CN105943160B - 主动脉覆膜支架介入手术模拟装置 - Google Patents

Abstract

主动脉覆膜支架介入手术模拟装置，涉及用于主动脉疾病覆膜支架植入术的模拟手术，属于生物医学工程领域。该装置由操作显示单元、主动脉仿生模型、搏动循环模拟机构组成。其中，操作显示单元采集模拟覆膜支架介入手术过程的视频图像，并通过自行设计的软件操作处理，突出显示所需部分，并模拟正常手术过程中的显示方式进行显示；主动脉仿生模型根据真实的包括病理组织在内的非结缔组织信息，利用3D打印技术用与实际组织特性类似的材料进行制作；搏动循环模拟机构用可控搏动泵模拟人体生理环境。由于从显示、模型操作对象、手术环境等方面都采用高度模拟实际主动脉覆膜支架植入术的手段，所以本发明对培训医师，设计主动脉支架都很有帮助。

Description

主动脉覆膜支架介入手术模拟装置

技术领域

本发明涉及一种介入手术模拟系统，主要涉及用于主动脉疾病覆膜支架植入术的模拟手术装置，属于生物医学工程领域。

背景技术

主动脉是体循环的动脉主干。主动脉疾病包括主动脉夹层，主动脉瘤等等。主动脉夹层是指血液通过主动脉内膜裂口，进入主动脉壁并造成正常动脉壁的分离，是最常见的主动脉疾病之一。主动脉是身体的主干血管，承受直接来自心脏跳动的压力，血流量巨大，出现内膜层撕裂，如果不进行恰当和及时的治疗，破裂的机会非常大，死亡率在1周内高达50％，一个月内在60-70％之间。主动脉瘤是主动脉的一种病理性扩张，当其超过正常血管直径的50％，称之为主动脉瘤。主动脉瘤会引起血管内侧压增高，故呈进行性膨大，若长期发展，最后终归破裂，瘤体越大，破裂的可能性越大，据统计，若不作手术治疗，90％胸主动脉瘤在5年内死亡，3/4腹主动脉瘤在5年内死亡，目前，主动脉疾病的治疗以微创腔内治疗，即主动脉疾病覆膜支架植入术为主。

制作出适合病患的主动脉形状的覆膜支架。使支架在设计方面更加人性化、个体化，以达到更好的治疗效果。随着医学技术的发展与进步，介入治疗技术日益成熟，但仍是一种创伤性和危险性的治疗手段，稍有失误会危及患者生命，国内从事该介入治疗的经验丰富的医师较少，而对于初学者的培训大多沿用传统的“理论介绍、观看介入手术操作、作为助手参与手术、直接对患者进行操作”的培训模式，培养周期极长。其次，由于主动脉疾病发病原因复杂多变，其主动脉也会随疾病发生不同程度的改变，医师在对其进行手术操作时，只能依靠以往经验完成主动脉覆膜支架植入术，如果治疗方案选择不合适，将危及患者生命。因此，在医师学习介入治疗时，乃至医师没有手术时，一种培训医师，帮助医师熟悉介入治疗操作的模拟训练尤为重要；而在遇到疑难病症时，一个能够实现个性化手术方案的订制与操作模拟功能的手术模拟系统，将帮助医师提高手术成功率，这会极大降低患者的死亡风险。

在新型支架的研发过程中，要设计适合病患的支架，需要先得到病患的主动脉模型，根据模型的尺寸及形状设计并制作，减少并发症的发生率。而覆膜支架从研制到真正的临床应用，除了对支架材料性能进行评价外，还要对覆膜支架进行复杂且漫长的整体性能及生物学评价。即需要对新型支架的外观、大小、形态等参数进行不断地修改调整，并进行动物实验以证实其可行性，最后应用于临床确定其临床疗效。但由于动物心血管解剖结构与人类并不完全相似，不能达到模拟人体结构的目的，且支架动物试验及临床试验花费昂贵，为了更好地模拟覆膜支架在体内的行为，指导支架的设计和工艺，并为临床使用提供参考研究，在进行临床试验之前，应利用主动脉覆膜支架手术模拟系统进行体外模拟循环试验。通过手术模拟系统，研究覆膜支架的输送和展开过程，测试输送推动力，观察支架释放后的展开情况，衡量覆膜支架的设计能否使血管贴壁性和顺应性达到开发预期要求。其次，通过手术模拟系统的介入操作模拟，实际检测覆膜支架是否会发生移位或内漏等情况。

专利CN202694655U涉及一种血管内介入训练模拟器，包括模拟手术台、双屏模拟手术监视器、模拟病人和软件平台。该模拟器采用一硬件外壳，内部无实际模型及操作设施，整体依靠计算机图像模拟、软件操作模拟的方式，实现介入训练模拟器的制作。但是，该专利实际的仿生主动脉模型，没有真实主动脉走向，不能令研究及使用具有临床操作的真实感。

专利CN103943017A涉及一种带有力反馈的虚拟腹腔镜手术模拟器，用于帮助医生完成腹腔镜手术模拟训练。该模拟器制作了带力学反馈装置的手术模拟器，使用材料简单便于移动。但是，该专利不是针对主动脉覆膜支架植入术的手术模拟系统，其针对的差异性将影响主动脉覆膜支架植入术的力学反馈特性，不利于医师的介入操作学习和临床手术指导。

专利CN203746323U涉及一种用于模拟外科手术的模拟器，主要用于模拟心脏和胸外科中的外科手术。该模拟器由多层壁组成，能变动位置模拟胸腔内变化。但是，该专利的实例所用材料不适宜移动使用。

发明内容

为了克服现有专利的缺陷，本发明提供一种针对主动脉覆膜支架植入术的手术模拟系统。

主动脉覆膜支架介入手术模拟装置，由操作显示单元、主动脉仿生模型、搏动循环模拟机构组成。所述操作显示单元由摄像机构、软件平台和显示器组成，所述摄像机构包括摄像头和照明灯，所述软件平台为与所述摄像机构和所述显示器连接的安装了图像识别软件、图像处理软件的工控机，所述图像识别软件能够对主动脉弓、升主动脉、降主动脉的动态操作进行识别，所述图像处理软件能够对介入操作区域进行增强对比度处理，并使图像近似于专业造影设备产生的医学影像；所述主动脉仿生模型为包括升主动脉、主动脉弓、降主动脉、腹主动脉及分支，和股动脉在内的并涉及正常主动脉、主动脉夹层、主动脉瘤的1:1模型，该模型采用透明材料制作；所述搏动循环模拟机构由搏动泵、储液器、放置所述主动脉仿生模型的充满液体的容器构成，所述充满液体的容器上设置有与所述搏动泵出口连接的进液口，该进液口接至所述主动脉仿生模型的升主动脉入口，同时，所述充满液体的容器还设置有与所述储液器进口连接的出液口，该出液口接至主动脉仿生模型的股动脉出口；所述主动脉仿生模型固定在所述充满液体的容器内，固定点分别位于该模型的股动脉出口处、主动脉弓处、肾动脉出口处，且股动脉出口处与所述容器的容器壁封接，形成穿刺口；所述照明灯布置在所述充满液体的容器内，使所述主动脉仿生模型被均匀照亮；所述摄像头布置在所述充满液体的容器内，能够拍摄到所述主动脉仿生模型整体；所述充满液体的容器的背面设置有更换所述主动脉仿生模型的开口。

所述充满液体的容器采用黑色吸光材料制作，或者充满液体的容器内侧喷涂黑色吸光材料，或者充满液体的容器内侧贴敷黑色防水亚光纸。

所述图像处理软件处理出的近似于专业造影设备产生的医学影像的图像可以分别选择为，介入操作手术中所用的CT影像、超声影像、X光影像。

所述主动脉仿生模型采用如下方法制作：采集正常部分的主动脉及疾病部分的主动脉的CTA，然后进行三维重建，应用3D打印技术，通过浸粘、挤出、覆膜工艺仿真制作包括升主动脉、主动脉弓、降主动脉、腹主动脉及分支，以及股动脉在内的并涉及正常主动脉、主动脉夹层及主动脉瘤的1:1模型，模型的打印材料分别根据主动脉各部分的非结缔组织的弹性、张力和厚度信息来选择，其中所述各部分包括疾病的主动脉夹层的内膜、外膜，以及动脉瘤，还有主动脉壁全层的组织。

本发明从显示、模型操作对象、手术环境等方面都采用高度模拟实际主动脉覆膜支架植入术的手段，构成了高仿真的主动脉覆膜支架植入术模拟系统，并且有相应的软件分别突出支持各种特殊的需求，为以下工作的开展提供了有利条件：1.能够作为医师介入治疗操作的培训装置，其真实的力学反馈特性，有益于医师介入操作的快速学习和临床手术操作的指导；2.能够用于主动脉疾病患者的个性化治疗，通过CTA获取主动脉疾病患者的主动脉三维重建模型，医师可根据模型规划术前手术方式以及模拟术中手术操作；3.能用于设计及开发新型主动脉支架，更好地模拟覆膜支架在体内的行为，指导支架的设计和工艺，并为临床使用提供参考研究。

附图说明

图1为本发明主动脉覆膜支架介入手术模拟装置的一个优选实施例的整体示意图；

图2为图1所示实施例中的介入手术模拟箱体系统的结构示意图；

图3为图1所示实施例中的介入手术模拟箱体系统顶部结构图；

图4为图1所示实施例中的介入手术模拟箱体系统背部结构图；

图5为本发明主动脉覆膜支架介入手术模拟装置的软件操作显示界面；

图6为本发明主动脉覆膜支架介入手术模拟装置的介入操作示意图；

图7为本发明主动脉覆膜支架介入手术模拟装置的软件的流程图；

图中：1-介入手术模拟箱体系统；2-软件平台；3-显示器；4-顶盖；5-照明灯；6-摄像头；7-主动脉仿生模型；8-充满液体的容器；9-储液器；10-搏动泵；11-图像显示区；12-配置按钮；13-退出按钮；14-打开摄像按钮头；15-局部放大按钮；16-原始图像及灰度图像切换按钮；17-进液口；18-出液口；19-活动开口；20-背部开口；21-覆膜支架释放区域；22-箭头。

具体实施方式

主动脉覆膜支架介入手术模拟装置，由操作显示单元、主动脉仿生模型7、搏动循环模拟机构组成。

所述操作显示单元由摄像机构、软件平台2和显示器3组成。其中，所述摄像机构包括摄像头6和照明灯5。所述软件平台为与所述摄像机构和所述显示器连接的安装了图像识别软件、图像处理软件的工控机，所述图像识别软件能够对主动脉弓、升主动脉、降主动脉的动态操作进行识别，所述图像处理软件能够对介入操作区域进行增强对比度处理，并使图像近似于专业造影设备产生的医学影像。

所述主动脉仿生模型7为包括升主动脉、主动脉弓、降主动脉、腹主动脉及分支，以及股动脉在内的1:1包括正常主动脉、主动脉夹层、主动脉瘤的模型。通过对包括正常部分的主动脉及疾病部分的主动脉的CTA(CT angiography，即CT血管造影术，是一种可用于计算机三维重建合成的非创伤性血管造影术)进行三维重建，可根据实际要求，如主动脉疾病病理状态、手术方式要求、手术实验模拟等来制作计算机三维模型；应用3D打印技术辅助，通过浸粘、挤出、覆膜等技术制作模型。该模型采用透明材料制作，材料的选取采用如下方式：首先获取外科手术中患病的主动脉的各部分的非结缔组织的弹性、张力和厚度信息，各部分包括：疾病的主动脉夹层的内膜、外膜，动脉瘤，主动脉壁全层的组织。选用与所述各组织相近的材料作为制作主动脉壁结构的材料，如：聚乙烯、硅橡胶、聚四氟乙烯、聚氨酯，本实施例采用硅橡胶。主动脉仿生模型7在一定程度上具有真实主动脉力学特性，能实现介入操作的力学反馈要求。且主动脉仿生模型7的升主动脉部分有一活动开口19，用于取出通过主动脉覆膜支架植入术后放入模型腔内的主动脉覆膜支架。

所述搏动循环模拟机构由搏动泵10、储液器9、放置所述主动脉仿生模型7的且充满液体的容器8构成。所述充满液体的容器8设置有与搏动泵10出口连接的进液口17，且进液口17接至主动脉仿生模型7的升主动脉入口；同时，充满液体的容器8还设置有与所述储液器9进口连接的出液口18，且出液口18接至主动脉仿生模型7的股动脉出口；储液器9的出口与搏动泵10的进口连接。搏动泵10可以模拟出人体的各种搏动情况。如搏动泵按照预先设定的搏动频率75/min、输出压力160mmHg和输出液体的流量5L/min，模拟心脏的心率，每搏输出量和压力(相当于人体收缩压)，由仿生模型升主入口泵入液体，经股动脉分支循环连接至出液口循环回储液器。

本实施例中主动脉覆膜支架介入手术模拟装置由介入手术模拟箱体系统1、软件平台2及显示器3三个部件组成，如图1。

介入手术模拟箱体系统1包括了带有顶盖4的箱体、所述摄像机构、所述主动脉仿生模型7、所述搏动循环模拟机构。其中，摄像机构设置在顶盖4中，如图3，其中的照明灯5为两根以平行并列方式分布于顶盖4中的条形LED恒流高亮灯，使所述主动脉仿生模型被均匀照亮；摄像头6安排在两根照明灯5之间，能够拍摄到所述主动脉仿生模型整体。摄像头6和照明灯5通过USB接口与所述软件平台2连接。同时，箱体作为所述充满液体的容器8，内外均布有黑色防水亚光纸，防止内部光源反射，及外部灯光影响采集的图像质量。所述主动脉仿生模型7固定在所述箱体内，固定点分别位于该模型的股动脉出口处、主动脉弓处、肾动脉出口处。股动脉开口处与箱体壁封接，形成穿刺口，即外科介入手术的股动脉介入接口。搏动循环模拟机构中的搏动泵10和储液器9位于箱体外面，与箱体内的主动脉仿生模型的升主动脉入口和股动脉出口接驳，形成循环通路，与箱体内的液体一起构成模拟人体主动脉外的生理环境。箱体背面设有一个背部开口20，用于更换主动脉仿生模型，开口为半圆形，开口直边通过扇叶固定，通过更换模型以实验不同插管方式对介入手术的影响，如股脉插管、冠脉插管等，或取出模型内通过主动脉夹层覆膜支架植入术操作释放的支架，重复主动脉覆膜支架植入术操作。

软件平台2为工控机，软件平台2通过USB线为摄像头6和照明灯5提供电源，并接收摄像头6的视频信号，将信号处理后通过显示器3显示。软件平台2中的软件为根据操作功能自主设计开发的主动脉覆膜支架手术模拟系统软件，功能包括图像识别、图像处理、图像增强。软件运行流程包括：启动、系统初始化、图像处理、图像识别、图像增强、图像数据存储及显示。软件操作界面共有以下几种功能：打开摄像头按钮14，开启摄像头，系统初始化，在图像显示区11中显示图像，同时进入待机状态；局部放大按钮15，可将所观察的图像区域放大；原始图像及灰度图像切换按钮16的功能是：原始图像为采集到的彩色图像，灰度图像为图像经过灰度化，对比度调整，凸显增强后的图像，可通过更改预设参数值模拟在X光影像或超声影像或CT影像下操作所观察的图像；配置按钮12，包含图像翻转按键——改变图像左右上下位置，图像折叠按键——放大和缩小图像识别显示区域，功能操作按键——调节对比度、明暗度等实现灰度化图像细节调整；退出按钮13，退出主动脉覆膜支架介入手术模拟系统；所获图像均在图像显示区11中显示。(如图5)

●流程：如图7，

1.启动运行手术模拟系统，模拟系统完成初始化设定；

2.检测是否已打开摄像头，否，启动摄像头，是，获取摄像头拍摄到的图像；

3.读取摄像头获取的图像，图像数据预处理；

4.检测是否存在历史数据，否，存储重构图像数据，是，提示修改或覆盖图像数据；

5.读取图像数据，通过调整亮度、对比度，非线性灰度变换的方法完成对图像的灰度化处理，同时通过图像同态增晰方法，完善灰度图像细节；

6.进行图像识别，通过动态识别的方法，确定图像中的主动脉覆膜支架放送器，同时通过Gamma校正，增强覆膜支架放送器在图像中的对应值，增强其显示效果；

7.存储并显示图像。

●图像处理：

1.非线性灰度变换，图像由彩色变为灰度图像，同时调整突出显示区域；

2.图像同态增晰，对图像的灰度范围进行调整，获取清晰的灰度图像；

●图像识别：

灰度图像下，通过图像变化信息的动态监测，即图像序列的亮度分量，比较帧间亮度变化信息，获取图像变化点，即覆膜支架放送器；

●图像增强：

Gamma校正，采用了非线性函数(指数函数)对图像的灰度值进行变换，对通过图像识别出的图像区域进行展宽，对其余背景区域进行压缩，从而达到图像增强的效果；

当医师或实验人员操作主动脉覆膜支架手术模拟系统时，需连接各设备电源、数据传输线，打开电源，启动工控机，系统将自动进入本模拟系统。进入操作界面，打开摄像头。设置或采用默认参数。此时可进行主动脉覆膜支架植入术等介入治疗操作模拟，或辅助设计、开发新型主动脉覆膜支架。

主动脉覆膜支架手术模拟系统支架介入操作流程为：支架放送器由股动脉介入接口伸入，沿图6箭头22所指方向经腹主动脉、胸降主动脉至主动脉弓处，旋动支架放送器，确定支架锚定区，释放主动脉覆膜支架，撤出支架放送器。

本手术模拟系统包含模拟主动脉覆膜支架植入术及其他介入治疗的操作流程，能够作为医师介入治疗操作的培训装置，其有更加真实的力学反馈特性，有益于医师介入操作的快速学习和临床手术操作的指导；其能用于主动脉疾病患者的个性化治疗，通过CTA获取主动脉疾病患者的主动脉三维重建模型，应用3D打印技术，通过浸粘、挤出、覆膜等工艺仿真制作1:1的主动脉模型，固定模型后重复实验操作实现个性化模型的手术操作模拟，医师可根据新模型规划术前手术方式以及模拟术中手术操作；还能用于设计及开发新型主动脉支架，更好地模拟覆膜支架在体内的行为，指导支架的设计和工艺，并为临床使用提供参考研究，在进行临床试验之前，应利用主动脉覆膜支架手术模拟系统进行体外模拟循环试验。通过手术模拟系统，研究覆膜支架的输送和展开过程，测试输送推动力，观察支架释放后的展开情况，衡量覆膜支架的设计能否使血管贴壁性和顺应性达到开发预期要求。其次，通过手术模拟系统的介入操作模拟，实际检测覆膜支架是否会发生移位或内漏等情况。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方案，但本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围。

Claims (4)

1.主动脉覆膜支架介入手术模拟装置，由操作显示单元、主动脉仿生模型、搏动循环模拟机构组成，其特征在于：所述操作显示单元由摄像机构、软件平台和显示器组成，所述摄像机构包括摄像头和照明灯，所述软件平台为与所述摄像机构和所述显示器连接的安装了图像识别软件、图像处理软件的工控机，所述图像识别软件能够对主动脉弓、升主动脉、降主动脉的动态操作进行识别，所述图像处理软件能够对介入操作区域进行增强对比度处理，并使图像近似于专业造影设备产生的医学影像；所述主动脉仿生模型为包括升主动脉、主动脉弓、降主动脉、腹主动脉及分支，和股动脉在内的并涉及正常主动脉、主动脉夹层、主动脉瘤的1:1模型，该模型采用透明材料制作；所述搏动循环模拟机构由搏动泵、储液器、放置所述主动脉仿生模型的充满液体的容器构成，所述充满液体的容器上设置有与所述搏动泵出口连接的进液口，该进液口接至所述主动脉仿生模型的升主动脉入口，同时，所述充满液体的容器还设置有与所述储液器进口连接的出液口，该出液口接至主动脉仿生模型的股动脉出口；所述主动脉仿生模型固定在所述充满液体的容器内，固定点分别位于该模型的股动脉出口处、主动脉弓处、肾动脉出口处，且股动脉出口处与所述容器的容器壁封接，形成穿刺口；所述照明灯布置在所述充满液体的容器内，使所述主动脉仿生模型被均匀照亮；所述摄像头布置在所述充满液体的容器内，能够拍摄到所述主动脉仿生模型整体；所述充满液体的容器的背面设置有更换所述主动脉仿生模型的开口。

2.如权利要求1所述的主动脉覆膜支架介入手术模拟装置，其特征在于：所述充满液体的容器采用黑色吸光材料制作，或者充满液体的容器内侧喷涂黑色吸光材料，或者充满液体的容器内侧贴敷黑色防水亚光纸。

3.如权利要求1所述的主动脉覆膜支架介入手术模拟装置，其特征在于：所述图像处理软件处理出的近似于专业造影设备产生的医学影像的图像可以分别选择为，介入操作手术中所用的CT影像、超声影像、X光影像。

4.如权利要求1所述的主动脉覆膜支架介入手术模拟装置，其中的主动脉仿生模型采用如下方法制作：采集正常部分的及疾病部分的主动脉的CTA，然后进行三维重建，应用3D打印技术，通过浸粘、挤出、覆膜工艺仿真制作包括升主动脉、主动脉弓、降主动脉、腹主动脉及分支，以及股动脉在内的并涉及正常主动脉、主动脉夹层及主动脉瘤的1:1的模型，模型的打印材料分别根据主动脉各部分的非结缔组织的弹性、张力和厚度信息来选择，其中所述各部分包括疾病的主动脉夹层的内膜、外膜，以及动脉瘤，还有主动脉壁全层的组织。