Механизм генерации усилия на имитатор медицинского инструмента

Изобретение относится к медицинской технике, к устройству, обеспечивающему обратные тактильные ощущения при манипулировании имитатором медицинского инструмента, и может быть использовано в медицинских тренажерах эндоскопической хирургии, при моделировании виртуального медицинского вмешательства, где хирург, проводит тренировочную хирургическую операцию в моделируемой среде, оперируя имитаторами медицинских инструментов, подобными реальным инструментам. Механизм генерации усилия на имитатор медицинского инструмента содержит устройства линейного, вращательного и углового перемещений инструмента с датчиками слежения за перемещениями инструмента. Устройство линейного перемещения инструмента выполнено в виде линейного электромагнитного двигателя с размещенным внутри имитатором медицинского инструмента с магнитами внутри. Устройства вращательного и углового перемещения инструмента выполнены в виде основания, на котором закреплен статор первого двигателя, к ротору которого прикреплен кронштейн с закрепленным на нем статором второго двигателя, к ротору которого прикреплен линейный электромагнитный двигатель, соединенный с блоком управления двигателями. Первый двигатель и второй двигатель являются электромагнитными двигателями с управляемым магнитным полем статора и соединены с блоком управления двигателями. Изобретение позволяет генерировать равномерное усилие и удерживать оси свободы механизма в заданном положении, исключает явления неравномерности силового воздействия на имитатор медицинского инструмента в процессе работы. 1 ил.

 

Изобретение относится к медицинской технике, к устройству, обеспечивающему обратные тактильные ощущения при манипулировании имитатором медицинского инструмента. Механизм может быть использован в медицинских тренажерах эндоскопической хирургии, при моделировании виртуального медицинского вмешательства, где хирург проводит тренировочную хирургическую операцию в моделируемой среде, оперируя имитаторами медицинских инструментов, подобными реальным инструментам.

Известен патент (US 8764448 В2, 01.09.2010 г.) «Robotic device for use in image-guided robot assisted surgical training», «Роботизированное устройство для использования при хирургическом роботоассистированном обучении под визуальным контролем». Роботизированное устройство для использования при хирургическом роботоассистированном обучении под визуальным контролем, роботизированное устройство сочетает в себе структуру ручного интерфейса, предназначенного для имитации управления хирургическим инструментом; поступательный механизм поступательного движения структуры ручного интерфейса; вращательный механизм вращательного движения структуры ручного интерфейса; и сферический механизм, предназначенный для разделения ориентации структуры ручного интерфейса на пространственные координаты, где связи между вращательным механизмом, вращательным механизмом и сферическим механизмом, и структурой ручного интерфейса расположены на противоположных сторонах пересечения поперечной оси и вертикальной оси сферического механизма.

Известен патент (US 7023423 В2, 18.01.1995 г.) «Laparoscopic simulation interface», «Лапароскопический симуляционный интерфейс». Метод и аппарат для обеспечения высокого диапазона рабочих частот и низкочастотного шума механического ввода-вывода компьютерных систем. Шарнирный механизм обеспечивает две вращательные степени свободы для объекта относительно двух осей вращения. Элемент линейной оси связан с шарнирным механизмом в точке пересечения двух осей вращения. Элемент линейной оси может быть перемещен вдоль третьей оси для обеспечения третьей степени свободы. Пользовательский объект связан с элементом линейной оси и, таким образом, может быть перемещен вдоль третей оси, так чтобы объект мог быть перемещен вдоль всех трех степеней свободы. Преобразователи, связанные с обеспечиваемыми степенями свободы, включают в себя датчики и приводы и обеспечивают электромеханический интерфейс между объектом и цифровой системой обработки. Ведущая ось приводит в действие передаваемое усилие механизмов между преобразователями и объектом. Элемент линейной оси может также вращаться относительно его продольной оси для обеспечения четвертой степени свободы и, в некоторых случаях, не закрепленный на оси шарнирный механизм связан с элементом линейной оси для обеспечения пятой и шестой степеней свободы объекта. Датчики преобразователя соединены с четвертой, пятой и шестой степенями свободы. Интерфейс подходит для симуляции медицинских процедур и симуляций, в которых объект, такой как стило или джойстик, движется и управляется пользователем.

Известен «Механизм генерации обратной тактильной связи на инструмент по усилию» взятый нами за прототип (патент на полезную модель RU 139350). Механизм содержит устройства линейного, вращательного и углового перемещений инструмента с датчиками слежения за перемещениями инструмента для обеспечения тактильных ощущений. На коробчатом основании прямоугольного сечения установлен кронштейн, который неподвижно закреплен на вертикальном валу вращения, взаимодействующий гибкой связью с двигателем, установленным внутри основания. А в верхней части кронштейна установлен вал со шкивом, соединенный гибкой связью с двигателем на кронштейне, при этом на боковой поверхности шкива закреплен линейный электромагнитный двигатель с размещенным внутри трубчатым инструментом с магнитами внутри. Недостаток данного механизма заключается в неравномерности усилия генерируемого на имитатор медицинского инструмента, отсутствует возможность удерживания осей свободы механизма в заданном положении, причиной недостатков является использование в механизме коллекторных двигателей, наличие редукторов и переходных механизмов между двигателями и осью свободы.

Техническая задача заключается в создании механизма генерации усилия на имитатор медицинского инструмента, позволяющего генерировать равномерное усилие и удерживать оси свободы механизма в заданном положении, исключение явления неравномерности силового воздействия на имитатор медицинского инструмента в процессе работы.

Решаемая техническая задача в механизме генерации усилия на имитатор медицинского инструмента, содержащий устройства линейного, вращательного и углового перемещений инструмента с датчиками слежения за перемещениями инструмента, где устройство линейного перемещения инструмента выполнено в виде линейного электромагнитного двигателя с размещенным внутри имитатором медицинского инструмента с магнитами внутри достигается тем, что устройства вращательного и углового перемещения инструмента выполнены в виде основания, на котором закреплен статор первого двигателя, к ротору которого прикреплен кронштейн с закрепленным на нем статором второго двигателя, к ротору которого прикреплен линейный электромагнитный двигатель, соединенный с блоком управления двигателями, при этом первый двигатель и второй двигатель являются электромагнитными двигателями с управляемым магнитным полем статора и соединены с блоком управления двигателями.

На чертеже представлен общий вид механизма генерации усилия на имитатор медицинского инструмента.

Механизм генерации усилия на имитатор медицинского инструмента содержит основание 1, на котором закреплен статор первого двигателя 2, к ротору 3 которого прикреплен кронштейн 4. На кронштейне 4 закреплен статор второго двигателя 5, к ротору 6 которого прикреплен линейный электромагнитный двигатель 7 с датчиком слежения за инструментом (не показан) и установленным внутри него имитатором медицинского инструмента 8. Блок управления двигателями 9 закреплен на основании 1. Датчики слежения за инструментом 10, 11 установлены на основании 1 и на кронштейне 4 соответственно и соединены с блоком управления двигателями 9. Первый двигатель, второй двигатель и линейный электромагнитный двигатель 7 соединены с блоком управления двигателями 9.

Первый и второй двигатели выполнены в виде двигателей с управляемым магнитным полем статора (вентильный двигатель). В вентильных двигателях токами в обмотках статора управляет микропроцессор, путем управления силовыми ключами (вентилями). Микропроцессор анализирует информацию с датчиков положения ротора и за счет ШИМ сигнала и управления силовыми ключами подает на катушки статора необходимое напряжение, управляя, таким образом, вектором магнитного поля статора так, чтобы поддерживать максимальный вращающий момент ротора. Электронное управление вектором магнитного поля статора позволяет в каждый момент времени поддерживать одинаковое усилие на роторе при его вращении, в отличие от коллекторных двигателей, где происходит механическое переключение катушек статора, в результате чего существует неравномерность усилия на роторе в каждый момент времени. Также управление вектором магнитного поля статора позволяет удерживать оси свободы механизма в заданном положении, при этом задается постоянное направление вектора магнитного поля статора, ротор поворачивается в соответствии с заданным вектором магнитного поля статора и остается в этом положении, что невозможно в коллекторных двигателях.

Описание работы и управления вентильных двигателей опубликовано в следующих источниках: Герман-Галкин С.Г. Глава 9. Модельное проектирование синхронных мехатронных систем // Matlab & Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК. - СПб.: КОРОНА-Век, 2008. - 368 с - ISBN 978-5-903383-39-9; Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г. Глава 8. Адаптивно-модальное управление в следящих системах с бесконтактными моментными двигателями // Автоматизированный электропривод с упругими связями. - 2-е изд., перераб. и доп. - СПб: Энергоатомиздат, 1992. - 288 с - ISBN 5-283-04544-7; Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. - М.: "Академия", 2006. - 272 с-ISBN 5-7695-2306-9. Микеров А.Г. Управляемые вентильные двигатели малой мощности: Учебное пособие. - СПб: СПбГЭТУ, 1997. - 64 с.

Первый и второй двигатели выполнены в виде бесколлекторного синхронного трехфазного двигателя, который является двигателем с управляемым магнитным полем статора, модель iPower GBM8108-90T компании iFlight-RC Ltd (http://www.iflight-rc.com). Датчики слежения за инструментом 10, 11 выполнены на основе линейного энкодера модель AS5311 компании AMS AG (http://www.ams.com). Блок управления двигателями 9 выполнен на основе микропроцессора.

Рассмотрим в работе механизм генерации усилия на имитатор медицинского инструмента.

Во время работы обучаемый совершает манипуляции имитатором медицинского инструмента 8, установленным в механизме, осуществляя тренировочную хирургическую операцию в виртуальной среде, моделируемой, например, ЭВМ (не показано), при этом положение имитатора медицинского инструмента 8 синхронизировано с положением виртуального инструмента. Имитатор медицинского инструмента 8 установлен в механизме, его положение отслеживается в трех координатах датчиками слежения за инструментом 10, 11 и датчиком слежения за инструментом (не показан) в линейном электромагнитном двигателе 7 и используется для построения виртуальной картины операции. При отключенных двигателях имитатор медицинского инструмента 8 свободно перемещается в трех координатах, за счет свободного вращения ротора первого двигателя 3, ротора второго двигателя 6 и линейного перемещения в линейном электромагнитном двигателе 7 происходит только отслеживание положения имитатора медицинского инструмента 8.

При взаимодействии виртуального медицинского инструмента с объектом в моделируемой среде (с виртуальным органом, другим инструментом или др.) ЭВМ (не показано) подает на блок управления двигателями 9 сигнал о направлении и величине усилия, блок управления двигателями 9 подает управляющее напряжение на статор первого двигателя 2, статор второго двигателя 5 или линейный электромагнитный двигатель 7, при этом на имитаторе медицинского инструмента 8 возникает усилие, препятствующее перемещению инструмента. При подаче управляющего напряжения на статор первого двигателя 2, основание 1 и статор первого двигателя 2 остаются неподвижными, а ротор первого двигателя 3 начинает совершать вращательное движение совместно с кронштейном 4, вторым двигателем и линейным электромагнитным двигателем 7, имитируя, таким образом, усилие на имитаторе медицинского инструмента 8. При подаче управляющего напряжения на статор второго двигателя 5 ротор второго двигателя 6 начинает совершать вращательное движение совместно линейным электромагнитным двигателем 7, имитируя, таким образом, усилие на имитаторе медицинского инструмента 8. При подаче управляющего напряжения на линейный электромагнитный двигатель 7 имитатор медицинского инструмента 8 с магнитами внутри начинает совершать поступательное движение вдоль оси линейного электромагнитного двигателя 7, имитируя, таким образом, усилие на имитаторе медицинского инструмента 8. За счет того что первый и второй двигатели это двигатели с управляемым магнитным полем статора, а также отсутствие переходных механизмов между двигателем и осью вращения (шестеренок или гибкой связи), усилие, которое они создают на имитаторе медицинского инструмента 8, будет равномерным.

Рассмотрим алгоритм работы блока управления двигателями 9. Проводят калибровку первого и второго двигателей, для этого подавая управляющее напряжение на статор первого 2 и статор второго 5 двигателя с дискретным шагом поворачивают вектор магнитного поля статора каждого двигателя вслед за которым поворачивается ротор соответствующего двигателя, в процессе поворота регистрируют значения с датчиков слежения за инструментом 10 и 11 для первого и второго двигателя соответственно, в результате для каждого двигателя формируется массив соответствия значений «положения магнитного поля статора» с «положением ротора». Массив соответствия значений «положения магнитного поля статора» с «положением ротора» позволяет осуществить точное управление двигателем и в любой момент времени создать на роторе двигателя необходимое направление и величину усилия. Блок управления двигателями 9 получает информацию о положении ротора первого 3 и второго 6 двигателя с датчиков слежения за инструментом 10 и 11, используя массив соответствия значений «положения магнитного поля статора» с «положением ротора» подает управляющее напряжение на статор первого 2 или статор второго 5 двигателя, таким образом, чтобы на роторе первого 3 или роторе второго 6 двигателя соответственно возник момент вращения, для создания усилия на имитаторе медицинского инструмента 8. Блок управления двигателями 9 получает информацию с датчика слежения (не показан) в линейном электромагнитном двигателе 7 о положении имитатора медицинского инструмента 8 внутри линейного электромагнитного двигателя 7. Блок управления двигателями 9 подает управляющее напряжение на линейный электромагнитный двигатель 7, катушки внутри двигателя генерируют магнитное поле, которое взаимодействует с магнитами внутри имитатора медицинского инструмента 8, создавая, таким образом, усилие на имитаторе медицинского инструмента 8.

Удержание осей свободы механизма в заданном положении осуществляется следующим образом. Блок управления двигателями 9 получает информацию о положении ротора первого 3 и ротора второго 6 двигателей с датчиков слежения за инструментом 10 и 11 соответственно, используя массив соответствия значений «положения магнитного поля статора» с «положением ротора» блок управления двигателями 9 подает управляющее напряжение на катушки статора первого 2 или статора второго 5 двигателя, таким образом, чтобы положение магнитного поля статора соответствовало текущему положению ротора, фиксируя при этом положение магнитного поля статора, в результате на роторе двигателя в данный момент времени не возникает вращающий момент, он возникает при попытке повернуть ротор в одну или другую сторону от заданного положения при манипуляции имитатором медицинского инструмента 8. При сильном отклонении ротора первого 3 или ротора второго 6 двигателя от заданного положения блок управления двигателями 9 подает управляющее напряжение на статор двигателя, стремясь повернуть ротор до заданного положения. Для удержания имитатора медицинского инструмента 8 внутри линейного электромагнитного двигателя 7 блок управления двигателями 9 фиксирует информацию с датчика слежения за инструментом (не показан) о положении имитатора медицинского инструмента 8 и при его смещении относительно зафиксированного положения подает управляющее напряжение на линейный электромагнитный двигатель 7 так, чтобы вернуть имитатор медицинского инструмента 8 в заданное положение. Удержание осей свободы механизма в заданном положении позволяет имитировать усилие на имитаторе медицинского инструмента 8, возникающее при захвате медицинским инструментом какого-либо объекта в виртуальной среде, что невозможно сделать при использовании коллекторных двигателей.

Механизм генерации усилия на имитатор медицинского инструмента содержит двигатели с управляемым магнитным полем статора, точное управление которым позволяет генерировать равномерное усилие на имитатор медицинского инструмента и удерживать оси свободы механизма в заданном положении.

Механизм генерации усилия на имитатор медицинского инструмента, содержащий устройства линейного, вращательного и углового перемещений инструмента с датчиками слежения за перемещениями инструмента, где устройство линейного перемещения инструмента выполнено в виде линейного электромагнитного двигателя с размещенным внутри имитатором медицинского инструмента с магнитами внутри, отличающийся тем, что устройства вращательного и углового перемещения инструмента выполнены в виде основания, на котором закреплен статор первого двигателя, к ротору которого прикреплен кронштейн с закрепленным на нем статором второго двигателя, к ротору которого прикреплен линейный электромагнитный двигатель, соединенный с блоком управления двигателями, при этом первый двигатель и второй двигатель являются электромагнитными двигателями с управляемым магнитным полем статора и соединены с блоком управления двигателями.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к медицине, биологии и включает систему и способ ее использования для адресного контроля нейронов мозга живых, свободноподвижных животных на основе размыкаемого волоконно-оптического зонда с многоканальными волокнами.

Изобретение относится к медицине, а именно к фармакологии, неврологии и нейрохирургии. Вводят окклюдер в среднюю мозговую артерию со стороны моделирования фокальной ишемии.
Изобретение относится к медицине, в частности к экспериментальной фармакологии, и может быть использовано для коррекции эндотелиальной дисфункции при ADMA-подобной модели гестоза.

Изобретение относится к медицине и предназначено для восстановления регенерации лимфоидной ткани селезенки в эксперименте. Для этого лабораторным животным (мышам) через 20 мин после облучения проводят внутривенную аллогенную трансплантацию мультипотентных стромальных клеток (ММСК) и гемопоэтичных стволовых клеток (ГСК), полученных из хориона плаценты лабораторных животных.

Изобретение относится к медицине, а именно к онкологии, и может быть использовано в эксперименте на животных с перевивными опухолями для достижения выраженного противоопухолевого эффекта.

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для обучения наложению сосудистого и сухожильного швов. Тренажер для наложения сосудистого и сухожильного швов содержит планшет и установленные на нем фиксаторы с винтовыми зажимами.

Изобретение относится к медицине, в частности к онкологии, и касается оценки эффективности влияния химиотерапевтических препаратов на опухоль. Способ включает использование ксенотрансплантатной модели in vivo.

Изобретение относится к экспериментальной медицине и может найти применение в космонавтике для поддержания на высоком уровне операторской деятельности космонавтов в условиях не прогнозированного воздействия радиации, а также реабилитации пациентов после протонной терапии опухолей головного мозга.

Изобретение относится к нейрофизиологии, конкретно к направленному обучению биологической нейронной сети. Способ включает использование микроэлектродной матрицы для выращивания культуры диссоциированных нейрональных клеток, стимуляцию высокочастотными электрическими импульсами двух участков нейрональных клеток на основе правила зависящей от времени импульса синаптической пластичности и оценку эффективности обучения биологической нейронной сети.

Изобретение относится к экспериментальной медицине и касается диагностики гипоксии плода в модели общей пренатальной гипоксической гипоксии. Моделируют общую пренатальную гипоксическую гипоксию у беременных крольчих породы Шиншилла на сроке 27-28 суток.

Изобретение относится к медицине, а именно к реконструктивной хирургии и травматологии. Выполняют оценку площади и формы замещаемого кожного покрова.
Изобретение относится к медицине, хирургии. Хирургическое лечение ожогов выполняют в первые часы после получения ожога.

Способ относится к медицине, хирургии. Формируют хирургический узел наподобие стивидорного узла.
Изобретение относится к области медицины, а именно к абдоминальной хирургии. Выполняют перипеченочную тампонаду.

Изобретение относится к медицине, хирургии. Мобилизуют мочевой резервуар и выявляют область стриктуры уретеро-резервуарного анастомоза.

Изобретение относится к медицине, а именно к реконструктивной хирургии и травматологии, и предназначено для использования при реконструкции головки плечевой кости при асептическом некрозе.

Изобретение относится к области регенеративной медицины и генной терапии и может быть использовано для стимуляции регенерации нервов за счет применения генннотерапевтической конструкции pCMV-VEGF сплайсинг-вариант 165 SEQ ID №1.
Изобретение относится к медицине, а именно к колопроктологии. При лечении хронической анальной трещины иссекают ее вместе с окружающей рубцовой тканью и сторожевым бугорком двумя полулунными разрезами в пределах здоровых тканей.

Изобретение относится к хирургии и может быть применимо для выполнения параацетабулярных резекций с эндопротезированием вертлужной впадины у больных с опухолевым поражением костей таза.

Изобретение относится к медицине, а именно к хирурги при лечении пупочных грыж с диастазом прямых мышц живота. Накладывают узловой шов на края грыжевых ворот на уровне их максимальной ширины, соответствующей уровню пупочного кольца и измеряют его натяжение.

Изобретение относится к медицине, а именно к сосудистой хирургии. Выполняют доступ к области бифуркации каротидных артерий с последующим выделением внутренней сонной артерии и ее отсечением. Во внутреннюю сонную артерию вводят зонд Фогарти выше края атеросклеротической бляшки, перекрывая ретроградный кровоток. Затем выворачивают артерию на зонде с постепенной отслойкой атеросклеротической бляшки от ее стенок, при этом бляшка остается на зонде. Извлекают зонд из артерии с освобождением места для наложения зажима перекрытия кровотока. Способ позволяет повысить удобство выполнения хирургической манипуляций за счет фиксации внутренней сонной артерии на зонде, а также является малотравматичным, поскольку не требует расширения доступа при удалении дистальной части атеросклеротической бляшки, исключить возможность травматизации атеросклеротической бляшки при наложении зажима, выполнить профилактику микроэмболии артерий головного мозга путем экстракции раздутого зонда, максимально удалить атеросклеротическую бляшку. 1 пр., 4 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, к устройству, обеспечивающему обратные тактильные ощущения при манипулировании имитатором медицинского инструмента, и может быть использовано в медицинских тренажерах эндоскопической хирургии, при моделировании виртуального медицинского вмешательства, где хирург, проводит тренировочную хирургическую операцию в моделируемой среде, оперируя имитаторами медицинских инструментов, подобными реальным инструментам. Механизм генерации усилия на имитатор медицинского инструмента содержит устройства линейного, вращательного и углового перемещений инструмента с датчиками слежения за перемещениями инструмента. Устройство линейного перемещения инструмента выполнено в виде линейного электромагнитного двигателя с размещенным внутри имитатором медицинского инструмента с магнитами внутри. Устройства вращательного и углового перемещения инструмента выполнены в виде основания, на котором закреплен статор первого двигателя, к ротору которого прикреплен кронштейн с закрепленным на нем статором второго двигателя, к ротору которого прикреплен линейный электромагнитный двигатель, соединенный с блоком управления двигателями. Первый двигатель и второй двигатель являются электромагнитными двигателями с управляемым магнитным полем статора и соединены с блоком управления двигателями. Изобретение позволяет генерировать равномерное усилие и удерживать оси свободы механизма в заданном положении, исключает явления неравномерности силового воздействия на имитатор медицинского инструмента в процессе работы. 1 ил.

Наверх