一种用于虚拟腹腔镜手术的装置、方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于虚拟腹腔镜手术的装置、方法及系统。所述装置包括一对相对设置的机械操作杆，机械操作杆包括直杆、C形连接杆和横杆；直杆上部为手握部分，下部连接C形连接杆，上部和下部通过第一套管连接，其中设有直线位移传感器和第一角位移传感器；直杆下部底端设有第二套管，第二套管内设有第二角位移传感器；C形连接杆凹部连接直杆下部，背部通过第三套管连接横杆，第三套管中设置有第三角位移传感器。本发明还提供了应用所述装置进行腹腔镜手术的方法。所述系统包括所述装置及虚拟模块。本发明针对腹腔镜手术虚拟手术器械实现绕固定点自旋、伸缩以及绕固定点受限制的运动的效果，实时性强、可靠性高、鲁棒性好。
【专利说明】一种用于虚拟腹腔镜手术的装置、方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明属于虚拟手术器械领域，更具体地，涉及一种用于虚拟腹腔镜手术的装置、方法及系统。
【背景技术】
[0002]随着现代科学技术的不断发展，虚拟现实技术的运用领域变得更加广泛。将虚拟现实技术的概念、原理和方法运用到外科手术的新型交叉学科称为虚拟手术。腹腔镜手术的快速发展对医生在的手术技能方面人们又有了新的要求。一般而言，医生娴熟的操作手法来自大量的临床经验。而虚拟腹腔镜手术系统可以通过构建患者腹腔内三维虚拟场景、模拟腹腔镜手术基本过程等方法，帮助训练医生的基本手术技能。与传统的培训方式不同，虚拟腹腔镜手术系统能够反复多次练习而不用担心标本、场地和手术安全等问题，不仅训练代价小，同时缩短了培训周期。有些虚拟手术系统还具有辅助确定手术方案、评估医生手术过程等作用。实施虚拟手术的过程需要机械装置模拟对手术器械进行操作以及控制手术流程。
[0003]中国专利申请号:200510027052.9，名称为多功能虚拟外科手术器械，该专利中通过固定一个立柱在底座上，一个角位移传感器设置在立柱末端，转臂与立柱通过该角位移传感器项链，转臂上设置一角位移传感器，转筒通过该角位移传感器与转臂相连，直线位移传感器与转筒向连，直线位移传感器的末端设置连轴器，一角位移传感器设置外联轴器中，连接筒与该角位移传感器相连，连接后端插入一角位移传感器，剪刀手柄固定在连接筒上，另一剪刀手柄与一角位移传感器相连。但是该设备不适用于腹腔镜手术的模拟，在具体腹腔镜手术中，手术器械的运动自由度是受限制的，手术器械需要进行的操作位绕着固定点自旋、伸缩以及绕固定点在四个方向的摇摆，并且在手术过程中，不同手术器械会完成不同的操作，比如抓持、切割、电凝、释放钛夹等操作，该专利中的设备都不能实现这些功能且不满足具体腹腔镜手术中器械自由度限制的需求。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于虚拟腹腔镜手术的装置、方法及系统，其目的在于通过对器械自由度和操作范围进行针对腹腔镜手术的优化设计，由此解决目前的虚拟手术设备无法虚拟腹腔镜手术的技术问题。
[0005]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于腹腔镜虚拟手术的装置，包括一对相对设置的机械操作杆，所述机械操作杆包括直杆、C形连接杆和横杆；
[0006]所述直杆上部为手握部分，下部连接C形连接杆，上部和下部之间通过第一套管连接，第一套管中设置有直线位移传感器和第一角位移传感器；所述直线传位移传感器，用于采集直杆伸缩距离；所述第一角位移传感器，用于采集直杆XY平面内的偏转角度；所述直杆下部底端设有第二套管，第二套管内设有第二角位移传感器，用于采集直杆在XZ平面内的旋转角度；所述C形连接杆凹部连接直杆下部，背部通过第三套管连接横杆，所述第三套管中设置有第三角位移传感器；所述第三角位移传感器，用于采集直杆YZ平面内的偏转角度。
[0007]优选地，所述装置，其直杆上部和下部之间可伸缩移动，最大伸缩距离在150mm至300mm之间。
[0008]优选地，所述装置，其一对操作杆之间距离为15cm至20cm。
[0009]优选地，所述装置，其还包括外壳，所述外壳上有一对圆形开孔，所述直杆上部，通过圆形开伸出外壳，所述外壳表面设有手术器械控制按钮，用于切换模拟的手术器械或其状态。
[0010]按照本发明的另一方面，提供了一种应用所述的装置的腹腔镜手术模拟方法，包括以下步骤:
[0011](I)载入虚拟腹腔场景数据、器械数据、器械状态数据和虚拟器械位姿初始数据，所述装置操作杆复位到初始状态；
[0012](2)实时采集直杆在XY平面、YZ平面和XZ平面内的偏转角度以及直线位移距离；
[0013](3)按照下式计算直杆的实时姿态四元数sQfe:
[0014]
【权利要求】
1.一种用于腹腔镜虚拟手术的装置，其特征在于，包括一对相对设置的机械操作杆(4)，所述机械操作杆(4)包括直杆(8)、C形连接杆(7)和横杆(5)； 所述直杆(8)上部为手握部分，下部连接C形连接杆(7)，上部和下部之间通过第一套管(11)连接，第一套管(11)中设置有直线位移传感器(10)和第一角位移传感器(9);所述直线传位移传感器，用于采集直杆(8)伸缩距离；所述第一角位移传感器(9)，用于采集直杆(8) XY平面内的偏转角度；所述直杆(8)下部底端设有第二套管(12)，第二套管(12)内设有第二角位移传感器，用于采集直杆(8)在XZ平面内的旋转角度；所述C形连接杆(7)凹部连接直杆(8)下部，背部通过第三套管(6)连接横杆(5)，所述第三套管(6)中设置有第三角位移传感器；所述第三角位移传感器，用于采集直杆(8) YZ平面内的偏转角度。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述直杆(8)上部和下部之间可伸缩移动，最大伸缩距离在150mm至300mm之间。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述一对操作杆之间距离为15cm至20cm。
4.如权利要求1所述的装 置，其特征在于，还包括外壳(1)，所述外壳(I)上有一对圆形开孔(3)，所述直杆⑶上部，通过圆形开伸出外壳(I)，所述外壳(I)表面设有手术器械控制按钮(2)，用于切换模拟的手术器械或其状态。
5.一种应用如权利要求1至4任意一项所述的装置的腹腔镜手术模拟方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)载入虚拟腹腔场景数据、器械数据、器械状态数据和虚拟器械位姿初始数据，所述装置操作杆复位到初始状态； (2)实时采集直杆(8)在XY平面、YZ平面和XZ平面内的偏转角度以及直线位移距离； (3)按照下式计算直杆(8)的实时姿态四元数sQfe:
其中Q1为第二角位移传感器采集的直杆(8)在XZ平面内的旋转角度，02为第三角位移传感器采集的直杆(8)在YZ平面内的旋转角度，θ3为第一角位移传感器(9)采集的直杆⑶在YZ平面内的旋转角度。 (4)根据直线位移传感器(10)采集的距离数据和直杆(8)实时姿态四元数?Qfe，得到虚拟器械实时空间位姿信息，并根据场景数据、器械数据、器械状态数据和虚拟器械实时空间位姿信息模拟手术场景。
6.一种用于腹腔镜虚拟手术的系统，其特征在于，包括如权利要求1至4任意一项所述的用于腹腔镜虚拟手术的装置，以及虚拟模块，所述虚拟模块包括图像模拟子模块、数据采集子模块和运算子模块； 所述图像模拟子模块，用于实时模拟手术图像，根据运算子模块的运算得出的器械实时空间位姿和数据采集模块记录的器械数、器械状态数据和场景数据，实施模拟手术场旦牙、; 所述数据采集子模块，用于接受所述用于腹腔镜虚拟手术的装置的第一至第三角位移传感器和直线位移传感器(10)采集的数据，监听并记录器械数据、器械状态数据和场景数据； 所述运算子模块，用于接收数据采集子模块的传感器数据、器械数据、器械状态数据及场景数据，并根据器械初始位姿信息，运算获得虚拟器械实时空间位姿信息，并将空间虚拟器械实时空间位姿信息传递给图像模拟子模块。
【文档编号】G09B23/28GK104200730SQ201410456577
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月9日 优先权日:2014年9月9日
【发明者】刘谦, 唐江舟, 管松峦, 明星, 何龙军, 杨冬 申请人:华中科技大学