CN109887392B - 一种实验室用脑部穿刺精度检测装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实验室用脑部穿刺精度检测装置及其使用方法，包括穿刺部、颅脑模型、测试部和分析部；穿刺部包括穿刺模块和直线进给模块，直线进给模块带动穿刺模块上下移动，进而穿刺模块对颅脑模型进行靶点穿刺；测试部包括空间位移传感器和柔性固定簧，颅脑模型安放在测试部内；分析部包括显示器和分析主机，分析主机与测试部连接。本发明检测装置可以直观模拟脑部穿刺过程中穿刺靶点因组织变形造成的移位和穿刺偏移现象，相比传统手段而言，能够通过实验模拟穿刺过程，直观的观察穿刺过程、精确展现靶点漂移，定量分析手术参数对靶点穿刺偏差的影响势必有助于医务人员优化进针策略，提升靶点定位精度，减少术中不确定的风险。
Description
技术领域
本发明涉及一种实验室用脑部穿刺精度检测装置及其使用方法，属于神经外科手术实验设备技术领域。
背景技术
脑深部电刺激(DBS)手术是一种治疗运动障碍性及功能障碍性疾病，如帕金森病、癫痫、慢性疼痛等的重要手段。需通过立体定向方法对脑深部目标核团进行精密定位，并在脑内特定的靶点植入刺激电极进行高频电刺激，从而改变相应核团兴奋性以达到改善此类精神类疾病病症的目的。
DBS手术的关键问题是靶点的精确穿刺，靶点的穿刺偏差将直接影响治疗的效果，因此对穿刺参数和穿刺偏差关系的定量分析就尤为重要。由于人脑为非透明结构，故而在穿刺手术过程中只能通过实时电刺激来观测病人的反应，进而定性判断穿刺点位是否与病灶点重合，此种方式不利于建立穿刺参数与穿刺偏差的数学关系，也对医生的临床经验提出较高要求。
目前，医务人员在进行手术前，主要根据患者脑部立体成像信息，采用计算机模拟穿刺，进而制定手术进针策略。但受限于立体成像误差、针体挠曲变形以及脑脊液流失造成靶点漂移等因素的影响，所以计算机模拟穿刺也有一定的局限性。故而在手术进针过程中，医务人员需实时与患者沟通以不断调整穿刺位置，以期和靶点契合。然而多次调整、穿刺，势必会给患者带来二次伤害，给手术增加不确定的风险。能够通过实验模拟穿刺过程，直观的观察穿刺过程、精确展现靶点漂移，定量分析手术参数对靶点穿刺偏差的影响势必有助于医务人员优化进针策略，提升靶点定位精度，减少术中不确定的风险。
因此，开发一台能准确模拟人脑组织特性、直观展示穿刺过程、精确表现靶点偏移以及精确检测穿刺偏差的多用途实验用穿刺模拟检测设备尤为重要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种实验室用脑部穿刺精度检测装置。
本发明还提供上述一种实验室用脑部穿刺精度检测装置的使用方法。
本发明的技术方案如下：
一种实验室用脑部穿刺精度检测装置，包括穿刺部、颅脑模型、测试部和分析部；
穿刺部，包括穿刺模块和直线进给模块，直线进给模块带动穿刺模块上下移动，进而穿刺模块对颅脑模型进行靶点穿刺；
测试部，包括空间位移传感器和柔性固定簧，颅脑模型安放在测试部内；
分析部，包括显示器和分析主机，分析主机与测试部连接。
优选的，所述直线进给模块包括步进电机、进给轴、进给滑块；进给滑块与进给轴螺纹连接，步进电机与进给轴传动连接，通过步进电机驱动进给轴转动从而使进给滑块沿进给轴上下移动。
优选的，所述穿刺模块包括力学传感器和穿刺针，力学传感器安装在进给滑块上，穿刺针的尾端固定连接力学传感器。
优选的，所述颅脑模型包括颅骨模型和颅内组织模型，颅内组织模型置于颅骨模型内。
优选的，所述检测装置还包括颅脑支撑平台，颅脑支撑平台包括立板以及连接立板上部的支撑圆环，颅脑模型放置在支撑圆环上。
优选的，所述测试部还包括核团模型，核团模型位于颅内组织模型内，柔性固定簧一端与颅骨模型内表面连接、另一端与核团模型连接，核团模型的表面设置有压敏材料层，空间位移传感器置于核团模型的中心。
优选的，所述分析主机通过导线连接力学传感器、空间位移传感器、压敏材料层。
优选的，所述检测装置还包括承载平台，承载平台上设置有立轴立柱，直线进给模块固定在立轴立柱一侧；颅脑支撑平台固定在承载平台上。
一种实验室用脑部穿刺精度检测装置的使用方法，包括以下步骤：
(1)将事先制备好的颅脑模型放置在颅脑支撑平台上，按照实验要求选取穿刺针并安装在力学传感器上；
(2)调整立轴立柱的位置，使穿刺针与核团模型的中心处于同一铅锤线上，将此时空间位移传感器的坐标设为原点O(0,0,0)；
(3)启动分析主机以及步进电机，穿刺针在步进电机的驱动下向下直线运动，开始对颅脑模型进行穿刺实验；
(4)在穿刺过程中，当穿刺针挤压、穿刺颅内组织模型时，颅内组织发生形变引起核团模型的偏移，此时内置的空间位移传感器将自身的实时坐标传送至分析主机，分析主机会在对应的笛卡尔坐标系中实时构建传感器空间位移曲线；
(5)在穿刺过程中，由于受到颅内组织模型变形、核团模型偏移以及穿刺针挠曲变形的影响，穿刺点位置相对于设定的靶点位置O1(0,0)会发生偏差，当穿刺针触碰到核团模型的压敏材料表面，此时分析主机接收到压敏材料表面阻值变化的信号，停止进针，分析主机根据穿刺点到核团模型表面四个角的距离，计算出穿刺点在坐标系X1O1Y1内的坐标。
优选的，步骤(1)中，颅脑模型的制备过程如下：通过3D打印，复刻颅骨模型并将其固定在颅脑支撑平台上，根据丘脑底核的位置固定好核团模型；采用物理交联法，通过改变聚乙烯醇的含量和冷冻/解冻循环次数来改变胶体力学性能，配置力学性能接近脑组织力学性能的透明胶体，将其注入颅骨模型，形成颅内组织模型。
本发明的有益效果在于：
1)通过本发明提供的检测装置，可以直观模拟脑部穿刺过程中穿刺靶点因组织变形造成的移位和穿刺偏移现象，相比传统手段而言，能够通过实验模拟穿刺过程，直观的观察穿刺过程、精确展现靶点漂移，定量分析手术参数对靶点穿刺偏差的影响，势必有助于医务人员优化进针策略，提升靶点定位精度，减少术中不确定的风险。
2)采用本发明检测装置，根据人体不同组织器官(如肺、肝、肾等)的力学特性，制备具有相应力学特性的凝胶组织模型，可以研究不同器官的穿刺行为特性，实现一机多用，具有适用范围广、模拟效果好的特点。
附图说明
图1为本发明检测装置的结构示意图；
图2为本发明中穿刺模块和进给模块的结构示意图；
图3为颅脑模块安装示意图；
图4为柔性固定簧的结构示意图；
图5为核团模型及其固定示意图；
图6为空间位移传感器及其坐标示意图；
图7为空间位移计算原理简图；
图8为核团模型表面坐标示意图；
其中：1-主轴立柱；2-直线进给模块；3-穿刺模块；4-颅脑支撑平台；5-颅脑模型；6-位移及穿刺偏差测试系统；7-测试分析模块；8-承载平台；201-进给轴；202-进给滑块；301-力学传感器；302-穿刺针；501-颅骨模型；502-颅内组织模型；601-柔性固定簧；602-核团模型；701-分析主机；702-显示器；703-导线；801-承载平台A；802-承载平台B。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
本实施例提供一种实验室用脑部穿刺精度检测装置，其主要包括穿刺部、颅脑模型、测试部和分析部四大部分，其中；
穿刺部，包括穿刺模块3和直线进给模块2，直线进给模块2带动穿刺模块3上下移动，进而穿刺模块3对颅脑模型5进行靶点穿刺；
测试部，包括空间位移传感器和柔性固定簧601，颅脑模型5安放在测试部内；
分析部，包括显示器702和分析主机701，分析主机701与测试部连接。
检测装置的四大部分放置在一个承载平台上，承载平台A801上设置有立轴立柱1，直线进给模块2固定在立轴立柱1一侧；承载平台A801上还设置有一颅脑支撑平台4。
具体而言，直线进给模块2包括步进电机、进给轴、进给滑块；进给滑块与进给轴螺纹连接，步进电机与进给轴传动连接，通过步进电机驱动进给轴转动从而使进给滑块沿进给轴上下移动。
穿刺模块3包括力学传感器301和穿刺针302，力学传感器301安装在进给滑块上，穿刺针302的尾端固定连接力学传感器301。
颅脑模型包括颅骨模型501和颅内组织模型502，颅内组织模型502置于颅骨模型501内。颅骨模型501和颅内组织模型502采用常规技术制作而成，用于模拟人脑组织。颅脑支撑平台4包括立板以及连接立板上部的支撑圆环，颅脑模型放置在支撑圆环上，用以固定。
其中测试部还包括核团模型602(用于模拟穿刺过程中的目标核团，如丘脑底核)，核团模型602位于颅内组织模型502内，柔性固定簧601一端通过螺纹连接方式与颅骨模型501内表面的螺纹孔连接、另一端通过螺纹连接核团模型602，核团模型602的表面设置有压敏材料层(类似于触屏手机屏幕，穿刺针接触到该表面，会引起局部压力变化，进而通过计算得出穿刺点的位置，用以感知穿刺针触碰核团模型表面的位置，从而分析穿刺位置和预设位置之间的偏差)，空间位移传感器置于核团模型602的中心。
分析主机701通过导线连接力学传感器301，通过导线穿过柔性固定簧连接空间位移传感器、压敏材料层，将实时采集实验过程中核团模型位移数据、穿刺点位置坐标数据。分析主机701获知的数据可以在显示器702上显现。
该检测装置可以实现穿刺针在平台坐标系Z轴的高精度进给运动。Z轴的进给行程为100mm，进给精度10μm；将微细探针安装在高精度力学传感器上，力学传感器安装在实验设备Z轴上。调整脑室模型至实验穿刺的位置并固定，放置好目标核团靶点位置，目标核团模型表面是一层压敏材料，能准确感应出其表面某处位置的压力变化，该种表面的设计通过感应穿刺针与核团接触点的坐标从而准确的测出穿刺电极偏离核团中心的位置，测试精度10μm。目标核团模型内置空间位移传感器，该空间位移传感器中心位置的相对坐标系(X、Y、Z)设为原点，在穿刺实验过程中，由于脑组织受穿刺力的作用而变形，内部的目标核团模型相对受力之前发生位移，此时空间位移传感器可将目标核团相对初始位置的空间坐标实时记录，以便定量分析穿刺力、组织变形等因素对目标核团空间位移的影响规律。
实施例2：
一种实验室用脑部穿刺精度检测装置的使用方法，包括以下步骤：
(1)将事先制备好的颅脑模型放置在颅脑支撑平台上，按照实验要求选取穿刺针并安装在力学传感器上；调整立轴立柱的位置，使穿刺针与核团模型的中心处于同一铅锤线上，将此时空间位移传感器的坐标设为原点O(0,0,0)；
具体地，先通过3D打印，复刻颅骨模型501并将其固定在颅脑支撑平台4上，根据丘脑底核的位置固定好核团模型602；采用物理交联法，通过改变聚乙烯醇的含量和冷冻/解冻循环次数来改变胶体力学性能，配置力学性能接近脑组织力学性能的透明胶体，将其注入颅骨模型501，形成颅内组织模型502；再调整主轴立柱1的位置，使穿刺针302和核团模型602的中心位置处于同一铅垂线，此时将核团模型602内部空间位移传感器的坐标设为原点O(0,0,0)，并依据穿刺策略设定穿刺进给速度及穿刺深度。
(2)启动分析主机以及步进电机，穿刺针在步进电机的驱动下沿Z轴向下直线运动，开始对颅脑模型进行穿刺实验；
(3)在穿刺过程中，当穿刺针挤压、穿刺颅内组织模型时，颅内组织发生形变引起核团模型的偏移，此时内置的空间位移传感器将自身的实时坐标传送至分析主机，分析主机会在对应的笛卡尔坐标系中实时构建传感器空间位移曲线；
在穿刺进针过程中，由于受穿刺针302挤压、穿刺颅内组织模型502，颅内组织发生压缩、回弹等形变，势必引起核团模型602的偏移，此时内置的空间位移传感器可将自身的实时坐标传送至分析主机701，主机会在对应的笛卡尔坐标系中实时构建传感器空间位移曲线，研究人员可通过显示器702实时观测不同穿刺策略对核团偏移的影响。
该位移传感器的X轴Y轴Z轴方向置有激光发射/接收器用以检测位移传感器单方向位移量。如图7所示，以X轴端检测位移传感器为例，计算t1时间内位移传感器从a1位置到达a2位置的位移。通过激光发射、接收时间差可计算出oa1、oa2的长度，同时可测出oa1、oa2之间的夹角β1，根据余弦定理计算a1a2之间距离以此类推可以得出整个穿刺过程位移传感器在X方向的位移曲线，同理可得其在Y轴Z轴方向位移，进而得到其在空间位移曲线。
(4)在穿刺过程中，由于受到颅内组织模型501变形、核团模型602偏移以及穿刺针302挠曲变形的影响，穿刺点位置相对于设定的靶点位置O1(0,0)会发生偏差，当穿刺针触碰到核团模型602的压敏材料表面，此时分析主机701接收到压敏材料表面阻值变化的信号，停止进针，分析主机根据穿刺点到核团模型表面四个角的距离，计算出穿刺点在坐标系X1O1Y1内的坐标，研究者可通过显示器702直接读出穿刺点的坐标以及穿刺偏差值。
本发明提出的实验设备可以最大限度的模拟人体脑室构造、靶点位置，精确获取穿刺偏移量，且可多次重复使用。利用X线体层扫描技术(CT)或磁共振技术(MRI)等医学影像扫描技术的断层图像信息获取人体颅内空间信息，利用计算机重新构建人体颅内空间模型，通过增材制造技术复制脑部腔体模型，根据脑组织力学特性，配制力学特性相近的聚乙烯醇水凝胶替代脑部组织。
Claims (5)
1.一种实验室用脑部穿刺精度检测装置，其特征在于，包括穿刺部、颅脑模型、测试部和分析部；
穿刺部，包括穿刺模块和直线进给模块，直线进给模块带动穿刺模块上下移动，进而穿刺模块对颅脑模型进行靶点穿刺；
测试部，包括空间位移传感器和柔性固定簧，颅脑模型安放在测试部内；
分析部，包括显示器和分析主机，分析主机与测试部连接；
所述颅脑模型包括颅骨模型和颅内组织模型，颅内组织模型置于颅骨模型内；
所述测试部还包括核团模型，核团模型位于颅内组织模型内，柔性固定簧一端与颅骨模型内表面连接、另一端与核团模型连接，核团模型的表面设置有压敏材料层，空间位移传感器置于核团模型的中心；
所述穿刺模块包括力学传感器和穿刺针，力学传感器安装在进给滑块上，穿刺针的尾端固定连接力学传感器；
所述分析主机通过导线连接力学传感器、空间位移传感器、压敏材料层；
所述核团模型内置空间位移传感器，该空间位移传感器中心位置的相对坐标系(X、Y、Z)设为原点，在穿刺实验过程中，由于脑组织受穿刺力的作用而变形，内部的核团模型相对受力之前发生位移，此时空间位移传感器可将核团模型相对初始位置的空间坐标实时记录，以便定量分析穿刺力、组织变形因素对核团空间位移的影响规律；
所述检测装置还包括颅脑支撑平台，颅脑支撑平台包括立板以及连接立板上部的支撑圆环，颅脑模型放置在支撑圆环上。
2.如权利要求1所述的实验室用脑部穿刺精度检测装置，其特征在于，所述直线进给模块包括步进电机、进给轴、进给滑块；进给滑块与进给轴螺纹连接，步进电机与进给轴传动连接，通过步进电机驱动进给轴转动从而使进给滑块沿进给轴上下移动。
3.如权利要求1所述的实验室用脑部穿刺精度检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括承载平台，承载平台上设置有立轴立柱，直线进给模块固定在立轴立柱一侧；颅脑支撑平台固定在承载平台上。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的实验室用脑部穿刺精度检测装置的使用方法，包括以下步骤：
(1)将事先制备好的颅脑模型放置在颅脑支撑平台上，按照实验要求选取穿刺针并安装在力学传感器上；
(2)调整立轴立柱的位置，使穿刺针与核团模型的中心处于同一铅锤线上，将此时空间位移传感器的坐标设为原点O(0,0,0)；
(3)启动分析主机以及步进电机，穿刺针在步进电机的驱动下向下直线运动，开始对颅脑模型进行穿刺实验；
(4)在穿刺过程中，当穿刺针挤压、穿刺颅内组织模型时，颅内组织发生形变引起核团模型的偏移，此时内置的空间位移传感器将自身的实时坐标传送至分析主机，分析主机会在对应的笛卡尔坐标系中实时构建空间位移传感器空间位移曲线；
(5)在穿刺过程中，由于受到颅内组织模型变形、核团模型偏移以及穿刺针挠曲变形的影响，穿刺点位置相对于设定的靶点位置O1(0,0)会发生偏差，当穿刺针触碰到核团模型的压敏材料表面，此时分析主机接收到压敏材料表面阻值变化的信号，停止进针，分析主机根据穿刺点到核团模型表面四个角的距离，计算出穿刺点在坐标系X1O1Y1内的坐标。
5.如权利要求4所述的实验室用脑部穿刺精度检测装置的使用方法，其特征在于，步骤(1)中，颅脑模型的制备过程如下：通过3D打印，复刻颅骨模型并将其固定在颅脑支撑平台上，根据丘脑底核的位置固定好核团模型；采用物理交联法，通过改变聚乙烯醇的含量和冷冻/解冻循环次数来改变胶体力学性能，配置力学性能接近脑组织力学性能的透明胶体，将其注入颅骨模型，形成颅内组织模型。
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