穿刺虚拟教学训练系统中回缩式力反馈方法及该系统与流程

本发明涉及医疗教学训练系统，特别涉及一种穿刺虚拟教学训练系统中回缩式力反馈方法及该穿刺虚拟教学训练系统。

背景技术

在现实生活中，医护人员常常通过穿刺向人体注入所需的血液、药液、营养液或其他流体。医护人员学习穿刺的过程中，可以通过穿刺模拟装置，来减少医护人员学习穿刺的时间，提高医护人员的穿刺技能。

现有仿真穿刺设备结构比较复杂，设备体积较大，需要使用较大的空间来放置反馈装置，成本较高，需要使用很复杂的力反馈装置，使得教学设备的研发及生产成本很高。由于大多使用多自由度的力反馈装置，控制复杂，且控制时要考虑惯性力平衡，以及多自由度力的协同，且功能受限，很多力感无法实现。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种能提高反馈真实性的穿刺虚拟教学训练系统中回缩式力反馈方法。

同时，提供一种提高反馈真实性的穿刺虚拟教学训练系统。

一种穿刺虚拟教学训练系统中回缩式力反馈方法，包括如下步骤：

根据穿刺针刺入皮肤过程的力感变化控制仿真穿刺针穿刺时回缩式反馈输出力的变化，

通过控制马达输出力矩控制仿真穿刺针的回缩式反馈输出力的变化。

在优选的实施例中，穿刺针刺入皮肤过程的力感变化根据刺入深度与受力分析经验模型用高斯曲线进行拟合：

其中x表示刺入深度，f(x)为受力大小。

在优选的实施例中，根据不同年龄人群对拟合高斯曲线的参数进行配置。

在优选的实施例中，根据年龄分为老年人、青年人、小孩对拟合高斯曲线的参数进行配置。

在优选的实施例中，所述马达通过传送带或传输线带动动力缸往返直线运动从而模拟控制仿真穿刺针的回缩式反馈输出力的变化。

在优选的实施例中，动力缸通过管道与仿真穿刺针连通，管道中装设有力传导介质，动力缸直线运动通过力传导介质传导给仿真穿刺针形成回缩式反馈力。

在优选的实施例中，所述动力缸为液压缸，所述力传导介质为液压油。

一种穿刺虚拟教学训练系统，包括：主控模块、与所述主控模块连接并接收主控模块控制的回缩式反馈力组件、受所述回缩式反馈力组件驱动的仿真穿刺针组件，所述回缩式反馈力组件与仿真穿刺针组件通过管道相通连接，所述管道中设置有力传导介质，所述回缩式反馈力组件通过所述力传导介质将输出动力传导给仿真穿刺针组件，所述仿真穿刺针组件包括：与管道连接的针外壳、装设于所述针外壳中并与管道相通的针内管、与所述针外壳连接并可沿针内管移动且接收回缩式反馈力组件的反馈力的针模块；所述针模块包括：与针内管连接固定的针头部、穿设于针头部中并可沿该针头部或针内管移动的针本体、及设置在针本体上并相对于针本体的针尖设置于该针本体另一端的针内芯；所述回缩式反馈力组件包括：与所述主控模块连接接收主控模块控制的马达、设置在所述马达的输出轴上的转盘、设置在转盘上的传动带或传动线、与传动带或传动线连接的固定块、及与所述固定块连接的动力缸，所述动力缸与所述针本体通过管道连接并通过所述力传导介质将输出动力传导给针本体；所述主控模块控制马达转动输出带动转盘转动，带动转盘上的传动带或传动线转动，带动传动线上的固定块运动，带动动力缸直线运动，从而通过力传导介质传导给所述针本体，所述主控模块控制马达输出力矩控制仿真穿刺针的回缩式反馈输出力的变化，根据穿刺针刺入皮肤过程的力感变化控制仿真穿刺针穿刺时回缩式反馈输出力的变化。

在优选的实施例中，穿刺针刺入皮肤过程的力感变化根据刺入深度与受力分析经验模型用高斯曲线进行拟合：

其中x表示刺入深度，f(x)为受力大小。

在优选的实施例中，还包括：操作台，所述操作台包括：操作下板、空气布料层、及操作面板，所述操作面板与空气布料层之间设置有结合层，所述操作下板上设置有仿真血管；所述动力缸为液压缸，所述力传导介质为液压油；所述针内芯设置于针内管中，所述针头部包括固定连接部、及与所述固定连接部的塔状针头本体部；所述固定连接部装设于针内管中，与所述针内管连接固定。

上述的穿刺虚拟教学训练系统中回缩式力反馈方法及穿刺虚拟教学训练系统根据穿刺针刺入皮肤过程的力感变化控制仿真穿刺针穿刺时回缩式反馈输出力的变化，以提高力反馈的真实性，并通过控制马达输出力矩控制仿真穿刺针的回缩式反馈输出力的变化，实现方式简单，设备系统结构简单，方便控制实现，且穿刺针仅具备一个自由度，在穿刺模拟过程中不受针姿的限制，且可应用在各个场景情况下。装置重复利用度高，基本不产生耗材，提升了资源的利用率。实现设备的结构简单、体积小、成本低，精度较高。

附图说明

图1为本发明一实施例的穿刺虚拟教学训练系统中回缩式力反馈方法的中根据不同人群进行高斯拟合的受力与穿刺深度的拟合曲线；

图2为本发明一优选实施例的穿刺虚拟教学训练系统的示意图；

图3为本发明一实施例的穿刺虚拟教学训练系统的部分结构示意图；

图4为本发明一实施例的穿刺虚拟教学训练系统的部分分解结构示意图；

图5为本发明一实施例的穿刺虚拟教学训练系统的仿真穿刺针组件与回缩式力反馈组件的部分结构示意图。

图6为本发明一实施例的穿刺虚拟教学训练系统的仿真穿刺针组件的部分结构示意图；

图7为本发明一实施例的穿刺虚拟教学训练系统的回缩式力反馈组件的部分结构示意图；

图8为本发明一实施例的穿刺虚拟教学训练系统的仿真采血管的部分结构示意图；

图9为本发明一实施例的穿刺虚拟教学训练系统的仿真采血管的部分分解结构示意图；

图10为本发明一实施例的穿刺虚拟教学训练系统的操作台的部分分解结构示意图。

具体实施方式

本发明一实施例的穿刺虚拟教学训练系统中回缩式力反馈方法，包括如下步骤：

根据穿刺针刺入皮肤过程的力感变化控制仿真穿刺针穿刺时回缩式反馈输出力的变化，

通过控制马达输出力矩控制仿真穿刺针的回缩式反馈输出力的变化，

进一步，本实施例中穿刺针刺入皮肤过程的力感变化根据刺入深度与受力分析经验模型用高斯曲线进行拟合：

其中x表示刺入深度，f(x)为受力大小。

进一步，本实施例根据不同年龄人群对拟合高斯曲线的参数进行配置。

进一步，优选的，本实施例根据年龄分为老年人、青年人、小孩对拟合高斯曲线的参数进行配置。

如图1所示，根据不同年龄段分为老年人、青年人、小孩的经验模型进行高斯曲线拟合。

进一步，优选的，本发明一实施例根据不同年龄段拟合的高斯曲线的参数为：老年人:μ＝1,σ＝2；青年人:μ＝1.1,σ＝2.2；小孩:μ＝1.2,σ＝2.3。

进一步，本实施例马达通过传送带或传输线带动动力缸往返直线运动从而模拟控制仿真穿刺针的回缩式反馈输出力的变化。

进一步，本实施例的动力缸通过管道与仿真穿刺针连通，管道中装设有力传导介质，动力缸直线运动通过力传导介质传导给仿真穿刺针形成回缩式反馈力。动力缸可以为气压缸、液压缸等直线运动动力件，力传导介质相应为气体、液压油等。

为了精确控制，使运动更精确平稳，本实施例动力缸为液压缸，力传导介质为液压油。

如图2至图4所示，本发明一实施例的穿刺虚拟教学训练系统100，包括主控模块22、与主控模块22连接并接收主控模块22控制的回缩式反馈力组件80、受回缩式反馈力组件驱动的仿真穿刺针组件40，回缩式反馈力组件80与仿真穿刺针组件40通过管道20相通连接，管道20中设置有力传导介质，回缩式反馈力组件80通过力传导介质将输出动力传导给仿真穿刺针组件40。

如图2至图6所示，仿真穿刺针组件40包括：与管道20连接的针外壳42、装设于针外壳42中并与管道20相通的针内管44、与针外壳42连接并可沿针内管44移动且接收回缩式反馈力组件80的反馈力的针模块46。主控模块22设置在机座主体74中。

进一步，本实施例的针模块46包括：与针内管44连接固定的针头部462、穿设于针头部462中并可沿该针头部或针内管移动的针本体464、及设置在针本体464上并相对于针本体464的针尖设置于该针本体另一端的针内芯466。针内芯466设置于针内管44中。针头部462包括固定连接部4622、及与固定连接部4622的塔状针头本体部4624。固定连接部4622装设于针内管44中，与针内管44连接固定。

进一步，本实施例的仿真穿刺针组件40还包括：设置在尾端并受控指示穿刺部位是否正确的指示装置。优选的，本实施例指示装置为led灯45。

进一步，本实施例的管道20上还设置有连接头30、设置在连接头上以向管道中增加或减少力传导介质的堵头32。仿真调节阀60通过管道20与连接头30连接。堵头32为橡胶堵头，堵头32上设置有小孔，可以补充液压油。

针内芯466上还设置有橡胶圈47，起到密封油的作用。为了使滑动摩擦阻力比较小，针内管44的内壁采用聚四氟乙烯管，降低摩檫力，同时密封效果比较好。

仿真调节阀60模拟仿真真实的滴速调节阀，上面接输液袋或输液瓶，下面接仿真穿刺针组件40，通过电阻值的变化，转换成电压值的变化，再经过主控模块处理成液体滴速经显示装置71显示效果。

如图2至图7所示，本实施例的回缩式反馈力组件80包括：与主控模块22连接接收主控模块22控制的马达、支撑支架82、安装在马达输出端的转盘84、一端设置在转盘84上并由转盘84带动传动的传动带86、由传动带86带动做直线往返运动并模拟回缩力反馈给所述仿真输液针组件的动力缸组件88。动力缸组件88连接管道20通过力传导介质推动或拉动针本体464。传动带86可以为带状件，也可以为线状件。为了方便配合安装及传动，本实施例的传动带86设置为线状件。

回缩式反馈力组件80还包括：承载支撑支架82的力反馈底座83、相对力反馈底座设置的力反馈外壳85、设置在力反馈底座83上并承载动力元件的动力元件散热座87、及与传动带86连接以固定动力缸组件于传动带86上的固定块89。

动力缸组件可以为气压缸、液压缸等直线运动动力件，力传导介质相应为气体、液压油等。为了精确控制，使运动更精确平稳，本实施例动力缸组件为液压缸81，力传导介质为液压油。

进一步，本实施例的力反馈底座83设置有吸附固定力反馈外壳的磁铁832。支撑支架82包括：设置在力反馈底座83上的支撑底座822、设置在支撑底座两侧的第一、第二侧板824、826，连接第一、第二侧板824、826并相对传动带连接动力元件的一端设置在第一、第二侧板824、826另一端供传动带传动的连接轴828。

进一步，本实施例的第一侧板824上设置有第一斜边821；第二侧板826上设置有第二斜边823。第一斜边821与第二斜边823相对设置且倾斜方向相反。第一侧板824上设置有第一避空孔8242；第二侧板826上设置有第二避空孔8262。固定块89上设置有供传动带86缠绕以固定在传动带86上的固定柱892、及供动力缸组件的动力杆穿入固定的固定孔894。第一侧板824顶部向靠近马达一侧延伸形成有翼部8245。

如图3至图9所示，进一步，本实施例的仿真静脉穿刺组件100还包括：仿真采血管50。仿真采血管50包括：管体52、设置在管体52中的采血指示装置、封盖管体52的采血管封盖54、设置在采血管封盖54上的采血管盖56、设置在采血管56盖上的胶圈58。胶圈58为o型氟胶圈。采血管盖56上设置有容纳胶圈58的容纳孔562。

采血管封盖54中装设有启动采血管的开关53、检测仿真采血管姿态的姿态模块55。采血指示装置包括：容纳在管体52中并模拟指示采血位置的led灯板57、及led灯罩59。当采血管模拟进行采血时，led灯板57上的led灯亮，led灯板57上的led灯可以从led灯罩59将光投射出来。

仿真采血管50用于模拟检测操作者的操作步骤，功能主要包括：接入采血管检测，采血过程模拟，采集后摇晃采血管检测。接入采血管通过开关来检测，当接入后，开关导通。采血过程模拟，采用红色led灯从管体52底部向上按顺序亮起，再加上led灯罩59，产生采血过程的视觉效果。采集后摇晃采血管检测，采用姿态模块检测加速度，来判断是否摇晃动作。仿真采血管50通过信号线51接入控制模块。

回缩式反馈力组件80模拟刺入血管的突破力感，首先管道20里装满油，针本体可以被油压顶出或拉回，油压由动力元件如马达驱动液压杆产生。针刺入血管后的回血，由在仿真输液针组件40尾端装置红色led灯，当刺破血管时，控制红色led灯亮，代表刺的部位正确。

马达802与转盘84固定连接，转盘84旋转带动传动带86正转或反转，固定块89同时与线状传动带86和动力缸组件88的滑动杆882连接，带动动力缸组件88的滑动杆882前进和后退，从而推动仿真输液针组件40的针本体464前进和后退。反之，马达802输出扭矩，通过电流大小控制输出扭矩大小，当马达输出一定扭矩时，输液针进针，这时克服扭矩后退，在手端产生力感，在此过程中，马达断电，扭矩瞬间变为0，从而获得突破力感。

磁铁832是为了固定整个回缩式反馈力组件80设计的，直接将回缩式反馈力组件80放到一定范围，通过磁力的作用固定。方便拆卸。

由于马达802长时间处于通电状态，会产生很多热量，防止马达烧坏，故设计散热座87，与马达802固定时填散热硅脂。

主控模块22控制马达802转动输出带动转盘84转动，带动转盘84上的传动带86转动，带动传动带86上的固定块89运动，带动动力缸组件88直线运动，从而通过力传导介质传导给针本体464，主控模块22控制马达802输出力矩控制仿真穿刺针的回缩式反馈输出力的变化，根据穿刺针刺入皮肤过程的力感变化控制仿真穿刺针穿刺时回缩式反馈输出力的变化。

根据穿刺针刺入皮肤过程的力感变化控制仿真穿刺针穿刺时回缩式反馈输出力的变化，通过控制马达输出力矩控制仿真穿刺针的回缩式反馈输出力的变化。

进一步，本实施例中穿刺针刺入皮肤过程的力感变化根据刺入深度与受力分析经验模型用高斯曲线进行拟合：

其中x表示刺入深度，f(x)为受力大小。

进一步，本实施例根据不同年龄人群对拟合高斯曲线的参数进行配置。

进一步，优选的，本实施例根据年龄分为老年人、青年人、小孩对拟合高斯曲线的参数进行配置。

如图1所示，根据不同年龄段分为老年人、青年人、小孩的经验模型进行高斯曲线拟合。

进一步，优选的，本发明一实施例根据不同年龄段拟合的高斯曲线的参数为：老年人:μ＝1,σ＝2；青年人:μ＝1.1,σ＝2.2；小孩:μ＝1.2,σ＝2.3。

进一步，本实施例马达通过传送带或传输线带动动力缸组件往返直线运动从而模拟控制仿真穿刺针的回缩式反馈输出力的变化。

进一步，本实施例的动力缸组件通过管道与仿真穿刺针连通，管道中装设有力传导介质，动力缸组件直线运动通过力传导介质传导给仿真穿刺针形成回缩式反馈力。动力缸组件可以为气压缸、液压缸等直线运动动力件，力传导介质相应为气体、液压油等。

为了精确控制，使运动更精确平稳，本实施例动力缸组件为液压缸，力传导介质为液压油。

如图3至图10所示，进一步，本实施例的穿刺虚拟教学训练系统还包括：操作台79包括：操作下板792、空气布料层794、及操作面板796。操作面板796与空气布料层794之间设置有结合层795。操作下板792上设置有仿真血管模块793。仿真血管模块793上设置有仿真血管7932，其凸出设置。仿真血管7932为硅胶管。优选的，本实施例的结合层795为魔术贴层，并设置为中空的框架结构。本实施例的操作下板792上还设置有线盖板797。进一步，本实施例的操作台79上还设置有麦克风799。

仿真采血管50用于模拟检测操作者的操作步骤，功能主要包括：接入采血管检测，采血过程模拟，采集后摇晃采血管检测。接入采血管通过开关来检测，当接入后，开关导通。采血过程模拟，采用红色led灯从管体52底部向上按顺序亮起，再加上led灯罩59，产生采血过程的视觉效果。采集后摇晃采血管检测，采用姿态模块检测加速度，来判断是否摇晃动作。仿真采血管50通过信号线51接入控制模块。

回缩式反馈力组件80模拟刺入血管的突破力感，首先管道20里装满油，针本体可以被油压顶出或拉回，油压由动力元件如马达802驱动液压杆产生。针刺入血管后的回血，由在仿真穿刺针组件40尾端装置红色led灯，当刺破血管时，控制红色led灯亮，代表刺的部位正确。

马达802与转盘84固定连接，转盘84旋转带动传动带86正转或反转，固定块89同时与线状传动带86和动力缸组件88的滑动杆882连接，带动动力缸组件88的滑动杆882前进和后退，从而推动仿真穿刺针组件40的针本体464前进和后退。反之，马达802输出扭矩，通过电流大小控制输出扭矩大小，当马达802输出一定扭矩时，穿刺针进针，这时克服扭矩后退，在手端产生力感，在此过程中，马达802断电，扭矩瞬间变为0，从而获得突破力感。

磁铁832是为了固定整个回缩式反馈力组件80设计的，直接将回缩式反馈力组件80放到一定范围，通过磁力的作用固定，方便拆卸。

本实施例的综合穿刺虚拟教学训练系统精准的模拟穿刺过程中的突破感，为操作者提供一个极具真实感和沉浸感的手术训练环境。本操作系统是国内第一款支持真正的实时交互性力反馈的医学穿刺虚拟系统。也是世界上目前唯一一款集合腰椎穿刺、腹腔穿刺、胸腔穿刺和骨髓穿刺为一体的虚拟穿刺虚拟教学训练系统，并且可根据用户需求在本机上升级其他功能，如心包穿刺和环甲膜穿刺等功能。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。