通用微手术模拟器的制造方法
【专利摘要】一种微手术模拟系统包括用于提供人眼的模型的图像的虚拟模拟的显示器和用于模拟手术工具的手持式工具。手持式工具包括用于将位置信号供应给处理器以指示手持式工具的位置和取向的位置和取向传感器，以及用于将测量信号供应给处理器以指示手持式工具的第一部件和第二部件之间的线性距离的跟踪系统。手持式工具的虚拟表示呈现在显示器上，并且手持式工具的虚拟表示的外观和定位基于由手持式工具供应给处理器的位置信号和测量信号。
【专利说明】通用微手术模拟器
[0001] 对相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2011年11月23日提交的、序列号为61/563, 353的临时申请和2011 年11月23日提交的、序列号为61/563, 376的临时申请的权益。
【技术领域】
[0003] 本发明涉及用于手术模拟的方法和工具的改进。更具体地，本发明涉及用于微手 术模拟工具的软件和硬件。
【背景技术】
[0004] 导致角膜或巩膜裂伤的眼损伤在各种平民和军事背景下发生。这样的损伤的熟练 闭合对于愈合和恢复损伤眼睛是关键的。不幸的是，在住院医师培训期间，眼科医师由于 白内障手术技术的变化而减少经历眼部微手术缝合。而且，评估经委员会认证的外科医生 (Boarded surgeons)的手术技能的那些人和评鉴外科教育项目的那些人要求培训生能力 的证书。
[0005] 虚拟现实模拟已被提出有用于这些目的。但是，足以完成该任务的模拟器不存在。 所以，除了患者自身以外，可能受益于模拟的那些是在眼科学、神经外科、血管外科等中的 住院医师培训项目以及医院和军事，其中手术技能需要更新、能力测试，并且其中新手术程 序需要学习。
[0006] 传统学徒培训模型（简化为"看一个、做一个、教一个"）是多年来的外科教育的标 准方法。该教育范例相对于目前的外科学习环境具有许多风险和缺陷，包括：
[0007] 1.取决于与眼创伤特别相关的反复无常的患者流的非结构化课程；
[0008] 2?明显的财务成本；
[0009] 3.包括对患者健康的潜在威胁的人力成本；以及
[0010] 4.面对有限培训生可用性的不可控时间约束，其由多种类型的时间要求和对住院 医师工作负荷的规章限制产生。
[0011] 住院医师手术经验与困难手术事件或不成功手术结果的比率相关。例如，在白内 障手术的眼科住院医师的教育中存在确定的"学习曲线"。微手术模拟有希望截短该学习曲 线，并且潜在地减小手术期间的并发症的发病率。将预期这样的微手术模拟对于严重依赖 微手术技术但是较不频繁地执行的程序（例如角膜或巩膜裂伤的修复或角膜移植）特别有 价值。
[0012] 评估经委员会认证的外科医生的手术技能的那些人和评鉴外科教育项目的那些 人要求部分培训生的能力的证书而不是简单地证明教育基础设施的存在或受到教学法或 程序。不幸的是，特别在微手术中用于评估这样的实验室能力的充分工具仍待设计。微手 术实验室评价是建议用于这样的评价的一种技术。
[0013] ACGME (所有住院医师培训项目的评鉴机构）在它的"普通外科毕业医学教育的项 目要求"中声明用于培训外科住院医师的体制资源"……必须包括模拟和技能实验室。这 些设施必须用基于能力的评价方法解决技能的获取和维持"。
[0014] 如上所述，在眼科学中存在微手术模拟的特定需要。由于缺少可用于眼创伤的外 科培训经验，眼科学是对于微手术模拟器具有重大需要的一个特殊领域。下面是需要微手 术模拟器的眼科学中的一些特定领域的列表。
[0015] 1.平民眼创伤：据估计穿透性眼损伤（进入眼睛的那些损伤）的发生率在美国为 3. 1每100, 000人-年。恢复这些眼睛的关键是早期、最初专家微手术修复。
[0016] 2.军中战斗眼创伤：类似地，军事对于手术模拟器具有特殊需要。从内战到当今 战斗眼损伤的发生率逐渐增加。尽管防弹衣已挽救许多战士免于致命损伤，并且聚碳酸酯 保护眼镜可以防止一些眼创伤，但是太常见的是幸免于爆炸的战士却留下来自严重眼损伤 的永久残疾。不同于可以暂时稳定的其它形式的损伤，如果打算挽救眼球以进行后续重建 程序，例如玻璃体切除术或视网膜再附连手术，并且防止眼内感染，眼损伤常常需要立即微 手术修复。这样的感染（眼内炎）对眼功能的破坏性比它们对许多其它组织和器官的破坏 性大得多。成功的眼创伤验伤分类和治疗的基础是靠近战场的初始"开放眼球"损伤的快 速和专家初次修复，之后在诸如里德陆军医疗中心或布鲁克陆军医疗中心的中心进行决定 性重建眼科手术，包括异物去除。不幸的是，尽管所有眼科医师在住院医师培训期间具有开 放眼球创伤的一些经验，但是由于在眼科实践中甚至在美国本土军事背景下这样的损伤很 少出现或者由于不相关的眼科分专业的后续培训，他们中的许多人在军事部署之前将不具 有这样的创伤手术的近期经验。所以，需要为眼科军医提供高效手段以更新和增强特别与 眼创伤相关的微手术技能。
[0017] 3.非战斗军中眼创伤：主或次诊断军中眼创伤的住院治疗的平均年发生率为 77. 1每100, 000人。这些损伤的仅仅7 %与武器或战争相关，并且在这些当中，90 %来自非 战斗活动。
[0018] 4.退伍军人健康护理系统：退伍军人事务部在全国支持8, 700个住院医师职位。 退伍军人管理局医院是美国的外科教育系统的一体组成部分。而且，如Longo&Associates 所述，"在退伍军人事务部的四个任务中，研究和教育对于将优质、顶级临床护理提供给退 伍军人是必不可少的"。学术医学中心和退伍军人管理局医院之间联合对于退伍军人的护 理质量的益处已由他人提出。在具有学术背景的退伍军人管理局医院的患者群体很可能具 有更高的风险因素并且受到更复杂的手术程序。所以，增加外科住院医师教育效率和质量 的措施特别地可能影响我们的退伍军人群体。
[0019] 5.眼科学中的手术技能挑战：眼科学住院医师毕业生的最近调查发现2/3感觉他 们需要额外的外科培训。由于该专业对微手术技术的依赖及其新技术的不断涌现，眼科学 更加易受外科教育的学徒方法的缺陷。而且，可能必须在住院医师选择过程期间测试能力 的发展所需的技能。这样的测试可以避免住院医师毕业生所遇到的一些困难，但是住院医 师毕业生在它们的实习期期间难以获得手术技能（目前，眼科住院医师实习项目不能发证 书给"非外科"眼科医师）。这些趋势对眼科教育的影响換合这样的事实，即，近年来，白内 障手术的伤口制造的主流技术已转变为无缝合、"清洁角膜"方法。因此，如今，眼科住院医 师极少在非创伤相关微手术环境中放置缝线，而在以前，角膜-巩膜接合部（缘）处的微手 术缝合是白内障手术期间的标准程序。因此，如今毕业的眼科医师在他们最终被要求修复 角膜或巩膜的创伤性伤口时在微手术缝合技术方面经验极少。然而，眼创伤的治疗已被列 为将由眼科住院医师获得的最重要技能之一。
[0020] 因此需要一种模拟器装置，其能够使眼科医师满足平民、军事和退伍军人管理局 背景下的眼损伤的改善外科护理，有助于眼创伤患者的增加的护理质量。
【发明内容】
[0021] 本发明提供一种通用微手术模拟器。模拟器可以在角膜和巩膜的裂伤和穿孔的微 手术修复中帮助指导眼科住院医师，并且将更新这些领域中的有经验外科医生的技能。另 夕卜，相同系统的通用特征允许它用于在其它微手术程序中培训眼科住院医师，或者进行修 改以培训或更新其它外科分专业（例如，神经外科、血管外科和整形外科）中的微外科医生 的技能。所以，将理解在本公开中本发明的各实施例将不限于眼手术，除非在权利要求中这 样明确地说明。
[0022] 可以预料微手术模拟器将成为经委员会认证的外科医生的认可手术教育过程和 能力评价的一体部分。因此，本发明的模拟器将提供截短住院医师培训的微手术学习曲线 的机会并且允许有经验的外科医生增强他们的微手术技能或学习新技能组合的机会。此 夕卜，系统是灵活的，使得它可以适合于培训其它专业（例如血管外科、神经外科和整形外 科）中的外科医生。
[0023] 本文公开了一种微手术模拟系统，其具有用于提供将受到模拟微手术的被模拟者 的一部分的图像的虚拟模拟的显示器和用于模拟手术工具的手持式工具。所述手持式工具 具有用于将位置信号供应给处理器以指示所述手持式工具的位置和取向的位置和取向传 感器。所述手持式工具也具有用于将测量信号供应给所述处理器以指示所述手持式工具的 第一部件和第二部件之间的线性距离的跟踪系统。
[0024] 所述手持式工具的虚拟表示呈现在所述显示器上并且所述手持式工具的虚拟表 示的外观和定位基于由所述手持式工具供应给所述处理器的位置信号和测量信号。
[0025] 在微手术模拟系统的另一实施例中，所述手持式工具是钳子。
[0026] 在微手术模拟系统的又一实施例中，所述跟踪系统是数字编码器。
[0027] 在微手术模拟系统的再一实施例中，所述数字编码器基于附连到所述手持式工具 的非接触光学传感器确定所述手持式工具的所述第一部件和所述第二部件之间的线性距 离。
[0028] 在微手术模拟系统的另一实施例中，所述系统还包括人头的模型。
[0029] 在微手术模拟系统的另一实施例中，所述系统还包括照相机和控制所述照相机的 脚踏板。
[0030] 在微手术模拟系统的又一实施例中，将受到模拟微手术的被模拟者的所述部分是 眼睛。
[0031] 本文还公开了 一种微手术模拟工具，其具有用于模拟手术工具的手持式工具。所 述手持式工具具有用于将位置信号供应给处理器以指示所述手持式工具的位置和取向的 位置和取向传感器，以及用于将测量信号供应给所述处理器以指示所述手持式工具的第一 部件和第二部件之间的线性距离的跟踪系统。
[0032] 所述手持式工具的虚拟表示呈现在所述显示器上并且所述手持式工具的虚拟表 示的外观和定位基于由所述手持式工具供应给所述处理器的位置信号和测量信号。
[0033] 在微手术模拟工具的另一实施例中，所述手持式工具是钳子、镊子或持针器。
[0034] 在微手术模拟工具的又一实施例中，所述跟踪系统是数字编码器。
[0035] 在微手术模拟工具的再一实施例中，所述数字编码器基于附连到所述手持式工具 的非接触光学传感器确定所述手持式工具的所述第一部件和所述第二部件之间的线性距 离。
【专利附图】
【附图说明】
[0036] 在附图中已显示本发明的通用微手术模拟器的某些当前优选的实施例，其中：
[0037] 图1显示用于培训在眼手术过程期间的微手术技术的系统的实施例。
[0038] 图2-5和7显示建模为微手术模拟工具的钳子。图2-4是分解图。
[0039] 图6显示当在下眼睑上打结时就位的模拟睑窥器的图像。
[0040] 图8显示用于提供真实患者的模型和微手术模拟中的人脸的虚拟表示之间的对 应的人头的模型。
[0041] 图9显示使用3维屏幕进行的手术模拟的两个绘制：顶部和底部。
[0042] 图10显示软件更新环的样本。
[0043] 图11显示各种手术结的图示。
[0044] 图12显示用于操作各种绳段的算法。
[0045] 图13显示本发明的一个实施例的模拟器的接口屏幕的示例。
【具体实施方式】
[0046] 本文中提供通用微手术模拟器的优选实施例的总体一般描述。图1中所示的通用 微手术模拟器系统1提供可以用于提供虚拟微手术环境的多个部件。图1中所示的优选实 施例用于在眼手术过程期间用于培训微手术技术的系统。然而，本发明不限于眼手术过程， 而是可以用作许多微手术过程的培训系统。在图1中可以看到，系统可以包括用于呈现虚 拟模拟的一个显示器2或多个显示器、将用作物理参考点的人头和眼睛的物理模型3、控制 虚拟照相机的脚踏板5以及将在虚拟环境中建模的手持式工具7。来自脚踏板5、手持式工 具7和物理模型3的输入提供给处理器9或处理装置，所述处理器或处理装置将输出提供 给显示器2。显示器2可以是触摸屏装置或非触敏装置。所以，处理器9也可以接收来自显 不器2自身的输入。
[0047] 通用微手术模拟器系统1允许用户模拟手持式工具，所述手持式工具可以在微手 术、小组装或将使用手持式工具（例如镊子、钳子、剪刀或其它工具）的任何任务中使用。系 统的硬件使用共同工具主体，尖端可以安装在所述共同工具主体上以模拟特定使用。尖端 可以制造成模仿镊子、钳子、剪刀和需要夹紧或挤压手指动作进行操作的其它手持式工具。 [0048] 通用微手术模拟器系统1的软件和/或硬件部件提供将实现的微手术任务的虚拟 环境。也可以实现涉及使用手持式工具（例如镊子、钳子和剪刀）的其它任务。在本文中 描述在眼微手术背景下描述硬件和软件的功能和使用的优选实施例。
[0049] 在手术期间，特别是在缝合过程期间，若干不同的器械可以由外科医生使用。例 如，可以在缝合程序中使用任何或所有曲钳、直钳和持针器。曲钳、直钳和持针器用于在手 术期间打结。因此，通用微手术模拟器能够在虚拟、微手术环境中建模这些手持式工具的每 一个，以及建模结。通用微手术模拟器允许虚拟地而不是物理地和真实地进行工具交换。
[0050] 在图2-5所示的优选实施例中，手术钳已建模为手持式工具11。手持式工具用于 模拟任何期望的手术工具，例如上述的那些。情况可能是这样的，即使工具的外表、非虚拟 外观是作为钳子。可以通过将可定制尖端安装到微手术工具主体上容易地改变尖端的物理 外观和机械感觉。
[0051] 在一个实施例中，手持式工具11包括用于将位置信号供应给处理器以指示手持 式工具11的位置和取向的位置和取向传感器以及用于将测量信号供应给处理器以指示手 持式工具11的第一部件13和第二部件15之间的线性距离的跟踪系统。例如在通用微手 术模拟器体现为在用户的办公室中运行软件要求和手持式工具的计算机的情况下，处理器 可以在本地定位。处理器也可以在服务器控制系统中实现，其中处理功能在不必与通用微 手术模拟器的其它部件相同的位置处执行。在任一情况下，典型地提供显示眼睛模型的图 像的虚拟模拟的（一个或多个）显示器。
[0052] 手持式工具11的虚拟表示呈现在显示器上并且手持式工具的虚拟表示的外观和 定位基于由手持式工具供应给处理器的位置信号和测量信号。因此，如图6中所见，手持式 工具11将基于来自手持式工具11的输入与眼睛的模拟模型成空间关系地被呈现。
[0053] 如图3中所示，可以在工具主体的最下部分处制造钳子的尖端13、15的附连点，因 此手持式工具将舒适地置于拇指和食指之间，同时允许在自然位置操作尖端13、15。工具可 以设计和加工成产生单壳体（monocoque)设计，如图5和7中所示。优选的单壳体设计允 许工具主体内部的充足、无阻碍区域以便嵌入传感器、光学器件和电子器件。使用该方法， 工具主体的壳体17可以用作系统的有源机电-光学部件和高度精确、有源、负荷承载结构。 壳体17可以由多个部件--例如内壳42和外壳39、41制造，如图2-4中所示。光学器件 和电子器件可以嵌入壳体17中；产生也用作多个套筒轴承并且用作电缆支撑件的结构。因 此，整个装置可以用作复杂的编码器模块。该特征允许增加的精度，原因是用于测量尖端角 的旋转光学器件例如在亚毫米范围内可能对偏转敏感。
[0054] 另外，手持式工具的壳体可以由弹性、自润滑材料制造。例如，工具主体可以由称 为Delrin?的结实、自润滑聚甲醛材料制造以耐受各种类型的化学接触以及来自用户的 皮肤的油脂。Delrin?材料也具有自润滑性质，因此不需要手持式工具的预防性维护。所 有金属部分，例如销19、螺钉21和尖端13、15,可以由不锈钢制造以提供最大的抗腐蚀和抗 生锈。
[0055] 允许模拟程序理解手持式工具在现实世界中的定位、取向、运动和状态的传感器 嵌入手持式工具11中。模拟器需要每个器械的位置和取向以便正确地模拟在虚拟世界中 移动的器械。六自由度（6-D0F)跟踪传感器25基于基本传感器和两个可移动传感器之间 的磁脉冲提供六自由度取向以及相对位置。6-D0F传感器25用于获得正在建模的手持式工 具的取向和位置。
[0056] 传感器插口 23在手持式工具11的主体的内部被加工以容纳6-D0F传感器系统 25。该传感器25监视三维空间中的工具主体的位置（x、y和z)，以及工具主体的取向（纵 倾、横倾和偏航）。这样的传感器的示例可以是由Polhemus制造的Patriot传感器。建模 手术需要关于X、Y和Z平面的精确位置，以及打算建模的手持式工具的取向（纵倾、横倾和 偏航）。6-D0F跟踪传感器25的位置和取向提供当前选择的手持式工具的虚拟模型27的 精确表不。手持式工具11的尖端13、15的打开和闭合的程度基于光学传感器的外推。另 夕卜，工具延伸部越靠近，作用于每个工具侧的旋转越小。
[0057] 在一个实施例中，手持式工具U具有钳子尖端，所述钳子尖端在工具主体中被弹 簧加载并且具有尖端之间的8mm间隔。一个尖端15安装到旋转平台。另一个尖端13附连 到工具主体上的固定点。当用户将尖端挤压在一起时附连到旋转平台29的尖端使该平台 围绕中心轴旋转。这也导致嵌入旋转平台29中的光盘33的旋转。具有光学器件的印刷电 路板（PCB)35可以永久地附着在工具主体的内部。因此当尖端13、15被压缩在一起时旋转 盘33相对于固定电路板35变化。作为示例，旋转盘可以具有在其上的128条反射线和128 条黑线。包括光源的光学器件和两个光接收器位于PCB35上并且光接收器数字地跟踪由光 盘上的线产生的反射和光吸收。
[0058] 通过称为"正交编码"的过程，每对光吸收和光反射线生成四个离散信号进入位于 PCB35上的两个光接收器。四对线产生工具尖端的打开和闭合的16个离散水平。因此，通 用微手术模拟器可以基于来自光盘的不同数字反馈数字地测量尖端打开多少毫米。打开和 闭合的分辨率仅仅由所使用的光学器件的分辨率限制。
[0059] 在优选实施例中，通用微手术模拟器可以使用跟踪系统精确地测量手持式工具的 尖端之间的线性距离，所述跟踪系统可以由数字编码器组成。在图2-5所示的优选实施例 中，一个工具尖端安装到可移动平台29并且另一个尖端附连到固定平台23。码盘33、磁体 或其它旋转编码器部件嵌入该平台中。可移动平台29配合在插口 37中，所述插口可以被 加工，限制它移动到正在使用的特定手持式工具（例如一对镊子或钳子）的尖端13、15的 设计的打开和闭合极限。弹簧在插口 37和可移动平台29之间压缩，因此在工具尖端13、15 被释放之后总是将可移动平台29返回到初始位置。
[0060] 可移动平台29具有中心旋转点，机械加工销19通过其插入。该销19配合在位于 用作套筒轴承的外壳39、41中的机械加工孔中。乙酰可以由于它的自润滑性质而用于壳主 体。这便于与设计成一体的无维护、自润滑、轴承系统。
[0061] 具有一体的编码器跟踪模块的印刷电路板（PCB) 35附着到手持式工具11的主体 的内部。当可移动平台29相对于手持式工具11的主体旋转时，在由操作者产生的尖端扰 动期间，位于PCB35上的编码器模块跟踪光学绝对或增量编码器的光学性质的变化，或磁 绝对或增量编码器的磁通量的变化。这些信号然后由机载微控制器处理或经由USB、串行或 并行输入或其它形式的通信（例如红外或其它形式的无线通信）报告给主计算机系统。当 然，将理解USB不是必需的连接模式，并且可以使用其它标准（包括但不限于无线标准）。
[0062] 跟踪系统可以由光学传感器组成以评估手持式工具11的尖端13、15的分离的程 度。在优选实施例中，使用已被专门开发用于医学模拟的非接触光学跟踪传感器。跟踪系 统测量机械尖端13、15的打开和闭合程度而不干扰用于报告手持式工具11的位置和取向 的6-D0F传感器系统的电磁信号。跟踪系统也可以包括基于磁通量的变化计算手持式工具 11的分离的程度的一个或多个装置。然而，光学器件的使用帮助消除可以由电位计或可以 发射电磁场的其它装置引入的误差。由于在跟踪系统的测量部分之间没有直接接触，因此 不同于传统设计，光学解决方案还提供虚拟无限寿命。
[0063] 使用跟踪系统，手持式工具11提供手持式工具11在外科医生的手中打开或闭合 多少的输入。在一些实施例中，可以有光学传感器从手持式工具感测的多达16个或以上的 外推。这些外推基于工具的基本端部之间的距离。该信息与6-D0F传感器系统的取向和相 对位置信息组合，提供虚拟地表示任何眼睛手术工具所必需的所有细节。
[0064] 总体地，可以选择耐用材料使得工具的寿命和可靠性增加。这些例如包括 Delrin?和不锈钢。
[0065] 通用微手术模拟器系统1也可以包括连接到脚踏板的虚拟显微镜，所述虚拟显微 镜用于在模拟中观察患者的眼睛或其它手术目标。脚踏板可以在真实手术环境中使用，原 因是外科医生没有空闲的手来操作显微镜。来自脚踏板的用户输入在虚拟世界中操作照相 机。脚踏板中的传感器电路板获得来自脚踏板的输入。脚踏板控制虚拟显微镜的各方面， 例如变焦、位置和焦点。
[0066] 在优选实施例中，脚踏板的接口是被称为人接口装置（HID)的通用串行总线 (USB)标准中的特殊类。在软件更新环中，脚踏板的每个按钮被轮询，并且如果按钮的当前 状态不匹配按钮的先前状态，则已发生了变化。当已发生了变化时，操作照相机或模拟的合 适代码被调用。某些按钮（例如变焦、焦点和用于移动镜头的操纵杆）可以被下压并且不 断地操作照相机直到释放。脚踏板具有USB HID并且装置的接口不需要附加软件驱动器， 原因是所有现代的操作系统具有集成到它们的基本操作中的HID。
[0067] 照相机位置和操作基于由脚踏板提供的输入。操纵杆的运动在我们的虚拟世界中 操作X(上和下）和Y(右和左）平面。拉近和推远摇臂的按压操作Z平面（朝着和远离 脸）。若干按钮可以编程用于特定特征。按钮（优选地在踏板的右下方）可以用于将照相 机自动变焦到手术准备位置。这节省了用户的时间，原因是它消除在眼睛上拉近并且对准 照相机。可以实现自动变焦特征，因此用户可以完成模拟的更多重复。
[0068] 为了图形三维地出现在3维屏幕上，附加视口和照相机的实现可能是必要的。在 使用3维屏幕的实施例中，可以有模拟的两个绘制：顶部和底部，如图9中所示。每个绘制 是屏幕的尺寸的一半。顶部和底部两个视图具有偏移，可以经由脚踏板上的焦点摇臂调节 所述偏移。视野比普通模拟图更宽。更宽的视野解决周边视觉。偏移和视野的变化为用户 提供图像，当穿戴合适的3维眼镜或显示在合适的显示屏幕上时所述图像看上去从屏幕弹 出。3维监视器与顶部和底部视口重叠。
[0069] 焦点按钮操作上部3维屏幕和下部3维屏幕中的照相机的偏移。如图9中所示， 3维屏幕在顶部和底部绘制，具有照相机偏移。当偏移与视野的变化组合时，用户感觉深度 知觉。如果偏移太大或太小，图像可能出现模糊。模糊消除了使用高斯模糊或需要图形后 处理的其它类型的模糊效果的需要。图形后处理可以导致帧率的下降，这会产生不良用户 体验。
[0070] 如图8中所示，通用微手术模拟器可以包括人头和眼睛的模型，所述模型用于提 供真实患者的模型和微手术模拟中的人脸的虚拟表示之间的对应。在手术期间，外科医生 常常使用头部的部分（例如前额）作为锚固他的或她的头部的装置。头部可以由耐用的聚 合物的混合物制造以提供现实模型。建模头部可以由具有抗粘性质的聚合物的混合物制 造。聚合物的不同浓度和厚度可以产生人体皮肤和骨结构的手感。
[0071] 通用微手术模拟器还可以包括触摸屏，所述触摸屏允许用户基于接收的输入选择 工具并且修改手术程序。触摸屏也可以用作手术模拟自身的显示器或者它可以是除了主显 示器以外的外围设备。此外，显示器可以是提供三维模拟能力的触摸屏或非触摸屏装置。
[0072] 虚拟工具或通用器械可以从用户接口选择并且在微手术环境的虚拟模拟中绘制， 如图6中所示。如上所述，手持式工具的虚拟表示27基于6-D0F传感器和跟踪系统的位置 和取向在模拟中绘制。每个工具的模型基于附连的工具之间的距离旋转，所述距离由光学 系统提供或基于磁通量的变化计算。如图10中所示，在软件的更新环中，位置、取向和工具 距离旋转被更新。在初始化和装载内容之后，模拟的更新环可以每秒60次被调用。物理、 输入、数学计算和人工智能全部在更新环中发生。当更新环结束时，如果时间可用，则绘制 环将把模拟绘制到屏幕。
[0073] 由于系统需要能够使用多个器械，因此需要检测哪个手持式工具与位于手持式 工具的结构中的相应6-D0F跟踪传感器关联。每个工具可以用其自身的唯一电子序列号 (ESN)编程。每个工具的ESN允许基于指定ESN识别该工具。编程每个工具的ESN可以用 由软件工程师编写的基于Windows的诊断和维护程序进行。作为示例，ESN可以编程到手 持式工具的结构中的USB收发器的非易失性随机存取存储器（NVRAM)中。器械然后无限期 地保持该序列号直到重新编程。模拟软件能够检测所有可用器械，并且允许每个工具基于 序列号与6-D0F跟踪系统上的特定传感器编号关联。
[0074] 模拟开始于显示屏幕上的虚拟头部的视图。用户能够与脚踏板交互以操作照相机 并且拉近和聚焦在眼睛上。当用户足够靠近眼睛时，睑窥器43在虚拟模拟中置于眼睛上， 如图6中所示。睑窥器43拦阻眼睑并且提供额外空间以便外科医生工作。当用户拉近、聚 焦和正确定位时，他或她然后拾取工具并且开始手术。在手术期间，用户可以选择不同的工 具，所述工具经由用户接口（例如图13中所示的用户接口）可获得，并且显示在触摸屏或 其它可选择位置上。用户然后可以执行所提供的例如用于缝合的培训模块。
[0075] 用于通用微手术模拟器的许多或所有软件可以使用C#编程语言进行编程。C#是 面向对象、类型安全、中到高级语言。C#编程语言具有自动垃圾回收、异常处理，并且具有统 一类型系统。C#代码的语法类似于Java和C++。C#也包括.NET框架和XNA框架。C#的 语法和特征使它成为创造眼创伤微手术模拟器或一般微手术模拟器的良好选择。
[0076] 微软的XNA软件包是通过不需要重写图形、输入和文件管理的低级代码允许游戏 开发商快速地创建游戏的工具集。程序员可以使用微软的XNA框架创造具有3维图形的稳 定、可伸缩和交互式软件。微软的XNA Game Studio是微软的Visual Studio的集成开发 环境（IDE)扩展。微软的Visual Studio具有供程序员快速地编辑和格式化程序代码的若 干工具。XNA Game Studio的一个特征是XNA内容管道。XNA的内容管道在程序执行之前 将媒介（例如3维模型）解析成游戏准备格式。处于游戏准备格式的媒介在程序执行期间 不需要专门解析并且减小装载媒介的时间。微软XNA由于三个原因是理想的：1)图形能力， 2)容易接收装置输入，3)能够使用现有的.NET库。
[0077] 教学法是通过显示关于用户做了什么和接着将做什么的反馈教导用户的指令。教 学法组合2D和3D图形的使用。2D图形包括深度条和反馈文本。3D图形包括插入点。深 度条向用户显示相比于期望深度他的或她的针在眼睛中的深度。来自我们的项目外科医生 Joseph Sassani博士的反馈是住院医师面对的主要问题之一是他们未能足够远地放入针 以正确地缝合眼睛损伤。反馈文本提供关于进行中的手术的信息。深度条和反馈都在仰视 显示器（HUD)中。插入点引导用户接着在哪放置针。插入点的图形是圆球。插入点球在眼 睛的前面放置在期望针插入位置。
[0078] 教学法的益处在于模拟程序可以缩小它的物理计算的焦点、冲突检测和网格操 作。缩小计算的范围增加模拟的性能和效率。教学法显示操作的针的深度和接着针将放置 在哪。
[0079] 另外，通用微手术模拟器可以使用被称为MUX引擎的软件库扩展。为了冲突检测， 可以使用MUX引擎。MUX引擎具有不包括在微软XNA中的先进的模型冲突以及向量和矩阵 操作和计算。MUX引擎不需要重写计算并且减小错误向量或矩阵计算的机会。
[0080] MUX引擎检查模型-模型冲突以及光线-模型冲突。光线从照相机发射以检查与 脸和眼睛模型的冲突。当冲突发生时，不允许照相机在冲突的方向上继续（原因是它将通 过模型或夹紧模型）。如果照相机夹紧模型或通过模型，则用户会进入模拟器的未解释区 域。照相机被限制到围绕脸的区域，并且不能移动超过脸的水平宽度和脸的坚直高度的两 倍。
[0081] 在眼微手术模拟期间，基于导致网格的数学计算表示虚拟眼睛。通过组合一系列 纹理化三角形条纹绘制眼睛网格。眼睛网格在虚拟模拟中位于眼睛的前面。典型地，仅仅 绘制眼睛网格的顶层，原因是用户将看不到眼睛网格的第一层的下方。
[0082] 弹性胡克定律（Hooke's law)可以用于模拟眼睛网格的片段。网格是由不可见弹 簧连接的点的格栅，所述不可见弹簧允许模拟现实世界的力和反作用力。力可以作用于眼 睛网格的任何点上。基于绳运动的网格操作基于四点系统来计算力。针的插入点、在裂伤 中的离开点、在裂伤中的进入点和针的离开点是焦点。力通过这四个点施加到网格并且改 变表示眼睛的网格中的点的位置。网格位置的变化在网格的图中被反映。
[0083] 精确地和高效地模拟绳以便打结是眼微手术模拟的难题。通过绘制绳的段之间的 线绘制绳。每个段具有点并且可能具有连接邻段。在相邻段之间绘制线。模拟器基本上在 段之间"连接圆点"。在眼睛缝合手术中使用的主结是平结。通用微手术模拟器能够确定用 户是已产生合适的平结还是不适当地应用另一结，例如老奶奶结。老奶奶结倾向于滑动且 没有平结稳定，并且可以导致严重的并发症。图11是示例性手术结的图示并且注释结的复 杂性。
[0084] 由于复杂结的可能性，基于弹性胡克定律的软件代码可以用于通用微手术模拟 器。如果代码基于胡克定律，则模拟绳将具有现实弹性。可以通过组合200个圆柱段模拟 绳。在图12中显示用于操作绳的段的算法。
[0085] 用户接口的主要目的是使用户容易地正确选择他们想要的并且接收来自程序的 快速响应。在图13中提供通用微手术模拟器的触摸屏用户接口的布局的示例。该接口也 可以使用定点装置（例如鼠标）实现。如图13中所见，进行中的当前模拟的视图47在触 摸屏的中心。工具选择引导器45在触摸屏视图的左下方和右下方。不同的工具可以由图 片和/或由文本显示。在触摸屏实施例中，可以通过触摸工具图像、文本或包围边界的区域 突出显示活动工具图像，并且边界、图像和文本朝着中心稍稍移动。颜色和/或位置的变化 可以指示当前选择了哪个工具。
[0086] 也如图13中所示，在接口屏幕的底部有若干应用按钮。由'i'表示的信息按钮49 为用户提供关于模拟软件自身的信息以及进行中的当前模拟的基本信息。重置按钮51在 应用按钮的中心并且由圆形符号表示。重置按钮重置整个模拟。重置允许用户重启模拟。 退出按钮53由"X"表示。退出按钮关闭模拟并且处置在模拟中涉及的所有资源。
[0087] 另外，执行通用微手术模拟器的相似或相同功能的软件部件和任何硬件部件可以 在本地计算机装置上或在计算机网络上实现。主机系统可以实现虚拟模拟的所有方面，而 由通用微手术模拟器的虚拟模拟建模的物理工具的用户可以远离主机系统位于基于客户 的系统处。例如，客户装置可以经由通信网络与主机系统通信。通信网络可以是互联网，但 是将领会适合于允许本地计算机装置和主机系统之间的信息的电子交换的、使用有线或无 线通道的任何公共或私人通信网络可以被使用。
[0088] 本公开的实施例也可以涉及包括存储在任何计算机可使用介质上的软件的计算 机程序产品。当在一个或多个数据处理装置中执行时，这样的软件导致（一个或多个）数据 处理装置如本文中所述操作。本公开的实施例使用任何计算机可使用或可读介质。计算机 可使用介质的示例包括但不限于主存储装置（例如，任何类型的随机存取存储器）、辅助存 储装置（例如，硬盘驱动器、软盘、⑶ROMS、ZIP盘、磁带、磁存储装置和光存储装置、MEMS、 纳米技术存储装置等）和通信介质（例如，有线和无线通信网络、局域网、广域网、内联网 等）。
[0089] 因此，将领会本公开的一个或多个实施例可以包括具有计算机程序代码的计算机 程序，当这样的程序在计算机上运行时所述计算机程序代码适合于执行本文中所述的任何 方法或权利要求的一个或所有步骤，并且这样的程序可以在计算机可读介质上体现。此外， 本公开的一个或多个实施例可以包括具有代码的计算机，所述代码适合于与本文中所示和 所述的特征的一个或多个装置元件一起导致计算机执行本文中所述的方法或权利要求的 一个或多个步骤。
[0090] (-个或多个）相关领域的技术人员应当领会并且如上所述，本文中所述的方法 和系统的一个或多个方面的部分或全部可以作为制造的物品被分配，所述物品自身包括具 有在其上体现的计算机可读代码装置的计算机可读介质。
[0091] 上面已借助于例示指定功能及其关系的实现方式的功能构造块描述了本发明的 实施例。这些功能构造块的边界已在本文中被任意地限定以方便描述。替代边界可以被限 定，只要适当地执行指定功能及其关系。
[0092] 具体实施例的以上描述将充分地揭示本发明的一般性质使得他人可以通过应用 本领域中的知识容易地修改和/或适应这样的具体实施例的各种应用，而不需要不适当的 实验，不脱离本发明的一般概念。所以，这样的适应和修改旨在属于基于本文中提供的教导 和引导的公开实施例的等效物的含义和范围内。应当理解本文中的措词或术语是为了描述 而不是限制，使得本说明书的术语或措词应当由技术人员根据教导和引导进行解释。
[0093] 尽管在本文中参考具体实施例示出和描述本发明，但是本发明不旨在被限制到所 示的细节。相反地，可以在权利要求的精神和范围等效物内并且在不脱离本发明的情况下 在细节上进行各种修改。
【权利要求】
1. 一种微手术模拟系统，其包括： 显示器，用于提供将受到模拟微手术的被模拟人的一部分的图像的虚拟模拟；以及 手持式工具，用于模拟手术工具，所述手持式工具包括用于将位置信号供应给处理器 以指示所述手持式工具的位置和取向的位置和取向传感器，以及用于将测量信号供应给所 述处理器以指示所述手持式工具的第一部件和第二部件之间的线性距离的跟踪系统；并且 其中，所述手持式工具的虚拟表示呈现在所述显示器上，并且所述手持式工具的虚拟 表示的外观和定位基于由所述手持式工具供应给所述处理器的位置信号和测量信号。
2. 根据权利要求1所述的微手术模拟系统，其中，所述手持式工具是钳子。
3. 根据权利要求1所述的微手术模拟系统，其中，所述跟踪系统是数字编码器。
4. 根据权利要求3所述的微手术模拟系统，其中，所述数字编码器基于附连到所述手 持式工具的非接触光学传感器确定所述手持式工具的所述第一部件和所述第二部件之间 的线性距离。
5. 根据权利要求1所述的微手术模拟系统，其还包括人头的模型。
6. 根据权利要求1所述的微手术模拟系统，其还包括照相机和脚踏板，其中，所述脚踏 板控制所述照相机。
7. 根据权利要求1所述的微手术模拟系统，其中，将受到模拟微手术的被模拟人的所 述部分是眼睛。
8. -种微手术模拟工具，其包括： 用于模拟手术工具的手持式工具，所述手持式工具包括用于将位置信号供应给处理器 以指示所述手持式工具的位置和取向的位置和取向传感器，以及用于将测量信号供应给所 述处理器以指示所述手持式工具的第一部件和第二部件之间的线性距离的跟踪系统；并且 其中，所述手持式工具的虚拟表示呈现在显示器上，并且所述手持式工具的虚拟表示 的外观和定位基于由所述手持式工具供应给所述处理器的位置信号和测量信号。
9. 根据权利要求8所述的微手术模拟工具，其中，所述手持式工具是钳子、镊子或持针 器。
10. 根据权利要求8所述的微手术模拟工具，其中，所述跟踪系统是数字编码器。
11. 根据权利要求10所述的微手术模拟工具，其中，所述数字编码器基于附连到所述 手持式工具的非接触光学传感器确定所述手持式工具的所述第一部件和所述第二部件之 间的线性距离。
【文档编号】A61B19/00GK104244859SQ201280057952
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2012年11月23日 优先权日:2011年11月23日
【发明者】J·萨萨尼, R·韦伯斯特, M·费奥里尔 申请人:J·萨萨尼, R·韦伯斯特, M·费奥里尔