一种外科手术虚拟仿真装置的制作方法

本实用新型涉及力学仿真技术领域，特别涉及一种外科手术虚拟仿真装置。

背景技术：

随着社会经济和科学技术的不断发展，为了能够让医生在临床手术前积累尽可能多的手术操作经验，人们提出了外科手术虚拟培训系统，特别是针对微创外科手术。在现有技术中，外科手术虚拟培训系统中的外科手术虚拟仿真系统能够根据真实的手术场景仿真出虚拟的手术环境中，在手术仿真环境中，医生可以进行类似真实手术的操作，以此来积累手术操作经验。

但是，基于现有的仿真系统，医生在外科手术虚拟培训的过程中只能凭借视力观察来推断手术中的状态，不能感知到手术操作的反馈力，这样可能会得出错误的推断，对以后进入临床手术时，也不利于手术的进行，甚至有可能因为错误的推断而导致病人康复延缓、引起其它病变。比如：在进行伤口线缝合的临床手术过程中，由于培训的过程中缺乏反馈力的感知，很可能出现拉线力度过小或过大的情况，而拉线力度过小会导致伤口愈合较慢，拉线力度过大会过度伤害人体组织，均会影响病人的术后康复。

因此，如何提供一种能够体验反馈力的外科手术虚拟仿真装置，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种外科手术虚拟仿真装置，以使医生在培训过程中感知到手术操作的反馈力，进而减少错误的推断，从而保证临床手术质量。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种外科手术虚拟仿真装置，包括：

设备手柄，用于控制虚拟手术器械，并接收力反馈设备发送的反馈力，以使用户通过所述设备手柄感知到所述反馈力；

与所述设备手柄相连的力反馈设备，用于将反馈力传递至所述设备手柄；

与所述力反馈设备相连的计算机，用于将虚拟人体组织针对所述虚拟手术器械的操作的反馈力发送给所述力反馈设备。

其中，所述力反馈设备与所述计算机通过通讯线缆相连。

其中，所述设备手柄与所述力反馈设备一一对应设置。

其中，所述设备手柄与所述力反馈设备的个数均为2个。

其中，所述的外科手术虚拟仿真装置还包括：

与所述计算机相连的提示装置，用于当所述反馈力大于阈值时提示用户。

其中，所述提示装置具体为指示灯。

其中，所述计算机为微控制器。

本实用新型所提供的外科手术虚拟仿真装置，包括：设备手柄，用于控制虚拟手术器械，并接收力反馈设备发送的反馈力，以使用户通过所述设备手柄感知到所述反馈力；与所述设备手柄相连的力反馈设备，用于将反馈力传递至所述设备手柄；与所述力反馈设备相连的计算机，用于将虚拟人体组织针对所述虚拟手术器械的操作的反馈力发送给所述力反馈设备；

可见，本实用新型能够逼真地模拟出人体组织与手术器械的受力状态，并将这种受力状态反映至用户操作的设备手柄，使医生在培训过程中感知到手术操作的反馈力，从而使培训更接近现实中的手术过程，进而减少错误的推断，从而保证了临床手术质量。同时，在保证临床手术质量的基础上，进一步也能改善病人术后康复程度，减少病人痛苦，缩短康复时间以及提高病人的满意度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例所提供的外科手术虚拟仿真装置的结构框图；

图2为本实用新型实施例提供的一种刀口缝合手术培训的场景图。

具体实施方式

本实用新型的核心是提供一种外科手术虚拟仿真装置，以使医生在培训过程中感知到手术操作的反馈力，进而减少错误的推断，从而保证临床手术质量。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参考图1，图1为本实用新型实施例所提供的外科手术虚拟仿真装置的结构框图；该装置可以包括：

设备手柄1，用于控制虚拟手术器械，并接收力反馈设备2发送的反馈力，以使用户通过所述设备手柄1感知到所述反馈力；

与所述设备手柄1相连的力反馈设备2，用于将反馈力传递至所述设备手柄1；

与所述力反馈设备2相连的计算机4，用于将虚拟人体组织针对所述虚拟手术器械的操作的反馈力发送给所述力反馈设备2。

可选的，所述设备手柄1与所述力反馈设备2一一对应。由于每一个设备手柄1都是由操作医生操控的，为了使操作医生体会到反馈力，进而每个设备手柄1都与力反馈设备2成对出现。其中，计算机4可以连接多组设备手柄1与力反馈设备2；计算机4只需要将反馈力传递给对应的反馈力设备2即可。其中，所述设备手柄与所述力反馈设备的个数均为2个。

其中，计算机4中集成有外科手术虚拟仿真系统(简称仿真系统)，在实际应用中，该仿真系统主要应用于外科手术虚拟培训系统(简称培训系统)，为了便于本领域技术人员更有场景性地理解本实用新型技术方案，本实用新型以下内容在需要时会以培训系统为例进行说明。

该仿真系统通过对人体组织、手术器械等其他手术会涉及到的部件进行仿真建模，以此形成虚拟手术环境，这个虚拟手术环境至少包括虚拟人体组织和虚拟手术器械；同时，为了建立虚拟手术环境与用户(即操作医生)的联系，本实用新型提供了用于控制虚拟手术环境中虚拟手术器械的设备手柄1，即用户通过操作设备手柄1来控制虚拟手术器械，进而操作虚拟手术器械来对虚拟人体组织进行手术。

对于设备手柄1的位置姿态参数，其主要表征设备手柄1所处的位置状态，在具体实施过程中，用户对设备手柄1进行不同的操作，会有不同的位置姿态参数产生，通过它的变化情况可以确定用户对设备手柄1进行的操作具体是什么，进而也就能确定用户想让虚拟手术器械对虚拟人体组织进行怎样的手术操作，这样在整个虚拟手术环境中对这个手术操作进行同步的显示和操作，以此来达到对用户进行虚拟手术体验的目的。

在具体实施过程中，先启动计算机4中的仿真系统，然后对整个虚拟手术环境进行初始化，即恢复设备手柄1的位置姿态为预设的初始状态，也就是初始化设备手柄1的位置姿态参数；同时，分别将虚拟人体组织和虚拟手术器械放置在虚拟手术环境中预设的初始位置。完成初始化过程后，仿真系统实时获取用户操作的设备手柄1的位置姿态参数。

具体地，在获取到设备手柄1的位置姿态参数之后，结合运动学仿真算法，根据位置姿态参数来确定虚拟手术器械在虚拟手术环境中的位置，在这个过程中，会根据用户对设备手柄1的操作将虚拟手术器械在虚拟手术环境中同步更新至相应的位置。

在确定虚拟手术器械的位置后，判断虚拟手术器械的位置是否处于虚拟人体组织的范围内，也就是，判断虚拟手术器械是否接触到虚拟人体组织；当虚拟手术器械接触到虚拟人体组织时，判定虚拟手术器械在对虚拟人体组织进行操作；当然，当虚拟手术器械没有接触到虚拟人体组织时，认为虚拟手术器械没有在对虚拟人体组织进行操作。

当虚拟手术器械接触到虚拟人体组织时，在仿真环境物理层就会产生仿真力，即检测用户操作设备手柄1产生的位置姿态参数的变化情况，根据这个变化情况可以确定虚拟手术器械对虚拟人体组织的操作力度，这时，模拟现实中人体组织对这个操作及操作力度的反馈，结合力学分析算法确定虚拟人体组织对该操作及操作力度的反馈力。

在计算机4确定虚拟人体组织对该操作及操作力度的反馈力后，结合力学分析算法将反馈力分解给力反馈设备2，由力反馈设备2将这个反馈力传递至设备手柄1，由于用户是手握操作着设备手柄的，因此用户可以在设备手柄上感知到那个反馈力。实际上，同时，可以理解的是，操作医生操控设备手柄1，可以通过这个力反馈设备2将操控力传递至计算机4中的虚拟手术环境，对虚拟手术环境产生力的影响，可见，本实用新型仿真系统在使用过程中体现在虚拟手术环境中的虚拟人体组织与虚拟手术器械的物理层与视觉层上，即用户可以体验到在手术中人体组织与手术器械的受力情况，从而获得更加逼真的手术培训效果，培训更接近现实中的手术过程，为临床手术积累宝贵的经验。

可选的，所述力反馈设备2与所述计算机4通过通讯线缆相连。可以保证力反馈设备2与所述计算机4通讯的可靠性。

参考图1，计算机4(运行有仿真系统)与力反馈设备2、力反馈设备6分别通过通讯线缆3、通讯线缆5链接在一起，组成硬件系统。在培训的过程中，操作医生通过设备手柄1、设备手柄7感知虚拟手术环境中反馈力的存在。

进一步地，以刀口缝合手术培训为例，结合图1和图2示出的刀口缝合手术培训的场景图，操作医生左手、右手分别持设备手柄1、设备手柄7，控制虚拟手术环境中的虚拟手术器械15、虚拟手术器械16做刀口缝合手术培训，虚拟手术器械16持缝合针18穿入虚拟人体组织的过程中(用手术缝合线17对手术刀口19进行缝合)，操作医生通过设备手柄7感受到缝合针18穿入虚拟人体组织的受力变化，虚拟手术器械15将缝合针18从虚拟人体组织拔出的过程中，操作医生通过设备手柄1感受到缝合针18从虚拟人体组织拔出的受力变化。在刀口缝合手术培训中，操作医生可以体验到最佳缝合受力情况，更接近现实中的手术过程，为临床手术积累宝贵经验。

可见，在用户(即操作医生)进行虚拟培训过程中，本实用新型能够逼真地模拟出现实中人体组织与手术器械的受力状态，然后将这种受力状态反映至用户操作的设备手柄1，使操作医生在培训过程中感知到手术操作的反馈力，从而获得更加逼真的手术培训效果，培训更接近现实中的手术过程，进而减少错误的推断，从而保证了临床手术质量。同时，在保证临床手术质量的基础上，进一步也能改善病人术后康复程度，减少病人痛苦，缩短康复时间以及提高病人的满意度。

基于上述技术方案，该装置还包括：

与所述计算机4相连的提示装置，用于当所述反馈力大于阈值时提示用户。

具体的，所述提示装置具体为指示灯。

其中，通过提示装置可以提醒用户其用力过大，以便用户可以警惕自己操作的力度。

可选的，所述计算机4为微控制器。

其中，通过微控制器实现上述计算机4运行的外科手术虚拟仿真系统简称仿真系统。微控制器的好处在于可以更加便利的进行集成，设置位置也更加灵活，从而增强了该装置的可靠性及用户的使用的方便性，增强用户操作的便利性。

以上对本实用新型所提供的外科手术虚拟仿真装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。