CN102446446A

CN102446446A - 侵入性手术模拟

Info

Publication number: CN102446446A
Application number: CN2011103178267A
Authority: CN
Inventors: Y·施瓦茨; N·凯茨
Original assignee: Biosense Webster Israel Ltd
Current assignee: Biosense Webster Israel Ltd
Priority date: 2010-10-05
Filing date: 2011-10-09
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2031-10-09
Also published as: JP2012075909A; IL215188A0; CA2754302C; JP5931392B2; US8636519B2; AU2011226872B2; EP2439719A1; CA2754302A1; US20120082969A1; AU2011226872A1; IL215188A

Abstract

本发明侵入性手术模拟提供了一种设备，所述设备包括：探针实体模型，所述探针实体模型具有远端和适合操作人员抓握的近端。所述设备还包括模拟真实患者的患者实体模型，所述患者实体模型具有小孔，所述小孔使所述探针实体模型的所述远端能够穿透到所述患者实体模型内。所述设备包括力发生器以及系统控制器，所述力发生器连接到所述探针实体模型以便将力施加到操作人员可感知的所述近端。所述控制器被配置成：在所述远端穿透到所述患者实体模型内的过程中跟踪其位置，获取与所述位置对应的所述真实患者器官区域的收缩力值的指示，以及启动所述力发生器以使得施加到所述近端的力对应于所述指示。

Description

侵入性手术模拟

技术领域

本发明整体涉及侵入性医疗装置，具体地讲，涉及此类手术的模拟。

背景技术

通常存在与任何医疗手术相关的学习曲线，并且根据手术的不同，该学习曲线在一些情况下可能相对“陡峭”。即使在学习曲线不陡峭的情况下，通常也需要花费大量的时间来学习和完善手术。如果能够模拟手术，则可以缩短这样的时间周期。

授予Schwartz的美国专利申请2007/0043285(其公开内容以引用方式并入本文)描述了心脏手术前期规划和施行的方法。该方法包括模拟鞘管插入心脏的情形以及模拟医疗装置穿过鞘管插入心脏的情形。

授予Schwartz的美国专利申请2007/0032826(其公开内容以引用方式并入本文)描述了治疗心房颤动的方法。该方法与专利申请2007/0043285的方法有一些相似之处，包括模拟鞘管插入心房的情形以及模拟医疗装置穿过鞘管插入心房的情形。

上述说明给出了本领域中相关技术的总体概述，不应当被解释为是对所包含的任何信息构成本专利申请的现有技术的一种承认。

发明内容

根据本发明的实施例，提供了一种设备，其包括：

探针实体模型，该探针实体模型具有远端和适合操作人员抓握的近端；

模拟真实患者的患者实体模型，该患者实体模型具有一个小孔，这个小孔使探针实体模型的远端能够穿透到患者实体模型内；

力发生器，该力发生器连接到探针实体模型以便将力施加到操作人员可感知的近端；以及

系统控制器，该系统控制器被配置成：

在远端穿透到患者实体模型内的过程中跟踪其位置，

获取与该位置对应的真实患者器官区域的收缩力值的指示，以及

启动力发生器以使得施加到近端的力对应于该指示。

通常，系统控制器被配置成获取表征真实探针机械性能的探针参数，所述真实探针由探针实体模型所模拟，并且施加到近端的力对该探针参数作出响应。可根据操作人员所感知的力的估计值来确定探针参数的值。

系统控制器可被配置成获取表征操作人员操作风格的操作员参数，并且施加到近端的力可对该操作员参数作出响应。可根据远端位置和该位置的时间的记录来确定操作员参数。

在一个实施例中，系统控制器被配置成根据对器官接触力标测图和器官图像中至少一者的分析来确定收缩力值。可使用具有力传感器的真实探针来产生接触力标测图。可使用器官的非侵入性成像方法来产生图像。

在本发明所公开的实施例中，探针实体模型被配置成模拟真实探针，所述真实探针具有真实探针远端并在真实探针远端包括力传感器。

在可供选择的实施例中，该设备包括一个或多个跟踪装置，这些跟踪装置根据远端的位置将远端跟踪信号传输到系统控制器。

根据本发明的实施例，还提供了一种方法，其包括：

提供探针实体模型，该探针实体模型具有远端和适合操作人员抓握的近端；

用患者实体模型模拟真实患者，该患者实体模型具有一个小孔，这个小孔使探针实体模型远端能够穿透到患者实体模型内；

将力发生器连接到探针实体模型以便将力施加到操作人员可感知的近端；

在远端穿透到患者实体模型内的过程中跟踪远端的位置；

获取与该位置对应的真实患者器官区域的收缩力值的指示；以及

启动力发生器以使得施加到近端的力对应于该指示。

通过对以下结合附图的实施例的详细说明，将更全面地理解本发明：

附图说明

图1为示出根据本发明实施例的模拟系统的示意图；

图2为根据本发明实施例在操作员执行模拟之前向操作员显示的设置屏幕的示意图；

图3为根据本发明实施例的接触力标测图的示意图；

图4为根据本发明实施例在操作员于图1的系统中执行模拟时所采用的步骤的流程图；

图5为根据本发明实施例在图4流程图步骤实施过程中所显示的屏幕的示意图；

图6为根据本发明实施例评价操作员操作风格所采用的步骤的流程图；

图7为根据本发明实施例评价探针实体模型的探针参数值所采用的步骤的流程图；

图8为根据本发明实施例评价给定内腔的区域收缩力所采用的步骤的流程图。

具体实施方式

概述

本发明的实施例允许操作员(通常为医学专业人员，例如医师)操作这样的系统，该系统模拟了使用真实导管探针的身体器官侵入性手术。该器官在本文中假定为具有内腔，并且通常而言导管探针包括力传感器，该力传感器测定探针远端与内腔的接触力。

操作员通常选择要在内腔的模拟手术中使用的内腔和探针。就内腔选择而言，系统控制器获取内腔的三维(3D)图像以及内腔区域的收缩力数据。操作员握住探针实体模型的近端，并将探针实体模型插入患者实体模型的小孔内。在插入过程中，探针实体模型远端在患者实体模型内的位置被跟踪。该系统包括力发生器，力发生器施加的力可被握住探针实体模型近端的操作员感知。

当系统的控制器确定探针实体模型远端的位置对应于内腔壁区域(使用3D图像)时，控制器启动力发生器，将触觉反馈力施加到探针实体模型的近端。所施加的力随着该区域的收缩力而变化。该力通常还随着探针实体模型所模拟的探针类型以及操作员的操作风格而变化。

对于包括力传感器的真实探针，当施加力发生器发出的力时，由该传感器测得的力估计值可向操作员显示。此类探针在例如美国专利申请2009/0093806和2010/0160770中有所描述，这些专利都转让给了本发明的受让人并以引用方式并入本文中。传递给操作员的力数值和触觉反馈力这两种“反馈”使操作员能够从模拟情形中关联和学习真实手术中传感器测定的力数值与操作员感知的力的对比程度。

此外，对于包括力传感器的探针，模拟使操作员能够阐明标测室的区域，其中采用某种操作员标测方式和具有已知机械特性的所选导管探针时，可能无法实现有效接触(有效接触可定义为产生治疗性透壁消融所必需的接触)。在这种情况下，操作员可以修正治疗方案(涉及消融点或线的空间位置)、调整标测方式和/或更换所选的探针。相似地，预先确定过大接触力预见性较高的危险区域，使得可以限定“禁飞区”，确保更安全的导管探针操控。在所有情况下，操作员都可以使用该系统来检查改动的手术。

具体实施方式

现在参见图1，该图为示出了根据本发明实施例的模拟系统20的示意图。系统20允许系统操作人员22(通常为医学专业人员，例如医师)执行侵入性医疗手术的模拟。在真实医疗手术中，操作员将导管探针插入身体器官(在本文中假定其包括内腔)，并使用导管近端的控制器操控探针远端。在下文的描述中，通常假定真实手术中的体腔包括患者心脏。然而，应当理解该真实手术是以举例的方式说明的，系统20可模拟的其他医疗手术对于本领域普通技术人员而言将显而易见。应当认为此类手术及其模拟均包含在本发明的范围内。

在模拟系统20中，使用探针实体模型24而非真实手术中的“真实”探针，并将探针实体模型插入患者实体模型26内，患者实体模型26替代了真实手术中的真实患者。本文以举例的方式假定患者实体模型26具有箱形形状。然而，患者实体模型可以具有任何方便的形状，包括更类似于人的形状。

系统20通常用于对真实探针的运用方面进行教导，而操作员22不必施行真实的手术。本文假定真实探针在其远端具有力传感器，该力传感器测量与探针轴线大致平行的力。本文所述的模拟尤其通过向操作员提供触觉反馈同时模拟力传感器的读数，而使执行该模拟的操作员能够了解力传感器的功能。然而，本文采用力传感器功能学习方面是为了简单明了，因此可对本发明的实施例加以必要的修改，以教导探针的其他方面，例如通过在模拟消融手术中提供触觉反馈来教导温度传感器的功能。所有这些方面均应认为包含在本发明中。

在真实手术中，操作员22通常使用不止一种真实探针，各种不同的探针具有不同的特征，例如特有的形状或不同数量的电极。在本文所述的模拟中，操作员还可使用不止一种探针实体模型24。为了清楚起见，必要时以及使用不止一种探针实体模型时，可通过在标识符24后加上字母来区分不同的探针实体模型，使得在模拟使用两种真实探针的手术时，操作员可使用探针实体模型24A和探针实体模型24B。

系统20的运行受系统控制器28控制，该控制器包括处理单元30，处理单元30与用来存储系统20运行所需软件的内存32通信。控制器28通常为包括通用计算机处理器的工业标准个人计算机。然而在一些实施例中，控制器的至少一些功能使用定制设计的硬件和软件执行，例如，专用集成电路(ASIC)和/或现场可编程门阵列(FPGA)。系统控制器28和系统20的元件之间的通信(包括控制器和元件之间的信号)可通过实线电缆例如导电电缆或光缆和/或通过无线方式实现。为了简明起见，系统20与通信相关的元件未在图1中示出。

可将内存32中的软件通过例如网络以电子形式下载到控制器。作为另外一种选择或除此之外，软件可通过非易失性有形介质(例如光学、磁性或电子存储介质)提供。

系统控制器28操控图形用户界面(GUI)34，该图形用户界面将系统生成的结果呈递给操作员22。GUI 34还能够使操作员在设置模拟场景时对各种选项进行选择。通常，操作员使用指点器36(例如轨迹球或鼠标)来与控制器28和GUI 34交互。

在患者实体模型26内，操作员22能够通过握住并操控探针实体模型的近端40来操作探针实体模型24的远端38。通常，将由诸如玻璃纤维或聚苯乙烯颗粒之类的材料支撑的弹性管42置于患者实体模型26内，以模拟真实患者的静脉或动脉。管42用作探针实体模型的支撑件和导向装置，而不会不当地妨碍探针向前或向后运动。通常，操作员使用手柄44握住探针实体模型，正如其通常在真实医疗手术中握住真实探针一样。操作员的操控通常还包括其他运动，例如近端的横向和旋转运动，以相应地操作远端。

近端的操控包括通过患者实体模型中连接到管42的孔46将探针实体模型插入位于患者实体模型远端区域的体腔实体模型48。(操控还包括通过同一个孔取出探针实体模型。)

体腔实体模型48通常包括被模拟的内腔的全尺寸柔性模型。例如，体腔实体模型48可由塑性材料如聚氯乙烯(PVC)形成。如下文进一步描述，在内腔实体模型内跟踪探针实体模型的远端。如果该跟踪采用光学方式，则被模拟的内腔的柔性模型通常由透明塑性材料如透明PVC构成。

在真实手术过程中，内腔壁限制了真实探针在某些通道中的应用。体腔实体模型48对探针实体模型24具有类似的限制。

患者实体模型26还包括触觉技术装置50，该装置被构造成对近端40施加力和/或运动，以便模拟使用真实探针进行的真实手术中操作员所体验到的阻力。该装置通常包括步进电机和/或定位致动器，本文也将其称为致动器50。本文将由致动器生成的用于模拟阻力的作用力和/或运动称为“触觉反馈”。致动器50由向装置提供电信号(本文称为“反馈信号”)的系统控制器28控制。通常，致动器50被配置成向探针实体模型24施加可变的摩擦力，方法是致动器通过管42大致横向地向探针实体模型施加力。摩擦力的大小由控制器28设定。这样的配置允许操作员22在克服致动器50施加的摩擦力后将探针实体模型24移入和移出患者实体模型26。

在某些医学手术中，除了在操作真实探针时感受到阻力外，操作员还可能感受到由于接受手术的真实患者的一个或多个器官的运动而产生的力，和/或体验到探针的运动。该力或运动的方向通常与探针轴线大致平行。就真实探针而言(在真实手术中)，该力或运动的一个例子是当远端接触跳动的心脏壁时所导致的力或运动，从而产生在近端感受到的探针振动。在本发明的一些实施例中，致动器50被配置成能够对近端40施加大致纵向的力，以便模拟该类型的力或运动。

为实施该模拟，系统控制器28采用来自一个或多个对象跟踪装置52的跟踪信号，而跟踪远端38的位置。至少在体腔实体模型48的内部进行跟踪，通常还可在内腔外部进行部分跟踪。在真实手术过程中，例如通过磁跟踪系统(例如由Biosense Webster Inc.(Diamond Bar，CA)提供的CARTO系统)跟踪真实探针的远端。而本发明的实施例可加以必要的变通使用这样的跟踪系统，没有必要通过侵入性手术中常用的系统对远端38进行跟踪。

本文以举例的方式假定内腔实体模型48为透明的，并假定跟踪装置52包括多个大体类似的摄像机(本文也称为摄影机52)，从而对远端38进行光学跟踪。摄影机通常设置在患者实体模型26内部，以便对内腔48对应的区域成像。在一些实施例中，还可将灯(图中未示出)设置在患者实体模型26内部，从而当远端38位于患者实体模型内部时对其照明。以举例的方式，假定远端38的位置相对于一组由患者实体模型26的边缘限定的xyz正交轴进行跟踪。

本领域的普通技术人员将熟悉用于跟踪远端38的其他系统，例如超声系统，并假定所有这些系统及其相关跟踪装置均包含在本发明的范围内。

图2为根据本发明实施例在操作员执行模拟之前GUI 34上向操作员22显示的设置屏幕60的示意图。屏幕60使操作员能够选择模拟参数。屏幕60包括探针选择区域62，其中操作员选择探针实体模型24将要模拟的真实探针。区域62通常为菜单形式，操作员可从中对多种真实探针作出选择。例如，不同的消融探针可在其远端具有不同数量的电极，和/或探针的远端可按其形状分类，例如大体“直的”探针或“套索”探针，和/或探针可具有不同的直径。然而，虽然通常存在多种真实探针，但真实探针与探针实体模型24A、24B...之间通常不一一对应，因为，如本文所假定，一种探针实体模型24通常能够模拟多种真实探针。因此，通常只存在少量的探针实体模型24A、24B...，每个探针实体模型能模拟不同的真实探针。

在区域62中操作员可选择的每个真实探针对应一组元数据，该元数据描述真实探针的特性，例如真实探针的直径、真实探针的长度，以及说明真实探针柔性的一个或多个参数。在一些实施例中，可将真实探针视为对应于由具有已知弹性常数的接头连接的多个线性杆，在这种情况下元数据包括杆的尺寸和弹性常数。元数据通常还包括其他参数，这些参数可涉及真实探针的功能，例如多个电极和/或探针的预期用途。如下文更详细地说明，系统20采用所选真实探针的某些元数据，以得出代表手术过程中探针影响的参数P。

内腔选择区域64允许操作员选择在系统20的操作中将要模拟的内腔。虽然对系统可模拟的内腔类型的数目基本上无限制，但以举例的方式，假定系统20中待模拟的内腔包括两种内腔：心脏和膀胱。(对于每一种内腔，通常存在可被安装在患者实体模型中的相应内腔实体模型。)每个所选内腔包括相应组的元数据，这些元数据通常通过在对应的真实内腔上进行测量(例如成像)而获得。

与给定的所选内腔相关的元数据确定了内腔壁的三维(3D)标测图以及壁各区域的特性。这些特性通常包括壁区域运动和收缩力评估，以使得元数据有效地包括收缩力的3D标测图。

如本领域所已知，收缩力可通过多种工具(例如超声心动图检查、血管造影术、磁共振标记以及分析心动周期中导管尖端的局部轨迹的以导管为基础的心脏标测)评估。同样如本领域所已知，收缩力可通过不同的功能进行测定，这些功能基于(例如)局部短轴缩短率(其可以是线性的、圆周的或节段的)、心内膜变形、多普勒测速，以及应变与应变率分析。假定收缩力的所有此类评估及测量均包含在本发明的范围内。

取决于内腔，元数据还可包括其他参数。例如，对于心脏，元数据可包括周期性、振幅以及心脏壁标测图上指定的心脏壁区域的运动方向。

假定每个待模拟的内腔可分为两类：普通内腔和操作员生成的内腔。在一些实施例中，可能有不止一个待模拟的普通内腔，每一个都限定不同的特性，例如尺寸和/或病状。

普通内腔的元数据可由公共领域中的内腔数据生成，例如，心脏数据可见于www.yale.edu/imaging。此类元数据可包括使用诸如心电描记术或多普勒成像之类的程序得到的内腔分析结果。作为另外一种选择或除此之外，元数据可由其他图像生成，例如内腔的X射线或磁共振成像(MRI)或计算机断层扫描(CT)图像；此类图像可由操作员22获得，但不能用于公共领域。

操作员生成的内腔的元数据通常得自操作员或操作员助理此前在真实内腔上进行的非侵入性或侵入性手术过程中采集的数据。例如，患者可能患有心肌梗塞，并可能已获得其病变心脏的非侵入性MRI图像和/或非侵入性CT图像。此外，可能已施行了侵入性手术，该手术生成了心脏的接触力标测图。可将一个或多个图像与心脏区域的接触力数据一起用作基础，以生成元数据，包括被模拟的病变心脏的收缩力标测图。下文将结合图8的流程图280，进一步描述用于确定内腔收缩力标测图的示例性方法。

屏幕60还包括操作员行为菜单66。如医疗领域所已知，即使进行相似的真实手术，不同的真实探针操作员也会以不同的风格使用探针。例如，一个操作员可能以相对有力的“推送”运动使用探针，而另一个操作员则可能以更温和的“绘画”运动使用探针。在真实手术中，不同的运动将影响操作员感知的反作用力。在很多情况下，操作员了解其自身使用探针的风格。操作员22可从行为菜单66的一系列风格中进行选择。本文的风格以举例的方式归类为从非常有力到非常温和，但可以使用任何其他合适的分类和相应的标记。选择菜单66中的一种分类为控制器28提供了相应的操作员行为调整因子，如下文所述，将该调整因子在模拟过程中应用于致动器50。

菜单66还包括系统确定条目68，该条目允许系统20对操作员22的有效风格进行评价。对自身风格不确定的操作员或者想要检查其风格是否与系统20的分类相对应的操作员可选择此类条目。选择此条目将让系统20执行用于确定操作员22风格的程序。该程序在下文中将结合图6进一步描述。

探针元数据和内腔元数据存储在内存32中。操作员使用探针选择区域62和内腔选择区域64选择给定探针和给定内腔时，处理单元30能够访问两组元数据。通过元数据组以及从菜单66确定的操作员行为调整因子，控制器28可确定模拟过程中将要提供给操作员22的触觉反馈，这将在下文中结合图4更详细地描述。

图3为根据本发明实施例的接触力标测图100的示意图。接触力标测图100显示了使用探针(具有安装在其远端的接触力测量装置)测得的接触力值，如图中灰度所示，虽然该标测图通常以彩色形式呈现。标测图100是由Biosense Webster Inc.生产的ThermoCool SMARTTOUCH^TM探针测定的左心房的接触力标测图。该标测图通常在真实的心脏探查术中生成。如下文所述，诸如标测图100那样的接触力标测图可用于获得心脏区域的收缩力数据。

内腔的任何特定区域的接触力取决于该区域的收缩力、用于测定接触力的探针以及操作员使用探针的特有风格。这种关系的数学表达式可如下：

CF_xyz＝f(C_xyz，P，O) (1)

其中CF_xyz是(x，y，z)周围区域的接触力，

C_xyz是该区域的收缩力，

P是衍生自探针元数据的参数，

O是代表操作员风格的参数，以及

f为函数。

在获得公式(1)的接触力(即真实探针远端上的力)的真实手术中，操作员将在探针近端体验到与接触力相关的力。在由本发明实施例执行的模拟中，为简便起见，以举例的方式假定致动器50施加的力与模拟中假定存在的接触力线性相关。本文将致动器50施加的力称为“触觉反馈力”。由上文推出公式(2)：

HFF_xyz＝k□CF_xyz＝k□f(C_xyz，P，O) (2)

其中HFF_xyz是探针接触区域(x，y，z)时的触觉反馈力，并且

k为常数。

回到公式(1)，可对该公式进行重排，得到关于区域(x，y，z)的收缩力的关系式：

C_xyz＝g(CF_xyz，P，O) (3)

其中g为第二函数

通常，公式(1)-(3)中的参数k、P和O可由相应的矩阵表示，并且函数f和g包括矩阵的乘法运算。为简便起见，在下文的描述中假定参数k、P和O为正实数。同样为简便起见，假定CF_xyz、C_xyz、P和O之间具有线性关系。对于上述参数为矩阵和/或关系为非线性的情况，本领域的普通技术人员将能够加以必要的变更修改该描述。

通过适当选择P和/或O的值，从而可将公式(2)和(3)改写为：

C_xyz＝CF_xyz□P□O (4)

公式(1)也可类似地改写为：

下文给出了公式(1)-(6)的应用。

图4为操作员22在系统20中进行模拟时所采用步骤的流程图150，图5为根据本发明实施例执行流程图的步骤时GUI 34上显示的屏幕180的示意图。流程图150假定类似于上述公式(4)、(5)和(6)的关系同样适用。

在操作员开始模拟前进行的第一步骤152中，对患者实体模型26的摄影机52和触觉反馈致动器50进行校准。

摄影机的校准允许控制器28从摄影机形成的远端图像中，相对于患者实体模型轴线确定远端38在患者实体模型中的坐标。通常通过将远端设置在位于患者实体模型中的透明内腔实体模型48的已知位置来进行摄影机校准。摄影机生成远端图像，并将不同图像中远端的坐标与相对于患者实体模型轴线测得的已知远端坐标相关联。校准通常还包括通过将远端设置在已知位置生成的数据进行内推和/或外推，使得控制器28能够由摄影机52生成的图像确定远端38在体腔实体模型48中任何位置时的坐标。

致动器50的校准允许控制器28采用公式(5)提供正确的触觉反馈，其形式为操作员感知的力。通常，对于给定致动器50运动所感受到的力取决于探针实体模型24的直径，以使得在探针实体模型具有不同直径的情况下，对每个不同的直径均有相应的校准。对于给定直径的探针实体模型，可通过向致动器输入已知的启动信号并测量探针实体模型上的摩擦阻力来进行校准。该校准提供公式(5)中常数k的值，对于每个探针实体模型，该值通常不同。

如上所述，在致动器50被配置成向探针实体模型24施加大致纵向力的实施例中，采用与阻力校准大致相同的方式校准致动器的纵向力。在这些实施例中，虽然常数k通常不同，但与公式(5)大致相似的公式仍适用。

在初始模拟步骤154中，显示了屏幕60(图2)。操作员选择待模拟的内腔和探针，并选择将在模拟中使用的操作员风格。在以下描述中，假定内腔实体模型48与操作员选择的内腔类型(例如，心脏或膀胱)相对应

探针的选择使控制器能够获取探针的元数据和P值，操作员风格的选择使控制器能够获取操作员调整因子和O值。

在选择内腔时，控制器28获取内腔的元数据，从而获取内腔的3D标测图，即，内腔的(x，y，z)值，以及(x，y，z)周围区域的收缩力值C_xyz(公式(4))。控制器将标测图和收缩力值与患者实体模型轴线配准。在一些实施例中，还获取用于生成收缩力标测图的接触力标测图。

在模拟启动步骤156中，在GUI 34上为操作员提供了所选真实内腔(非内腔实体模型48)和接触力仪表184的图像182(图5)。此外，启动摄影机52。操作员通过将探针实体模型24插入患者实体模型的小孔46，开始模拟程序。通常，控制器28启动致动器50，以模拟将真实探针插入真实患者的动脉或静脉时所受到的阻力。然而，模拟远端38所受接触力的接触力仪表通常设为零，因为在真实手术的这个阶段，真实探针的远端所受的轴向力很小或为零。

在继续模拟步骤158中，操作员继续插入探针实体模型，直至摄影机52记录到远端38的位置位于内腔3D标测图的界限内。这时，控制器28与摄影机52一起开始跟踪远端的位置。控制器28采用测得的位置在屏幕180上显示代表远端的图标186，该图标与GUI 34上已存在的所选真实内腔的图像正确配准。操作员22操控探针实体模型24的近端40，从而将远端移到图像182中的所需位置。

在室壁接触步骤160中，控制器28检测远端38的位置与内腔壁区域位置的对应情况(使用3D标测图坐标)，以使得远端有效地接触室壁。通过室壁图像和屏幕180上生成的远端图标186，该接触对于操作员同样显而易见。在接触时，控制器获取内腔元数据以确定接触位置的收缩力。控制器通过收缩力并采用公式(6)确定接触区域的模拟接触力，并在接触力仪表184上显示该力。控制器采用公式(5)确定将要由致动器50施加的触觉反馈力。

在施力步骤162中，控制器启动致动器50，以将由公式(5)确定的触觉反馈力施加到近端40。根椐所选探针和内腔的元数据，控制器还可以启动致动器50以向近端施加其他力，例如上述纵向力。该启动将持续到控制器使用摄影机52确定远端38与步骤160中确定的区域发生接触。

如条件步骤164所示，其中控制器确定操作员22是否已将远端38移到新的位置，并通过箭头166所示，重复步骤158、160和162，直到没有新的位置针对远端配准。然后流程图所描述的模拟即结束。

在一些实施例中，存在标测图呈现步骤168。步骤168可在一完成模拟后就实施，或作为另外一种选择在模拟过程中通过操作员向控制器28提出请求而实施。在步骤168中，步骤160中所确定的模拟接触力以与图3标测图大致类似的模拟接触力标测图的形式呈现在GUI 34上。在已获取用于生成内腔收缩力标测图的接触力标测图的实施例中，该接触力标测图也可显示在GUI 34上用于比较目的。对模拟接触力标测图进行检查和/或将其与步骤154中获取的标测图进行比较，可为操作员提供指示，指出可能施加了过多或过少力的地方，或可能不需要测定力的地方。

图6为根据本发明实施例用于评价操作员22风格所执行的步骤的流程图200。该流程图的步骤通常在操作员不确定其风格时执行，并可通过操作员选择菜单66的系统确定条目(图2)获取。

流程图200假定患者实体模型26的摄影机和致动器已按步骤152(流程图150)所述进行了校准。

初始步骤202与步骤154(流程图150)大致相似，以便操作员选择将要用于评价的内腔和探针。假定内腔和探针分别具有预置收缩力标测图和探针参数。不由操作员选择风格，控制器28假定预定的风格值，通常为已知操作员风格值的平均值，或所有可能O值的加权平均值。通常，一旦选择内腔和探针，GUI 34上将对操作员作出指示，要求操作员执行已知的程序，例如左心房的局部消融。

第一评价步骤204和第二评价步骤206分别与模拟启动步骤156和继续模拟步骤158大致相似。

在记录步骤208中，一旦远端38位于内腔实体模型中，控制器28即开始记录远端的位置，以及远端在该位置的时间。只要还在进行流程图200的评价，该记录就会继续。

工序210、212分别与上述室壁接触步骤160和施力步骤162大致相似。然而，在步骤210中，将步骤202假定的O值用于公式(5)和(6)。

由条件步骤214和箭头216所示的流程图的第一循环，与流程图150中条件步骤164和箭头166的循环大致相同，并持续到操作员停止移动远端。如果条件步骤214返回否定值，则流程图200将继续执行由条件步骤218和箭头220所示的第二循环，以核对操作员是否要选择另一个内腔或探针用于评价。例如，操作员可以选择不同类型的心脏(可为“瘦薄型”、“肥大型”或“运动员型”)和适于不同类型心脏的探针。如果条件218返回肯定值，则流程图将回到步骤202。

如果条件214和218均返回否定值，从而指明操作员22已完成其操作风格数据的提供，则流程图将继续执行流程图的最终步骤222和224。在结果步骤222中，控制器28通常将前述步骤中生成的结果整理成一个或多个矩阵。在分析步骤224中，对结果进行分析，通常用于确定参数的值，例如配准的平均力、配准的最大力、探针的平均运动速度、运动速度的变化、以及探针加速的加速度和/或时间导数。控制器采用这些值，通常对这些值进行加权，以便估计与操作员风格对应的0值。

图7为根据本发明实施例由控制器28执行的用于评价给定探针实体模型24所用参数P值的步骤的流程图250。如上文说明，P通常取决于探针实体模型模拟的真实探针的机械特性，例如直径和柔性。流程图250的程序采用真实探针的特性来确定P值。

在第一步骤252中，控制器28获取真实探针的元数据。控制器从元数据中分离出机械数据，例如长度、直径和度量探针弯曲难易度的弹性常数。

在估计步骤254中，控制器根据机械数据估计P值。在一个实施例中，可假定P与长度成反比，与直径成正比，以及与弹性常数成正比。作为另外一种选择，可在估计P时假定这些机械数据和/或其他数据的其他相关性。

在评价步骤256中，操作员22一般根据流程图150的步骤152-164操作系统20。然而，P值由步骤254得出。所选内腔通常为操作员熟悉的内腔，并且内腔的收缩力标测图可根据流程图280(图8)测定。在评价中，操作员估计在流程图150的步骤162中生成的触觉反馈是否可以接受。

在比较步骤258中，操作员指示用于步骤256的P值是否可以接受。如果P值不可接受，则操作员和/或控制器28将在调节步骤260中更改P值，流程图将回到步骤256。

如果比较259返回肯定值，则假定将最后循环步骤256中使用的P值用于给定探针实体模型24和所选真实探针，流程图结束。

图8为根据本发明实施例由控制器28执行的用于评价给定内腔的区域收缩力的步骤的流程图280。对于给定的内腔，评价区域的收缩力与测定收缩力标测图相对应。

在第一步骤282中，控制器获取内腔的3D图像数据。图像数据通常包括一个或多个MRI图像，和/或一个或多个CT图像。作为另外一种选择，还可使用其他成像数据，例如来自心电描记术、多普勒成像的数据和/或超声或光学图像数据。

在壁测量步骤284中，控制器测定内腔不同区域的壁厚。

在收缩力测定步骤286中，控制器测定区域的机械特性，例如弹性。内腔的区域特性通常来自操作员22从公共领域来源(如上文所引用)获取以及存储于内存32中的数据。这些数据通常包括预先采集的超声心动图数据和/或磁共振弹性成像数据。作为另外一种选择或除此之外，如果接触力标测图可用于内腔，则控制器28可使用该接触力标测图来确定其所需的机械特性。例如，消融区域的接触力测量可向控制器提供与消融前的弹性值相比修正的区域弹性值。

控制器通过机械特性确定对应于生成给定内腔收缩力标测图的区域(x，y，z)的收缩力C_xyz。

上述说明提供了用于确定操作员风格的O值，用于确定模拟给定真实探针的探针实体模型的参数P值，以及用于确定对应于给定内腔收缩力标测图的区域收缩力C_xyz的独立方法。

用于测定收缩力标测图、探针参数P和操作员风格O的其他方法对本领域的普通技术人员而言也将是显而易见的，然后可将这些标测图、参数和风格用于系统20。假定此类方法也包含在本发明的范围内。

例如，可对采用不同探针获得的和/或由不同操作员生成的相同或相似器官的接触力标测图组进行比较。这样的比较(可结合一种或多种根据流程图200、250和280所述的方法)通常生成器官收缩力标测图的估计值。该比较通常还生成用于获取接触力标测图的探针的参数P的估计值，以及操作探针的操作员风格O的估计值。

应当理解上述实施例仅是举例方式的援引，本发明并不限于上文具体示出和描述的内容。更确切地说，本发明的范围包括上述各种特征的组合和子组合、以及本领域技术人员在阅读上述说明书时可能想到的并且现有技术中未公开的变型形式和修改形式。

Claims

1.一种设备，包括：

探针实体模型，所述探针实体模型具有远端和适合操作人员抓握的近端；

模拟真实患者的患者实体模型，所述患者实体模型具有小孔，所述小孔使所述探针实体模型的所述远端能够穿透到所述患者实体模型内；

力发生器，所述力发生器连接到所述探针实体模型以便将力施加到所述操作人员可感知的所述近端；以及

系统控制器，所述系统控制器被配置成：

在所述远端穿透到所述患者实体模型内的过程中跟踪其位置，

获取与所述位置对应的所述真实患者器官区域的收缩力值的指示，以及

启动所述力发生器以使得施加到所述近端的力对应于所述指示。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述系统控制器被配置成获取表征所述探针实体模型所模拟的真实探针机械性能的探针参数，并且其中施加到所述近端的力对所述探针参数作出响应。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述探针参数的值根据所述操作人员感知的力的评价进行确定。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述系统控制器被配置成获取表征所述操作人员操作风格的操作员参数，并且其中施加到所述近端的力对所述操作员参数作出响应。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述操作员参数根据所述远端的位置及其在所述位置的时间的记录进行确定。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述系统控制器被配置成根据对所述器官接触力标测图和所述器官图像中至少一者的分析来确定所述收缩力值。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述接触力标测图采用包括力传感器的真实探针生成。

8.根据权利要求6所述的设备，其中所述图像采用所述器官的非侵入性成像生成。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述探针实体模型被配置成模拟真实探针，所述真实探针具有真实探针远端并在所述真实探针远端包括力传感器。

10.根据权利要求1所述的设备，还包括一个或多个跟踪装置，所述跟踪装置根据所述远端的位置将远端跟踪信号传输到所述系统控制器。

11.一种方法，包括：

提供探针实体模型，所述探针实体模型具有远端和适合操作人员抓握的近端；

用患者实体模型模拟真实患者，所述患者实体模型具有小孔，所述小孔使所述探针实体模型的所述远端能够穿透到所述患者实体模型内；

将力发生器连接到所述探针实体模型以便将力施加到操作人员可感知的所述近端；

在所述远端穿透到所述患者实体模型内的过程中跟踪其位置；

获取与所述位置对应的所述真实患者器官区域的收缩力值的指示；以及

12.根据权利要求11所述的方法，还包括获取表征所述探针实体模型所模拟的真实探针机械性能的探针参数，并且其中施加到所述近端的力对所述探针参数作出响应。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括根据所述操作人员所感知的力的评价确定所述探针参数值。

14.根据权利要求11所述的方法，还包括获取表征所述操作人员操作风格的操作员参数，并且其中施加到所述近端的力对所述操作员参数作出响应。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述操作员参数根据所述远端的位置及其在所述位置的时间的记录进行确定。

16.根据权利要求11所述的方法，还包括根据对所述器官的接触力标测图和所述器官图像中至少一者的分析来确定所述收缩力值。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述接触力标测图采用包括力传感器的真实探针生成。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述图像采用所述器官的非侵入性成像生成。

19.根据权利要求11所述的方法，其中所述探针实体模型被配置成模拟真实探针，所述真实探针具有真实探针远端并在所述真实探针远端包括力传感器。

20.根据权利要求11所述的方法，还包括根据所述远端的位置将远端跟踪信号传输到所述系统控制器。