一种多传感器信息驱动的微创手术训练装置.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102800233 A (43)申请公布日 2012.11.28 C N 1 0 2 8 0 0 2 3 3 A *CN102800233A* (21)申请号 201210255229.0 (22)申请日 2012.07.23 G09B 23/28(2006.01) (71)申请人广东工业大学 地址 510006 广东省广州市番禺区广州大学 城外环西路100号 (72)发明人何汉武 李晋芳 何宇磊 雷钧 (74)专利代理机构广州粤高专利商标代理有限 公司 44102 代理人林丽明 (54) 发明名称 一种多传感器信息驱动的微创手术训练装置 (57) 摘要 本发明提供的。

2、一种多传感器信息驱动的微创 手术训练装置。包括底座和安装在所述底座上的 两个操纵臂，操纵臂包括有第一撑架、第二撑架及 操纵头，第一撑架安装在底座的上端，第二撑架与 第一撑架连接，操纵头连接在第二撑架的端部，操 纵头包括有第一框架及套装在第一框架外侧的第 二框架，第一框架及第二框架上装设有沿X轴方 向转动的机构、沿Y轴方向转动的机构及沿Z轴方 向转动及直线运动的机构。本发明能根据使用者 不同及能根据不同操作人员的操作习惯，灵活调 整手术刀和内窥镜的位置和角度，可以达到逼真 模拟关节手术的效果，缩短了手术医师的培训时 间。本发明是一种结构简单，易于操作和维修的 方便实用的多传感器信息驱动的微创手术。

3、训练装 置。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书5页 附图8页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 8 页 1/2页 2 1.一种多传感器信息驱动的微创手术训练装置，包括底座（40）和安装在所述底座 （40）上的两个操纵臂（100），其特征在于操纵臂（100）包括有第一撑架（37）、第二撑架（34） 及操纵头（101），第一撑架（37）安装在底座（40）的上端，第二撑架（34）与第一撑架（37）连 接，操纵头（101）连接在第二撑架（34）的端部，操纵头（101）包括有第一框架（12）及套装 在第一框架（12）外侧的。

4、第二框架（17），第一框架（12）及第二框架（17）上装设有沿X轴方 向转动的机构、沿Y轴方向转动的机构及沿Z轴方向转动及直线运动的机构，其中： 沿X轴方向转动的机构包括第一角位移传感器（1）、第一连接导杆（11）及固定块（8）， 第一角位移传感器（1）安装在第一框架（12）的其中一侧壁所设的安装孔（3）上，且第一角 位移传感器（1）的转动端置于固定块（8）所设的轴孔（5）上，第一连接导杆（11）装设在第 一框架（12）的另一侧壁上，且第一连接导杆（11）的两端分别与固定块（8）及第一框架（12） 相连接，固定块（8）能以第一角位移传感器（1）的转动端和第一连接导杆（11）为轴进行转 动； 沿。

5、Y轴方向转动的机构包括第二角位移传感器（2）及第二连接导杆（15），其中第二角 位移传感器（2）安装在第二框架（17）的其中一侧壁上，且第二角位移传感器（2）的转动端 置于第一框架（12）所设的轴孔（4）上，第二连接导杆（15）装设在连接在第二框架（17）的 另一侧壁上，且第二连接导杆（15）的两端分别与第一框架（12）与第二框架（17）连接，第一 框架（12）相对第二框架（17）能以第二角位移传感器（2）的转动端和第二连接导杆（15）为 轴进行转动； 沿Z轴方向转动及直线运动的机构包括有安装在固定块（8）上的第三角位移传感器 （6）和直线位移传感器（24），第三角位移传感器（6）的转动端及直。

6、线位移传感器（24）的拉 杆通过角套筒（7）与直线轴套（19）连接，直线轴套（19）与第三角位移传感器（6）的转动端 连接。 2.根据权利要求1所述的多传感器信息驱动的微创手术训练装置，其特征在于上述直 线轴套（19）的突出块与第三角位移传感器（6）的转动端所设的凹槽连接，第三角位移传感 器(6)置于固定块(8)所设的圆形孔上。 3.根据权利要求1所述的多传感器信息驱动的微创手术训练装置，其特征在于上述第 一角位移传感器（1）的转动端与固定块（8）所设的轴孔（5）过盈配合；第二角位移传感器 （2）的转动端与第一框架（12）所设的轴孔(4)过盈配合；第三角位移传感器(6)与固定块 (8)所设的圆。

7、形孔过盈配合。 4.根据权利要求1所述的多传感器信息驱动的微创手术训练装置，其特征在于上述底 座（40）的上端为槽型钢板（102），下端为圆形铁块（103），两个操纵臂（100）安装在槽型钢 板（102）的两壁面上，且相对所述底座（40）的中心面对称，圆形铁块（103）通过槽钢与槽型 钢板（102）连接，并支撑上层结构。 5.根据权利要求1所述的多传感器信息驱动的微创手术训练装置，其特征在于上述第 一撑架（37）与所述第二撑架（34）和所述底座（40）均为螺栓控制的可调节相对角度连接。 6.根据权利要求1至5任一项所述的多传感器信息驱动的微创手术训练装置，其特征 在于上述第二框架（12）上装设。

8、有第一滚针轴承（10），第一连接导杆（11）支承在第二框架 （12）上装设的第一滚针轴承（10）上；第一框架（12）上装设有第二滚针轴承（14），第二框架 （17）上装设有第三滚针轴承（16），第二连接导杆（15）的两端分别支承在第一框架（12）上 权 利 要 求 书CN 102800233 A 2/2页 3 装设的第二滚针轴承（14）上及支承在第二框架（17）上所设的第三滚针轴承（16）上。 7.根据权利要求6所述的多传感器信息驱动的微创手术训练装置，其特征在于上述直 线位移传感器（24）的两侧对称设有第一直线导杆（21）及第二直线导杆（27），固定块（8）上 设有用来引导第一直线导杆（21。

9、）及第二直线导杆（27）的转动轨迹的引导槽。 8.根据权利要求7所述的多传感器信息驱动的微创手术训练装置，其特征在于上述直 线位移传感器（24）上的拉杆与直线轴套（19）通过螺纹孔（28）连接，直线轴套（19）置于角 套筒（7）内，并且直线轴套（19）上所设的凸块与第三角位移传感器（6）的转动端所设的凹 槽在角套筒（7）内连接，角套筒（7）与第三角位移传感器（6）通过螺纹连接。 9.根据权利要求7所述的多传感器信息驱动的微创手术训练装置，其特征在于上述第 一导位杆（21）通过手握夹紧片（22）的第一通孔（23）、直线轴套（19）的第三通孔（20）与固 定块（8）的凹形槽连接，第二导位杆（27）。

10、通过手握夹紧片（22）的第二通孔、直线轴套（19） 的第四通孔（29）与固定块（8）的凹形槽连接。 10.根据权利要求9所述的多传感器信息驱动的微创手术训练装置，其特征在于上述 手握夹紧片（22）中间开有用于置放直线位移传感器（24）的圆形孔，且手握夹紧片（22）通 过所设的紧固孔（26）夹紧直线位移传感器（24），使手握夹紧片（22）与直线位移传感器 （24）连为一体;上述第二框架（17）通过螺纹孔（33）与第二撑架（34）连接，第二撑架（34） 通过下端通孔（35）与第一撑架（37）所设的螺纹孔（36）连接；第一撑架（37）通过所设的螺 纹孔（38）与底座（40）的槽型钢板（102）所设的。

11、螺纹孔（39）连接。 权 利 要 求 书CN 102800233 A 1/5页 4 一种多传感器信息驱动的微创手术训练装置 技术领域 0001 本发明属于虚拟手术设备领域，尤其涉及一种虚拟膝关节镜手术的装置。 背景技术 0002 虚拟手术，又称手术仿真，是虚拟现实技术在医学领域中的应用。虚拟现实技术通 过计算机图形学中的真实感绘制方法逼真地表现出人体器宫的解剖结构、解剖位置、物理 特征以及生理特征，模拟手术过程中可能遇到的各种现象，为医生提供一个虚拟的手术场 景，同时通过交互设备，使医生能够感知到与虚拟器官的交互并通过与虚拟人体器官进行 交互来完成手术过程的模拟。虚拟手术系统可供医生进行手术训。

12、练、手术计划甚至辅助真 实的手术治疗。关节镜手术开始主要应用于膝关节，20世纪初起源于日本，20世纪70年代 后在美国等国家得到长足的发展。关节镜手术器械价格昂贵，患者的手术需求较多，但是熟 练使用的医生不多，主要是关节镜手术有很多制约因素，如医生的视野窄，手、眼的协作受 到限制，手术器械的活动范围有限，手术操作难度高，不经过长期训练以及经验积累，医生 难以胜任。而目前的方法是让被训练者观察有经验的外科医生的操作，以熟悉整个手术过 程，或用其他塑料仿制品代替，受训者无法感受到手术器械与组织之间正确的力的交互，这 样正式手术时风险很高。与快速发展的手术需求相比，缺乏熟练掌握关节镜手术的医生是 制。

13、约关节镜手术普及发展的一个瓶颈。如何提供一种更好的方式对关节镜手术操作人员进 行训练与教育，以缩短知识获取的时间和成本已经成为本领域亟待解决的问题，基于虚拟 现实技术的关节镜手术训练系统可以随时随地开展训练，使用成本很低，无疑对于手术技 术的发展与推广具有很高的使用价值，但是当前国内的虚拟膝关节镜手术的研究多处于软 件开发阶段，硬件交互设备的发展严重滞后，成为此关节镜手术虚拟训练水平提高的一大 障碍。 发明内容 0003 针对上述当前关节镜手术虚拟领域所遇到的问题，本发明提供一种能根据使用者 不同及能根据不同操作人员的操作习惯，灵活调整手术刀和内窥镜的位置和角度，可以达 到逼真模拟关节手术的效。

14、果的多传感器信息驱动的微创手术训练装置。本发明结构简单， 易于操作和维修。 0004 本发明的技术方案为：本发明的多传感器信息驱动的微创手术训练装置，包括底 座和安装在所述底座上的两个操纵臂，操纵臂包括有第一撑架、第二撑架及操纵头，第一撑 架安装在底座的上端，第二撑架与第一撑架连接，操纵头连接在第二撑架的端部，操纵头包 括有第一框架及套装在第一框架外侧的第二框架，第一框架及第二框架上装设有沿X轴方 向转动的机构、沿Y轴方向转动的机构及沿Z轴方向转动及直线运动的机构，其中： 沿X轴方向转动的机构包括第一角位移传感器、第一连接导杆及固定块，第一角位移 传感器安装在第一框架的其中一侧壁所设的安装孔上。

15、，且第一角位移传感器的转动端置于 固定块所设的轴孔上，第一连接导杆装设在第一框架的另一侧壁上，且第一连接导杆的两 说 明 书CN 102800233 A 2/5页 5 端分别与固定块及第一框架相连接，固定块能以第一角位移传感器的转动端和第一连接导 杆为轴进行转动； 沿Y轴方向转动的机构包括第二角位移传感器及第二连接导杆，其中第二角位移传感 器安装在第二框架的其中一侧壁上，且第二角位移传感器的转动端置于第一框架所设的轴 孔上，第二连接导杆装设在连接在第二框架的另一侧壁上，且第二连接导杆的两端分别与 第一框架与第二框架连接，第一框架相对第二框架能以第二角位移传感器的转动端和第二 连接导杆为轴进行转。

16、动； 沿Z轴方向转动及直线运动的机构包括有安装在固定块上的第三角位移传感器和直 线位移传感器，第三角位移传感器的转动端及直线位移传感器的拉杆通过角套筒与直线轴 套连接，直线轴套与第三角位移传感器的转动端连接。 0005 上述直线轴套的突出块与第三角位移传感器的转动端所设的凹槽连接，第三角位 移传感器置于固定块所设的圆形孔上。 0006 上述第一角位移传感器的转动端与固定块所设的轴孔过盈配合；第二角位移传感 器的转动端与第一框架所设的轴孔过盈配合；第三角位移传感器与固定块所设的圆形孔过 盈配合。 0007 上述底座的上端为槽型钢板，下端为圆形铁块，两个操纵臂安装在槽型钢板的两 壁面上，且相对所述。

17、底座的中心面对称，圆形铁块通过槽钢与槽型钢板连接，并支撑上层结 构。 0008 上述第一撑架与所述第二撑架和所述底座均为螺栓控制的可调节相对角度连接。 0009 上述第二框架上装设有第一滚针轴承，第一连接导杆支承在第二框架上装设的第 一滚针轴承上；第一框架上装设有第二滚针轴承，第二框架上装设有第三滚针轴承，第二连 接导杆的两端分别支承在第一框架上装设的第二滚针轴承上及支承在第二框架上所设的 第三滚针轴承上。 0010 上述直线位移传感器的两侧对称设有第一直线导杆及第二直线导杆，固定块上设 有用来引导第一直线导杆及第二直线导杆的转动轨迹的引导槽。 0011 上述直线位移传感器上的拉杆与直线轴套通。

18、过螺纹孔连接，直线轴套置于角套筒 内，并且直线轴套上所设的凸块与第三角位移传感器的转动端所设的凹槽在角套筒内连 接，角套筒与第三角位移传感器通过螺纹连接。 0012 上述第一导位杆通过手握夹紧片的第一通孔、直线轴套的第三通孔与固定块的凹 形槽连接，第二导位杆通过手握夹紧片的第二通孔、直线轴套的第四通孔与固定块的凹形 槽连接。 0013 上述手握夹紧片中间开有用于置放直线位移传感器的圆形孔，且手握夹紧片通过 所设的紧固孔夹紧直线位移传感器，使手握夹紧片与直线位移传感器连为一体;上述第二 框架通过螺纹孔与第二撑架连接，第二撑架通过下端通孔与第一撑架所设的螺纹孔连接； 第一撑架通过所设的螺纹孔与底座。

19、的槽型钢板（102）所设的螺纹孔连接。 0014 本发明能根据使用者的不同及根据不同操作人员的操作习惯，灵活调整手术刀和 内窥镜的位置和角度，达到逼真模拟关节手术的效果，缩短了手术医师的培训时间，节省了 培训费用，另外，本发明结构简单，采用模块化装配设计的结构思想，易于操作和维修。 0015 附图说明： 说 明 书CN 102800233 A 3/5页 6 图1为本发明自由度分析示意图； 图2为本发明操纵头装配爆炸图； 图3为本发明第二框架安装传感器的示意图； 图4为本发明第二框架安装传感器的示意图； 图5为本发明第一框架安装传感器示意图； 图6为本发明第一导位杆及第二导位杆的安装示意图； 图。

20、7为本发明紧固块与传感器安装示意图； 图8为本发明第一撑架与底座的安装示意图； 图9为操纵头结构的局部放大图； 图10为本发明总体装配图。 0016 具体实施方式： 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。 0017 如图2-9所示，一种多传感器信息驱动的微创手术训练装置，包括底座40和安装 在所述底座40上的两个操纵臂100，其特征在于：所述底座40上端为槽型钢板，下端为圆 形铁块。所述操纵臂100包括安装在所述底座40槽型钢板上的第一撑架37、与所述第一撑 架37相连接的第二撑架34和连接在所述第二撑架34端部的操纵头101，该操纵头101包 括第一框架12、套装在第一框架12外。

21、侧的第二框架17，第一框架12及第二框架17上装设 有沿X轴方向转动的机构、沿Y轴方向转动的机构及沿Z轴方向转动及直线运动的机构，其 中： 沿X轴方向转动的机构包括安装在第一框架12侧壁上的第一角位移传感器1和通过 第一角位移传感器1的转动端、第一连接导杆11与第一框架12相连接的固定块8，其中，固 定块8能以第一角位移传感器1的转动端和第一连接导杆11为轴转动；第一角位移传感器 1用于捕获此自由度的转动量信息。 0018 沿Y轴方向转动的机构包括安装在第二框架17侧壁上的第二角位移传感器2和 连接第一框架12与第二框架17的第二连接导杆15，其中，第一框架12相对第二框架17能 以第二角位移。

22、传感器2的转动端和第二连接导杆15为轴转动；第二角位移传感器2用于捕 获此自由度的转动量信息。 0019 沿Z轴方向转动及直线运动的机构包括有安装在固定块8上的第三角位移传感器 6和直线位移传感器24。其中，第三角位移传感器6的转动端与直线位移传感器24的拉杆 通过角套筒7直线轴套19连接。直线轴套19的突出块与第三角位移传感器6的转动端凹 槽连接。 0020 本实施例中，所述两个操纵臂100安装在所述底座40上端的槽型钢板102的两壁 面上且相对所述底座40的中心面对称。圆形铁块103、槽钢和槽型钢板102焊接在一起，并 通过M101.0螺纹孔支撑上层结构。 0021 本实施例中，所述第一撑。

23、架37与所述第二撑架34和所述底座40均为螺栓控制的 可调节相对角度连接。选用六角螺栓作为控制螺栓，六角螺栓为国标通用件，符合模块化设 计思想。 0022 本实施例中，所述第一连接导杆11和是通过安装在所述第二框架12上的第一滚 针轴承11连接到所述第二框架12上的；所述第二连接导杆15是通过安装在所述第一框架 说 明 书CN 102800233 A 4/5页 7 12上的第二滚针轴承14和第三滚针轴承16连接到所述第二框架17上的。滚针轴承内径 为6外径为10，属于国家标准通用件。 0023 本实施例中，所述固定块8中间开有圆形孔和圈形槽。圆形孔用来置放第三角位 移传感器6，第三角位移传感器。

24、6通过过盈配合与圆形孔配合。圈形槽用来引导第一导位杆 21及第二导位杆27的转动轨迹，第一导位杆21及第二导位杆27可以辅助手握夹紧片22 旋转直线位移传感器24。 0024 本实施例中，所述直线位移传感器24的拉杆与直线轴套19中心线上的M4螺纹孔 28连接。直线轴套19可以至于角套筒7内，并且直线轴套19的凸块与第三角位移传感器 6的转动端凹槽在角套筒7内连接。角套筒7与第三角位移传感器6螺纹连接。连接后的 角套筒7位于固定块8上。可以驱动固定块8做X轴旋转运动。 0025 本实施例中，第一导位杆21通过手握夹紧片22的第一通孔23、直线轴套19的第 三通孔20与固定块8的凹形槽连接。第二。

25、导位杆27通过手握夹紧片22的第二通孔、直线 轴套19的第四通孔29与固定块8的凹形槽连接。第一导位杆21与第二导位杆27的位置 关于直线位移传感器24对称。其中，第一通孔23中心线、第三通孔20中心线与固定块8 的凹形槽的中心圆在一条直线上；第二通孔与第四通孔也具有类似要求。这样可以使手握 夹紧片22在Z轴直线方向自由移动。 0026 此外，手握夹紧片22中间开有圆形孔，用于置放直线位移传感器24，通过紧固孔 26夹紧直线位移传感器24，使手握夹紧片22与直线位移传感器24连为一体。手握夹紧片 22可以控制直线位移传感器24的外筒做直线往复运动。 0027 本实施例中，第二框架17通过四个M。

26、5螺纹孔33与第二撑架34连接。第二撑架 34下端11通孔35与第一撑架37的M10螺纹孔36连接，连接件为公称直径10的六角 螺栓。第一撑架37 M10螺纹孔38与底座40的槽型钢板102的M10螺纹孔39连接，连接 件为公称直径10的六角螺栓。 0028 本实施例中，第一角位移传感器1的转动端与固定块8的轴孔5过盈配合；第二角 位移传感器2的转动端与第一框架12的轴孔4过盈配合；第三角位移传感器6与固定块8 的圆形孔过盈配合。通过把模拟手术操作中手术刀在创口上的旋转动作分解为紧固块8绕 第一角位移传感器1的转动端和第一连接导杆11的转动和第一框架12绕第二角位移传感 器2的转动端和第二连接。

27、导杆15的转动，到达模拟真实手术旋转操作的目的。 0029 本实施例中，第二撑架34通过六角螺栓与第二框架17固定连接在一起，并且能够 以孔35和孔36为原点一起旋转。装配在一起的操纵头101、第二撑架34和第一撑架37能 够以孔38和孔39为原点一起旋转。 0030 本发明的工作原理如下：如图1所示，将膝关节镜手术操作分解为四个自由度的 运动：绕X轴转动、绕Y轴转动、沿Z轴运动和Z轴自转动。本发明装置中第一角位移传感 器1的转动端和第二连接导杆11的转动实现手术操作中绕X轴转动；第二角位移传感器2 的转动端和第二连接导杆15的转动实现手术操作中绕Y轴转动；直线位移传感器24根据 手握夹紧片2。

28、2沿拉杆的直线位移进给捕获手术操作中沿Z轴运动信息；紧固块8固定的第 三角位移传感器6捕获Z轴自转动信息；用手旋转手握夹紧片22，第三角位移传感器6和 直线位移传感器24是一起转动的，这样就可以捕获这个转动的信息。本发明中第一角位移 传感器1的转动端和第二连接导杆11的转动由第一角位移传感器1捕获；第二角位移传感 说 明 书CN 102800233 A 5/5页 8 器2的转动端和第二连接导杆15的转动由第二角位移传感器2捕获。直线位移传感器的 移动和旋转，分别由直线位移传感器24和第三角位移传感器6捕获。 0031 本发明能根据使用者的不同及其不同的操作习惯，灵活调整手术刀和内窥镜的位 置和。

29、角度，达到逼真模拟关节手术的效果，缩短了手术医师的培训时间，节省了培训费用， 另外，此装置结构简单，采用模块化的设计思想，易于操作和维修。 说 明 书CN 102800233 A 1/8页 9 图1 说 明 书 附 图CN 102800233 A 2/8页 10 图2 说 明 书 附 图CN 102800233 A 10 3/8页 11 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102800233 A 11 4/8页 12 图5 说 明 书 附 图CN 102800233 A 12 5/8页 13 图6 说 明 书 附 图CN 102800233 A 13 6/8页 14 图7 图8 说 明 书 附 图CN 102800233 A 14 7/8页 15 图9 说 明 书 附 图CN 102800233 A 15 8/8页 16 图10 说 明 书 附 图CN 102800233 A 16 。