用于外科手术模拟系统的用户界面设备的制造方法
【专利说明】用于外科手术模拟系统的用户界面设备发明领域
[0001]本发明涉及一种用于外科手术模拟系统的触觉的用户界面设备，并且特别地涉及一种用于模拟腹腔镜手术的用户界面设备。
[0002]发明背景
[0003]近年来，已经越来越多地使用用于外科手术模拟的系统，以训练医师各种外科手术程序而不把活的患者置于风险。特别是在微创手术的领域中，例如腹腔镜术、内窥镜术、结肠镜检查术等等，这样的模拟系统已经获得显著的认可。在微创手术期间医师通常依靠屏幕上的图像而非依靠对患者的实际观察，并且使用当今可用的强大的图像渲染，可以使用非常高的现实程度模拟这样的图像。
[0004]为了与模拟软件交互，模拟系统还需要输入设备，即医师可以操作并且模拟实际的外科手术仪器的硬件。这样的输入设备应当在物理外观和功能上与实际的仪器相似。然而，它们必须还提供用于检测模拟的仪器的目前位置的传感器，由此使模拟软件能够在屏幕上提供合适的图像。此外，这样的设备优选地包括触觉反馈，即提供将在实际程序期间遇到的力的反馈。
[0005]在腹腔镜检查的情况下，输入设备的一个实例是来自Immers1n Corp的虚拟腹腔镜界面(VLI)。该设备包括对应于待插入患者中的仪器部分的刚性轴，以及医师可以使用其移动仪器的手柄。为了模拟实际仪器的自由度，其经过小的开口进入患者身体中，轴通过框架支撑在具有两个自由度(旋转α，β)的枢转点中。此外，轴可以沿着其纵向轴线以线性运动平移，即进入模拟人体和从其出来，并且可以围绕该纵向轴线旋转。手柄还包括握持部分，从而允许医师在仪器的端头处操作模拟的外科手术工具。输入设备包含用于包括轴的旋转的所有的自由度的传感器。大多数的传感器设置在枢轴转动点的邻近处，除了握持动作的传感器，其在手柄中被发现并且通过单独的信号接口设置在手柄上。该信号接口因此相对于框架是可运动的，并且用细绳连接至框架。正如在实际的仪器中，握持部分也可以相对于手柄的其余部分旋转，对应于该握持部相对于工作位置的调整。这样的调整不被传感器检测，并且不产生任何力反馈。
[0006]来自Immers1n Corp.的另一个实例是腹腔镜外科手术工作站，(LSW)。正如在VLI中，当手柄旋转时轴将旋转，要求在枢转点中检测旋转。然而，在这种情况下正是握持部分，其被固定地附接至轴。为了能够调整握持位置，可旋转的套筒布置在握持部分的前方，并且该套筒相对于手柄的旋转被单独地检测。相对于套筒移动握持部(以及整个的手柄)将因此旋转轴，但是握持部和套筒之间的相对旋转将被检测，使得模拟软件可能把这解释为握持部调整而非实际的仪器旋转。与VLI相似，握持动作在握持部分中检测。LSW是触觉设备，即其具有布置为提供在所有的自由度上的力反馈的致动器。在力反馈的方面，仅旋转套筒(这不旋转轴)和旋转整个手柄(包括套筒和轴)将导致相同的力反馈。
[0007]另一个实例是腹腔镜脉冲引擎(LIE)，也来自Immers1n Corp0在该实例中，轴具有旋转地固定的外部管子，该外部管子不旋转。而是，手柄相对于管子旋转，并且该运动通过在管子内侧延伸的轮轴传送至轴的远端端部，在该位置其被旋转译码器检测。通过设置在握持部分的上侧部的传感器，握持动作的检测与上文提到的LSW相似地进行。LIE因此也要求在设备的运动的部分上的两个信号接口，一个在轴的远端端部中，而一个在握持部分上。这些界面中的每一个需要用细绳连接至框架。
[0008]在本文本中的有关专利文献是US 6，323，837和US 6，902, 405。
[0009]虽然有许多已经是可用的用户界面，但是这些解决方案是机械地和电气地复杂，典型地在电路在多个位置之间分布情况下。此外，由于许多连接至设备的电缆以及在某些情况下连接至握持部分的电缆，它们不能够正确地模仿实际的外科手术仪器，例如腹腔镜。
[0010]本发明的大体内容
[0011]本发明的一个目的是解决现有技术的缺点，并且提供功能上可靠的并且制造起来有成本效益的改进的用户界面设备。另一个目的是向使用者提供在使用中提供更接近地相似于实际外科手术仪器的体验的用户界面设备。
[0012]根据本发明，这些目的和其他目的使用这样的设备实现，该设备包括:具有沿着纵向轴线的主要延伸部的刚性轴，刚性轴由框架可枢转地支撑，并且在轴向方向相对于框架是可运动的，但是关于框架相对于围绕纵向轴线的旋转被固定；以及手柄，其具有刚性地附接至刚性轴的传感器主体，以及围绕纵向轴线相对于传感器主体是可旋转的握持部分，握持部分适合于把使用者的握持运动转换为线性位移。手柄还包括围绕纵向轴线相对于传感器主体和握持部分是可旋转的转子套筒，适合于检测转子套筒相对于传感器主体的旋转的旋转传感器，以及安装在传感器主体上并且连接成接收来自旋转传感器的第一检测信号的信号接口。
[0013]这种设计的重要的特征是I)相对于围绕其纵向轴线的旋转被固定的轴，以及2)具有固定地附接至轴的传感器主体的手柄，以及相对于传感器主体是可旋转的的转子套筒。这些特征的组合在之前尚未公开，并且与现有技术用户界面设备相比提供了多个优点。
[0014]首先，所有的传感器元件和电子电路可以设置在传感器主体中或毗邻传感器主体，从而导致高效率的设计和制造。此外，也设置在传感器主体上的信号接口将经受平移运动，但是不经受围绕轴的纵向轴线的任何旋转运动。这减少了在连接至信号接口的任何电缆或线上的剪切应力的和磨损的量，从而提高了用户界面设备的寿命。
[0015]根据一个优选的实施方案，手柄还包括安装在传感器主体中的线性传感器，和用于把在握持部分中产生的任何线性位移传送至线性传感器的位移传送结构，其中信号接口连接成接收来自线性传感器的第二检测信号。
[0016]根据该实施方案，此外握持动作可以在传感器主体中被检测，使得在握持部分中不需要传感器电路。握持部分可以因此是纯粹地机械的设备，从而有助于手柄的制造。
[0017]此外，因为需要仅一个单一的信号接口(从传感器主体)，所以需要仅一个电缆或线。特别地，握持部分完全地没有电缆或线。
[0018]在优选的实施方案中，用户界面设备布置为把触觉反馈提供至使用者。为了该目的，多个致动器可以安装在框架上以当轴和手柄相对于框架旋转或平移时提供力反馈。通常，在至少一个线性的自由度和两个旋转的自由度中提供力反馈。
[0019]此外，布置为提供围绕第一轴线(B)的力反馈的致动器可以有利地安装在框架的围绕第二轴线(A)与所述手柄一起旋转的部分上。这意味着在致动器和第一轴线之间延伸的力传送装置，例如传动皮带或线，将在固定的路径中运行，即将不经受扭曲或扭转。在用于外科手术模拟的用户界面设备的框架上的力反馈致动器的这种结构被认为是本身是新颖的并且有创造性的，此外不限于权利要求1的特征。
[0020]刚性轴可以具有在一个侧部上的齿条，该齿条接合在所述框架上的齿轮，由此把轴的线性运动转换为齿轮的旋转。这种设计可以是能够检测轴位置，以及经由被连接至齿轮的致动器的力反馈的有效的方式。
[0021]附图简述
[0022]参照附图将更详细地描述本发明，附图示出了本发明的目前优选的实施方案。
[0023]图1是根据本发明的一个实施方案的具有用户界面设备的外科手术模拟系统的示意图。
[0024]图2是根据本发明的一个另外的实施方案的具有用户界面设备的外科手术模拟系统的不意图。
[0025]图3是图1中的手柄的侧视图。
[0026]图4是图2中的手柄的侧视图。
[0027]优选实施方案详述
[0028]图1示出了根据本发明的一个实施方案的用户界面设备1，作为模拟系统2的一部分示意性地被连接。
[0029]模拟系统2包括运行用于模拟外科手术程序的模拟软件的处理单元3，以及用于把模拟的程序的可视化向使用者显示的显示器4。界面设备I连接至模拟系统，并且允许使用者为系统2提供输入，由此与在显示器设备中可视化的模拟交互。在此图示的界面是触觉装备，即其适合于以界面的至少一些程度的自由度向使用者提供来自模拟的力反馈。注意，本发明不限于触觉界面，而是也适用于非触觉界面。
[0030]用户界面设备I包括由框架11可枢转地悬挂的可运动的仪器10。框架11允许仪器10围绕第一轴线A和第二轴线B旋转，第二轴线B通常正交于第一轴线A。
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