用于手术模拟系统的触觉用户界面装置

摘要

用于手术模拟系统(2)的触觉用户界面装置(1)，包括：框架(11)，其具有固定底座(12)、相对于底座(12)围绕第一轴线(A)可旋转的颈部部分(15)、以及相对于颈部部分(15)围绕第二轴线(B)可旋转的悬架部分(16)；器械(10)，其具有通过悬架部分(16)悬挂的刚性轴(21)，以便围绕第一轴线(A)和第二轴线(B)可枢转；第一执行机构和第二执行机构(14、17)，其安装在框架(11)上并且设置为当围绕第一轴线(A)和第二轴线(B)旋转器械(10)时提供力反馈给用户。第一执行机构和第二执行机构安装在颈部部分(15)上。

说明书

技术领域

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

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。

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。

就腹腔镜而言，触觉输入装置的例子是来自Immersion公司的腹腔镜 手术工作站(Laparoscopic Surgical Workstation)(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。

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。

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

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。

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(suspension portion)，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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

图2图示了图1中器械的轴的自由度。

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

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。

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1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。

用户界面装置1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。

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。

图3非常示意性地示出了图1的用户界面装置1的一些部件，以便图 示框架11的各种自由度。

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15一起 围绕轴线A运动。

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。

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。

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16一同围绕轴线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。

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。

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。

在下文中，将参照图1描述器械10。值得注意的是本发明不限于特定 类型的器械。与此相反，本发明及其优点对于具有设置为围绕一个点枢转 的刚性轴的各种器械来说都是相关的。

在图1中公开的器械包括附接到刚性轴21端部的手柄20。手柄20具 有固定地连接到轴21的传感器主体22、以及旋转套筒23和握持部分24。 本实施例中的器械10特别之处在于刚性轴不会围绕其自身纵向轴线C旋 转。相反，握持部分24和旋转套筒23都可围绕轴21的纵向轴线C旋转。

正如在实际器械中，套筒23的旋转表示器械10的旋转。旋转套筒23 相对于传感器主体的任何旋转将因此由传感器主体22中的传感器检测。 握持部24和旋转套筒23通过一定的摩擦耦合，以便它们通常一起旋转。 然而，用户可以克服这种摩擦，以使套筒23和握持部24相对于彼此旋转。 当套筒23保持固定时，握持部24的旋转仅仅代表握持部相对于器械的调 整，并且不会影响模拟的过程。然而，当握持部24保持固定时，套筒23 相对于传感器主体的旋转将代表器械的旋转，并相应地由传感器主体检 测。

握持部分24允许用户使用剪刀状握持部25执行夹持动作，且该动作 也将由在传感器主体22中的传感器检测。信号线26连接传感器主体22 与框架11，在图示例子中，连接传感器主体22与颈部15的远端15a。信 号线26使来自传感器主体22的传感器信号的通信可行。该信号线是柔性 的，以便允许器械10相对于框架11的运动。

在图示的实施方式中，界面装置1并不适用于提供任何与器械围绕轴 线C的旋转相关联的力反馈。值得注意的是，当在人体内部操作时，在该 自由度下作用于实际器械上的力通常非常有限。但是，如果这种反馈仍然 需要，它可以通过使力与套筒23相对于传感器主体的旋转耦合来实现。 作为一个简单的例子，被动可变的制动器可设置到套筒23。这样的制动器 将引入阻力以转动套筒，并且该阻力可根据模拟变化。当然，主动的力反 馈也可以使用合适的执行机构设想，例如电动马达。然而重要的是这种执 行机构，如果安装在手柄上，是不能太重或者太大的，因为它可能在其他 方面对用户体验产生负面影响。

刚性轴21被安装到框架11的悬架部分16，以便可沿着纵向轴线C移 动。第三电动马达27被安装到悬架部分16，以沿轴线C将力传递至轴21。 通过马达27的操作，力反馈因此可以沿轴线C提供。传感器(未示出) 设置在悬架部分16中以检测轴相对于部分16的线性运动。在图示的例子 中，轴21在一侧上设置有齿条28，齿条28啮合马达轴的端部上的齿轮 29。轴21的任何线性运动将因此有效地被转换成旋转运动，其中扭矩可 以由马达27施加至轴21。线性运动的检测也是容易的，并且传感器可以 是集成到马达17中并设置为检测马达轴的旋转的旋转编码器。

框架11的底座12被安装到控制单元30，控制单元30包括通常地安 装在印刷电路板33上的驱动电路31和通信接口32。控制单元30可以被 合并在工作台(未示出)上。接口32被连接成接收来自手柄10和框架11 中的不同传感器的传感器信号，并且使这些信号与模拟系统2通信。接口 32还被连接成接收来自模拟系统2的力反馈信号，也就是作为用户动作的 结果作用在模拟器械上的力。驱动电路31连接到接口32，并设置为基于 来自模拟系统的力反馈信号驱动马达14、17和27。本文中，接口32经由 连接控制单元30的端子35与模拟系统的处理单元3的信号线34与模拟 系统连接。可选地，连接可以是无线的，例如蓝牙或WiFi。

界面装置1还包括停放装置(parking arrangement)40，以确保器械 10位于预定的停放位置41。装置40包括接收器42，接收器42以固定关 系安装到底座12(本文中，它被安装在控制单元30上)并适用于容纳刚 性轴21的远端21a。接收器42优选地具有使得轴21被引导进入充分确定 的位置的形状，在这里其通过合适的力保持就位。在本实施例中，接收器 42具有叉状形状。接收器42可以具有磁铁43，以将轴21固定在停放位 置41处。接收器的其它设计同样是可能的。

停放装置40还包括电子开关44，电子开关44提供表明轴21停放在 接收器42中的输出信号。开关44可以与磁铁43(如果存在)相集成，或 者可以是单独的装置。开关44通过通信线路45与接口32连接，并且接 口32设置为使输出信号与模拟系统2通信。

停放装置40因此将向模拟系统2提供表明器械处于其停放位置的信 号。在开始新的模拟之前通过要求器械10停放在该充分确定的停放位置， 模拟系统的自动校准是可能的。

本领域的技术人员认识到本发明决不仅限于上述描述的优选实施方 式。与此相反，在所附权利要求书的范围之内许多修改和变化是可能的。 例如，其他类型的传感器和编码器可以被使用，用于旋转和平移的检测。 例如，霍尔效应传感器或压电式传感器。此外，来自马达14和马达17的 扭矩传输可以包括合适的齿轮传动以代替带传动。