用于模拟器例如结肠镜检查模拟器的触感端口
阅读：225发布：2020-05-20
专利汇可以提供用于模拟器例如结肠镜检查模拟器的触感端口专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且装置(1)包括 内窥镜 端口(2)，该内窥镜端口(2)具有用于引导内窥镜的引 导管 (4)，所述引导管(4)安装在 轴承 (5)上移自由旋转，所述管(4)用于允许所述内窥镜和摩擦轮(7，8) 接触 的窗口，所述摩擦轮(7，8)用于追踪所述内窥镜的轴向位移并在所述内窥镜上施加线性 力 反馈，其中一个所述摩擦轮(8)连接于 电机 (12)，以传递由所述电机产生的 扭矩 ，另一个所述摩擦轮(7)连接于 编码器 (14)，以追踪所述摩擦轮(7)的轴向位移，所述装置还包括轴向 制动 器(20)，该轴向制动器(20)用于在阻止所述内窥镜的轴向移动的同时允许所述内窥镜旋转，所述轴向制动器(20)包括围绕所述内窥镜设置的两对制动轮(21，22)，一对制动轮(22)相对于另一对制动轮(21)可移动，以实现所述轴向阻止。一个所述摩擦轮(7)通过杆(9)安装在所述引导管上，所述杆(9)通过 弹簧 部件(10)促动，以允许具有不同尺寸的内窥镜平缓插入并确保内窥镜和制动轮(21，22)上足够的接触力。，下面是用于模拟器例如结肠镜检查模拟器的触感端口专利的具体信息内容。
1.一种用于内窥镜模拟的装置，该装置(1)包括内窥镜端口(2)，该内窥镜端口(2)具有用于引导内窥镜的引导管(4)，所述引导管(4)安装在轴承(5)上以自由旋转，并且所述引导管(4)包括用于允许所述内窥镜和摩擦轮(7，8)之间接触的窗口，所述摩擦轮(7，8)用于追踪所述内窥镜的轴向位移并在所述内窥镜上施加线性力反馈，其中一个所述摩擦轮(8)连接于电机(12)，以传递由所述电机产生的扭矩，另一个所述摩擦轮(7)连接于编码器(14)，以追踪所述摩擦轮(7)的轴向位移，所述装置还包括轴向制动器(20)，该轴向制动器(20)用于在阻止所述内窥镜的轴向移动的同时允许所述内窥镜旋转，所述轴向制动器(20)包括围绕所述内窥镜设置的两对制动轮(21，22)，一对制动轮(22)能够相对于另一对制动轮(21)移动，以实现所述轴向阻止，其中，一个所述摩擦轮(7)通过杆(9)安装在所述引导管上，所述杆(9)通过弹簧部件(10)促动，以允许具有不同尺寸的内窥镜平缓插入并确保内窥镜和所述制动轮(21，22)上足够的接触力。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述轴向制动器(20)安装在轨(29，30)上，该轨(29，30)连接于弹簧部件(34，35)，以即使在所述轴向制动器(20)关闭的情况下也允许所述内窥镜的减小的位移，从而在检测到所述减小的位移时打开所述轴向制动器。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，连接于所述轨的所述弹簧部件(34，35)具有不同的刚度。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，沿向前方向的刚度大于沿向后方向的刚度。
5.根据上述任意一项权利要求所述的装置，其中，至少一个所述摩擦轮(7，8)具有V型滑轮形状，以平衡作用在所述内窥镜上的力并改善所述摩擦轮(7，8)和所述内窥镜之间的接触。
6.根据权利要求2至5中任意一项所述的装置，其中，所述减小的位移是通过连接于编码器(14)的所述摩擦轮(7)检测的向后移动。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述向后移动的范围约为1μm到6mm。
8.根据权利要求2-7中任意一项所述的装置，其中，所述弹簧部件(34，35)具有依赖通过所述装置模拟的部位的特征。
9.根据权利要求2-8中任意一项所述的装置，其中，所述弹簧部件(34，25)所允许的线性位移约为±6mm。
10.根据上述任意一项权利要求所述的装置，其中，至少一对所述制动轮(21或22)安装在可移动部分(23)上，所述可移动部分(23)连接于轴承(23)，使得所述制动轮(21，22)始终平行，而与所述可移动部分(23)的位置和/或所述内窥镜的直径无关。
11.根据上述任意一项权利要求所述的装置，其中，所述制动轮(21，22)具有圆锥形形状。
12.根据上述任意一项权利要求所述的装置，其中，所述轴向制动器用于模拟由所述内窥镜和所模拟的身体部位之间的摩擦产生的较大的力。
13.根据上述任意一项权利要求所述的装置，其中，所述摩擦轮(7，8)包括位于其与所述内窥镜相接触的表面上的橡胶。
14.根据上述任意一项权利要求所述的装置，其中，所述杆(9)和机械止挡件(9”)允许调节用于所述内窥镜的孔的最小孔径。
15.根据上述任意一项权利要求所述的装置，其中，通过利用所述弹簧(10)的不同连接位置(10’，10”)来改变所述摩擦轮(7，8)和所述内窥镜之间的接触力。
用于模拟器例如结肠镜检查模拟器的触感端口
技术领域
[0001] 本发明涉及用于手术过程训练的模拟器使用的端口，更具体地，涉及一种用于结肠镜检查模拟器的触感端口。
背景技术
[0002] 结肠镜检查是一种侵入性最小的手术过程，在该手术过程中使用内窥镜检查患者的结肠。被称为结肠镜的器具是长的柔性管，其端部具有一体的成像装置。结肠镜允许医生在观测结肠的同时处理病灶。由于难以做到手眼协调、柔性内窥镜的复杂引导以及损伤结肠的危险，这些技术需要由经过高等训练并具有经验的医生来进行。随着各种结肠疾病的增多以及对用作预防措施的筛查的需求的增多，结肠镜检查的训练越发重要。
[0003] 一旦医生通过他/她的初级水平，要在真正的患者身上进行一些用于结肠镜检查的训练。对于患者来说，这增加了危险并延长了处理时间。
[0004] 基于计算机的、具有虚拟现实(VR)显像和触觉反馈的这种过程的训练提供了灵活和可重复的情景，并且不会对患者造成危险。另外，这允许对话记录并因此相对于在动物、尸体或真正的患者身上进行的传统的训练方法来说具有独特的优点。
[0005] 多年来，已经对于触觉反馈的虚拟现实手术模拟器进行了研究，主要目的是提供传统训练方法的替代方法。触觉反馈是用于这种训练的每个手术模拟器的关键特征。手术模拟器中的触感端口不仅检测手术工具的位置和定向，还提供与手术过程相关的适当的力和扭矩反馈。具有触觉技术的虚拟现实确保了更加真实的训练。
[0006] 在现有技术中，已经描述了多种装置和系统。例如，Immersion Corp.的欧洲专利申请EP 0803114(该申请的内容作为参考结合在本申请中)公开了一种用于模拟医疗过程的人/机(human/computer)端口装置，该装置尤其适于需要两个到四个自由度的模拟，特别是两个自由度的模拟，例如导尿过程的模拟。
[0007] 所公开的装置包括一种用于模拟医疗过程的虚拟现实系统，该虚拟现实系统包括人/机端口设备、电子界面和计算机。该虚拟现实系统用于导尿过程的虚拟现实模拟。模拟软件可通过商购获得，例如从美国加利福尼亚帕洛阿尔托市的Immersion Human Interface Corporation购买。
[0008] 所使用的与所述装置连接的导尿管由操作者操控，相应于这些操控的虚拟现实图像显示在数字处理系统的屏幕上。优选地，所述数字处理系统是个人计算机或工作站。
[0009] 除了标准的导尿管之外，人/机设备还包括障碍物(barrier)和“中心线”，导尿管穿过“中心线”插入身体。障碍物用于代表覆盖患者身体的皮肤的一部分。优选地，障碍物由人体模型或其他类似活体的或身体部分的表征物(例如躯干、手臂或腿)形成。中心线插入患者的身体，从而为导尿管提供进入患者的身体的进入点和离开患者的身体的离开点，并且允许操控导尿管的位于患者身体内的远端部分，同时将组织损伤最小化。导尿管和中心线可以从商业源商购获得，例如从美国加利福尼亚的Target Therapeutics of Fremont和美国U.S.Surgical of Connectiut购得。优选地，导尿管被改变为去掉了工具的端部(例如所有的切边(cutting edge))，只剩手柄和轴。虚拟现实模拟并不需要导尿管工具的端部，去掉该端部能够防止对人或物造成任何潜在损伤。
[0010] 导尿管包括手柄或“把手”部和轴部。把手部可以是任意用于操控导尿管的传统的装置，或者把手本身可以包括轴部。轴部是细长的柔性物，特别是细长的柱状物。所述装置涉及追踪轴部在三维空间内的运动，其中所述运动受限，使得轴部仅具有两个、三个或四个移动度。
[0011] 这形成了对导尿管的典型使用的模拟，其中，当导尿管插入患者体内时，导尿管被限制为大约两个自由度。更具体地，轴在沿其长度方向的某点处被限定，使得轴能够在患者体内以两个自由度移动。
[0012] 电子界面是人/机端口设备的一部分，并且所述电子界面使所述设备连接于计算机。更具体地，在优选的实施方式中，该电子界面用于将容纳在所述装置中的多种促动器(actuator)和传感器连接到计算机。
[0013] 电子界面通过线缆连接到所述装置的人/机端口并通过另外的线缆连接到计算机。在一些实施方式中，该电子界面仅用作计算机的输入装置。在其他实施方式中，该电子界面仅用作计算机的输出装置。在另外其他的实施方式中，该电子界面用作计算机的输入/输出(I/O)装置。
[0014] 所公开的装置包括物体接收部，细长的柔性物体(例如导尿管)通过孔导入该接收部中。所述细长的柔性物体穿过物体接收部的内部，物体接收部的内部包括与物体接收部连接并与所述细长的柔性物体相关的一个或多个机电转换器，例如致动转换器(actuator transducer)和平移转换器(translation transducer)。所述细长的柔性物体通过第二孔离开物体接收部，使得所述细长的柔性物体穿过可旋转地连接于物体接收部的旋转转换器(rotational transducer)。
[0015] 平移转换器包括轮，该轮安装在连接于传感器的轴上，所述传感器通过基部(base)连接于物体接收部。平移转换器适用于通过检测所述细长的柔性物体沿其平移方向的位置并产生相应于所述位置的电信号来决定所述细长的柔性物体的平移移动。轮与所述细长的柔性物体通过法向力(normal force)接合，从而使所述细长的柔性物体的平移导致轴端部转动，该轴端部的转动产生来自传感器的电信号，该电信号被所述电子界面记录。可以理解的是，平移转换器也可以是输出转换器并对细长物体施加摩擦制动力，以模拟当导尿管在穿过身体内各种管(vessel)时所经历的拖拽效果。
[0016] 现有装置的另一个实例是KeyMed的美国专利申请US 6,926,531中描述的装置，该申请的内容作为参考结合于本申请。该申请文件中公开了一种在用于内窥镜检查系统的模拟器中使用的装置。该装置包括可转动的盘，该盘上安装有多个滚轮(roller)，以围绕所述盘的旋转轴线。设置力反馈电机来抵抗所述盘的旋转，设置另一电机来抵抗至少一个所述滚轮的旋转。这些机构针对沿所述轴线插入的虚拟装置(dummy instrument)的移动分别提供旋转力反馈和线性力反馈。独立于力反馈布置，提供一种类似结构的单独的机构(但不具有力反馈电机)，以独立地提供对所述装置的线性位置感测和旋转位置感测。在该专利中，主旨涉及一种设备，其特征在于，触觉装置包括使线性力反馈和旋转力反馈相互独立的装置，这种装置包括：一组绕所述导管(duct)的周向间隔设置的滚轮，从而使每个滚轮的圆周(在使用时)与插管接合，每个滚轮能够通过所述插管的纵向移动而旋转，多个滚轮设置为夹住所述插管并安装在能够通过所述插管的旋转运动而旋转的盘上；第一力反馈机构，该第一力反馈机构用于对至少一个滚轮的旋转产生成比例的阻力，从而提供针对所述插管的纵向移动的力反馈；和第二力反馈机构，该第二力反馈机构用于对所述盘的旋转产生成比例的阻力，从而提供针对所述插管的旋转移动的力反馈，其中，滚轮设置为夹住所述插管，从而基本上消除了在所述插管旋转时所述插管和所述盘之间的滑动。通过提供独立于感测装置的触觉装置，可以避免现有技术中出现的问题。当施加较高水平的力反馈时，即使虚拟装置相对于触觉装置滑动，由于感测装置是独立的，该感测装置将继续监控虚拟装置的位置。换言之，通过使感测装置独立，该感测装置以恒定力运转并能够据此设计该感测装置，而现有技术中，感测装置必须通过经常变化的力度与虚拟装置接合。
[0017] 公开模拟装置的其他现有技术是Immersion Human Interface Corporation的美国专利US 5,821,920和Bertec Corporation的美国专利US 6,038,488，上述专利的内容作为参考结合在本申请中。
[0018] 另外，一些文章描述了这种触感端口(这些文章都整体作为参考结合在本申请中)：
[0019] 1)HELLIER David 等，“A Modular Simulation Framework for Colonoscopy using a new Haptic Device”，第16次医用虚拟现实会议，2008年2月。
[0020] 2)Samur Evren 等，“A Haptic Interface with Motor/Brake system for Colonoscopy Simulation”，第16次关于虚拟环境和遥控操纵系统的触感端口的专题会议，2008年3月。
[0021] 3)MAILLARD Pascal 等，“Instrumentation of a Clinical Colonoscope for Surgical Simulation“，国际电气和电子工程学会、医学和生物学工程学会(IEEE EMBS)会议第30次年会，温哥华，英属哥伦比亚，加拿大，2008年8月20-24日。
[0022] 4)ILIC Dejan 等，“Real-Time Haptic Interface for VR Colonoscopy Simulation”，第13次医用虚拟现实会议，2005年2月。
[0023] 5)IKUTA Koji等，“Portable Virual Endoscope System with Force and Visual Display”，2000 IEEE/RSJ国际会议关于智能机器人和系统的会议论文集。
[0024] 在典型的内窥镜处理过程中，例如在结肠镜检查时，内窥镜插入结肠中并沿结肠旋转。因此，实际上，模拟器的线性和旋转工作空间应该不限定于真实应用。另外，还需要重插(re-insertion)工具。在这个过程中，感觉到的力和扭矩也很大。考虑到这些要求，可以设计一种具有力反馈的模拟器，以与适应的内窥镜一起工作。
发明内容
[0025] 本发明的目的在于改进已知的装置和方法。
[0026] 更具体地，本发明的目的在于提供一种用于模拟医疗过程的装置和方法，例如通过触感端口利用内窥镜进行的结肠镜检查。
[0027] 本发明的另一目的在于提出一种更精确且允许对使用者进行更好训练的模拟装置。
[0030] 本发明的理念在于提供一种触感端口，该触感端口获得内窥镜(例如结肠镜)的位置并至少沿轴向和旋转方向提供力反馈。电机和被动制动器(passive brake)的结合用于覆盖较大范围的力。直流电机用于模拟内窥镜插入穿过自然管口(natural orifice)(例如结肠)时的摩擦。如果施加在内窥镜上的扭矩或力太大而无法通过电机保持时，使用电力制动(power brake)和机械制动。触感端口提供较大的平移力和旋转扭矩。这种设计运行沿一个方向移动的同时阻碍另一个。所述触感端口具有不受限的工作空间。可以插入并移除不同尺寸的内窥镜。
[0031] 轴向制动系统允许内窥镜的这种旋转移动。制动器的具体设计能够锁止轴向线性位移，同时保持旋转自由度。直流电机促动杆系统。四个制动轮挤压插入的工具，以阻止所述线性位移。即使在阻止所述线性位移时，所述制动轮旋转也能够使插入的工具能够旋转。
[0032] 另外，根据本发明的装置提供制动解除，而无需对触感端口进行力测量。
[0033] 因此，所述制动系统安装在位于滑架中的轨上。弹簧设置在滑架的每一侧上，从而设定制动系统的位置，同时保留较小的线性位移。当开启制动时，尝试撤回内窥镜导致可通过例如用于轴向追踪的编码器测量的微小的线性位移。但是，在使用者保持对内窥镜提供插入力的情况下，制动器保持开启。
[0034] 医疗模拟装置获取内窥镜(例如结肠镜)的位置并提供沿轴向和旋转方向的力反馈。图1显示了这种装置和部件的示例。如上所述，电机和被动制动器的结合用于覆盖较大范围的力。电机用于模拟内窥镜插入穿过自然管口(例如结肠)时的摩擦。如果施加在内窥镜上的扭矩或力太大而无法通过电机保持时，使用电力制动和机械制动。采用制动解除系统而无需额外的昂贵的硬件。这种新颖的设计允许沿一个方向移动，同时阻碍另一个。所述触感端口具有不受限制的工作空间。可以插入和移除不同尺寸的内窥镜，同时提供足够的接触力，以用于平移力反馈和旋转力矩反馈。这种新设计的内窥镜端口允许独立地追踪不同尺寸的内窥镜的轴向移动和旋转移动并提供力反馈。
[0036] 内窥镜(例如结肠镜)通过横向引导管插入所述装置中。所述横向引导管包括用于允许结肠镜和一对摩擦轮接触的窗口。所述摩擦轮用于追踪结肠镜的线性位移并用于施加轴向力反馈，但所述摩擦轮还确保用于结肠镜的旋转移动的接触。所述摩擦轮通过一组齿轮连接于电机。旋转部分固定在轴承上并通过允许结肠镜进行有限旋转移动的滑环对(slip-ring pair)电连接。该旋转移动也通过齿轮连接于直流电机。
[0037] 所述装置包括直流电机，该直流电机用于主动的力反馈和摩擦补偿以及较大力反馈(force rendering)的制动。设计2DOF(自由度)机械制动器，以与所述电机能够施加的沿轴向的最大力一起使用。一旦结肠镜向后移动，即松开所述制动器。为使其成为可能，所述制动系统固定在线性引导轨上并由不同刚度的弹簧限制。所述机械制动器包括固定在轴承上的四个柱体(cylinder)。当所述制动器关闭时，所有的柱体挤压所述结肠镜，阻止所述线性位移，但仍然允许结肠镜进行旋转移动。分别追踪用于线性位移和旋转位移的两个光学位置编码器。附图说明
[0038] 图1显示了根据本发明的装置的整体立体图；
[0039] 图2说明了图1所示的、但是从后侧观察的根据本发明的装置的整体立体图；
[0040] 图3和图4显示了根据本发明的装置的内窥镜端口的更详细的视图；
[0041] 图5说明了图3中出现的端口的剖视图；
[0042] 图6说明了根据本发明的装置的制动系统的立体图；
[0043] 图7说明了根据本发明的制动系统的一部分；和
[0044] 图8说明了图6中出现的制动系统的剖视图。
具体实施方式
[0045] 图1和图2说明了根据本发明的装置1的整体立体图。如上所更具体说明地，根据本发明的装置1用于模拟医疗装置(在本情形中为内窥镜)在人体内的使用。因此，该装置包括第一部分2(称为内窥镜端口)，该第一部分2具有测量(例如)内窥镜的轴向位移及其旋转的系统并同时能够提供针对内窥镜的线性力反馈和旋转力反馈。所述装置还具有第二部分3，该第二部分3包括将在下文详细解释的制动系统。
[0046] 图3、图4和图5显示了内窥镜端口2的详细视图。
[0047] 横向引导管4安装在固定轴承5、6(参见图1、图2和图5)上，用于绕插入轴线自由旋转。通过允许横向引导管4的自由旋转移动和电信号传送的滑环对提供电连接。所述旋转移动通过齿轮6’、7’(参见图2)与电机5’相关联，以允许沿旋转方向检测运动和力反馈。内窥镜(例如结肠镜)通过这个横向引导管4插入所述装置中。横向引导管4包括窗口4’，以允许结肠镜和一对摩擦轮7、8接触。一旦内窥镜与摩擦轮7、8接合，即可确保轴向追踪、旋转追踪以及驱动，并且能够分别实现轴向追踪、旋转追踪以及驱动。摩擦轮7、8允许移除和重插内窥镜。摩擦轮7、8用于追踪结肠镜的轴向位移，还能够施加轴向线性力反馈，但摩擦轮7、8还确保用于内窥镜的旋转移动的接触。一个摩擦轮8通过轴承连接在横向引导管4上。另一个摩擦轮7通过杆(lever)9安装于相同的横向引导管4，杆9通过转动关节(revolute joint)9’固定。杆结构9设置有至少一个机械弹力件10，以确保内窥镜与摩擦轮7具有足够的接触力，同时允许不同尺寸的内窥镜平缓插入。这导致能够自由使用各种尺寸的具有不规则表面的内窥镜，所述系统允许补偿尺寸差异和不规则表面。固定于横向引导管4的螺栓9”用作杆9的机械止挡件。根据所使用的内窥镜的直径，通过改变所述螺栓的暴露部分的长度改变孔的最小孔径。优选地(但不是排他地)，所述螺栓由塑料或合成材料制成。当然，也可以考虑其他等同部件。所述摩擦轮中的一个形成为V型滑轮(pulley)(图3和图5中的附图标记8)，以平衡作用在内窥镜上的力并改善摩擦轮7、8和内窥镜之间的接触，以获得适当的沿轴向自由度和旋转自由度的力反馈。所述摩擦轮中的一个(例如图4中的摩擦轮8)通过齿轮组12、13连接到电机11，以将电机11产生的扭矩传递给内窥镜。另一个摩擦轮与编码器14接合，以追踪工具的轴向位移。分离启动系统和追踪系统避免了因不大可能出现的内窥镜在摩擦轮7、8上滑动而导致的位置追踪数据丢失。
[0048] 根据本发明的内窥镜端口设计允许独立地追踪不同尺寸的内窥镜装置的轴向移动和旋转移动并同时提供力反馈。
[0049] 弹簧10结合于可调节结构，以确保已经介绍过的摩擦轮7、8和内窥镜之间适当接触。所述可调节结构由多个螺纹(thread)10’、10”形成，以将所述弹簧固定在不同长度处，根据所述弹簧的连接位置(如图所示，或者在螺纹10’或螺纹10”内，或者甚至交叉穿过(crossed))可以改变摩擦轮7、8和内窥镜之间的接触力。这导致自由使用具有不规则表面的不同尺寸的内窥镜。分离用于力反馈的电机和追踪线性位移的编码器可以避免因不太可能出现的内窥镜滑脱导致的位置数据丢失。
[0050] 本发明提供一种用于内窥镜模拟器使用的机械制动器的解除系统(release system)，所述内窥镜模拟器是，例如，结肠镜检查模拟器(参见图6至图8)。
[0051] 机械制动器用于提供无法由小型电机施加的较大的力。制动在锁止轴向线性位移的同时保持旋转自由度。
[0052] 电机驱动包括四个制动轮的杆系统。如上所述，所述制动轮挤压插入的内窥镜，阻止轴向位移。所述制动轮的旋转使得插入的内窥镜能够旋转。制动系统安装在两个线性导向轨上。弹簧位于滑架(carriage)的每一侧上，以在设定制动位置的同时保持较小的线性位移。当开启制动时，尝试撤回内窥镜导致可通过用于轴向追踪的编码器测量的微小的线性位移。该位移导致下文将详细说明的制动的解除。在使用者保持对内窥镜提供插入力的情况下，制动器保持开启状态。这种方案允许操作者察觉施加于系统的力的任何变化，而无需使用额外的传感器，例如力/压力传感器。
[0053] 更具体地，如图所示，内窥镜继续穿过所述装置的第二部分3，该部分特别包括线性制动器20(参见图6至图8)。该线性制动器包括至少两对相互面对的制动轮21、22，所述制动轮21、22大致为圆柱形状(优选为圆锥形)并平行于所述内窥镜的轴线设置，并且制动轮21、22能够绕其安装在轴承上的轴(axis)自由旋转。
[0054] 制动轮22安装在可移动部分23上，部分24支撑制动轮21。可移动部分23固定在轴承上，该轴承允许制动轮22始终保持与制动轮21垂直，与制动轮21、22的位置和/或内窥镜的直径无关。如图8所示，可移动部分23可以通过轴(axis)23’或任意其他等同部件连接于手柄。所述制动轮的端部优选为锥形，以朝向中心引导内窥镜。这与可移动部分23一起允许所述制动轮和内窥镜的适当接合。可移动部分23可以朝向和远离部分24移动。该移动由通过牵拉元件26(例如绳)促动的手柄25产生，牵拉元件26本身由具有滑轮28的电机27拉动。更具体地，电机27用于使滑轮28旋转，从而拉动元件26并继而向下拉动手柄25，所述手柄25安装在轴25’上，轴25’允许手柄25在根据上述功能的向下拉动作用下绕所述轴25’旋转。这具有在制动轮21、22之间挤压内窥镜的作用，从而减弱并最终阻止所述内窥镜的轴向移动，同时因为制动轮21、22安装在轴承上而仍允许内窥镜旋转。优选地，所述系统还包括弹簧部件26’(参见图8)，以在未启动时分离制动器的接合。
[0055] 这种制动器用于模拟例如抵着身体的被检查部分(例如结肠)的壁推动内窥镜。实际上，在这种情况下，不应允许结肠镜在仍然旋转时向前移动。但是，如果向后拉动结肠镜，则应同时解除制动，以维持模拟过程和模拟现实情况。
[0056] 所述制动器还用于模拟各种效果，例如当内窥镜穿过结肠(或其他模拟的身体部分)时由内窥镜和结肠之间的摩擦产生的较大的力。该力可以大于由电机11能够产生的力，传动系统包括部分8、12、13。在电机11保持最大扭矩时，作用在电机27上的扭矩根据所需模拟的力逐渐增大。这导致提供平缓和连续的力。所述制动器可以产生从0到完全阻止移动的非常大的摩擦力(例如100N)。
[0057] 因此，为了模拟自然行为(natural behavior)，上述制动器通过板24’安装在轨29、30上，轨29、30平行于结肠镜的大致方向，所述轨通过滑移部分31、32连接到框架33，并且所述制动器还通过两对具有不同性能(例如不同刚度)的弹簧34、35连接到支撑所述轨29、30的框架33，这也能够模拟现实(例如对结肠壁变形的阻力)，该模拟的实现通过连接于制动系统20的促动板36促动。轨29、30设置为基本上平行于内窥镜的轴线，以允许制动系统20沿该方向的纵向位移。框架33可以例如由所述装置的壁形成。
[0058] 当假设所述装置用于模拟内窥镜的端部抵靠身体部分的壁接触时，制动系统20被启动，从而阻止内窥镜相对于制动系统20的相对移动并使所述制动系统随内窥镜一起移动。从上述说明和附图可以理解的是，仅阻止了纵向相对移动，但通过使用制动轮21、22，内窥镜仍然能够旋转。
[0059] 因此，第一对弹簧34设置为承受应力，以模拟壁的弹性行为，到达到确定的值时，所述弹性行为阻碍内窥镜向前移动。
[0060] 一旦克服第二对弹簧35而向后拉动内窥镜，能够例如通过追踪内窥镜的轴向移动的编码器检测到这种向后移动(即使很小)，因为弹簧34允许这种移动，并且所述制动器被部分或全部松开，以顾及这种向后移动。
[0061] 优选地，通过传感器测量内窥镜的这些移动和由此导致的制动系统20的移动，例如通过上述用于追踪内窥镜的轴向移动的传感器或其他专用传感器进行测量。如本领域技术人员所熟知地，在这种情况下，必须允许制动系统相对移动以能够检测，特别是在制动器关闭时检测内窥镜的向后移动。反之(如果可能的话)，因为向后移动将不易检测，所述系统将被锁死(blocked)且制动器将必须被直接松开。
[0062] 因此，如上所述，所测量的(虽然很小)的向后移动将具有至少部分松开所述制动器的效果并从而模拟自然行为。优选地，在使用者进行了向后移动之后再进行沿相同方向的如上所述的向前移动的情形中，所述制动器保持开启，使得所述系统再次如上所述那样开启，并且在防止线性移动的同时仍然允许旋转。
[0063] 弹簧34、35通常具有以下特性：弹簧34、35都允许约±6mm的最大位移。一对弹簧34的刚度常数为30N/mm，能够产生最大为180N的力。这样大的力能够防止沿插入方向移动。实际上，4mm的移动产生10kg的反作用力，其感觉如同坚硬的墙壁。
[0064] 一对弹簧35具有4N/mm的较低刚度常数，当制动器关闭时，其允许向后移动但仍使所述系统保持平衡和静止。沿轴向的位置感测的分辨能力(resolution)为0.04mm。因此，0.04mm的向后移动足以松开所述制动器。这仅产生1g的反作用力，使用者无法检测到。
[0065] 可以考虑的移动范围的典型数值如下：沿插入方向3mm和沿向后方向0.04mm。在其他实施方式中，检测的向后移动可以从约1μm到6mm。当然，在这种情况下，所使用的传感器应当适于该范围。
[0066] 当然，根据应用和所模拟的身体部分(结肠、食道等)，可以考虑其他数值。实际上，虽然上述应用涉及结肠镜检查，但本发明的装置可以用于结肠镜检查之外的、使用内窥镜或类似装置的其他过程的模拟。
[0068] 例如，上述给出的用于弹簧的数值是举例，根据使用环境可以考虑其他数值。例如，该数值可以依据所述装置模拟的身体部分，或者可以根据所进行的模拟来调整。
[0069] 此外，其他与上述部件等同的部件可以用于本发明的框架中。例如，所述制动系统的促动部件以及例如用于检测移动和力反馈的电机和齿轮可以由等同部件代替。
[0071] 另外，可以在摩擦轮7、8的外周上增加橡胶，以改善其与内窥镜的接触并避免在导入内窥镜和/或进行模拟的过程中发生滑脱。
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