内窥镜模拟装置及其在微创手术训练系统中的应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及内窥镜模拟装置及其在微创手术训练系统中的应用，用于对微创手术进行模拟训练。
【背景技术】
[0002]微创手术以创伤小、疼痛轻、出血少、恢复快的显著特点，以最大程度体贴病人、减轻病人的痛苦的理念愈来愈为人们所重视。随着腹腔镜、胸腔镜、宫腔镜等内窥镜及各种手术工具制造精度的提高，以计算机为核心的视觉图像处理和实时监测技术不断发展，微创手术技术日益成熟，相比传统外科手术在普外、泌尿、骨科、五官、妇科等方面有着更为广泛的应用。相比较传统手术，微创手术对医生的医技要求非常高，快速有效提高微创手术医生尤其是初学者的技能是十分关键。
[0003]内窥镜是一种经各种管道进入人体，观察人体内部状况的光学仪器，其集成冷光源镜头、纤维光导线、图象传输系统、屏幕显示系统等，能扩大手术视野，直观准确地协助医生进行相关手术。内窥镜的突出特点是可以看到X射线不能显示的病变、手术切口小、术后反应轻，出血、青紫和肿胀时间大大减少，恢复较传统手术快，非常符合美容外科美丽不留痕的要求。内窥镜如同人的视觉系统，在微创外科手术中起着不可或缺的作用。
[0004]在尸体资源昂贵且稀缺、伤害动物、人体模型逼真感不够、手术器械昂贵等情况下，微创手术模拟装置快速发展，但是一套完整的微创手术装置缺少内窥镜引导是远远不行的，同时整套的内窥镜系统费用昂贵，因此相应的内窥镜模拟装置尤为需求。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种内窥镜模拟装置及其在微创手术训练系统中的应用，以期为微创外科手术培训带来事半功倍的效果，准确快速提高参训外科医生的手感和技能。尤其是能够模拟真实内窥镜探头在人体体内自由度的动作，高仿真触碰人体力反馈效果，并能在将内窥镜调整到需要的视角后松手即能保持内窥镜视角稳定性。
[0006]本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
[0007]本发明内窥镜模拟装置的结构特点是所述内窥镜模拟装置是按如下形式设置的基于柔性阻尼定位的内窥镜模拟装置:
[0008]以窥镜底座为支撑呈Z向设置窥镜航向轴，在所述窥镜航向轴上配合设置窥镜“U”形座，并且所述窥镜“U”形座可以在所述窥镜航向轴上于水平面内绕窥镜航向轴转动，所述Z向为竖直方向；
[0009]以所述窥镜“U”形座为支撑呈X向设置窥镜俯仰轴，在所述内窥镜俯仰轴上配合设置窥镜主架板，并且所述窥镜主架板可以在所述窥镜俯仰轴上于竖直平面内绕窥镜俯仰轴转动；以所述窥镜俯仰轴与所述窥镜航向轴构成窥镜主架板的二维旋转垂直轴系；
[0010]以所述窥镜主架板为支撑固定设置窥镜探杆座，在所述窥镜探杆座中呈X向设置可转动的窥镜传动齿轮轴，在所述窥镜传动齿轮轴上固定设置窥镜传动齿轮；位于窥镜探杆座中的窥镜探杆通过齿条与所述窥镜传动齿轮实现啮合传动；所述窥镜探杆在窥镜探杆座中的轴向移动通过窥镜传动齿轮带动窥镜传动齿轮轴转动；所述窥镜探杆在前端和尾端贯穿所述窥镜探杆座，并以所述窥镜探杆的前端为探杆头，在所述窥镜探杆的尾部连接窥镜电位器作为操作手柄；
[0011]设置柔性阻尼定位系统，其包括设置在窥镜传动齿轮轴上的第一柔性阻尼定位装置、设置在窥镜俯仰轴上的第二柔性阻尼定位装置，以及设置在窥镜航向轴上的第三柔性阻尼定位装置；所述第一柔性阻尼定位装置是在窥镜探杆与窥镜探杆座之间形成柔性阻尼；所述第二柔性阻尼定位装置是在窥镜俯仰轴与窥镜“U”形座之间形成柔性阻尼；所述第三柔性阻尼定位装置是在所述窥镜航向轴与窥镜“U”形座之间形成柔性阻尼；
[0012]本发明内窥镜模拟装置的结构特点也在于:分别设置各光栅码盘及读数头，用于获得窥镜俯仰轴和窥镜航向轴的角位移，以及窥镜探杆的轴向位移。
[0013]本发明内窥镜模拟装置的结构特点也在于:设置窥镜零位校准块，所述窥镜零位校准块以其上段固定在窥镜主支架板的一侧边，所述窥镜零位校准块的底部设置为倒梯形端面，在窥镜底座的水平台面上对应设置为倒梯形槽，利用所述倒梯形端面与倒梯形槽的配合实现窥镜航向轴和窥镜俯仰轴的旋转限位和回零。
[0014]本发明内窥镜模拟装置的结构特点也在于:所述第三柔性阻尼定位装置是在窥镜航向轴的上部依次套装聚四氟乙烯垫片，铝合金垫片，弹簧导向轴、压缩弹簧和弹簧盖帽，在所述弹簧盖帽上压装调节螺母，所述调节螺母螺纹连接在窥镜航向轴的上端，利用调节螺母压紧所述聚四氟乙烯垫片在所述窥镜航向轴与窥镜“U”形座之间形成柔性阻尼。
[0015]本发明微创手术综合训练系统，其特征是:在安装底板的中央安装权利要求1所述的内窥镜模拟装置，在所述内窥镜模拟装置的左侧安装有左手侧微创手术模拟装置，在所述内窥镜模拟装置的右侧安装有右手侧微创手术模拟装置，构成微创手术综合训练系统。
[0016]与已有技术相比，本发明有益效果体现在:
[0017]1、本发明中内窥镜模拟装置可模拟实现真实内窥镜装置在体内三维空间中左右摆动旋转、上下俯仰旋转、绕自身轴线回转、前后轴向移动4个移动状态；微创手术仿真装置可以实现手术夹钳、手术刀等器具在人体内三维空间六个自由度的运动，且具有超高仿真触碰人体力反馈效果；
[0018]2、本发明中内窥镜模拟装置使用的柔性阻尼定位机构，基于弹簧和聚四氟乙烯片结合的面摩擦柔性阻尼原理，阻尼力大小可调，制作成本低廉，可实现旋转过程中阻尼定位，保证后旋转至预定角度后内窥镜视角定位，此柔性阻尼定位技术将被应用到更广泛的的领域之中。
[0019]3、利用本发明可以实现在软件界面中仿真尿道膀胱镜、电切镜、腹腔镜等在人体腔道内的各种移动动作，以及为手术夹钳提供实时的视角，扩展成一个完善的综合微创手术训练系统。
[0020]4、本发明采用模块化设计、互换性强、维护方便，探杆可方便地更换为普外、泌尿、骨科、五官、妇科等科目器具，使此微创手术仿真装置适应多科目的手术训练。
[0021]5、本发明无需真实昂贵的内窥镜，人体和动物等实体练习，在尸体资源昂贵且稀缺、伤害动物、人体模型逼真感不够等客观不利因素下能准确高效地提高受训医生的医技水平。
[0022]6、本发明体积小，成本低廉，功能齐全，可方便安装在台车上，便携方便；呈一左一右布置两套本发明微创手术模拟装置，方便医生左右手的配合操作，结合助手操作内窥镜模拟装置，经视觉引导可扩展成一个完善的综合微创手术训练系统。
【附图说明】
[0023]图1为本发明三维结构示意图；
[0024]图2为本发明机械装配示意图；
[0025]图3为本发明微创手术综合训练系统三维布局示意图；
[0026]图4为本发明中微创手术模拟装置三维结构示意图；
[0027]图5为本发明中微创手术模拟装置机械装配示意图；
[0028]图6为本发明中微创手术模拟装置中探杆力反馈部分结构示意图；
[0029]图7a为本发明中微创手术模拟装置中磁阻尼器结构示意图；
[0030]图7b为本发明中微创手术模拟装置中磁阻尼器原理示意图；
[0031]图中标号:1第一圆柱磁铁，2第二圆柱磁铁，3筒体，4紧定螺钉，5端盖，6深沟球轴承，7中轴，8零位校准块，8a为“V”型端面，8b为“V”型槽，1-1底座，1-2航向轴电磁刹车器，1-3为“U”形座，1-4第三磁阻尼器，1-5航向轴，1-6第三光栅码盘及读数头，1-7俯仰轴电磁刹车器，1-8俯仰轴，1-9第二光栅码盘及读数头，1-10主架板，1-11第二磁阻尼器，
2-1刹车盘底座，2-2电磁刹车盘，2-3阻尼器支撑架，2-4第一磁阻尼器，2-5磁阻尼输出轴，
2-