用于手术模拟系统的触觉用户界面装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于手术模拟系统的用户界面装置(user interface device)，且尤其是涉及一种用于模拟腹腔镜手术的用户界面装置。
【背景技术】
[0002]近年来，为了训练医生在各种手术中不使病人置于险境，手术模拟系统已经被越来越多地应用。尤其在微创手术领域，如腹腔镜、内窥镜、结肠镜检查等领域中，这些模拟系统已经获得了显著的认可。在微创手术期间，医生通常依赖于屏幕上的图像，而不是病人的实际图像，且在目前功能强大的图像渲染可用的情况下，这样的图像可以以非常高的现实程度模拟。
[0003]为了与模拟软件交流，模拟系统还需要输入装置，也就是医生可操作的并且模拟实际手术器械的硬件。这样的输入装置的物理外观和功能应该与实际器械相似。然而，它们也必须提供用于检测模拟器械的当前位置的传感器，从而确保模拟软件在屏幕上提供合适的图像。此外，这样的装置优选地包括触觉反馈，也就是提供将在实际手术期间遇到的力反馈。
[0004]就腹腔镜而言，触觉输入装置的例子是来自Immers1n公司的腹腔镜手术工作站(Laparoscopic Surgical Workstat1n) (LSW)。该装置包括相当于待插入到病人内部的器械部分的刚性轴以及医生可以用其移动器械的手柄。为了模拟经过一个小口进入病人体内的实际器械的自由度，轴在具有两个自由度(旋转α、β)的枢转点上由框架支撑。另外，轴可沿着其纵向轴线以线性运动平移(也就是进入和离开模拟体)以及绕该纵向轴线旋转。输入装置包含用于包括轴的旋转的所有自由度的传感器，和设置为在所有自由度中提供力反馈的执行机构。力和运动通过线(wire)在执行机构和移动部件之间传输。
[0005]线的问题是，随着用户移动界面，线跟随的路径发生变化。这引起线中的应力，导致过度磨损以及需要频繁更换。尽管线本身不贵，但是更换线的过程是复杂和昂贵的。
[0006]在这方面的相关专利文件是US 6，323，837和US 6，902, 405。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是解决现有技术的缺点，并提供改进的用户界面装置，其功能耐用且制造性价比高。另一个目的是提供用户界面装置，其在使用中提供给用户更接近类似实际手术器械的体验的体验。
[0008]根据本发明的实施方式，这些和其他目的通过用于手术模拟系统的触觉用户界面装置实现，触觉用户界面装置包括:框架，其具有固定底座、相对于底座绕第一轴线可旋转的颈部部分、和相对于颈部部分绕第二轴线可旋转的悬架部分(suspens1n port1n)，该第二轴线与第一轴线不平行；以及器械，其具有由悬架部分可枢转地支撑的刚性轴。装置还具有安装在框架上且设置为当围绕第一轴线旋转器械时提供力反馈给用户的第一执行机构，以及安装在框架上且设置为当围绕第二轴线旋转器械时提供力反馈给用户的第二执行机构。第一执行机构和第二执行机构安装在颈部部分上。
[0009]因为两个执行机构安装到颈部部分上，且因此与颈部部分一同绕第一轴线运动，所以这些执行机构的重量可以围绕第一轴线更对称地设置。因此，当围绕第一轴线旋转器械时，界面装置提供给用户改进的平衡感。
[0010]根据本发明的该实施方式的设计还允许马达沿着颈部部分定向，因此降低了用于底座的空间要求。
[0011]使两个执行机构都安装在颈部部分上的另一个优点是两个马达的电气连接件可以设置在框架的相同部分上，也就是颈部部分上。
[0012]为了在第一马达与底座之间和/或在第二马达与悬架部分之间传递扭矩，可以使用柔性传动元件，例如传动带或者线。
[0013]另外，由于设置为围绕第二轴线提供力反馈的第二执行机构将随同器械围绕第一轴线旋转，所以第二马达将以与第二轴线成固定关系定向。在第二执行机构与围绕第二轴线运动的悬架部分之间延伸的柔性传动元件，例如传动带或线，因此将在固定的路径中运行，也就是将不会受到扭曲或扭转。这提高了柔性传动元件的寿命。
[0014]根据优选的实施方式，刚性轴还是相对于悬架部分沿着刚性轴的纵向轴线可移动的。这提供给界面装置额外的自由度，在许多类型的模拟中是必须的。
[0015]刚性轴可以就围绕刚性轴的纵向轴线的旋转而言相对于悬架部分是固定的。这样的设计可允许刚性轴简易化的机械式悬挂。在这种情况下，如果围绕纵向轴线的旋转是模拟所必须的，则这种旋转可以通过器械的手柄提供。
[0016]刚性轴在一侧上可具有齿条，齿条啮合所述框架上的齿轮，从而将轴的线性运动转换成齿轮的旋转。这样的设计可以是确保轴位置的检测以及通过连接到齿轮的执行机构进行的力反馈的有效方式。
【附图说明】
[0017]将参照附图更详细地描述本发明，附图示出了本发明的当前优选实施方式。
[0018]图1为根据本发明实施方式的带有用户界面装置的手术模拟系统的示意图。
[0019]图2图示了图1中器械的轴的自由度。
[0020]图3为根据本发明实施方式的带有用户界面装置的手术模拟系统的示意图。
【具体实施方式】
[0021]图1示出根据本发明的一个实施方式的用户界面装置1，示意性地连接作为模拟系统2的部分。
[0022]模拟系统2包括运行用于模拟手术过程的模拟软件的处理单元3，和用于向用户显示模拟过程可视化的显示器4。界面装置I与模拟系统连接，并允许用户向系统2提供输入，从而与在显示装置中可视的模拟交流。界面是触觉的，也就是，其适用于在界面的至少一些自由度中提供给用户来自模拟的力反馈。
[0023]用户界面装置I包括可移动器械10，可移动器械10具有手柄20和由框架11可枢转地悬挂的刚性轴21。如图2所示，框架11允许轴21绕枢转点P的枢转运动，相当于实际手术器械围绕进入人体的进入点的枢转运动。在手术模拟界面装置中，该枢转运动通常机械地分为围绕正交于轴的纵向轴线C的两个不同轴线A和B的旋转。在图示的情况中，第一轴线A和第二轴线B彼此正交，但这不是绝对的必要条件。
[0024]另外，框架11允许轴相对于框架的平移运动，且可选地，允许轴绕其纵向轴线C的旋转。作为轴的该轴向旋转的替代选择，为了提供这种自由度给用户，手柄可以旋转地连接到轴。
[0025]图3非常示意性地示出了图1的用户界面装置I的一些部件，以便图示框架11的各种自由度。
[0026]在图示的实施方式中，绕第一轴线A的旋转是通过框架11的可转动地安装到固定底座12的颈部部分15提供的。底座的上部包括扭矩传递构件，本文中是绕轴线A同轴地形成的盘形部分13。第一执行机构，例如电动马达14，被固定地安装到颈部15，并设置为经由盘13传递扭矩给底座12。如图2中示意性地示出的，这可以通过围绕构件13和马达轴6设置的传动带7完成。优选地，带为齿形带，并且构件13在其外表面上具有相应的齿。通过马达14的操作，力反馈可以被提供用于器械围绕轴线A的运动。值得注意的是，被安装到框架11的马达14因此将与颈部15 —起围绕轴线A运动。
[0027]旋转传感器(未示出)被提供用于检测颈部15相对于底座12的位置。传感器可以有利地是集成在马达14中并设置为检测马达轴6的旋转的旋转编码器。
[0028]在颈部15的远端15a提供了围绕第二轴线B的旋转。悬架部分16被安装到远端15a上，以便是围绕轴线B可旋转的。悬架部分16被设置为悬挂器械10的轴21，且该悬架的细节将在下面讨论。第二电动马达17被安装到颈部15上，并设置为传递扭矩给悬架部分16。如图3示意性地示出的，这可以通过围绕部分16和马达轴9设置的传动带8完成。通过马达17的操作，力反馈可以被提供用于器械10围绕轴线B的运动。旋转传感器(未示出)被提供以检测悬架部分16相对于颈部15的远端15a的位置。传感器可以有利地是集成在马达17中并设置为检测马达轴9的旋转的旋转编码器。
[0029]主要参照图3，值得注意的是马达17被安装在颈部15上，且因此将与颈部15和悬架部分16 —同围绕轴线A旋转。在马达17的轴9与悬架部分16之间延伸的传动带8或者传动线圈的路径将因此被固定在空间中，且将不会受到任何扭曲或扭转。这显著地延长了带8或者线的寿命。
[0030]还值得注意的是，该设计也有利于马达17与悬架部分16之间的刚性机械耦合，如齿轮传动。
[0031]马达14和17优选地为相似的类型和尺寸，并安装在颈部15的相反侧上。两个马达14和17的重量优选地为围绕轴线A基本平衡，以提供更平衡的系统，以及改善的用户体验。
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