检测。传感器25因此产生第一传感器信号，该第一传感器信号表征了悬架部分16相对于支撑件15的旋转。由于内部表面18a以距离D从轴线间隔开，在悬架部分的旋转一周期间编码器将旋转数圈，且检测的分辨率提高。
传感器25可以与合适的电路(未示出)进行电接触，从合适的电路第一传感器信号可以输出至处理单元3。
第二传感器26可以是类似于第一传感器25的旋转传感器，其中编码器(不可见)安装在类似的弹簧加载的杆35上。第二编码器26的销36固定至滚子37，滚子37与轴21的表面21a实现摩擦接触。
在轴21相对于悬架部分16平移时，滚子37将旋转，且导致第二传感器26产生表征平移的第二传感器信号。同样，第二传感器26可以与合适的电路(未示出)进行电接触。
现在转向图4，手柄20具有传感器主体22和旋转体套筒23，传感器主体22和旋转体套筒23两者围绕纵向轴线C可旋转地连接至轴21。旋转体套筒具有握持部分且旨在由使用者使用以旋转器械10。由于轴21相对于支架被固定，这里器械10的旋转意指旋转体套筒相对于轴的旋转。套筒23和传感器主体22优选地通过一定的摩擦联接，使得除非受外力作用，传感器主体将与旋转体套筒一起旋转。
参考数字40表示第一旋转传感器，例如光学传感器或磁性传感器，第一旋转传感器安装在传感器主体22中。第一传感器40具有编码构件41，这里是盘，和编码器42。编码器42相对于盘41的相对旋转可以被检测，且导致表征旋转的传感器信号。第一传感器40这里与在印刷电路板51上的电路50进行电接触，传感器信号可以从印刷电路板51通过信号接口52被输出。
编码器42固定地附接至传感器主体22。盘41可旋转地固定至旋转体套筒23，这里旋转体套筒23借助于套筒23的部分23a部分地延伸至传感器主体22中。套筒23相对于传感器主体22的旋转将因此使盘41相对于编码器42旋转，且在信号接口52处产生可获得的第一检测信号。
除了第一旋转传感器40，这里的装置包括第二旋转传感器46，第二旋转传感器46相对于套筒23布置在第一传感器40的外面。第二传感器46也具***盘47和编码器48。编码器48固定地布置在传感器主体22中。盘47旋转地连接至扭矩传递构件49，扭矩传递构件49沿手柄的纵向轴线C同轴地布置在部分23a内。构件49因此超过第一编码器40延伸至传感器主体22的外部且还穿过旋转体套筒23。在构件49的远侧端49a处，构件49旋转地连接至刚性轴21。两部分被“旋转地连接”或“旋转地固定”的表述这里旨在表示当一部分旋转时，另一部分也将旋转。因此，当传感器主体22相对于刚性轴21旋转时，盘47将相对于编码器48旋转，且传感器46将产生第二检测信号。第二传感器46也与在印刷电路板51上的电路50电接触，第二检测信号可以通过信号接口52从印刷电路板51输出。
手柄的各部分，以及特别是传感器主体的操作的细节现在将参考附图4进行讨论。
就像在实际的相机中，器械10的旋转将旋转显示在显示器4上的视野。由于接口的轴21相对于旋转是固定的，因此器械的旋转将对应于套筒23(套筒23具有握持部分)相对于轴21的旋转。在套筒23与轴21之间的相对旋转可以通过组合来自第一传感器40的第一检测信号(对应于套筒23与轴21之间的相对旋转)和来自第二旋转传感器46的第二检测信号(对应于传感器主体22与轴21之间的相对旋转)的信息来重获。如上面提到的，传感器主体22和旋转体套筒23优选地通过一定的摩擦被联接，使得传感器主体22和旋转体套筒23通常一起旋转。这样的手柄旋转将导致来自第一传感器40和第二传感器46的相同的信号。注意，传感器信号的组合可以由电路50提供。可选地，第一传感器信号和第二传感器信号未改变地提供至处理单元3，且该组合在那里被提供。
实际的相机器械还具有相对于该器械旋转图像传感器的功能，以便旋转提供在显示器4上的视图，而实质上不改变视野。在相机接口1中，这样的图像传感器的调整的模拟可以通过检测传感器主体22相对于套筒23的相对旋转来提供。这样的旋转直接由第一传感器40检测。
参考附图2，参考53表示触敏用户接口的示例性实施方案。图示的用户接口53具有四个按钮54，该四个按钮54在模拟***中用于控制特性，例如锁定用户接口1，使得手术模拟***2不再寄存来自用户接口1的输入，从而允许使用者释放接口且允许使用者集中精力至其它的器械。在用户接口53上的其它的按钮可以例如控制特性，例如用于显示在显示器4上的图像的模拟缩放和聚焦。用户接口53与在印刷电路板51上的电路50电接触，输入信号可以从印刷电路板51通过信号接口52输出。
与用户接口53的互动将因此在信号接口52处产生可获得的互动的信号。该按钮的构造、数量或功能决不限于该实施方案，另外的可能性包括单个按钮或例如触敏显示器，该触敏显示器可以动态地显示代表了手术模拟***2上的功能或菜单的任何数量的区域。
参考图4，在印刷电路板51上的电路50可以能够将来自第一传感器40和第二传感器46的模拟信号转化成数字信号。例如，电路50可以适合于转化模拟信号以提供分别代表旋转体套筒23相对于轴21的旋转和传感器主体22相对于轴的旋转的信号。电路50还可以转化来自用户接口53的数字信号。在一个示例性实施方案中，电路50适合于将信号转化成符合USB标准的数字数据信号。接口52这里通过信号线55(见附图1)连接至处理单元3。该连接可以可选地是无线的，例如，蓝牙或WiFi。
本领域的技术人员意识到，本发明决不限于上文描述的优选的实施方案。相反地，在所附的权利要求的范围内，许多修改和变化是可能的。例如，可以使用其它类型的传感器和编码器，以用于检测旋转以及平移。例如，霍尔效应传感器或压电传感器。

Claims (11)

1.一种用于手术模拟***(2)的用户接口设备(1)，所述接口包括：
支架(11)，其具有支撑件(15)和围绕第一轴线(A)相对于所述支撑件(15)可旋转的悬架部分(16)，
器械(10)，其具有刚性轴(21)，所述刚性轴(21)具有沿着不平行于所述第一轴线(A)的纵向轴线(C)的主延伸部，
所述轴(21)由所述悬架部分(16)悬接以便沿所述纵向轴线(C)相对于所述悬架部分(16)是可平移的，和
第一旋转传感器(25)，其布置成检测所述悬架部分(16)围绕所述第一轴线(A)相对于所述支撑件(15)的旋转，
其特征在于，
引导表面(18a)，其布置在距所述第一轴线(A)一距离处，并且相对于所述支撑件(15)被固定，以及
第一滚子(30)，其布置在所述第一轴线(A)与所述引导表面(18a)之间，所述第一滚子与所述引导表面(18a)摩擦地接合，以便当所述悬架部分(16)围绕所述第一轴线(A)相对于所述支撑件(15)旋转时旋转，
其中所述第一旋转传感器(25)布置成检测所述第一滚子(30)的旋转。
2.根据权利要求1所述的接口，其中，所述支撑件(15)包括布置成覆盖所述悬架部分(16)的罩(18)，其中所述引导表面(18a)由所述罩(18)的内表面形成。
3.根据权利要求1或2所述的接口，其中，所述第一滚子(30)布置在第一杆(29)上，所述第一杆(29)抵靠所述引导表面(18a)被弹簧加载。
4.根据前述权利要求中任一项所述的接口，还包括第二滚子(37)和第二旋转传感器(26)，所述第二滚子(37)与所述刚性轴(21)摩擦地接合，以便当所述刚性轴(21)沿所述纵向轴线(C)相对于所述悬架部分(16)平移时旋转，所述第二旋转传感器(26)布置成检测所述第二滚子(37)的旋转。
5.根据权利要求4所述的接口，其中，所述第二滚子(37)布置在第二杆(36)上，所述第二杆(36)抵靠所述刚性轴(21)被弹簧加载。
6.根据前述权利要求中任一项所述的接口，其中，所述支撑件(15)相对于所述支架(11)的固定底座(12)围绕第二轴线(B)是可旋转的，所述第二轴线(B)不平行于所述第一轴线(A)，使得所述轴(21)围绕所述第二轴线(B)是可枢转的。
7.根据前述权利要求中任一项所述的用户接口，其中，所述刚性轴(21)就围绕所述纵向轴线(C)的旋转而言相对于所述悬架部分(16)被固定。
8.根据前述权利要求中任一项所述的用户接口，其中，所述器械(10)是相机模拟器。
9.根据权利要求8所述的用户接口，其中，所述相机接口包括：
刚性轴(21)，其具有沿纵向轴线(C)的主延伸部，所述刚性轴由支架(11)可枢转地支撑并且相对于所述支架在所述轴向方向上是可移动的，所述刚性轴就围绕所述纵向轴线的旋转而言相对于所述支架被固定，
手柄(20)，其刚性地附接至所述刚性轴(21)，所述手柄(20)具有围绕所述纵向轴线相对于所述刚性轴(21)是可旋转的旋转体套筒(23)，和传感器主体(22)，所述传感器主体(22)围绕所述纵向轴线(C)相对于所述刚性轴(21)和所述旋转体套筒(23)是可旋转的，并且所述传感器主体(22)包括：
第一旋转传感器(40)，其适合于检测所述旋转体套筒(23)相对于所述传感器主体(22)的旋转，
第二旋转传感器(46)，其适合于检测所述传感器主体(23)相对于所述刚性轴(21)的旋转，和
信号接口(52)，其连接成接收来自所述第一旋转传感器(40)的第一检测信号并且接收来自所述第二旋转传感器(46)的第二检测信号。
10.根据权利要求9所述的用户接口，还包括处理电路(50)，所述处理电路(50)适合于组合所述第一传感器信号和所述第二信号以提供代表了所述套筒(23)与所述刚性轴(21)之间的相对转动的信号。
11.一种手术模拟***，包括：
处理单元(3)，其用于执行用于模拟手术过程的模拟软件，
显示器(4)，其用于显示所模拟过程的显像，和
根据前述权利要求中任一项所述的用户接口(1)，所述用户接口(1)连接至所述处理单元，以用于允许用户与在所述显示器中可视化的计算机模拟互动。
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