用于手术模拟系统的用户接口设备技术方案

一种用于触觉反馈内窥镜模拟的用户接口，包括：器械(5)，其具有管状构件(8)；框架(10)；支撑装置(11)，其相对于框架可旋转地布置，并且布置成通过与管状构件的相对侧摩擦接触的两个摩擦轮(19a、19b)沿着轴线A接纳管状构件。该用户接口还包括：力传感器，其检测在支撑装置和框架之间的力；和控制器(9)，其布置成接收来自所述计算机系统的期望的触觉反馈和来自所述力传感器的表示施加的力的传感器信号，并且布置成控制致动器以操作所述摩擦轮提供所述期望的触觉反馈。该系统可以提供阻力，该阻力更接近对应的在实际手术期间的阻力感觉，降到无阻力或甚至在器械上的拉力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利
本专利技术总体上涉及用于手术模拟系统的用户接口设备，并且更具体地涉及用于内窥镜检查的模拟器的接口。专利技术背景近年来，用于手术模拟的系统已经被越来越多使用，以便给医生培训各种手术程序，而避免把活的病人放在风险之中。尤其是在微创手术领域，例如腹腔镜检查、内窥镜检查、结肠镜检查等，这类模拟系统已经获得明显的公认。在微创手术期间，医生通常依赖屏幕上的图像，而不是依赖对病人的实际观察，并且在当今强大的图像绘制可用的情况下，此类图像可以用很高程度的真实感来模拟。在实际的手术期间，诸如Pentax i10系列内窥镜的器械包括具有控制器的手柄、信号接口和插入管。器械的插入管通过器械的纵向和旋转运动以及控制器的操作来操纵进入病人的体内。当插入管在内部器官的壁内和它们之间被操纵时，存在自然阻力。用于模拟内窥镜手术的系统优选地包括类似的接口和在使用时用于接纳该接口的装置。手柄可以包括类似于实际手术器械的控制器，该控制器通过信号接口为模拟系统提供输入，所述模拟系统给予操作者模拟的手术程序的可视图像，其中，控制器的操作引起给予的模拟响应，该模拟响应对应于实际手术器械的控制器的操作。管的操纵由装置中的传感器检测，该传感器为模拟系统提供对应于器械的纵向和旋转运动的信号。在此类装置中，优选地还存在致动器，该致动器为操作者提供触觉反馈，该触觉反馈仿效发生在实际手术中的阻力。在US6,926,531中描述了此类仪器的示例，其中用于使用内窥镜系统培训操作者的仪器被公开。在此仪器中，可旋转盘被布置成具有围绕盘的
旋转轴线的多个辊。一个力反馈马达被设置成抵抗盘的旋转，并且进一步地，多个力反馈马达被设置成抵抗辊的旋转。类似的辊的单独布置被设置，并且传感器被要求提供独立的线性检测和旋转检测。因此，仪器被要求对检测当提供力反馈时可能发生的损失敏感度低，并且插入管以使得辊滑动的方式被操纵。在US2012/0178062公开了另一个示例，电动马达和无源制动器的组合被用于涵盖力的范围。电动马达用于模拟较低范围的力，并且如果施加在内窥镜上的相应的力矩或力太强而不能通过马达来保持，则会使用动力制动器和机械制动器。该设计允许在一个方向上的运动，同时阻止在另一个方向上的运动。独立的传感器以及反馈机构的布置需要相对大量的空间，导致笨重且可能昂贵的设计。此外，还存在摩擦的问题，该摩擦由每个旋转部件引发，导致固有阻力，甚至在力反馈马达没有被操作时。专利技术概述本专利技术的目的是处理现有技术的缺点，并且提供改进的用户接口，该用户接口在功能上是强健的并且制造成本效益高。另一个目的是提供用户接口，该用户接口在使用时为用户提供更紧密地类似实际手术器械的体验。根据本专利技术的实施方案，这些和其它目的通过一种用于在计算机系统上实施的触觉反馈的内窥镜模拟的用户接口来实现，该用户接口包括：器械，其具有手柄和管状构件；框架；支撑装置，其相对于框架可旋转地布置，并且布置成沿着轴线A接纳管状构件。所述支撑装置包括：弹性压向彼此的两个摩擦轮，当管状构件被接纳在支撑装置中时，摩擦轮与管状构件的相对侧摩擦接触；第一旋转传感器，其布置成检测两个摩擦轮中的至少一个的旋转；以及至少一个致动器，其可操作地连接到所述摩擦轮。该用户接口还包括：力传感器，其布置成检测在支撑装置和框架之间的力；以及控制器，其布置成接收来自计算机系统的期望的触觉反馈和来
自所述力传感器的表示施加的力的传感器信号，并且布置成控制所述致动器以操作摩擦轮提供期望的触觉反馈。应由用户体验的期望的力反馈在计算机系统中实施的模拟中确定。控制器控制致动器提供此反馈力，但是还存在由摩擦轮产生的阻力。当操作者操纵该器械时，施加在框架上的实际力通过力传感器是可检测的，并且基于此反馈，控制器可以相应地调节由致动器施加的力。因此该系统将可能提供阻力，该阻力更接近对应的在实际手术期间的阻力感觉，降到无阻力或甚至在器械上的拉力。根据本专利技术的装置使沿着轴线A的任何摩擦的补偿成为可能，并且因此允许施加同等的大的双向力(bilateral force)以改善在管状构件和摩擦轮之间的摩擦。这减少了滑动的风险，同时因为致动器可以帮助器件在检测到的力的方向上的运动，所以允许操作者体验低阻力或无阻力。根据一个实施方案，两个摩擦轮和至少一个致动器具有旋转阻力，当管状构件被接纳在支撑装置中时，该旋转阻力被转化成沿着轴线A的平移阻力。控制器还可以因此布置成控制至少一个致动器以操作摩擦轮消除沿着轴线A的平移阻力。控制器可以基于来自力传感器的表示施加的力的传感器信号。换句话说，控制器因此布置成具有表示施加的力的调节反馈回路信号，并且控制器可以驱动致动器，使得摩擦轮在施加的力的方向上拉动或推动管状构件，大体上消除在支撑装置中固有的平移阻力。这允许摩擦轮用较大的双向力压靠在管状构件上，这减少了管状构件和摩擦轮之间的滑动的风险。因为提供更强健的功能，所以旋转传感器对于管状构件的运动更精确。因为来自力传感器的信号可以与期望的力反馈比较，所以在没有负面影响来自模拟的力反馈的情况下，固有阻力的消除可以实施。每个摩擦轮可以布置在可枢转臂上，使得所述摩擦轮可移动地与所述管状构件接触。支撑装置可以因此接受管状构件上的直径变动，并且通常在内窥镜检查中使用的具有较高级别的轴向力的较厚的管状构件将有利地用更高的双侧夹紧力被夹持在摩擦轮之间。根据一个实施方案，每个可枢转臂可操作地连接到连杆机构，该连杆机构包括：滑块，其沿着所述轴线A滑动布置；和两个连杆托架，每个连杆托架分别具有与所述滑块枢转连接的第一端和枢转连接到所述臂中的一个的第二端，使得当滑块沿着轴线A移动时，摩擦轮被压靠在管状构件上。这样的连杆机构确保由两个摩擦轮施加的对称的力。该力可以通过调节滑块来调节。可选地，滑块可以是弹簧加载的，这允许摩擦轮的压力自调节。此外，这样的机构可以能够调节管状构件的磨损。此连杆机构还可以有利地独立于本专利技术，即，也在用户接口方面而没有以上公开的力反馈控制。因此，连杆机构应被认为是单独的专利技术构思，可以成为分开的专利申请的主题。本专利技术人意识到，由于不同的磨损、生产公差和/或材料公差，摩擦轮对管状构件的恒定压力在管状构件的长度上造成不同的阻力。根据本专利技术的至少一个实施方案，通过摩擦轮施加在管状构件上的弹簧加载的或动态的力可以考虑这样的差异。根据一个实施方案，用户接口还包括至少一个弹簧，所述至少一个弹簧与摩擦轮互连，使得当管状构件被接纳在支撑装置中时，摩擦轮用对所述管状构件的预定的力弹性地压向彼此。虽然目的之一是减少滑动，但是也期望保持致动器输出的需要使得可以保持它们的大小和成本效益，并且这同样适用于任何使用的弹簧。因此，存在在摩擦力与双向力之间的平衡，所述摩擦力可以通过例如在摩擦轮上的花纹图案和/或材料来实现，所述双向力受例如有弹性的弹簧影响。所述摩擦轮中的每一个述管状构件的预定的力可以有利地等于或大于5N，或者等于或大于30N。所述摩擦轮中的每一个对管状构件的预定的力可以在10-50N的范围内，或者在35-45N的范围内，或者在38-42N的范围内。当管状构件被接纳在支撑装置中且被强迫侧向偏离轴线A时，所述至少一个弹簧可以布置成保持在所述摩擦轮之间的距离和力中的至少一个。装置允许两个摩擦轮本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在计算机系统(3)上实施的触觉反馈内窥镜模拟的用户接口，包括：器械(5)，其具有手柄(7)和管状构件(8)，框架(10；110)，支撑装置(11；111)，其布置成相对于所述框架围绕轴线A旋转，并且布置成沿着所述轴线A接纳所述管状构件，所述支撑装置包括：两个摩擦轮(19a、19b；119a、119b)，其中所述摩擦轮弹性地压向彼此，并且其中，当所述管状构件被接纳在所述支撑装置中时，所述摩擦轮与所述管状构件的相对侧摩擦地接触，第一旋转传感器(25a；125a)，其布置成检测所述两个摩擦轮中的至少一个的旋转，以及至少一个致动器(22a、22b；122a)，其可操作地连接到所述摩擦轮；所述用户接口还包括：力传感器(15；115)，其布置成检测在所述支撑装置和所述框架之间的力，以及控制器(9)，其布置成接收来自所述计算机系统的期望的触觉反馈和来自所述力传感器的表示施加的力的传感器信号，并且布置成控制所述致动器(22a、22b；122a)以操作所述摩擦轮来提供所述期望的触觉反馈。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.24 EP 14152548.51.一种用于在计算机系统(3)上实施的触觉反馈内窥镜模拟的用户接口，包括：器械(5)，其具有手柄(7)和管状构件(8)，框架(10；110)，支撑装置(11；111)，其布置成相对于所述框架围绕轴线A旋转，并且布置成沿着所述轴线A接纳所述管状构件，所述支撑装置包括：两个摩擦轮(19a、19b；119a、119b)，其中所述摩擦轮弹性地压向彼此，并且其中，当所述管状构件被接纳在所述支撑装置中时，所述摩擦轮与所述管状构件的相对侧摩擦地接触，第一旋转传感器(25a；125a)，其布置成检测所述两个摩擦轮中的至少一个的旋转，以及至少一个致动器(22a、22b；122a)，其可操作地连接到所述摩擦轮；所述用户接口还包括：力传感器(15；115)，其布置成检测在所述支撑装置和所述框架之间的力，以及控制器(9)，其布置成接收来自所述计算机系统的期望的触觉反馈和来自所述力传感器的表示施加的力的传感器信号，并且布置成控制所述致动器(22a、22b；122a)以操作所述摩擦轮来提供所述期望的触觉反馈。2.根据权利要求1所述的用户接口，其中，所述两个摩擦轮(19a、19b；119a、119b)和所述至少一个致动器(22a、22b；122a)具有旋转阻力，当所述管状构件(8)被接纳在所述支撑装置(11；111)中时，所述旋转阻力被转化成沿着所述轴线A的平移阻力，以及其中，所述控制器(9)还布置成基于来自所述力传感器(15；115)的表示所述施加的力的所述传感器信号来控制所述至少一个致动器以操
\t作所述摩擦轮来消除沿着所述轴线A的所述平移阻力。3.根据前述权利要求中任一项所述的用户接口，其中，所述支撑装置包括管(17)，所述管状构件可插入到所述管中，所述管在相对侧上具有开口(18a、18b)，所述开口为所述摩擦轮提供接近所述管状构件的入口。4.根据前述权利要求中任一项所述的用户接口，其中，每个摩擦轮(19a、19b；119a、119b)布置在可枢转臂(20a、21a、20b、21b；120a、120b)上，使得所述摩擦轮可移动到与所述管状构件接触。5.根据前述权利要求中任一项所述的用户...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德斯·拉尔森，克里斯特尔·约翰逊，马蒂亚斯·尼斯托姆，
申请(专利权)人：外科科学瑞典有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞典;SE