虚拟手术刀装置的制作方法

文档序号:2519507
专利名称:虚拟手术刀装置的制作方法
技术领域
本发明涉及一种应用于虚拟外科手术中的人机交互设备,特别是能够实时地将虚拟手术刀在空间中的精确位置和姿态信息传送给计算机系统,并能根据环境需要为操作者提供力觉反馈功能的人机接触交互设备。
虽然PHANTOM的力反馈设备可以作为虚拟手术器械使用,但是,不足之处是这些设备价格昂贵,结构复杂。而且在形态和操作方式方面与实际的手术器械也有很大差异,因而难以满足虚拟外科手术系统的实际需要。

发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足,提供一种由微处理器控制的,基于真实手术刀外形的,高精度,高性能的具有力觉反馈功能的虚拟手术刀系统。
为实现上述目的,虚拟手术刀装置包括微控制器和手术刀,力传递装置,连接在手术刀和比例电磁铁之间,用于传递比例电磁铁提供的驱动力;复位弹簧,接在力传递装置两端;位于手术刀刀柄上的力传感器,检测手术刀向上的力;三维跟踪设备,检测手术刀的位置及手术刀的姿态。
本系统所采用的三维跟踪装置和力反馈机构都具有体积小、重量轻的特点,不妨碍操作者的动作,能够方便地使用该系统进行虚拟手术。
使用本发明进行虚拟手术,当虚拟手术刀与虚拟人体或虚拟器官接触时,力觉反馈装置将通过虚拟手术刀对操作者进行触觉和力觉反馈。力觉反馈装置主要包括比例电磁铁1、支架2、复位拉簧3、护套4、钢丝绳5、复位压簧6、固定螺丝7、压力传感器8、微控制器12。右侧的驱动装置比例电磁铁1提供整个系统一个大小可控的驱动力,驱动力的方向向右。驱动力克服复位弹簧3、6的弹力,通过钢丝绳一护套这种力传递方式把力传递到手术刀11的刀柄上,钢丝绳5采用直径为0.3-1.2毫米的多股钢丝绳,护套4采用直径为0.8-2.5毫米的紧密饶制的弹簧管,其一端固定在支架2上,另一端通过螺母16固定在手术刀刀柄的后端,钢丝绳一护套的最大长度可以达到1.2米,这种力的传递方式使得操作者受到的约束大大减少,操作者的手可以在很大的一个空间中自由地活动,手术刀11的刀柄被改造成铰链机构,其前后部分可以绕轴14转动,钢丝绳5的一端被螺丝7固定在刀柄的前半部,比例电磁铁1产生的驱动力通过钢丝绳一护套这种传递方式就把力传递到了刀柄的前半部,并会使之产生一个绕轴14沿顺时针方向的运动趋势,这种趋势会在操作者手15的食指的指端13处产生一向上的力,该力的大小可以通过安装在刀柄上的力传感器8检测出来。在实际应用中,当虚拟现实系统计算出虚拟物体与手术刀的接触力后,实时地把接触力的信息通过通讯接口传给本发明的微控制器,微控制器把这一接触力信息作为控制量,微控制器采集力传感器8的输出,并与控制量比较进行闭环反馈控制,使得手术刀施加在操作者手指端部13处的力跟随控制量的变化,与控制量保持一致。数据线9用于传输检测的数据。
如图3所示,微处理器驱动三维电磁源,向周围发送电磁场信号,磁传感器将检测到周围电磁场信号送到微处理器进行算法处理,得到虚拟手术刀在空间的位置和姿态信息,微处理器将此信息传送到计算机。计算机根据手术刀在空间的位置,来确定虚拟手术刀是否与虚拟人体发生接触。当手术刀与虚拟人体接触时,虚拟现实系统计算出虚拟物体与手术刀的接触力后,实时地把接触力的信息通过通讯接口传给本发明的微控制器,微控制器把这一接触力信息作为控制量,微控制器采集力传感器8的输出,并与控制量比较进行闭环反馈控制,使得手术刀施加在操作者手指端部13处的力跟随控制量的变化,与控制量保持一致。
权利要求
1.一种虚拟手术刀装置,包括微控制器和手术刀,其特征在于还包括比例电磁铁,用于提供驱动力;力传递装置,连接在手术刀和比例电磁铁之间,用于传递比例电磁铁提供的驱动力;复位弹簧,接在力传递装置两端;位于手术刀刀柄上的力传感器,检测手术刀向上的力;三维跟踪设备,检测手术刀的位置及手术刀的姿态。
2.按权利要求1所述的装置,其特征在于所述的力传递装置包括钢丝绳和钢丝绳外的护套。
3.按权利要求2所述的装置,其特征在于所述钢丝绳的直径为0.3-1.2毫米。
4.按权利要求2所述的装置,其特征在于所述护套直径为0.8-2.5毫米。
5.按权利要求1所述的装置,其特征在于所述复位弹簧为两个。
6.按权利要求1所述的装置,其特征在于所述的手术刀刀柄为铰链机构。
7.按权利要求1所述的装置,其特征在于所述的三维跟踪设备包括微处理器,通过驱动电路驱动三维电磁源发送电磁信号;磁传感器通过检测电路将检测到的电磁信号送到微处理器进行处理;微处理器将处理过的信息送到计算机。
全文摘要
一种虚拟手术刀装置,包括微控制器和手术刀,力传递装置连接在手术刀和比例电磁铁之间,用于传递比例电磁铁提供的驱动力;复位弹簧接在力传递装置两端;位于手术刀刀柄上的力传感器检测手术刀向上的力;三维跟踪设备检测手术刀的位置及手术刀的姿态。本系统所采用的三维跟踪装置和力反馈机构都具有体积小、重量轻的特点,不妨碍操作者的动作,能够方便地使用该系统进行虚拟手术。
文档编号G09B23/28GK1453752SQ02118
公开日2003年11月5日 申请日期2002年4月26日 优先权日2002年4月26日
发明者原魁, 臧爱云, 朱海兵, 杜清秀 申请人:中国科学院自动化研究所
...
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1