本发明涉及医疗模拟器械技术领域，特别是涉及一种宫腔镜模拟训练装置。
背景技术：
宫腔镜手术属于微创伤妇产科手术。手术使用光学内窥镜穿过宫颈进入子宫内进行诊断和治疗。宫腔镜通常用于检查子宫异常出血、检查月经大量出血、子宫内良性生长物切除、子宫粘连切割、子宫纵格切割、疏通输卵管阻塞、子宫绒毛去除、避孕体植入等手术。手术器械包括夹钳、抓钳、剪刀、电切镜、双环电切镜、滚球电极、粉碎器、nd:yag激光、电烙器等。子宫内良性生长物包括息肉和肌瘤。根据欧洲标准，粘膜下层平滑肌瘤分为三种类型，0类，1类和2类。如果肌瘤完全生长在宫腔内，则为0类肌瘤；如果肌瘤有少于50％的部分生长在子宫壁内，则为1类肌瘤；如果肌瘤有超过50％的部分生长在子宫壁内，则为2类肌瘤。只有0类和1类肌瘤可以用宫腔镜手术切除。
宫腔镜手术难度较高，需要精湛的技术，操作过程稍有不慎极容易导致子宫颈或内膜受伤、发炎，易产生术后的子宫颈或内膜粘黏，并会引起月经异常，严重者会在以后产生不育症的情况。在医生能够进行真实手术之前，需要进行大量的模拟训练，以使其熟练的掌握该项技术，避免其在真实手术过程给病人造成伤害。现有技术中的宫腔镜模拟手术操作大多采用人体仿真物理模型，人体仿真物理模型是一个模拟真实器官的装置，但由于模型的局限性，无法真实重构人体内部的实际构造，使宫腔镜模拟手术与真实的宫腔镜手术差异较大，影响训练效果。
因此，如何创设一种手术场景真实、触碰效果较好的宫腔镜模拟训练装置，成为当前亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种手术场景真实、触碰效果较好的宫腔镜模拟训练装置，以克服现有的宫腔镜模拟手术与真实的宫腔镜手术差异较大的不足。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种宫腔镜模拟训练装置，包括宫腔镜实体模型、力反馈装置、脚踏板、中央处理单元及显示器；宫腔镜实体模型，包括与所述力反馈装置连接的前端和用于握持操作的后端；力反馈装置，用于监测所述宫腔镜实体模型前端的位置和方向；脚踏板，用于模拟开启/关闭电凝或电切操作；中央处理单元，存储有虚拟子宫模型，与所述力反馈装置、脚踏板及显示器电连接，用于根据所述力反馈装置和脚踏板的信号，控制所述力反馈装置向所述宫腔镜实体模型施加回馈力，并在显示器上显示虚拟子宫模型的图像。
作为本发明的一种改进，所述宫腔镜实体模型的后端设置有可相对所述宫腔镜实体模型移动的手柄和与所述手柄相配合的第一传感器，所述第一传感器用于采集所述手柄的位移信息并以该位移信息模拟真实电切刀的推出和收回。
进一步改进，所述宫腔镜实体模型上还设置有可相对所述宫腔镜实体模型移动的注入阀门和排出阀门，以及分别与所述注入阀门和排出阀门相配合的第二传感器和第三传感器，所述第二传感器用于采集所述注入阀门的位移信息并以该位移信息模拟向子宫注入填充介质，所述第三传感器用于采集所述排出阀门的位移信息并以该位移信息模拟从子宫排出填充介质和体液。
进一步改进，所述第一传感器、第二传感器和第三传感器均为磁感应传感器，所述手柄、注入阀门和排出阀门上分别设置有与所述第一传感器、第二传感器和第三传感器对应的永磁铁。
进一步改进，还包括信号转换装置，所述中央处理单元通过所述信号转换装置与所述脚踏板、力反馈装置、第一传感器、第二传感器及第三传感器连接。
进一步改进，所述显示器的数量为两个。
进一步改进，所述脚踏板包括电切踏板单元和电凝踏板单元。
进一步改进，所述中央处理单元还包括比较模块，所述比较模块用于比较模拟训练操作与预存储的标准操作，并根据比较结果计算评分。
进一步改进，所述虚拟子宫模型为数学模型。
进一步改进，所述虚拟子宫模型包括虚拟力反馈空间和虚拟三维图形空间，所述虚拟力反馈空间和虚拟三维图形空间的坐标一一对应，所述虚拟子宫模型设置在所述虚拟三维图形空间内，所述中央处理单元根据所述力反馈装置发送的信号更新所述虚拟力反馈空间中虚拟宫腔镜的位置和角度，并根据所述虚拟力反馈空间中虚拟宫腔镜的位置和角度更新所述虚拟三维图形空间中虚拟宫腔镜的位置和角度。
由于采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：
1、本发明的宫腔镜模拟训练装置，通过宫腔镜实体模型模拟真实的宫腔镜，中央处理单元内存储有虚拟子宫模型，手术场景真实，通过力反馈装置向宫腔镜实体模型施加回馈力，模拟真实的宫腔镜与子宫或肿瘤发生弹性触碰时受到的作用力，触碰效果较好，相对于现有的宫腔镜模拟手术装置，训练效果较好。
2、通过第一传感器和手柄配合可以模拟真实电切刀的推出和收回。
3、通过第二传感器与注入阀门配合可模拟向子宫注入填充介质，通过第三传感器与排出阀门配合可模拟从子宫排出填充介质和体液。
4、比较模块能够比较模拟训练操作与预存储的标准操作，并能够根据比较结果进行评分，使训练人员可以及时了解，模拟训练操作的标准程度。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明宫腔镜模拟训练装置的结构示意图；
其中，1、宫腔镜实体模型，2、力反馈装置，3、脚踏板，4、中央处理单元，5、显示器，6、信号转换装置，7、壳体。
具体实施方式
参见图1所示，本发明宫腔镜模拟训练装置，包括宫腔镜实体模型1、力反馈装置2、信号转换装置6、脚踏板3、中央处理单元4、显示器5及壳体7，其中，信号转换装置6和中央处理单元4设置在壳体7内，宫腔镜实体模型1的前端与力反馈装置2连接，力反馈装置2和脚踏板3与信号转换装置6电连接，中央处理单元4分别与信号转换装置6和显示器5电连接。
具体的，宫腔镜实体模型1用于模拟真实宫腔镜手术中的宫腔镜，包括操纵杆，操纵杆的前端与力反馈装置2连接，操纵杆的后端用于握持操作，力反馈装置2通过信号转换装置6与中央处理单元4连接，信号转换装置6用于实现电信号和数字信号之间的转换。力反馈装置2用于检测操纵杆前端的位置和角度，并将生成宫腔镜位置信号发送给中央处理单元4。
中央处理单元4内存储有一个虚拟力反馈空间和一个虚拟三维图形空间，虚拟力反馈空间和虚拟三维图形空间的坐标一一对应，虚拟子宫模型位于虚拟三维图形空间内，该虚拟子宫模型可为采用数学建模方法建立的数学模型，相比与其他建模方式视觉效果更好。中央处理单元4根据接收到的宫腔镜位置信号首先更新虚拟力反馈空间中宫腔镜的位置，然后根据虚拟力反馈空间中宫腔镜的位置更新虚拟三维图形空间的中宫腔镜的位置，并根据虚拟三维图形空间中宫腔镜的位置模拟宫腔镜前端镜头拍摄的画面，最后将该画面显示在显示器5上，手术场景真实。本实施例中显示器5的数量为两个，其中一个显示器5用于显示虚拟三维图形空间的图像，另一个显示器5用于显示登陆界面、操作界面及模拟手术后显示打分界面等。作为优选方案，力反馈装置2的反应频率大于显示屏的刷新频率，如可将力反馈装置2的反应频率设置为1000hz，将显示屏的刷新频率为60hz，由于力反馈装置2拥有更高的灵敏度，保证了显示屏画面的清晰流畅，避免出现卡顿。
当虚拟三维图形空间中宫腔镜前端的坐标位于虚拟子宫模型之外或与肿瘤重叠时，说明宫腔镜与子宫或肿瘤产生了弹性碰撞。中央处理单元4会控制虚拟子宫模型将产生一个形变，并根据此形变的程度计算出子宫对宫腔镜产生的回馈力大小和方向，然后控制力反馈装置2向宫腔镜实体模型1前端施加回馈力，使得操作者在操作宫腔镜时触碰效果较好，手感逼真。
脚踏板3包括电切踏板单元和电凝踏板单元，电切踏板单元和电凝踏板单元均通过信号转换装置6与中央处理单元4连接，电切踏板单元用于生成电切信号，电凝踏板单元用于生成电凝信号。中央处理单元4根据接收到的电切信号和电凝信号模拟电切和电凝过程。当电切踏板单元被踩下时产生一个电切信号，通过信号转换装置6发送至中央处理单元4，此时模拟电切环通电状态，如果经过计算模拟电切环与模拟人体组织有接触时，则相应人体组织与模拟电切环之间的相互作用力将消失，仅两个模拟电切杆与模拟人体组织之间会有相互作用力，模拟电切环的移动将会切割人体组织。当踩下电凝踏板单元时，模拟人体组织对模拟电切环和模拟电切杆均产生回馈力，当组织上有模拟出血点，并且距离模拟电切环距离小于限定距离时，出血点将消失，视为出血已被止住。
由于并非真实手术，该宫腔镜实体模型1内没有设置电切刀，而是在操纵杆的后端设置有可相对宫腔镜实体模型移动的手柄和与手柄相配合的第一传感器，第一传感器用于采集手柄的位移信息，并生成手柄位移信号，将该手柄位移信号发送至中央处理单元4，中央处理单元4以接收到的手柄位移信号模拟电切刀发生的位移。例如该手柄可包括固定手柄和活动手柄，固定手柄固定连接在操纵杆的后端，活动手柄可移动连接在操纵杆上，固定手柄和活动手柄成v形，在固定手柄上设置永磁铁，第一传感器采用磁感应传感器，并将该磁感应传感器设置在固定手柄上，随着活动手柄的推出和收回，磁感应传感器与永磁体间位置发生变化，磁感应传感器产生的手柄位移信号通过信号转换装置6发送至中央处理单元4，中央处理单元4将根据预设的对应表格将手柄位移信号转化为数值。如将电切刀完全推出产生的手柄位移信号对应为1，将电切刀完全收回产生的手柄位移信号对应为0，电切刀推出1/4定义为0.25，推出一半定义为0.5等。当中央处理单元4检测到手柄位移信号对应的数值大于0时，模拟电切刀将从模拟电切镜中伸出，伸出的距离根据手柄位移信号的数值的大小计算得出。
真实手术中为了能够得到足够的手术空间，需要向子宫内注入填充介质以使子宫膨胀。填充介质有多种，如二氧化碳气体、生理盐水或乳酸盐林格溶液，以生理盐水为例，电切镜上需配有进水管和出水管，分别由进水和出水阀门调节，水流通过内鞘进入到子宫内，通过外鞘排出体外。该电切镜并未设置真实的进、出水管，而是在操纵杆上设置有可相对操纵杆移动的注入阀门和排出阀门，以及分别与注入阀门和排出阀门相配合的第二传感器和第三传感器，第二传感器用于采集注入阀门的位移信息，生成注入阀门位移信号，并以该注入阀门位移信号模拟向子宫注入填充介质，第三传感器用于采集排出阀门的位移信息，生成排出阀门位移信号，并以该排出阀门位移信号模拟从子宫排出填充介质和体液。
例如，可将注入阀门和排出阀门可移动连接在操纵杆上，第二传感器和第三传感器可采用磁感应传感器，并分别在注入阀门和排出阀门上设置永磁铁，当注入阀门或排出阀门移动时，第二传感器与注入阀门上的永磁铁或第三传感器与排出阀门上的永磁铁的相对位置产生变化，第二传感器和第三传感器分别生成注入阀门位移信号和排出阀门位移信号并发送至中央处理单元4。中央处理单元4将根据预设的表格将注入阀门位移信号和排出阀门位移信号转化为数值。如将注入阀门或排出阀门完全关闭时产生的注入阀门位移信号和排出阀门位移信号对应为0，将注入阀门或排出阀门完全开启时产生的注入阀门位移信号和排出阀门位移信号对应为1，将注入阀门和排出阀门开放1/4，对应数值为0.25，注入阀门和排出阀门开放一半，对应数值为0.5等。中央处理单元4根据注入阀门位移信号和排出阀门位移信号模拟填充介质对虚拟子宫模型、子宫内漂浮物及血液的影响，同时还可以计算生理盐水的使用量。
该宫腔镜模拟训练装置的操作流程如下：
在模拟手术前应对力反馈装置2进行校准，宫腔镜手柄位于正中央位置时对应角度为0。当操作者控制宫腔镜实体模型左右移动时，模拟宫腔镜在三位图形空间中的角度也会相应更新。
模拟手术开始时，宫腔镜已进入到宫颈内。打开注入阀门同时适当关闭排出阀门可以使子宫膨胀，并且宫颈口张大。控制宫腔镜穿过宫颈口进入到子宫内。如果子宫内有出血，打开排出阀门可以使血液排出，视野变清晰，之后再次适当关闭排出阀门，使子宫保持膨胀状态以得到足够的手术操作空间。控制宫腔镜检查左右输卵管口以及整个子宫内壁。接下来对子宫内良性生长物进行切除。以息肉为例，将电切环推出并使其贴紧息肉后侧，踩下电切踏板单元，同时从后向前收回电切环，将息肉切除。当息肉较大时，将息肉一块一块切下。切下的组织将在子宫内浮动。如果切割过程中发生出血，踩下电凝踏板单元将出血口凝结，最后将切下的组织从子宫中取出。
此外，该宫腔镜模拟训练装置的中央处理单元4还包括比较模块，比较模块用于比较模拟训练操作与预存储的标准操作，并根据比较结果计算评分。例如可对如下项目进行比较：
1、操作安全
1)如果在踩下电切踏板单元时向前推动电切环，将视为危险操作并扣除相应分数。
2)如果宫腔镜碰到宫颈壁将视为不安全操作并扣除相应分数。
3)如果宫腔镜碰到子宫壁将视为不安全操作并扣除相应分数。
2、手术效率
1)手术应当在尽可能短的时间内结束，如果用时过长将扣除相应分数。
2)手术过程中应当避免过多冗余动作，否则将扣除相应的分数。
3)手术前应当校准器械，校准不当将扣除相应分数。
4、子宫检视
1)手术时应当检视整个子宫内壁表面，检测不全将扣除相应分数。
2)手术时应当检视左侧和右侧输卵管口，检测不到位将扣除相应分数。
5、子宫填充物质使用量
1)手术过程中产生出血时没有及时调整注入阀门和排出阀门，导致血液浓度过高，视野不清晰的时间过长将扣除相应分数。
2)手术过程中没有及时调整注入阀门和排出阀门导致子宫塌陷时间过长将扣除相应分数。
3)子宫填充物质使用量过多将扣除相应分数。
本发明的宫腔镜模拟训练装置，手术场景真实，触碰效果较好，并且可以对模拟训练操作进行评分，训练效果较好。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。