CN107862963A - 一种经皮冠状动脉介入手术体外训练、测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种经皮冠状动脉介入手术体外训练、测试系统，包括操作平台、模拟人体内环境的恒温箱、连接恒温箱的显示器、密闭恒温血液收集液箱及恒温箱内的心脏模拟装置；其中，心脏模拟装置包括密闭刚性容器，与刚性容器相连通的活塞，及设置刚性容器内的心脏模型；心脏模型连接有主动脉模型及与血液收集液箱相连通的右肺静脉模拟管道；主动脉模型一端连接有左、右冠状动脉模型，冠状动脉模型远端均通过硅胶软管与血液收集液箱相连通；主动脉模型的另一端与动脉模拟管的一端连通，动脉模拟管的另一端与股动脉血管模拟段的一端连通，股动脉血管模拟段的另一端与血液收集液箱相连通。还原了介入手术场景，缩短医生的手术学习时间，提高操作水平。

Description

一种经皮冠状动脉介入手术体外训练、测试系统

技术领域

本发明属于医疗教学、训练器械技术领域，具体涉及一种经皮冠状动脉介入手术体外训练、测试系统。

背景技术

随着社会经济的发展，国民生活方式发生了巨大的变化。尤其是随着人口老龄化及城镇化进程的加速，中国心血管疾病危险因素的流行趋势也愈加明显，导致了心血管病的发病人数持续增加。今后10年心血管病患病人数仍将快速增长。根据《中国心血管病报告2016》，目前心血管病死亡占城乡居民总死亡原因的首位，农村为45.01％，城市为42.61％。在心血管疾病致死人群中，有大约40％是因为冠状动脉血管疾病导致的，而经皮冠状动脉介入手术治疗是一种十分有效的治疗方式。尽管目前在很多医院内介入手术已经是一种相当安全的操作，但其仍然是一种创伤性和危险性的检查与治疗，加上手术操作医师操作技术生疏，操作不慎或者失误都有可能造成患者血管痉挛甚至冠状动脉穿孔，严重时会危及患者生命，因此加强经皮冠状动脉介入手术的体外训练十分重要。然而，现有技术中的训练产品不能提供逼真的情景教学训练，不能精准模拟介入手术过程中一些突发情况，无法对训练结果提供有效的评判机制，具有很大的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种经皮冠状动脉介入手术体外训练、测试系统，利用人工心脏模拟装置向各模拟管道泵入脉动血流，构建血液循环，高度真实还原经皮冠状动脉介入手术，富有很强的操作感。

本发明采用以下技术方案予以实现的：

一种经皮冠状动脉介入手术体外训练、测试系统，包括操作平台，设置在操作平台上用于模拟人体内环境的恒温箱，与恒温箱相连接的显示器，设置在恒温箱内用来通过液压来模拟心脏的收缩和舒张过程的心脏模拟装置，以及密闭恒温血液收集液箱；其中，心脏模拟装置包括密闭刚性容器，与密闭刚性容器相连通的活塞，以及设置在密闭刚性容器内包含左心室、左心房、右心室和右心房的心脏模型；心脏模型的表面附着有与密闭恒温血液收集液箱相连通的右肺静脉模拟管道，以及起于主动脉根部包含主动脉窦、升主动脉、主动脉弓、降主动脉及腹主动脉段的主动脉模型，主动脉模型根部和主动脉窦部位分别连接有左冠状动脉模型和右冠状动脉模型，左冠状动脉模型和右冠状动脉模型的远端均通过硅胶软管与密闭恒温血液收集液箱相连通；主动脉模型的另一端与动脉模拟管的一端连通，动脉模拟管的另一端与股动脉血管模拟段的一端连通，股动脉血管模拟段的另一端与密闭恒温血液收集液箱相连通。

本发明进一步的改进在于，工作时，密闭刚性容器内充满有37±1℃的用于模拟血液的液体，当活塞压缩时，密闭刚性容器中的液体挤压心脏模型使心脏模型收缩，心脏模型内血液通过主动脉模型流进左冠状动脉模型、右冠状动脉模型及股动脉血管模拟段中；当活塞膨胀时造成心脏舒张，右肺静脉模拟管中的血液进入心脏内使心脏模型充满血液。

本发明进一步的改进在于，用于模拟血液的液体是甘油、水和钠盐溶液的混合物，混合物在37±1℃时混合物粘度为0.0035---0.004Pa·s，密度为1030---1060kg/m³。

本发明进一步的改进在于，左冠状动脉模型和右冠状动脉模型的病变位置前后附有压力传感器，用于测定手术前后的血流储备分数；

左冠状动脉模型和右冠状动脉模型的病变部位远端连接有流量计，用于测定手术前后冠状动脉远端的供血量；

主动脉模型根部即主动脉根设置有流量传感器。

本发明进一步的改进在于，与恒温箱相连接的远程显示器；

恒温箱为有机玻璃制成的密闭长方体黑色容器，温度保持在37±1℃，恒温箱内布置若干高清探头，用于将恒温箱内所有模拟管道的实时状态反馈到远端显示器。

本发明进一步的改进在于，硅胶软管末端连接有阻力系数可调的阻力元件，阻力元件连接体积可调的气室，气室出口与密闭恒温血液收集液箱相连。

本发明进一步的改进在于，密闭恒温血液收集液箱内的温度稳定在37±1℃，密闭恒温血液收集液箱密闭加压至10--20mmHg，其血液出入口处分别设置有流量传感器、压力传感器。

本发明进一步的改进在于，还包括电子控制装置和气囊，主动脉模型的主动脉弓内壁分布压力传感器矩阵，主动脉弓外侧贴有橡胶气囊，当主动脉弓内壁的压力传感器矩阵受到刺激时，将刺激反馈到电子控制装置，从而使得气囊导管的阀门开启，气囊内储存的气体充满橡胶气囊挤压主动脉弓，实现模拟血管痉挛现象。

本发明进一步的改进在于，心脏模型能够根据病人的CT或MRI影像资料进行个体化建模，通过3D打印生成实体模型；

主动脉模型根部即主动脉根装有一体式或可替换式柔性人工单叶、双叶或三叶瓣膜模型；

右肺静脉模拟管道根部设置有一体式或可替换式柔性人工二尖瓣膜模型。

本发明进一步的改进在于，心脏模型、主动脉模型左冠状动脉模型和右冠状动脉模型均采用硅胶或水凝胶材质制成。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明还原真实的经皮冠状动脉介入手术场景，操作者对介入手术的感知更加真实，能有效地缩短手术介入医师的手术学习时间；

进一步，考虑到实际手术过程中手术医师面对的靶血管处于一个不断跳动的状态，故而本发明利用液压原理模拟心脏的收缩与舒张过程，将冠状动脉模型紧贴在不断跳动心脏的表面，更够还原真实的经皮冠状动脉介入手术环境；

进一步，本发明具有血液循环系统，能通过所布置的流量传感器监测各部位的血液流动情况；可通过冠状动脉病变位置前后布置的压力传感器测定手术前后的血流储备分数(FFR)；可通过恒温箱内高清探头将导管、导丝在系统内实施手术的全过程及血管内的实时状态反馈到远端显示器上。手术评价者可以综合血管血液流动情况、手术前后血流储备分数(FFR)、手术前后病变位置远端供血情况及反映到远端显示器上血管内的实时状况对手术训练者进行评判；

进一步，本发明中与冠状动脉模型远端相连接的硅胶软管可以将冠状动脉模型中各分支的血液收集到血液收集液箱，形成血液循环。另外，其末端连接有阻力系数可调的阻力元件，可以真实模拟冠状动脉远端毛细血管对血流的阻力情况；

进一步，本发明在主动脉弓内壁布置压力传感器矩阵，外侧贴有橡胶气囊，可模拟术中血管痉挛现象；

进一步，本发明所使用的硅胶或水凝胶材质制成心脏模型及冠状动脉模型能够根据病人的CT或MRI影像资料进行个体化建模，通过3D打印技术得到，可以实现个体化训练。

附图说明

图1是本次发明的整体结构示意图。

图2是心脏模拟装置的示意图。

图3是心脏模型的示意图。

图4是主动脉弓处的放大图。

图中：1-操作平台，2-显示器，3-远程显示器，4-恒温箱，5-密闭恒温血液收集液箱，6-心脏模型，7-密闭刚性容器，8-活塞，9-主动脉模型，10-右肺静脉模拟管道，11-动脉模拟管，12-硅胶软管，13-股动脉血管模拟段，14-左冠状动脉模型，15-右冠状动脉模型，16-橡胶气囊，17-电子控制装置，18-气囊。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做出进一步的说明。

参照图1和图2，本发明提供的一种经皮冠状动脉介入手术体外训练、测试系统，包括操作平台1，设置于操作平台1上引用模拟人体内环境的恒温箱4，一台与恒温箱4相连接的显示器2，一台与恒温箱4相连接的远程显示器3；设置于恒温箱4中的心脏模拟装置，包括硅胶或水凝胶材质制成的包含左心室、左心房、右心室和右心房的心脏模型6、刚性容器(hydraulicchamber)7和活塞8；心脏模型6的表面附着有一根与密闭恒温血液收集液箱5相连通的右肺静脉模拟管道10，以及起于主动脉根部，具有弹性的、包含主动脉窦、升主动脉、主动脉弓、降主动脉及腹主动脉段的透明的硅胶或水凝胶材质主动脉模型9；所述主动脉模型9根部主动脉窦部位分别连接有一根具有弹性的透明的硅胶或水凝胶材质左冠状动脉模型14和与左冠状动脉模型具有相同材质的右冠状动脉模型15，与所述冠脉模型远端相连接的硅胶软管12；主动脉模型9的另一端与一根动脉模拟管11相连，动脉模拟管延伸到股动脉血管模拟段13，以及监测血管压力与血液流量的传感器。

具体地，参见图2，为布置于恒温箱4中的心脏模拟装置，硅胶或水凝胶材质制成的包含左心室、左心房、右心室和右心房的心脏模型6可根据病人CT或MRI影像资料进行个体化建模通过3D打印得到；密闭刚性容器(hydraulicchamber)7为透明玻璃密闭刚性立方体容器；活塞8通过电机驱动，其压缩与膨胀周期与心脏跳动周期一致。所述心脏模拟装置通过液压来模拟心脏的收缩与舒张过程：密闭刚性容器(hydraulicchamber)7充满37±1℃的用于模拟血液的液体，当活塞8压缩时，密闭刚性容器7中的液体挤压心脏模型6使心脏收缩，心脏内血液通过主动脉模型9流进左冠状动脉模型14、右冠状动脉模型15及股动脉血管模拟段13中；当活塞8膨胀时造成心脏舒张，右肺静脉模拟管10中的血液进入心脏内使心脏模型6充满血液。所述主动脉模型9根部即主动脉根安装有一体式或可替换式人工柔性单叶、双叶或三叶瓣膜模型，当心脏收缩时瓣膜打开，心脏内的血液流入主动脉模型9；当心脏舒张时，瓣膜关闭，防止主动脉中的血液倒流回心脏。所述右肺静脉模拟段10根部也装有一体式或可替换柔性二尖瓣模型，瓣膜在心脏收缩时呈关闭状态，防止心脏血液流入右肺静脉模拟段10。参见图3，其余与所述心脏模型6相连的血管(如：上腔静脉、下腔静脉、肺动脉、左肺静脉)及与主动脉相连通的颈动脉等均用夹子做密封处理。

恒温箱4为有机玻璃制成的密闭长方体黑色容器，温度保持在37±1℃，恒温箱4内布置若干高清探头，高清探头将恒温箱4内所有模拟管道的实时状态反馈到远端显示器3。

所述左冠脉硅胶模型14、右冠脉硅胶模型15紧密贴合于心脏模型6外壁。其远端连接有硅胶软管12，用于将冠状动脉各分支的血液流入到密闭集液箱5中，形成血液循环。硅胶软管12末端接阻力系数可调的阻力元件，阻力元件后连接体积可调的气室，气室出口与密闭恒温血液收集液箱5相连。

所述密闭恒温血液收集液箱5温度稳定在37±1℃，密闭恒温血液收集液箱5密闭加压至10--20mmHg，其血液出入口处分别设置有流量传感器、压力传感器。

所述左冠状动脉模型14和右冠状动脉模型15的病变位置前后附有压力传感器，用于测定手术前后的血流储备分数(FFR)以评估介入手术的治疗效果。

所述左冠状动脉模型14和右冠状动脉模型15的病变部位远端连接有流量计，用于测定手术前后冠状动脉远端的供血量，评估介入手术的治疗效果。

所述主动脉模型9根部即主动脉根设置有流量传感器。

所述人工血液是用甘油、水、钠盐溶液混合物，在37±1℃时混合物粘度为0.0035---0.004Pa·s，密度为1030---1060kg/m³，与血液相似。

所述心脏模拟装置的硅胶或水凝胶材质制成的包含左心室、左心房、右心室、右心房的心脏模型6可根据病人的CT或MRI影像资料进行个体化建模，通过3D打印生成实体模型。

所述主动脉模型9根部即主动脉根装有一体式或可替换式柔性人工单叶、双叶或三叶瓣膜模型。

所述右肺静脉模拟管道10根部设置有一体式或可替换式柔性人工二尖瓣膜模型。

此外，该手术训练系统与X线照射配合使用。在X线照射下，将透明的造影剂快速注入血流，使心脏和大血管腔在X线照射下显影，显影结果反馈到显示器2上，手术医师可根据显影结果进行之后手术的相关操作。术前，通过布置在病变位置前后的压力传感器测病变位置前后压力，得到术前血流储备分数(FFR)，通过病变位置远端的流量传感器监测该部位术前的供血量。使用穿刺针穿刺股动脉血管模拟段，经动脉鞘送入介入导管、导丝，通过动脉模拟管进入主动脉根部一直输入到冠状动脉狭窄或堵塞部位，进而实施手术。

参见图3和图4，所述主动脉模型9的主动脉弓内壁分布压力传感器矩阵，主动脉弓外侧贴有橡胶气囊16，当内壁的压力传感器矩阵受到较大刺激时，将刺激反馈到电子控制装置17，从而使气囊导管的阀门开启，气囊18内储存的气体迅速充满橡胶气囊16挤压主动脉弓，实现模拟血管痉挛现象。

术后，通过对比手术前后病变位置的血流储备分数(FFR)及其远端的供血量，以客观评估本次手术效果。另外，设置于恒温箱4中的若干探头清晰记录了导管、导丝在“体内”的状态及实施手术的全过程。密闭恒温血液收集液箱5进口流量计可反映术中的出血量。指导医师可综合考虑以对训练者进行合理的评价。

Claims (10)

1.一种经皮冠状动脉介入手术体外训练、测试系统，其特征在于，包括操作平台(1)，设置在操作平台(1)上用于模拟人体内环境的恒温箱(4)，与恒温箱(4)相连接的显示器(2)，设置在恒温箱(4)内用来通过液压来模拟心脏的收缩和舒张过程的心脏模拟装置，以及密闭恒温血液收集液箱(5)；其中，心脏模拟装置包括密闭刚性容器(7)，与密闭刚性容器(7)相连通的活塞(8)，以及设置在密闭刚性容器(7)内包含左心室、左心房、右心室和右心房的心脏模型(6)；心脏模型(6)的表面附着有与密闭恒温血液收集液箱(5)相连通的右肺静脉模拟管道(10)，以及起于主动脉根部包含主动脉窦、升主动脉、主动脉弓、降主动脉及腹主动脉段的主动脉模型(9)，主动脉模型(9)根部和主动脉窦部位分别连接有左冠状动脉模型(14)和右冠状动脉模型(15)，左冠状动脉模型(14)和右冠状动脉模型(15)的远端均通过硅胶软管(12)与密闭恒温血液收集液箱(5)相连通；主动脉模型(9)的另一端与动脉模拟管(11)的一端连通，动脉模拟管(11)的另一端与股动脉血管模拟段(13)的一端连通，股动脉血管模拟段(13)的另一端与密闭恒温血液收集液箱(5)相连通。

2.根据权利要求1所述的一种经皮冠状动脉介入手术体外训练、测试系统，其特征在于，工作时，密闭刚性容器(7)内充满有37±1℃的用于模拟血液的液体，当活塞(8)压缩时，密闭刚性容器(7)中的液体挤压心脏模型(6)使心脏模型(6)收缩，心脏模型(6)内血液通过主动脉模型(9)流进左冠状动脉模型(14)、右冠状动脉模型(15)及股动脉血管模拟段(13)中；当活塞(8)膨胀时造成心脏舒张，右肺静脉模拟管(10)中的血液进入心脏内使心脏模型(6)充满血液。

3.根据权利要求2所述的一种经皮冠状动脉介入手术体外训练、测试系统，其特征在于，用于模拟血液的液体是甘油、水和钠盐溶液的混合物，混合物在37±1℃时混合物粘度为0.0035---0.004Pa·s，密度为1030---1060kg/m³。

4.根据权利要求1所述的一种经皮冠状动脉介入手术体外训练、测试系统，其特征在于，左冠状动脉模型(14)和右冠状动脉模型(15)的病变位置前后附有压力传感器，用于测定手术前后的血流储备分数；

左冠状动脉模型(14)和右冠状动脉模型(15)的病变部位远端连接有流量计，用于测定手术前后冠状动脉远端的供血量；

主动脉模型(9)根部即主动脉根设置有流量传感器。

5.根据权利要求1所述的一种经皮冠状动脉介入手术体外训练、测试系统，其特征在于，与恒温箱(4)相连接的远程显示器(3)；

恒温箱(4)为有机玻璃制成的密闭长方体黑色容器，温度保持在37±1℃，恒温箱(4)内布置若干高清探头，用于将恒温箱(4)内所有模拟管道的实时状态反馈到远端显示器(3)。

6.根据权利要求1所述的一种经皮冠状动脉介入手术体外训练、测试系统，其特征在于，硅胶软管(12)末端连接有阻力系数可调的阻力元件，阻力元件连接体积可调的气室，气室出口与密闭恒温血液收集液箱(5)相连。

7.根据权利要求1所述的一种经皮冠状动脉介入手术体外训练、测试系统，其特征在于，密闭恒温血液收集液箱(5)内的温度稳定在37±1℃，密闭恒温血液收集液箱(5)密闭加压至10--20mmHg，其血液出入口处分别设置有流量传感器、压力传感器。

8.根据权利要求1所述的一种经皮冠状动脉介入手术体外训练、测试系统，其特征在于，还包括电子控制装置(17)和气囊(18)，主动脉模型(9)的主动脉弓内壁分布压力传感器矩阵，主动脉弓外侧贴有橡胶气囊(16)，当主动脉弓内壁的压力传感器矩阵受到刺激时，将刺激反馈到电子控制装置(17)，从而使得气囊导管的阀门开启，气囊(18)内储存的气体充满橡胶气囊(16)挤压主动脉弓，实现模拟血管痉挛现象。

9.根据权利要求1所述的一种经皮冠状动脉介入手术体外训练、测试系统，其特征在于，心脏模型(6)能够根据病人的CT或MRI影像资料进行个体化建模，通过3D打印生成实体模型；

主动脉模型(9)根部即主动脉根装有一体式或可替换式柔性人工单叶、双叶或三叶瓣膜模型；

右肺静脉模拟管道(10)根部设置有一体式或可替换式柔性人工二尖瓣膜模型。

10.根据权利要求1所述的一种经皮冠状动脉介入手术体外训练、测试系统，其特征在于，心脏模型(6)、主动脉模型(9)左冠状动脉模型(14)和右冠状动脉模型(15)均采用硅胶或水凝胶材质制成。