专利名称：虚拟膝关节镜手术装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于虚拟手术设备领域，尤其涉及一种虚拟膝关节镜手术的装置。
背景技术：
虚拟手术，又称手术仿真，是虚拟现实技术在医学领域中的应用。虚拟现实技术通 过计算机图形学中的真实感绘制方法逼真地表现出人体器宫的解剖结构、解剖位置、物理 特征以及生理特征，模拟手术过程中可能遇到的各种现象，为医生提供一个虚拟的手术场 景，同时通过交互设备，使医生能够感知到与虚拟器官的交互并通过与虚拟人体器官进行 交互来完成手术过程的模拟。虚拟手术系统可供医生进行手术训练、手术计划甚至辅助真 实的手术治疗。关节镜手术开始主要应用于膝关节，20世纪初起源于日本，20世纪70年代 后在美国等国家得到长足的发展。关节镜手术器械价格昂贵，患者的手术需求较多，但是熟 练使用的医生不多，主要是关节镜手术有很多制约因素，如医生的视野窄，手、眼的协作受 到限制，手术器械的活动范围有限，手术操作难度高，不经过长期训练以及经验积累，医生 难以胜任。而目前的方法是让被训练者观察有经验的外科医生的操作，以熟悉整个手术过 程，或用其他塑料仿制品代替，受训者无法感受到手术器械与组织之间正确的力的交互，这 样正式手术时风险很高。与快速发展的手术需求相比，缺乏熟练掌握关节镜手术的医生是 制约关节镜手术普及发展的一个瓶颈。如何提供一种更好的方式对关节镜手术操作人员进 行训练与教育，以缩短知识获取的时间和成本已经成为本领域亟待解决的问题，基于虚拟 现实技术的关节镜手术训练系统可以随时随地开展训练，使用成本很低，无疑对于手术技 术的发展与推广具有很高的使用价值，但是当前国内的虚拟膝关节镜手术的研究多处于软 件开发阶段，硬件交互设备的发展严重滞后，成为此关节镜手术虚拟训练水平提高的一大 障碍。
实用新型内容针对上述当前关节镜手术虚拟领域所遇到的问题，本实用新型提供一种虚拟膝关 节镜手术装置，其能根据使用者不同及其不同的操作习惯，灵活调整手术刀和内窥镜的位 置和角度，可以达到逼真模拟关节手术的效果，另外，此装置结构简单，易于操作和维修。本实用新型的技术方案为虚拟膝关节镜手术装置包括底座和安装在所述底座上 的两个操纵臂，所述操纵臂包括安装在所述底座上的第一撑架、与所述第一撑架相连接的 第二撑架和连接在所述第二撑架端部的操纵头，该操纵头包括第一框架、套装在第一框架 外的第二框架，第一框架及第二框架上装设有沿X轴方向转动的机构、沿Y轴方向转动的机 构及沿Z轴方向转动及直线运动的机构，其中沿X轴方向转动的机构包括安装在第一框架侧壁上的第一角位移传感器和通过 安装在第一框架侧壁上的第一连接导杆、第二连接导杆与第一框架相连接的固定块，其中， 固定块能以第一连接导杆和第二连接导杆为轴转动；沿Y轴方向转动的机构包括安装在第二框架侧壁上的第三角位移传感器和连接第一框架与第二框架的第三连接导杆与第四连接导杆，其中，第一框架相对第二框架能以 第三连接导杆和第四连接导杆为轴转动；沿Z轴方向转动及直线运动的机构包括有安装在固定块上的第二角位移传感器 和直线位移传感器，其中，第二角位移传感器的测量端与直线位移传感器的拉杆连接。所述两个操纵臂可安装在所述底座的同一侧面上且相对所述底座的中心面对称。所述第一撑架与所述第二撑架和所述底座均为可调节相对角度的连接，可通过螺 母固定。所述第三连接导杆和第四连接导杆是通过安装在所述第二框架上的第一滚针轴 承和第二滚针轴承连接到所述第二框架上的，所述第一连接导杆和第二连接导杆是通过安 装在所述第一框架上的第三滚针轴承和第四滚针轴承连接到所述第一框架上的。所述固定块分为易于安装更换所述第一连接导杆和第二连接导杆的上下两部分。所述第一角位移传感器和第三角位移传感器分别与所述第一框架和第二框架之 间设有第一垫片和第二垫片。本实用新型能根据使用者的不同及其不同的操作习惯，灵活调整手术刀和内窥镜 的位置和角度，达到逼真模拟关节手术的效果，缩短了手术医师的培训时间，节省了培训费 用，另外，此装置结构简单，易于操作和维修。
图1为本实用新型自由度分析示意图；图2为本实用新型操纵头装配爆炸图；图3为本实用新型外框架安装传感器示意图；图4为本实用新型撑架与外框架安装示意图；图5为本实用新型内框架安装传感器示意图；图6为本实用新型内框架安装连接导杆示意图；图7为本实用新型紧固块与传感器安装示意图；图8为本实用新型撑架与底座安装示意图；图9为本实用新型总体装配图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型做进一步的说明。如图2-9所示，虚拟膝关节镜手术装置包括底座36和安装在所述底座36上的两 个操纵臂100，所述操纵臂100包括安装在所述底座36上的第一撑架沈、与所述第一撑架 26相连接的第二撑架25和连接在所述第二撑架25端部的操纵头101，该操纵头101包括 第一框架15、套装在第一框架15外的第二框架16，第一框架15及第二框架16上装设有沿 X轴方向转动的机构、沿Y轴方向转动的机构及沿Z轴方向转动及直线运动的机构，其中沿X轴方向转动的机构包括安装在第一框架15侧壁上的第一角位移传感器1和 通过安装在第一框架15侧壁上的第一连接导杆5、第二连接导杆13与第一框架15相连接 的固定块10，其中，固定块10能以第一连接导杆5和第二连接导杆13为轴转动；沿Y轴方向转动的机构包括安装在第二框架16侧壁上的第三角位移传感器21和连接第一框架15与第二框架16的第三连接导杆12与第四连接导杆17，其中，第一框架15 相对第二框架16能以第三连接导杆12和第四连接导杆17为轴转动；沿Z轴方向转动及直线运动的机构包括有安装在固定块10上的第二角位移传感 器8和直线位移传感器7，其中，第二角位移传感器8的测量端与直线位移传感器7的拉杆 连接。所述两个操纵臂100可安装在所述底座36的同一侧面上且相对所述底座36的中 心面对称。所述第一撑架沈与所述第二撑架25和所述底座36均为可调节相对角度的连接， 并可通过螺母固定，此种设计使该装置的使用更具灵活性。所述第三连接导杆12和第四连接导杆17是通过安装在所述第二框架16上的第 一滚针轴承11和第二滚针轴承18连接到所述第二框架16上的，所述第一连接导杆5和第 二连接导杆13是通过安装在所述第一框架15上的第三滚针轴承4和第四滚针轴承14连 接到所述第一框架15上的。滚针轴承能使模拟手术中的转动更灵活、自由。所述固定块10分为易于安装更换所述第一连接导杆5和第二连接导杆13的上下 两部分，通过四个内六角螺钉6固定在四个M8螺纹孔34处实现装配。第二角位移传感器8通过与紧固块10的中间孔33过盈配合安装固定，其可采集 来自直线位移传感器7的旋转量。所述第一角位移传感器1和第三角位移传感器21分别与所述第一框架15和第二 框架16之间设有第一垫片3和第二垫片19，分别由开槽螺钉2通过第一 M5螺纹孔31安装 和由开槽螺钉20通过第二 M5螺纹孔22安装。其中，第一角位移传感器1通过测量第一连 接导杆5的转动量达到捕获虚拟手术中一个自由度的目的，第三角位移传感器21通过测量 第四连接导杆17的转动量达到捕获虚拟手术中另一个自由度的目的。本实施例中，第一连接导杆5和第二连接导杆13与紧固块10的紧固孔35为过盈 配合连接，第三连接导杆12和第四连接导杆17与第一框架15的第一紧固孔39、第二紧固 孔40为过盈配合连接。把模拟手术操作中手术刀在创口上的动作分解为紧固块10绕第一 连接导杆5和第二连接导杆13的转动和第一框架15绕第三连接导杆12和第四连接导杆 17的转动。第二撑架25由开槽螺钉9与第二框架16固定连接在一起可以一起旋转。第二撑架25与第一撑架沈通过螺柱28连接，螺柱28两端设有第一六角螺母27 和第二六角螺母四，可使第二撑架25相对于第一撑架沈容易的紧固或旋转角度。内六角螺钉6通过第一撑架沈底部的通孔37与底座36上的螺纹孔38连接，通 过内六角螺钉6的松紧可以实现第一撑架沈相对于底座36的固定与转动。本实用新型的工作原理如下如图1所示，将膝关节镜手术操作分解为四个自由 度的运动绕X轴转动、绕Y轴转动、沿Z轴运动和Z轴自转动。本实用新型装置中第一连 接导杆5和第二连接导杆13的转动实现手术操作中绕X轴转动；第三连接导杆12和第四 连接导杆17的转动实现手术操作中绕Y轴转动；直线位移传感器7根据其滑套50沿拉杆 的直线位移进给捕获手术操作中沿Z轴运动信息；紧固块10固定的角位移传感器8捕获Z 轴自转动信息；用手旋转直线位移传感器7，角位移传感器8和直线位移传感器7是一起转 动的，这样就可以捕获这个转动的信息。本实用新型中第一连接导杆5和第二连接导杆13的转动由角位移传感器1捕获；第三连接导杆12和第四连接导杆17的转动由角位移传感 器捕获。 本实用新型能根据使用者的不同及其不同的操作习惯，灵活调整手术刀和内窥镜 的位置和角度，达到逼真模拟关节手术的效果，缩短了手术医师的培训时间，节省了培训费 用，另外，此装置结构简单，易于操作和维修。
权利要求1.虚拟膝关节镜手术装置，包括底座(36)和安装在所述底座(36)上的两个操纵臂(100)，其特征在于所述操纵臂(100)包括安装在所述底座(36)上的第一撑架( )、与 所述第一撑架06)相连接的第二撑架0 和连接在所述第二撑架0 端部的操纵头(101)，该操纵头(101)包括第一框架(15)、套装在第一框架(15)外侧的第二框架(16)，第 一框架(1 及第二框架(16)上装设有沿X轴方向转动的机构、沿Y轴方向转动的机构及 沿Z轴方向转动及直线运动的机构，其中沿X轴方向转动的机构包括安装在第一框架(1 侧壁上的第一角位移传感器(1)和 通过安装在第一框架(1 侧壁上的第一连接导杆(5)、第二连接导杆(1 与第一框架 (15)相连接的固定块(10)，其中，固定块(10)能以第一连接导杆(5)和第二连接导杆(13) 为轴转动；沿Y轴方向转动的机构包括安装在第二框架(16)侧壁上的第三角位移传感器和 连接第一框架(1 与第二框架(16)的第三连接导杆(1 与第四连接导杆(17)，其中，第 一框架(1 相对第二框架(16)能以第三连接导杆(1 和第四连接导杆(17)为轴转动； 沿Z轴方向转动及直线运动的机构包括有安装在固定块(10)上的第二角位移传感器 (8)和直线位移传感器(7)，其中，第二角位移传感器(8)的测量端与直线位移传感器(7) 的拉杆连接。
2.根据权利要求1所述的虚拟膝关节镜手术装置，其特征在于所述两个操纵臂(100) 安装在所述底座(36)的同一侧面上且相对所述底座(36)的中心面对称。
3.根据权利要求1所述的虚拟膝关节镜手术装置，其特征在于所述第一撑架06)与所 述第二撑架0 和所述底座(36)均为可调节相对角度的连接。
4.根据权利要求1所述的虚拟膝关节镜手术装置，其特征在于所述第三连接导杆(12) 和第四连接导杆(17)是通过安装在所述第二框架(16)上的第一滚针轴承(11)和第二滚 针轴承(18)连接到所述第二框架(16)上的，所述第一连接导杆( 和第二连接导杆(13) 是通过安装在所述第一框架(1 上的第三滚针轴承(4)和第四滚针轴承(14)连接到所述 第一框架(1 上的。
5.根据权利要求1所述的虚拟膝关节镜手术装置，其特征在于所述固定块(10)分为易 于安装更换所述第一连接导杆( 和第二连接导杆(1 的两部分。
6.根据权利要求1所述的虚拟膝关节镜手术装置，其特征在于所述第一角位移传感器 (1)和第三角位移传感器分别与所述第一框架(1 和第二框架(16)之间设有第一垫 片(3)和第二垫片(19)。
专利摘要本实用新型提供的虚拟膝关节镜手术装置包括底座和两个操纵臂，操纵臂包括安第一撑架、第二撑架和操纵头，该操纵头包括第一框架、第二框架、第一角位移传感器、第二角位移传感器、第三角位移传感器、直线位移传感器、固定块、第一连接导杆、第二连接导杆、第三连接导杆和第四连接导杆，其中第一框架与第二框架通过所述第三连接导杆和第四连接导杆转动连接，所述固定块通过第一连接导杆和第二连接导杆与第一框架转动连接，第二角位移传感器安装在固定块上且其转动端与所述直线位移传感器的导轨连接。本实用新型能根据使用者的不同及其不同的操作习惯，灵活调整手术刀和内窥镜的位置和角度，达到逼真模拟关节手术的效果，缩短了手术医师的培训时间。
文档编号G09B23/28GK201829118SQ20102054870
公开日2011年5月11日 申请日期2010年9月28日 优先权日2010年9月28日
发明者何宇磊, 何汉武, 李晋芳, 雷钧, 韩双景 申请人:广东工业大学