CN111107893A - 用于血管内流体注射模拟的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于模拟流体注射过程的系统和方法。根据一些实施例，流体注射模拟系统包括耦合至可变流阻模块的处理单元。处理单元确定对应于预定阻力水平的流体流阻，以在触觉上模拟流体注射过程。处理单元控制可变流阻模块以实现对应于预定阻力水平的流体流阻，以在触觉上模拟流体注射过程。

Description

用于血管内流体注射模拟的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年6月26日提交的第62/525,138号美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及用于提供流体注射和抽吸模拟的系统和方法，并且特别是用于模拟在血管内医疗过程的模拟中与注射器、动力注射器、导管和球囊一起使用的流体注射和抽吸的系统和方法。

背景技术

涉及注射器的流体注射过程被用于各种血管内过程中，诸如造影剂注射、栓塞剂注射、盐水注射或球囊扩张。因此，在训练和磨练医生的技能方面，真实地模拟这种流体注射过程的系统和方法变得越来越重要。在这种设置中，流体注射模拟系统可以用于评估或测量特定过程如何被执行的性能。流体注射模拟系统在规划特定过程或根据给定的输入数据客观地推荐特定工具或方法方面也起着重要作用。高保真流体注射模拟系统通常旨在尽可能真实地模拟真实注射器注射。提供准确的阻力水平并正确地估计注射或抽吸流体的量对于实现完全真实的模拟都很重要。

现有的流体注射模拟系统通常将标准注射器连接到流量传感器，该流量传感器测量被推动通过注射器的空气的量。这样的系统可以估计流体(例如空气)的注射量，但是在注射过程中不会提供适当的阻力或触觉反馈，因为每次注射都会感觉到相同，而与模拟的导管长度、直径或流体类型无关。如果在这些类型的模拟系统中用其他任何流体代替空气，则使用者会感觉到相同的触觉反馈或阻力。

其他现有的流体注射模拟系统使用非标准注射器，其中在注射器的柱塞上安装有电传感器以测量所注射的流体量，而无需在注射器本身中使用流体。这样的系统不太现实，因此作为训练工具的价值较低，因为注射器本身不同于实际过程中使用的注射器。而且，这样的流体注射模拟系统在注射器中没有提供不同水平的阻力或触觉反馈，并且不能准确地表示基于流体的循环系统的压力-流量动力学。此外，由于不使用液体，因此这种解决方案不能检测引入液体中的潜在气泡。

现有的流体注射模拟系统也遭受其他缺点。这样的模拟系统趋于具有非常有限的流量和压力范围，并且可以包括大量的传感器，当被馈送到中央处理器时，这些传感器变得计算密集以进行分析。此外，这样的模拟系统趋于使用依赖于加热元件的流量传感器和温度传感器，这增加了系统的总费用、尺寸和处理能力，这进一步使这样的模拟系统不太紧凑、不太有效并且不能被医生使用。

现有的模拟系统也没有测量使用者有效感知的压力或在他或她操纵注射器时所施加的压力。因此，现有的模拟系统没有提供一种方法来验证使用者是否正在感觉或正在经历应该感觉到的阻力或触觉反馈的量或来验证向注射器施加了恰当的压力水平。测量所施加的压力的量对于针对某些应用培训使用者特别有用。例如，某些应用要求注射速率太慢，以至于操作者通过视觉观察注射器上的标记来实现这样的注射速率是不切实际的。在这些情况下，教导使用者以正确的注射速率控制流体流量的有效方法是训练他们以施加适当和稳定水平的压力和力。测量施加的压力的量也有助于检测使用者何时施加了太大的压力，以至于存在伤害组织的风险。

进一步增加了真实地模拟流体注射过程的难度的是可以改变循环系统的压力-流量动力学的众多因素。例如，流体注射过程的模拟可以取决于由注射器注射的流体的量和速率、所使用的注射器的类型、所注射的流体的粘度、流体被注射通过的导管的长度和直径、导管在患者体内的放置以及导管的末端是否与患者体内的物体相邻。测量和监视这些因素可能需要结合其他传感器和子系统，这会显著增加系统的整体尺寸、成本和移动性。省略此类传感器会使模拟系统无法考虑影响压力-流量动力学的因素，从而导致不太能准确地模拟由使用者感知到的注射器中的实际阻力。现有的用于模拟注射器注射的系统通常仅测量一个参数(流量或流率)，而不模拟阻力。此测量的精度取决于单个流量传感器的精度。此外，一些现有系统在估计流体流率的准确性方面不足。此外，现有系统不提供在注射期间检测气泡的能力。

因此，需要一种紧凑的、低成本的医学训练系统，其可以基于可影响注射系统中的流体流动的各种因素(诸如流体的粘度、使用的液体类型、使用的导管的长度和直径以及是否存在任何障碍物)，通过提供准确的触觉反馈来模拟流体注射过程。此外，需要提供一种流体注射模拟系统，其可以基于对流体循环系统的压力-流量动力学的精确测量来真实地模拟使用者感受到或感知到的阻力水平。更进一步，需要提供一种流体注射模拟系统，其可以在不能使用液体的完全干燥的情况下操作。

发明内容

公开了一种用于模拟流体注射过程的方法和系统。所公开的方法和系统使得使用者能够通过控制流过流体注射系统的流体的流阻并使用在真实医疗过程中使用的组件和仪器(例如，医用级注射器)以及诸如盐溶液或血液等的流体来真实地模拟流体注射过程。流体流阻设置在与在流体注射过程中操纵注射器时使用者在触觉上会感觉到的适当阻力水平相对应的水平。所公开的方法和系统通过使用传感器监视瞬时流体流率来提供改进的准确性和真实的模拟。

根据一些实施例，流体注射模拟系统可以包括处理单元和可变流阻模块。可变流阻模块可以耦合至处理单元。处理单元确定对应于预定水平的阻力的流体流阻，以在触觉上模拟流体注射过程。处理单元控制可变流阻模块以实现对应于预定水平的阻力的流体流阻，以在触觉上模拟流体注射过程。因此，处理单元可以被配置为控制可变流阻模块以实现对应于预定水平的阻力的流体流阻。以这种方式，流体注射模拟系统可以控制流体流阻以产生适当的阻力和触觉反馈，这将由操纵注射器的使用者来感知。

根据一些实施例，流体注射模拟系统可以包括阀、用于容纳流体的储器和注射器。所述阀可以通过第一管道导管耦合至可变流阻模块。注射器可以通过第二管道导管耦合到阀。储器可以通过第三管道导管耦合至可变流阻模块。流体流经可变流阻模块、阀、注射器和储器。阀可以被配置为开关，以打开和关闭从注射器到流体注射模拟系统中的流体流动。

在一些实施例中，基于流体注射模拟系统的压力-流量动力学来计算流体流率。流体流阻可以是静态的或随时间变化的。例如，预定流体流阻的量可以选择为静态的，即，随着时间是固定的，从而使得使用者在该过程中所经历的触觉反馈基本上是恒定的。但是，在某些模拟方案中，流体流阻会随时间变化，并随时间动态地变化。例如，流体流阻可以随时间变化以在触觉上模拟气囊的流体注射过程。当气囊首先充满流体时，电阻反馈相对较低。但是，随着球囊膨胀并开始达到容量，球囊变得更难充气并提供增加量的电阻反馈。因此，当使用者操纵注射器时，他/她感知到的阻力可能会发生变化，从而导致系统的压力-流量动力学发生变化。

在一些实施例中，可变流阻模块包括两通比例针阀，该两通比例针阀包括线性致动器。线性致动器可以由步进马达控制，该步进马达被施加脉冲以驱动线性致动器从而控制通过两通比例针阀的流体流量。在一些实施例中，流体注射模拟系统可以包括步进器控制的比例阀驱动器，该步进器控制的比例阀驱动器被配置为提供用于以期望的步进速率驱动步进马达的控制信号。在一些实施例中，可变流阻模块还包括压电比例阀而不是两通比例针阀，以控制流体流阻。

在一些实施例中，注射器可以是用于真实过程中的医用级注射器。以这种方式，流体注射模拟系统可以真实地模拟在真实过程中使用的注射器类型下的流体注射过程的感觉。

类似地，在一些实施例中，流体注射模拟系统能够模拟作为盐溶液、造影剂(contrast fluid)、液体栓塞或血液的流体。因此，与常规的模拟系统不同，流体注射模拟系统可以使用将在该过程中使用的液体类型来真实地模拟流体注射过程的压力-流量动力学。

在一些实施例中，流体注射模拟系统能够使用气体作为流体。这样，流体注射系统可以用于必须保持干燥的环境中。

在一些实施例中，处理单元被配置为模拟患者或医疗设备中的障碍物。可以通过将控制信号发送到可变流阻模块以实现与模拟障碍物相对应的期望流体流阻来模拟障碍物。

在一些实施例中，流体注射模拟系统可以包括一个或多个压力传感器。处理单元可以基于由一个或多个压力传感器提供的测量值来计算可变流阻模块上的压力差。然后，处理单元可以基于所测量的压力差来计算体积流率。在一些实施例中，处理单元基于由一个或多个压力传感器提供的测量值来改变期望的流体流阻。这样，流体注射模拟系统可以准确地确定系统中流体的流率，并在流体流阻与所期望的流体流阻不匹配时修改流体流阻。结果，流体注射模拟系统提供了由操纵注射器的使用者感受到的更真实水平的阻力。

在一些实施例中，阀可以是三通阀，其具有入口端口、出口端口和供应端口。供应端口可以耦合到储器。以此方式，流体注射模拟系统可以提供闭环系统，从而允许注射器从储器中抽吸或重新填充液体，而不必将注射器与流体注射模拟系统分离。

在一些实施例中，流体注射模拟系统可以包括气泡检测器。当装置(诸如注射器)将流体注入系统时，气泡检测器可以沿着注射流动的路径与管道导管一致地放置。气泡检测器可以检测流体中是否存在气泡，从而使系统能够模拟真实的流体注射过程，其中将气泡引入心血管系统会对患者构成危险。

在一些实施例中，流体注射模拟系统可以包括被配置为基于热质量流量测量值确定流率的流量传感器。当诸如注射器之类的装置将流体注入系统中时，流量传感器可以沿着注射流动的路径与导管一致地放置。流量传感器可以用于补充系统中的其他传感器，以提高流率测量的整体精度。

在一些实施例中，流体注射模拟系统可以包括温度传感器。在一些实施例中，可以将其放置在阀和将流体注入系统中的装置(诸如注射器)之间。温度传感器可以被配置为记录流体温度测量值，处理单元可以使用该流体温度测量值来调整其对流体粘度变化的计算。

在一些实施例中，储器是具有可变压力的加压储器。具有可变压力的加压储器可以改变系统中的压力的量，从而使处理单元能够进一步控制不同的流体流阻。以这种方式，流体注射系统可以模拟将导致液体沿相反方向流动的主动压力特性，例如血压和在某些过程中使用的球囊的弹性。

附图说明

参考以下详细描述和附图，可以更好地理解本发明的目的和特征，在附图中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。

图1示出了根据本发明某些实施例的注射器模拟系统的示例。

图2示出了根据本发明某些实施例的结合到注射器模拟系统中的压力传感器的示例。

图3A、3B和3C示出了根据本发明某些实施例的结合到注射器模拟系统中的流量传感器和气泡检测器的示例。

图4示出了根据本发明某些实施例的结合到注射器模拟系统中的加压储器的示例。

图5示出了根据本发明某些实施例的用于使用注射器模拟系统的方法的示例。

具体实施方式

本文描述的发明提供了用于流体注射的真实模拟的系统和方法。该系统和方法可以用于训练和认证专业人员以提高医学专业人员的使用流体注射过程来治疗患者的技能。本发明的实施例也可以用于治疗装置的设计、开发和测试。

图1示出了根据本发明实施例的流体注射模拟系统的示例。流体注射模拟系统可以包括耦合至可变流阻模块102的处理单元101，用于控制在整个管道导管103中流动的流体的流体流阻。在一些实施例中，可变流阻模块102可以耦合至储器104，该储器存储流过管道导管103的流体。在一些实施例中，可变流阻模块可以耦合至阀105，该阀控制流过其端口的流体，由此控制通过整个流体注射模拟系统100的流体的流量。在一些实施例中，阀105可以耦合至将流体注射到流体注射模拟系统中的装置106、诸如注射器。在一些实施例中，用户界面107可以耦合至处理单元101以读取数据并将数据写入处理单元。

如以下更详细地说明的，处理单元101可以确定与用于在触觉上模拟流体注射过程的预定水平的阻力相对应的流体流阻。处理单元可以将适当的控制信号发送到流体注射模拟系统的其他组件、诸如可变流阻模块，以实现与用于在触觉上模拟流体注射过程的预定水平的阻力相对应的流体流阻。期望的流体流阻可以是静态的(即固定的)或者可以是随时间变化的以模拟不同的流体注射情况和各种系统组件的不同行为。调节流体流阻会改变使用者感觉到的触觉反馈的水平以及在他或她操纵注射器时产生的注射速率。以这种方式，流体注射模拟系统可以提供结合了流体注射或抽吸的压力-流量动力学的模拟的增强的真实水平。在下面更详细描述的一些实施例中，流体注射模拟系统可以包括传感器，该传感器测量穿过该系统的流体的实际流率以及在使用者操纵注射器时他或她有效地感测到的压力。有效地感测到的压力接近使用者正在经历的实际触觉反馈，并且应该与在触觉上模拟流体注射过程的预定水平的阻力一致。在一些由使用者感觉到的压力与预定水平的阻力不匹配的实施例中，流体注射模拟系统可以更改发送到其他系统组件的控制信号，从而使得使用者感测到的压力与预定水平的阻力一致。在一些实施例中，由使用者感测到的压力可以用于确定使用者是否施加了太大的压力，在某些情况下，该太大的压力可以用于模拟血管中的破裂。

根据本发明的一些实施例，处理单元确定流体注射模拟系统中的各种变量的值，该值产生由使用者感知的期望效果。例如，处理单元可以基于所执行的模拟程序的类型(诸如导管内部的血块卡塞的模拟)来确定期望的流体流阻。预定的流体流阻可以被预设并存储在查询表中，或者作为下载到处理单元上的模拟程序的一部分被预设并存储。例如，可以将特定类型的障碍物的模拟预设为具有预定的流体流阻，并将其存储在查找表中或作为模拟程序的一部分被存储。流体流阻也可以基于可由使用者配置的变量和系统的其他压力-流量动力学被动态地计算。例如，使用者可以通过用户界面输入注射器的类型和在模拟中使用的管道导管的长度或直径，并且处理单元或用户界面可以为该具体模拟计算期望的流体流阻。可以使用其他压力-流量动力学(包括由注射器注射的流体的量和速率、注射的流体的粘度、导管在患者体内的放置以及导管的末端是否与患者体内的物体相邻)来影响流体流阻。

处理单元可以将控制信号提供给流体注射模拟系统中的达到期望效果的组件。例如，处理单元可以将控制信号发送到可变流阻模块，然后可变流阻模块用来实现流体流阻。如下面更详细说明的，控制信号可以是例如提供给驱动步进马达的比例阀驱动器和针阀的致动器的信号。

根据一些实施例，处理单元可以耦合到用于存储和加载数据的存储器。例如，如下面更详细地说明的，处理单元可以从流体注射模拟系统中的不同组件(诸如压力传感器)接收测量值，并将测量值记录在存储器中。处理单元可以加载所保存的测量值以执行压力-流量动力学计算，诸如流体注射模拟系统中流体的体积流率。存储器中存储的数据也可以存储为用于常规数据记录，以便使用者以后可以加载和查看在过程中记录的不同测量值。

在一些实施例中，处理单元包括微处理器，并且模拟程序可以作为固件加载到微处理器上。可以使用微控制器编程器(诸如AVR编程器)和编程连接器将固件加载到微处理器上。也可以通过在USB电缆上的引导加载程序加载固件。微处理器可以是以8MHz或更快速度运行的8位、16位、32位或64位微处理器。在一些实施例中，微处理器还可以包括通信端口，该通信端口使得能够将数据通信到系统的其他组件。例如，通信端口可以具有将数据传输到其他组件(诸如用户界面)的无线传输器。作为另一示例，连接端口可以具有USB连接，该USB连接通过USB接口传输数据。

根据本发明的一些实施例，可变流阻模块包括驱动器、开关和/或致动器元件，其基于从处理单元接收的控制信号进行控制。例如，如下面更详细地描述的，可变流阻模块可以将从处理单元接收的控制信号转换成驱动步进马达和致动器的信号，该步进马达和致动器产生期望的流体流阻。

根据本发明的一些实施例，可变流阻模块可以包括两通比例针阀，该两通比例针阀具有使流体流过的入口端口和出口端口。两通比例针阀可以包括由步进马达控制的线性致动器。根据由处理单元确定并传送到可变流阻模块的期望流体流阻，可以对步进马达施加脉冲，以驱动包括针的线性致动器，从而控制通过两通比例针阀及其连接到的管道导管的流体的流量。可以改变线性致动器的运动以实现目标流体流阻。两通比例针阀可以耦合到步进控制的比例阀驱动器，该步进控制的比例阀驱动器接收功率和控制信号(例如，步调和方向)，并产生用于驱动步进马达的信号(例如，双极步进马达中的0A至2A)。因此，两通比例针型阀可以是双向的，从而允许流体沿任一方向通过其端口流动。在一些实施例中，步进控制的比例阀驱动器可以使用包含开关部件的逻辑定序器和时钟脉冲源来提供用于以期望的步进速率驱动步进马达的信号。

在一些实施例中，流体注射模拟系统可以包括阀105。阀105可以是两通阀，其用作手动开关，该手动开关打开或关闭从注射器到系统的其余部分的流动。当注射器断开连接时，两通阀会关闭流体的流动，以便可以将其在系统外部重新填充。否则，两通阀可以保持打开状态。在一些实施例中，阀105也可以是三通阀。可以使用三通阀打开注射器和储器之间的流动以填充注射器，同时关闭到代表患者的系统的其余部分的流动。在填充注射器时，可以手动打开阀以关闭通向储器的直接通道，并打开通向系统的其余部分的直接通道(三通阀的正常功能是打开两个端口，并且关闭第三端口)。在一些实施例中，流体注射系统可以不包括阀105，并且可变流阻模块可以直接耦合到注射器、动力注射器或将流体注射到系统中的其他装置。

在一些实施例中，通过在可变流阻模块102中设置期望的流阻来实现阻力和触觉反馈。这模拟了医生执行真实过程的期望，因为他们期望当将推动液体通过较小的导管时施加更大的力。

在一些实施例中，校准数据可以作为查找表存储在处理单元内，并用于将针形阀的位置(即其打开的程度)转换为流阻。这样，可以根据具体的模拟设置来校准预定的流体流阻。为了计算体积流率，如下面更详细描述的，每个针阀位置需要一个以上的流阻值。校准数据因此存储了一组线：针对每个相关针阀位置的两条线。第一线从正压转换为流率，并且第二线从“负”(低于1个大气压)压转换为流率。校准表中的每一行都包含：针阀位置、k_p、m_p、k_n、m_n，其中k和m代表针对两条线的斜率和零交叉点。

根据一些实施例，可变流阻模块102可以利用控制通过管道导管的溶液的流体流阻的其他机构来实现。例如，可变流阻模块可以包括螺线管或配置成夹紧管道的电动机，从而限制流体在管道导管中的流动。可变流阻模块也可以用于控制压电比例阀。压电比例阀的压电元件是将机械力(诸如压力、拉应力或加速度)转换为可测量的电压的机电换能器。压电元件在其受到电压作用时也会变形，从而产生机械运动或振荡。压电元件可以包括具有两个导电板的电容器和用作电介质的陶瓷压电材料。压电元件中的陶瓷材料的分子结构在电场的影响下会极化。结果，陶瓷材料在受到电压时可以改变形状。

可以通过各种类型的换能器来利用经受电压时改变形状的效果，以创建压电比例阀。例如，可以将具有导电表面的压电陶瓷材料接合到无源导电基上。因为压电陶瓷和基板的导电表面起着电极的作用，所以压电陶瓷材料在向其导电表面施加电压时会弯曲。压电陶瓷材料因此充当弯曲致动器，其中当向电极施加电压时，压电陶瓷材料的自由端密封并打开端口阀。换能器的其他示例包括盘式换能器和层叠换能器，它们类似地包括当施加电压时膨胀和收缩的陶瓷材料。压电元件的一个优点是他们可以用最小的功率被供电，因为流过压电元件的电容器板的电流随着电容器的充电而减小。结果，压电元件在其被充电时几乎不消耗功率或根本不消耗功率，并且没有额外的电流从其流过。与其他类型的阀相比，带有压电组件的比例阀能耗降低达95％。

在一些实施例中，流体注射模拟系统可以包括将流体注射到流体注射模拟系统中的装置106，诸如注射器。根据一些实施例，注射器106可以是在医学实践中使用的实际医用注射器。因此，与现有的模拟系统不同，流体注射模拟系统可以真实地模拟在真实过程中使用者会感知到的阻力和触觉反馈。注射器也可以是满足在医院和医疗机构中使用的标准规格和要求的注射器。以此方式，注射器可以是可更换的并且在模拟过程中提供最大的真实感。注射器可以是一次性的，并且具有各种尺寸，例如1ml、3ml、10ml、30ml和50ml。在一些实施例中，将流体注射到流体注射模拟系统中的装置106可以是动力注射器，动力注射器可以被编程为以特定的流率自动地输送特定量的流体。动力注射器可以是真实的动力注射器，就像在真实过程中使用的动力注射器那样，以增强模拟的真实性。流体注射模拟系统可以根据被模拟的动力注射器的操作模式以及根据由处理单元控制的不同模拟场景来施加不同的流体流阻。在一些实施例中，流体注射模拟系统可以用于确定动力注射器是否已经被正确地配置。例如，如果流体注射模拟系统确定所测量的压力保持在预定阈值，则流体注射模拟系统可以确定动力注射器被正确地配置。动力注射器可以用于将流体注射和抽吸通过系统。在一些实施例中，流体注射系统可以不包括注射器或动力注射器105，并且可变流阻模块可以直接耦合至促进将流体注射到系统中的另外的装置。

当使用者按下注射器手柄时，注射器中的流体从其针筒通过其末端流入管道导管中，从而通过可变流阻将流体注射模拟系统中的流体的整体流动引向储器。流体流率将取决于由使用者通过注射器施加的压力和通过处理单元施加的流阻。当使用者向注射器手柄施加压力时，由处理单元设定的流体流阻将影响由使用者感觉到的阻力和触觉反馈以及所产生的流率。同样，当使用者拉动注射器手柄时，注射器中的流体会从储器和管道导管流到注射器末端的方向并流入注射器针筒。类似地，当使用者拉动注射器手柄时，由处理单元设定的流体流阻将影响由使用者感受到的阻力和触觉反馈以及所产生的流率。这样，流体注射模拟系统可以用于模拟注射和抽吸。

在一些实施例中，流体注射模拟系统可以包括储器104。储器104可以用于沉积和存储从注射装置106流经流体注射模拟系统的流体。储器使流体注射模拟系统能够提供闭环系统，从而允许从储器向注射器抽吸或重新填充液体，而不必将注射器与流体注射模拟系统分离。在真实过程中，使用者在注射之后必须关闭近端阀，拆下并移除注射器，并在将注射器重新附接到阀以进行新的注射之前，由擦洗护士(scrub nurse)对注射器进行填充。通过使用闭环系统，使用者可以拉动注射器以从储器中抽出流体，而不必拆下和移除注射器。在一些实施例中，流体注射系统可以不包括储器104，并且可变流阻模块可以耦合至将接收和/或引导在流体注射模拟系统中流动的流体的其他装置。

储器可以是用于容纳流体的流体袋、废物袋、杯子、瓶或类似的液体容器。储器通过端口耦合到管道导管，流体从该端口流入和流出储器。储器可以重复使用和重新填充，使得其可以用于多种模拟。在一些实施例中，储器可以由对机器清洗安全的材料构成，从而提高了储器的可重复使用性以进行额外的模拟。可以利用涂层处理储器，以容纳各种类型的流体并防止腐蚀或此类流体可能引起的其他类型的损坏。在一些实施例中，储器材料可以由被选择为承受流过系统的流体的各种压力和温度的材料构成。在一些实施例中，储器可以被包封在防护性外壳中。防护性外壳可以容纳处理单元以及系统的其他组件。在其他实施例中，储器可以与处理单元或系统的其他组件保持分开。例如，储器可以是悬挂在医疗杆上的悬挂式流体袋，该流体袋没有被封闭并且与处理单元分开。

根据一些实施例，可以在流体注射模拟系统中模拟不同类型的流体，以使得能够模拟流体的不同粘度、流阻和其他行为。例如，水或空气可以用于模拟诸如盐溶液、造影剂、液体栓塞、血液及其不同混合物之类的流体。在一些实施例中，可以将流体和混合物加热或冷却到期望的温度以模拟真实的温度。因此，该系统可以模拟在真实设置之间使用的不同流体的行为。例如，系统可以模拟使用填充有造影剂的注射器和填充有血液的注射器之间的总体触觉差异。在一些实施例中，所使用的流体可以是实际的盐溶液、造影剂、液体栓塞、血液以及其不同的混合物。

在一些实施例中，流体可以是气体而不是液体。这样，流体注射模拟系统可以在不能使用液体的干燥环境中使用。当使用气体而不是液体时，流体的气流用于确定流体注射模拟系统的其他组件所使用的测量值和计算值。

流体可以从管道导管103流入和流出储器104。管道导管可以是由塑料、硅、乳胶、橡胶或类似材料制成的医用级管道，诸如鲁尔管。可以对管道导管进行灌注，以防止空气进入流体注射模拟系统。管道导管也可以形成为具有各种长度和直径。这样，该系统可以用于模拟在单个物理设置中通过不同导管进行的流体注射。

根据一些实施例，该系统可以用于模拟患者或医疗设备中的各种类型的障碍物。例如，该系统可以用于模拟卡在导管内部的血块、导管中的扭结、重压在血管壁上的导管末端、深位于无法接收所有注射液体的小血管中的导管和类似类型的障碍物。如下面更详细说明的，这些模拟障碍物可以由使用者选择为模拟程序，并加载到处理单元中。然后，处理单元确定流体注射模拟系统中各种变量的值，该值为所选择的模拟程序创建期望的效果。然后，处理单元将控制信号发送到流体注射模拟系统中的那些部件，以实现所期望的效果。例如，如果使用者选择了模拟卡在导管内部的血块的模拟程序，则处理单元可以将控制信号发送到可变流阻模块，以实现在这种障碍物中会遇到的期望的流体流阻。障碍物的模拟可以考虑流体注射模拟系统中的其他变量，例如，管道导管的长度和直径或注射流体的类型。因此，处理单元可以考虑到管道导管的长度和直径或所使用的注射流体的类型来调整发送到可变流阻模块的控制信号。

可以在模拟程序中模拟其他事件和行为，并由处理单元执行其他事件和行为以实现期望的效果。例如，模拟程序可以通过将控制信号发送到可变流阻模块以在给定压力下快速打开来模拟血管破裂。

在一些实施例中，可以利用针对系统中的不同变量的预定阈值来对处理单元进行编程。例如，可以用最大压力防护对处理单元进行编程。如果测得的压力达到或超过最大压力防护，则处理单元可以控制可变流阻模块以释放形成的压力。

根据本发明的一些实施例，用户界面107可以耦合到处理单元101，以用于向处理单元读取数据和从处理单元写入数据。数据可以是例如最近模拟的结果，该结果存储在处理单元上，并显示给使用者查看。数据也可以是模拟程序，该模拟程序指定流体注射模拟系统中各种变量的值，该值为给定模拟创建所期望的效果。例如，模拟程序可以提供所期望的流体流阻，以模拟卡在导管内部的血块或给定造影剂的粘度。该模拟程序还可以包括关于流体注射模拟系统的信息、诸如管道的长度和直径，该信息可以影响流体的注射。如上所述，处理单元基于模拟程序将控制信号提供给流体注射模拟系统中的不同组件，以实现期望的效果。例如，处理单元可以将控制信号发送到可变流阻模块，以实现在模拟程序中指定的期望流体流阻。用户界面可以显示各种模拟程序供使用者选择。当使用者选择所期望的模拟程序时，可以将模拟程序加载到处理单元上。

根据本发明的一些实施例，用户界面还可以用于读取和查看由处理单元接收和计算的数据。例如，用户界面可以显示处理单元实时计算的体积流率。作为另一个示例，用户界面可以显示在整个过程期间存储的已保存的测量值和计算值的日志。

图2示出了根据本发明实施例的使用压力传感器的流体注射模拟系统的示例。如图2所示，流体注射模拟系统可以包括耦合至可变流阻模块102的处理单元101、后端压力传感器201和前端压力传感器202。后端压力传感器201和前端压力传感器202放置在可变流阻模块102的相对两侧，该可变流阻模块控制流过整个管道导管103的流体的流阻。可变流阻模块102可以耦合至储器104以存储流过管道导管103的流体。可变流阻模块可以控制流过其端口的流体流阻，从而控制流过整个系统200的流体的流量。可变流阻模块可以耦合到阀203。阀203也可以耦合到将流体注射到流体注射模拟系统中的装置106、诸如注射器。在一些实施例中，用户界面107可以耦合至处理单元101以读取数据并将数据写入处理单元。

后端压力传感器201和前端压力传感器202提供可变流阻模块102上的压力差。给定在可变流阻模块上的压力差，可以确定通过阀和整个流体注射模拟系统的流量。

例如，可以将流量估计为由下面的哈根-泊肃叶(Hagen-Poiseuille)方程给出的体积流量，并假设管道导管的横截面为圆形。

R是与导管中流体的动态粘度相结合的流体阻力，P₁和P₂是在沿管道导管的两个点处的流体压力的测量值，r是管道导管的半径，L是沿管道导管的压力的测量值之间的长度，n是流体的粘度。对于所有采样间隔，通过将上述流量估算值相加并将总和乘以采样间隔，可以对上述体积流率进行时间积分。压力和流率可以实时测量和计算。例如，压力和流率可以以1kHz的速率进行测量和计算。

在一些实施例中，流体注射模拟系统可以仅使用一个压力传感器而不是两个压力传感器来估计流率。例如，两个压力传感器中的一个可以测量可变流阻模块的一侧上的流体压力，而可变流阻模块的另一侧上的压力可以假定为正常环境空气压力或另一个预定值或已知值。在本发明的其他实施例中，可以在可变流阻模块的一侧或两侧上测量压力，并通过一个或多个流量传感器进行补充以实现更高的精度。

后端压力传感器和前端压力传感器可以耦合到处理单元，以发送它们已测量的压力测量值。处理单元可以使用压力测量值以实时计算体积流率。处理单元还可以将测量值作为日志存储在存储器中，以供以后使用或分析。

通过实时计算压力，处理单元可以确保由系统传感器测量的实际水平的阻力实时匹配期望的流体流阻。例如，如果实际流体流阻小于期望的流体流阻，则处理单元可以将控制信号发送到可变流阻模块以增加流体流阻。同样，如果实际流体流阻大于期望的流体流阻，则处理单元可以将控制信号发送到可变流阻模块以减小流体流阻。

前端压力传感器202和后端压力传感器201可以是用于测量压力的微型板上安装的传感器。压力传感器可以包括使电路元件基于压力变化而变化的感测元件。例如，感测元件可以包括位于化学蚀刻的硅膜片上的压电电阻器。压力变化将导致膜片和电阻器应变。电阻值将与施加在膜片上的应力成比例地变化，从而产生与压力变化相称的电输出信号。

根据一些实施例，阀203可以是三通阀。三通阀的第三端口可以耦合至储器104，从而将流体直接供应至阀。如上所述，三通阀可以允许使用者手动引导流体流过三个端口。转动或切换三通阀使得使用者能够利用来自储器的液体填充注射器或者将多余的流体排到储器(对应于三通阀的一个位置)，或者注射到由流阻(对应于阀的另一个位置)表示的系统的其余部分中或从由该流阻(对应于阀的另一个位置)表示的系统的该其余部分中抽吸。将三通阀耦合到储器使得使用者可以创建闭环系统，并且由此在不从阀拆下注射器的情况下重新填充或抽吸注射器。

图3示出了根据本发明实施例的使用气泡检测器和流量传感器的流体注射模拟系统的示例。如图3所示，流体注射模拟系统可以包括处理单元101、可变流阻模块102、后端压力传感器201、前端压力传感器202、阀203、将流体注射到流体注射模拟系统中的装置106(诸如注射器)以及可选地用户界面107。在一些实施例中，流体注射模拟系统可以包括气泡检测器301、流量传感器302、温度传感器303或其任意组合。气泡检测器301和流量传感器302可以沿着流体从注射器流过的路径与管道导管一致地放置。温度传感器可以放置在阀203和将流体注射到流体注射模拟系统中的装置106(例如注射器)之间。

根据一些实施例，气泡检测器301是被配置为确定在流过管道导管的液体中空气或气泡的存在的传感器。传感器可以通过检测瞬时流率的变化、瞬时流率在某个阈值范围内的时间以及瞬时流率是否超过阈值水平来确定是否存在气泡。例如，如图3B所示，如果瞬时流率在返回到其先前的流率之前的某个时间窗口内瞬时下降到零，则气泡检测器可以确定速率的变化是由于气泡的存在。根据一些实施例，可以将瞬时流率信号与气泡轮廓的图库(library)进行比较。例如，如图3C所示，当瞬时流率信号与气泡的轮廓匹配时，气泡检测器可以确定在管道导管中存在气泡。

如下面更详细说明的，检测气泡的能力在模拟中可能是有用的，因为在真实的流体注射过程中，将气泡引入心血管系统中是危险的，并且可能增加产生空气诱发的血栓的风险，该风险可能会导致中风。因此，可以将由气泡检测器检测到的任何气泡传送到处理单元以进行存储和分析。

根据一些实施例，流量传感器302是被配置为基于热质量流量测量值确定流率的传感器。如上面所说明的，这种流量传感器的可操作范围受到限制，并且这种流量传感器通常在例如几百μl/h至1000ml/h的范围内操作。但是，仍然可以使用此类流量传感器来补充系统中的其他传感器，以提高流率测量值的总体准确性。例如，当流体注射模拟系统的流率在流量传感器302的可操作范围内时，它们可以用于交叉检查由压力传感器产生的测量值和计算值。

根据一些实施例，流量传感器302可以包括加热元件，该加热元件向流体添加最小量的热量以进行热流量测量。对称地位于热源的上方和下方的两个温度传感器甚至检测到微小的温差，从而提供有关热量散发的基本信息，热量散发本身与流率直接相关。

根据一些实施例，流体注射模拟系统包括测量流体温度的温度传感器303。处理单元可以使用流体温度测量值来针对流体粘度的变化调整其计算值。温度传感器可以包括热敏电阻、电阻温度检测器、热电堆和类似的基于半导体的温度传感器。在一些实施例中，温度传感器303可以包括用于测量湿度的湿度感测元件。通过指示管道导管是否泄漏，测量湿度可以提高系统的安全性。温度传感器和湿度传感器可以分离或组合为单个封装件。

图4示出了根据本发明实施例的使用具有可变压力的加压储器的流体注射模拟系统的示例。如图4所示，流体注射模拟系统可以包括处理单元101、可变流阻模块102、后端压力传感器201、前端压力传感器202、阀203、将流体注射到流体注射模拟系统中的装置106(例如注射器)、气泡检测器301、流量传感器302、温度传感器303、具有可变压力的加压储器401以及可选的用户界面107。

具有可变压力的加压储器401可以耦合到处理单元，该处理单元提供控制信号，该控制信号改变施加到储器的压力的量。通过增加或减少施加到储器的压力的量，具有可变压力的加压储器可以进一步控制不同的流体流阻。以这种方式，流体注射系统可以模拟将导致液体沿相反方向流动的主动压力特性，例如血压和某些过程中使用的球囊的弹性。例如，由于球囊的弹性，球囊将自然地提供反作用力以抵抗试图使球囊膨胀的力、即注射器。随着气囊的填充，其将对注射器施加更多的反作用力。作为另一示例，在某些情况下，除非存在正确量的反作用力，否则血液将沿相反方向流过导管。加压储器通过提供实现反作用力的压力来帮助模拟这些效果。

图5示出了根据本发明某些实施例的用于使用注射器模拟系统的方法的示例。该方法可以包括确定流体流阻的步骤501。如上所述，处理单元可以确定与期望水平的阻力或触觉反馈的相对应的流体流阻，该期望水平的阻力或触觉反馈将由操纵注射器的使用者来感知。根据本发明的一些实施例，处理单元基于由使用者正在执行的模拟程序来确定流体流阻。例如，处理单元可以确定期望的流体流阻，以模拟卡在导管内部的血块。

该方法可以包括控制可变流阻模块的步骤502。如上所述，可变流阻模块可以由处理单元通过与在步骤501中确定的期望流体流阻相对应的控制信号来控制。控制信号可以是例如提供给比例阀驱动器的信号，该比例阀驱动器驱动针阀的步进马达和致动器，该步进马达和致动器以期望的流体流阻泵送流体。

该方法可以包括测量流体流率的步骤503。如上所述，流体注射模拟系统可以包括一个或多个压力传感器，该压力传感器可以用于计算穿过阀的流体的体积流率。压力传感器可以为处理单元提供测量值，从而使其能够实时地计算穿过阀和管道导管的流体的瞬时流率。

该方法可以包括修改流体流阻的步骤504。如上所述，压力、温度的实时测量和流体流率的估计允许处理单元确保如由系统传感器所测量的实际流阻实时地匹配期望的流体流阻。例如，如果实际流阻小于期望的流体流阻，则处理单元可以将控制信号发送到可变流阻模块以增加流阻。同样，如果实际流阻大于期望的流体流阻，则处理单元可以将控制信号发送到可变流阻模块以减小流阻。

本文所述的系统和方法可以用于医疗培训应用中以提供若干学习目标。例如，学习目标可以是以下能力：避免施加过大的压力/流量而导致血管解剖或破裂的风险；适应通常与解剖学、病理和患者状况相关的压力/流量；区分导管中的障碍物和正常的自由流动并据此采取正确的措施；识别导管末端何时被血管壁阻塞，并显示出适应压力和/或位置的能力；抽吸时区分无流量、间歇流量和连续流量；在不超过导管的压力极限或爆裂极限的情况下，以正确的流量注射栓子；通过改变压力/流量注射栓子以改变栓子的进程；在不超过破裂压力或最大体积的情况下正确填充低压气囊；并将气泡引入心血管系统中，以避免可能导致中风的产生空气诱发的血栓的风险。

以下表1示出了用于模拟各种用例场景的不同压力-流量动力学和系统变量的值的示例。

表1

以下表2示出了用于模拟附加特定用例场景的不同系统变量的值的示例。

表2

“注射器容积”提供了所需储器的指示。压力通常在0到10atm(标准大气压)之间，最大流阻可以建模为无穷大。流量和阻力值是近似的，并且其优选应被使用以获得所覆盖的(一个或多个)范围的视图。

流体注射模拟系统可以提供真实过程的现实模拟的一种示例性过程是治疗急性缺血性中风。已显示有效的一种治疗方法是血栓切除术，其是一种血管内手术。这种手术的一个关键组成部分是创建大脑中血管的可视化。这是通过造影剂注射完成的，非常重要的是，在将这种流体注射到大脑的脆弱血管系统中时，要注意施加正确水平的注射器压力，因为使用错误水平的注射器压力可能会导致破裂或其他对脑血管的损害。

特别适合于上述流体注射模拟系统的其他应用包括涉及例如在PAE(前列腺动脉栓塞)、TACE(肝栓塞)或血管创伤栓塞中注射栓塞剂的过程。其他潜在的应用包括气囊膨胀，其中系统可以使用空气而不是液体来模拟气囊膨胀的感觉(其中注射阻力随注射量的增加而增加)。气囊膨胀通常用于例如REBOA、PCI和肺静脉隔离手术。

上述系统和方法特别适合于模拟血管内流体注射过程。血管内手术是一种使用医疗器械的微创、图像引导的手术，这些医疗器械通常通过腹股沟、腕部或颈部区域的开口引入患者的血管中，并通过荧光镜或X射线系统可视化其在患者体内的运动。因此，其对于介入心脏病学、介入放射学、血管外科、介入神经放射学、电生理学、结构性心脏病、介入肿瘤学和心血管外科领域的手术最为有用。但是，本文所述的系统和方法可以用于将流体注射到患者体内的其他过程。

本公开中描述的实施例可以以各种方式组合。针对一个实施例描述的任何方面或特征可以被并入本公开中提到的任何其他实施例中。此外，本文描述的任何实施例可以是基于硬件的、基于软件的和/或包括硬件和软件元素的混合。因此，尽管已经示出、描述和指出了本发明原理的各种新颖特征应用于其特定实施例，但是应当理解，在不脱离本发明的精神的情况下，可以由本领域技术人员对所描述和示出的系统和方法的形式和细节进行各种省略、替换和改变。其中，在适当的许多情况下，所描述的任何方法的步骤都可以以不同的顺序执行。基于以上公开内容以及对发明原理的教导的理解，本领域技术人员将认识到，作为本文所述的系统的一部分的特定硬件和装置以及由其提供并结合在其中的一般功能在发明原理的不同实施例中可以改变。因此，特定的系统组件用于说明性目的，以便于对在其系统和方法实施例中实现的本原理的特定实施例的各个方面和功能的完全和完整的理解和认识。本领域技术人员将理解，除了所描述的实施例之外，可以以说明性而非限制性的目的来实施发明原理。

Claims (25)

1.一种流体注射模拟系统，包括：

处理单元；

可变流阻模块，所述可变流阻模块耦合至所述处理单元；

其中，流体流过所述可变流阻模块；并且

其中，所述处理单元被配置为控制所述可变流阻模块以实现对应于预定水平的阻力的流体流阻。

2.根据权利要求1所述的流体注射模拟系统，还包括：

阀，所述阀通过第一管道导管耦合至所述可变流阻模块；

注射器，所述注射器通过第二管道导管耦合至所述阀；

用于容纳流体的储器，所述储器通过第三管道导管耦合至所述可变流阻模块；

其中，所述阀被配置成打开和关闭从所述注射器到所述流体注射模拟系统中的流体流；和

其中，流体通过所述第一管道导管、所述第二管道导管和所述第三管道导管流过所述可变流阻模块、所述注射器和所述储器。

3.根据权利要求1所述的流体注射模拟系统，其中，流体流率是基于所述流体注射模拟系统的压力-流量动力学来计算的。

4.根据权利要求1所述的流体注射模拟系统，其中，所述流体流阻是静态的或随时间变化的，其中，所述随时间变化的流体流阻随时间而变化，以在触觉上模拟气囊的流体注射过程，并且其中，所述随时间变化的流体流阻基于由所述处理单元进行的计算和确定而随时间变化。

5.根据权利要求1所述的流体注射模拟系统，其中，所述可变流阻模块还包括两通比例针阀，所述两通比例针阀包括由步进马达控制的线性致动器，并且其中，所述步进马达被配置为施加脉冲以驱动所述线性致动器，从而控制所述流体流阻。

6.根据权利要求2所述的流体注射模拟系统，其中，在将所述阀配置成关闭来自所述注射器的流体流时，所述注射器是可拆卸的。

7.根据权利要求6所述的流体注射模拟系统，还包括步进器控制的比例阀驱动器，所述步进器控制的比例阀驱动器被配置成提供用于以期望的步进速率驱动步进马达的控制信号。

8.根据权利要求1所述的流体注射模拟系统，其中，所述可变流阻模块还包括压电比例阀，以控制所述流体流阻。

9.根据权利要求2所述的流体注射模拟系统，其中，所述注射器是用于真实过程中的医用级注射器。

10.根据权利要求1所述的流体注射模拟系统，其中，所述流体注射模拟系统能够模拟盐溶液、造影剂、液体栓塞或血液的流体。

11.根据权利要求1所述的流体注射模拟系统，其中，所述流体是气体。

12.根据权利要求1所述的流体注射模拟系统，其中，所述处理单元被配置为通过将控制信号发送至所述可变流阻模块来模拟患者或医疗设备中的障碍物，以实现在触觉上模拟所述障碍物的预定水平的阻力。

13.根据权利要求1所述的流体注射模拟系统，还包括第一压力传感器，其中，所述处理单元被配置为基于由所述第一压力传感器提供的测量值来计算所述可变流阻模块上的压力差。

14.根据权利要求13所述的流体注射模拟系统，其中，所述处理单元还被配置为基于所述压力差来计算体积流率。

15.根据权利要求13所述的流体注射模拟系统，还包括第二压力传感器，其中，所述处理单元被配置为基于由所述第一压力传感器和所述第二压力传感器提供的测量值来计算所述可变流阻模块上的压力差。

16.根据权利要求13所述的流体注射模拟系统，其中，所述处理单元被配置为基于由所述第一压力传感器提供的测量值来改变所述流体流阻。

17.根据权利要求2所述的流体注射模拟系统，其中，所述阀是具有入口端口、出口端口和供应端口的三通阀，其中，所述供应端口通过第四管道导管耦合至所述储器。

18.根据权利要求13所述的流体注射模拟系统，还包括气泡检测器和流量传感器。

19.根据权利要求13所述的流体注射模拟系统，还包括温度传感器。

20.根据权利要求2所述的流体注射模拟系统，其中，所述储器是具有可变压力的加压储器。

21.根据权利要求1所述的流体注射模拟系统，其中，所述流体流阻在触觉上模拟流体注射过程。

22.一种用于控制流体注射模拟系统的方法，该流体注射模拟系统包括与可变流阻模块耦合的处理单元，该方法包括以下步骤：

确定与预定水平的阻力相对应的流体流阻；和

控制所述可变流阻模块以实现与所述预定水平的阻力相对应的流体流阻。

23.根据权利要求22所述的方法，还包括以下步骤：

测量所述可变流阻模块处的压力；和

估计流过所述可变流阻模块的流体的流体流率。

24.根据权利要求23所述的方法，还包括基于所测量的压力来修改所述流体流阻的步骤。

25.根据权利要求22所述的方法，其中，所述流体流阻在触觉上模拟流体注射过程。

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