[发明专利]用于虚拟手术训练实现人机交互的手术刀接口装置

说明书

技术领域

本发明涉及辅助医疗器械技术领域，具体涉及用于虚拟手术训练实现人机交互的手术刀接口装置。

背景技术

随着科技的发展，人们对生命健康品质的要求越来越高，世界各国对医疗技术特别是外科手术的安全性提出更高的要求，统计数据表明，临床手术的失误80%是人为失误引起的。美国一家医疗保健评级机构HealthGrades开展了一项为期3年的调查，结果表明：在调查期间，共有23万人死于手术失误，所以手术训练对于年轻外科医生的成长极为重要，然而传统手术训练方式存在诸多问题，为了解决传统手术训练方式的局限性，虚拟手术技术成为近年研究热点之一。

传统的手术训练依赖于活体动物、动物和人的尸体、病人、无机材料合成模型等，许多问题使手术训练面临严峻的挑战，活体动物一般不能准确反应出人体解剖学特征，成本较高并受动物保护相关法律的制约；动物尸体较为便宜，仍然存在与人体的解剖学特征相差甚远的问题；人的尸体数量较少，与活体的器官组织具有不同的生理特征，不能产生流血、血压等生理现象，并且具有不可重复性特点，还涉及到道德和伦理问题；在针对病人进行手术训练时，不良的深度触觉、有限的视觉区域和不当的手眼协调性很容易对病人产生伤害，存在着很大的危险性；无机材料合成模型的缺点较为明显，包括存在生理特征重现性差和解剖学特征有限的变化性等问题。因此年轻外科医生参与手术训练的机会和次数受到了很大的限制，而想要达到必须的技能水平需要长时间的学习和反复的训练，例如，一个医生要想使锁孔手术达到熟练的程度需要至少750次的手术过程训练。随着机器人技术、计算机图形学、生物工程学和数学建模技术的高速发展，基于虚拟现实的虚拟手术训练系统为医护人员的手术训练提供了机会，也为传统手术训练所面临的一系列问题提供了一种具有潜力的解决方案。虚拟手术训练过程中，医生通过力触觉设备对虚拟的器官进行手术，感觉好像他们处在真实的环境当中对真实的器官操作一样，虚拟手术不仅可以毫无限制的重复操作，而且可以根据需要设置不同训练难度，让不同级别的医疗人员反复训练，训练的结果也可以保存起来方便以后的学习，训练所花的成本也非常低。同时可以用来评估手术结果，包括完成手术时间、手术操作的精确度、动作的简洁性、人为失误的数量、手术路径的长度、患者的安全性、受训者个人满意程度等，通过这些基本参数的提高，可以保证手术成功和减低病人痛苦，提高手术成功率。虚拟手术中获得的经验可以应用于实际手术中， Reznick 和MacRae的研究表明：通过虚拟手术训练的医生在做解剖手术时其速度更快，失误更少并且动作更简洁性得分更高，根据Larsen和 Soerensen等人的评估，从虚拟手术训练中获得的经验可以直接用于手术室中，在初次手术中，经过一定程度训练的医生操作水平能够达到经过一年或更长时间临床训练医生的水准。因为虚拟手术训练系统提供了种既安全又节省的训练方案并被实践证明行之有效，已得到世界各国越来越多的关注。

目前存在的用于虚拟手术训练实现人机交互的手术工具接口装置中，不管是已商业化的力觉交互装置，还是基于这些设备开发的力触觉交互装置，或是其它新开发的力触觉交互装置，大多数由电机驱动的主动力触觉交互装置，主动型力触觉交互装置用于虚拟手术训练时具有很大的灵活性，但存在着以下问题：

（1）稳定性相对较差，这主要是由电机或其它主动驱动器自身固有的特性造成的；

（2）保真性相对较差，在模拟硬接触如对牙齿或骨骼手术时电机处于堵转状态易产生振动，造成与真实环境手术相比，失真较大，在模拟人体肌体软组织手术时，因为人体肌体组织特别是内脏组织不是完全意义上的弹性体，在受压、切割或针刺时是非线性的弹性形变，存在一定的粘滞性特征，因此利用主动交互设备对这些组织手术过程的模拟存在较大的失真；

（3）存在一定的危险性，尽管目前的虚拟手术训练交互装置集成了许多冗余部件以确保整个系统操作的安全性，事实上这些冗余设计策略也大大地减少了手术事故的风险性，但可能存在的系统失效会使患者受到伤害，导致系统失效的因素有电机、放大器、传感器等故障，也有可能是复杂控制算法中存在的未被发觉的程序错误，另一方面电机的反冲力容易对操作者产生伤害；

（4）体积较大，研究表明，产生相同大小的力，主动驱动器的体积要比被动驱动器大得多，由此造成驱动机构的惯量、摩擦力都比较大，也容易造成较大的失真；