基于外科手术缝合受力模型的受力计算方法

技术领域

本发明专利涉及传感器技术领域，具体涉及一种构建外科手术力量系统的有效性。

背景技术

腹腔镜手术需要外科医生学习一套新的技能，其中最相关的是组织处理。对组织施加过多的力量会在操作过程中造成破裂，或在操作时造成组织的局部缺血。本研究的目的在于基于缝合任务中产生的力信号，和用于评估组织处理相互作用的力参数，建立外科手术系统中腹腔镜手术的评估体系。

目前，一种基于手术模型的理论计算(参见Salvador Montoya-Alvarez1 ArturoMinor-Martínez1 Ricardo Manuel Ordorica-Flores2 Luis Padilla-Sánchez·JesúsTapia-Jurado Ferna ndo Pérez-Escamirosa5 34.Construct validity of theSurgForce system for objective assess ment of laparoscopic suturingskills.https://doi.org/10.1007/s00464-020-07873-1)，该理论模型具有响应速度快的特点，但是由于传感器精度较低，以及假皮模型材料的弹性影响，导致最终测得的数据精度有较大的误差。

发明内容

针对上述现有技术，基于调研结果以及数据分析，本发明提出一种基于外科手术缝合受力模型的受力计算方法，建立受力理论模型，通过布置在手术假皮模型边缘的四个六维力/力矩传感器，采集所需要的三个方向的力和力矩大小信息，并通过换算近似得出手术过程中的实时施术位置与受力大小，并以此为基础分析手术人员远程手术的施术精度和施力大小，最终辅助手术人员对手术过程进行评估。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于外科手术缝合受力模型的受力计算方法，具体步骤如下：

步骤1、建立外科手术缝合受力模型，该受力模型包括假皮人肉组织模型、模型支撑板和四个六维力/力矩传感器，所述假皮人肉组织模型安装在所述的模型支撑板上，所述的四个六维力/力矩传感器分别设置在所述模型支撑板底面的四角处，所述的四个六维力/力矩传感器分别记为第一六维力/力矩传感器、第二六维力/力矩传感器、第三六维力/力矩传感器和第四六维力/力矩传感器；

步骤2、在假皮人肉组织模型上进行手术缝合时，所述的假皮人肉组织模型受力后，所述的四个六维力/力矩传感器测出以各自的四个六维力/力矩传感器为坐标原点的笛卡尔坐标系x、y、z方向的三个分力，及分别相对x、y、z轴的三个力矩，设四个六维力/力矩传感器的参数分别如下：

第一六维力/力矩传感器的三个分力分别为Fx1，Fy1，Fz1，三个力矩分别为Tx1，Ty1，Tz1；

第二六维力/力矩传感器的三个分力分别为Fx2，Fy2，Fz2，三个力矩分别为Tx2，Ty2，Tz2；

第三六维力/力矩传感器的三个分力分别为Fx3，Fy3，Fz3，三个力矩分别为Tx3，Ty3，Tz3；

第四六维力/力矩传感器的三个分力分别为Fx4，Fy4，Fz4，三个力矩分别为Tx4，Ty4，Tz4；

已知所述模型支撑板及所述假皮人肉组织模型的大小，通过所述的四个六维力/力矩传感器获得上述所有的分力和力矩，计算出缝合力F的大小及方向；再根据上述的12个力矩的大小推算出受力点A的位置。

进一步讲，本发明所述的受力计算方法，其中：计算所述缝合力F相对所述假皮人肉组织模型中心建立的笛卡尔坐标系的大小及方向，

1)计算缝合力F的大小：

设缝合力F在该笛卡尔坐标系x方向受力为Fx，Fx＝Fx1+Fx2+Fx3+Fx4 (1)

设缝合力F在该笛卡尔坐标系y方向受力为Fy，Fy＝Fy1+Fy2+Fy3+Fy4 (2)

设缝合力F在该笛卡尔坐标系z方向受力为Fz，Fz＝Fz1+Fz2+Fz3+Fz4-Mg (3)

2)确定受力点F的位置：

根据各六维力/力矩传感器在假皮人肉组织模型上建立的笛卡尔坐标系，得：

Tzn＝-Fxn*x+Fyn*y (4)

Tyn＝-Fxn*z-Fzn*x (5)

Txn＝Fyn*z+Fzn*y (6)

式(4)至(6)中，n＝1，2，3，4；

利用所述的四个六维力传感器测得的所有力矩以及上述公式(1)至(3)得到的假皮人肉组织模型在受力点A的x，y，z三个方向得到的分力；将力矩和分力代入式(4)至式(6)得到受力点A的坐标(x

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)与本发明建立的外科手术缝合受力模型对应的训练器和虚拟现实模拟器可以为腹腔镜技能的练习和培训以及外科医生和外科住院医师的表现评估提供了一个安全的环境。特别是腹腔镜训练器，提供了一个真实的环境，使用标准腹腔镜器械，重现了自然的触觉反馈。

(2)在外科手术缝合受力模型(训练器)的底部四角加上了四个六维力/力矩传感器使他们能够进行客观的评估手术性能和腹腔镜器械产生的力量反馈。本发明建立的外科手术缝合受力模型是基于加速度测量仪来测量应用于组织的动态力，并对缝合过程中先进的腹腔镜技术进行客观评估。由四个六维力/力矩传感器构成的传感器系统提供了一个有价值的工具来定性评价针穿刺和缝线打结时所施加的力。本发明通过在假皮人肉组织模型的四个角均放置了六维力/力矩传感器，通过四组数据得到的信息将更加准确，其误差会更低。

(3)本发明使用成本很低，每次使用后仅仅需要更换假皮组织即可，并且可以多次循环使用，方便快捷。

附图说明

图1是本发明中外科手术缝合受力模型的立体结构示意图；

图2是本发明实施例中受力点的确定及力大小示意图。

图中：1-第一六维力/力矩传感器，2-第二六维力/力矩传感器，3-第三六维力/力矩传感器，4-第四六维力/力矩传感器，5-假皮人肉组织模型，6-模型支撑板。

具体实施方式

本发明涉及传感器技术领域，本发明的设计思路是构建外科手术力量系统的有效性。其中建立的基于缝合手术的受力模型包括假皮人肉组织模型、模型支撑板、六维力/力矩传感器及相应的安装和固定组件，将四个六维力/力矩传感器固定在模型支撑板的四角下面固定安装，将假皮人肉组织模型安装在模型支撑板上面、且固定安装。在进行模拟手术时，模型支撑板四个角下面的四个六维力/力矩传感器可以测出假皮人肉组织模型受到的力，通过代入本发明提供的受力模型就可以准确的得出受力点的位置和力的大小。从而可以解决现有外科模拟手术信息采集的问题。由四个六维力/力矩传感器构成的力传感系统可以准确的得出手术时的受力信息，对于经验较少的医生的练习和学习，以及采集专家的手术信息，对医疗机器人的进一步研究等，都有着重要意义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1所示，本发明中建立的外科手术缝合受力模型，包括假皮人肉组织模型5、模型支撑板6和四个六维力/力矩传感器，所述假皮人肉组织模型5安装在所述的模型支撑板6上，本实施例中，所述模型支撑板6的长、宽、高分别为L、B、H，质量为M；所述的四个六维力/力矩传感器分别设置在所述模型支撑板6底面的四角处，所述的四个六维力/力矩传感器分别记为第一六维力/力矩传感器1、第二六维力/力矩传感器2、第三六维力/力矩传感器3和第四六维力/力矩传感器4。如图2所示，六维力/力矩传感器的功能主要为测量三个方向的力和力矩分量的力传感器，在笛卡尔坐标系中力和力矩可以各自分解为三个分量。

在模拟手术缝合的实验过程中，假皮人肉组织模型5受到了一个未知方向，未知大小的力，利用四个六维力/力矩传感器均能测得相应的数值。其原理是：在图2所示的实施例中，操作人员在假皮人肉组织模型5上进行缝合手术，在做手术的过程中，假皮会受力，受力的同时，模型支撑板6下面的四个六维力/力矩传感器1、2、3、4可以读出一定的数值，将这些数值代入本发明中推导出来的公式，可以得出假皮受力的大小和具体的位置，对于研究外科手术和外科手术的练习等领域都有着重要的意义。

在假皮人肉组织模型5上进行手术缝合时，所述的假皮人肉组织模型5受力后，所述的四个六维力/力矩传感器测出以各自的四个六维力/力矩传感器为坐标原点的笛卡尔坐标系x、y、z方向的三个分力，及分别相对x、y、z轴的三个力矩，设四个六维力/力矩传感器的参数分别如下：

第一六维力/力矩传感器1的三个分力Fx1，Fy1，Fz1及三个力矩Tx1，Ty1，Tz1；

第二六维力/力矩传感器2的三个分力Fx2，Fy2，Fz2及三个力矩Tx2，Ty2，Tz2；

第三六维力/力矩传感器3的三个分力Fx3，Fy3，Fz3及三个力矩Tx3，Ty3，Tz3；

第四六维力/力矩传感器4的三个分力Fx4，Fy4，Fz4及三个力矩Tx4，Ty4，Tz4；

推导过程即由传感器上读得的12个力的大小及12个力矩，以及已知的所述模型支撑板5及所述假皮人肉组织模型5的大小，计算出缝合力F的大小及方向，再根据上述的12个力矩的大小推算出受力点A的位置。

计算所述缝合力F相对所述假皮人肉组织模型5中心建立的笛卡尔坐标系的大小及方向，推导公式如下：

求坐标系x方向力的大小，设受力为Fx，Fx＝Fx1+Fx2+Fx3+Fx4 (1)

求坐标系y方向力的大小，设受力为Fy，Fy＝Fy1+Fy2+Fy3+Fy4 (2)

求坐标系z方向力的大小，设受力为Fz，Fz＝Fz1+Fz2+Fz3+Fz4-Mg (3)

由式(1)至(3)可求得F力的大小为：

求F力的位置：

根据各六维力/力矩传感器在假皮人肉组织模型(5)上建立的笛卡尔坐标系，得：

Tzn＝-Fxn*x+Fyn*y (4)

Tyn＝-Fxn*z-Fzn*x (5)

Txn＝Fyn*z+Fzn*y (6)

式(4)至(6)中，n＝1，2，3，4，分别对应第一、第二、第三和第四六维力/力矩传感器。在假皮人肉组织模型5上，以图2所示的方式建立笛卡尔坐标系，利用所述的四个六维力传感器测得的所有力矩以及上述式(1)至(3)得到的假皮人肉组织模型5在受力点A的x，y，z三个方向得到的分力，设受力点的坐标。

以第一六维力/力矩传感器1为例来说明，在假皮人肉组织模型5上建立的笛卡尔坐标系，得：

Tz1＝-Fx1*x+Fy1*y (4)

Ty1＝-Fx1*z-Fz1*x (5)

Tx1＝Fy1*z+Fz1*y (6)

将上述三个式联立，将第一六维力/力矩传感器将所测得力矩和分力代入式(4)至式(6)，可求得x，y，z，可确定受力点A的坐标(x

根据第一六维力/力矩传感器1的例子，同理，可以依次推出第二六维力/力矩传感器2、第三六维力/力矩传感器3、第四六维力/力矩传感器4的结果，即每个六维力/力矩传感器都可以测出一个位置，本发明中采用四个六维力/力矩传感器是为了避免一个传感器存在的偶然误差，让缝合位置误差更小，使缝合受力点的测得位置与实际位置尽可能的一致，缝合受力点的实际位置即在四个六维力/力矩传感器各自得出结果的某一范围内(该范围的区域仅为传感器的误差)，从而可确定缝合受力点的精确位置。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。