CN111613120B - 一种介入手术操作造影成像效果模拟系统 - Google Patents

Abstract

一种介入手术操作造影成像效果模拟系统，属于医疗教具领域，其特征在于：包括手术模型、图像采集模块和图像处理及显示模块；图像采集模块包括固定架和采集设备；弧形滑轨的另一端朝向手术模型设置；采集设备与前述图像处理及显示模块相电连接。本发明所述介入手术操作造影成像效果模拟系统可以对各种手术模块所对应的手术医疗过程进行模拟训练，并根据采集数据提供与临床类似的显示结果；同时，可通过固定架上的横向滑块和纵向滑块对采集设备的拍摄角度及距离手术模型之间的物距进行调节，根据实际需求对手术模型的各个角度进行观察，模拟实现了介入手术造影过程中观察体位的改变，对医疗领域的介入手术培训明显促进的积极作用。

Description

一种介入手术操作造影成像效果模拟系统

技术领域

本发明属于医疗教具领域，尤其涉及一种介入手术操作造影成像效果模拟系统。

背景技术

DSA为Digital subtraction angiography的简称，即血管造影的影像通过数字化处理，把不需要的组织影像删除掉，只保留血管影像，这种技术叫做数字减影技术，对观察血管病变，血管狭窄的定位测量，诊断及介入治疗提供了真实的立体图像，为各种介入治疗提供了必备条件。其基本原理是将注入造影剂前后拍摄的两帧X线图像经数字化输入图像计算机，通过减影、增强和再成像过程把血管造影影像上的骨与软组织影像消除来获得清晰的纯血管影像，是电子计算机与常规X线血管造影相结合的一种检查方法。

数字减影血管造影系统（DSA）价格昂贵，且在工作时会释放一定强度的X射线，即使穿戴铅衣进行保护，仍然不可避免的对医生身体造成一定辐射伤害。因此，年轻医生在平时的操作训练中很少有机会接触到真实的DSA设备及病人。目前尚不存在使用透明血管做介入又满足完全无辐射要求的仿造影培训系统，因此有必要开发一种具有仿DSA成像效果且完全无辐射的模拟系统。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供一种结构简单系统的介入手术操作造影成像效果模拟系统。

本发明所述介入手术操作造影成像效果模拟系统，包括手术模型、图像采集模块和图像处理及显示模块；所述图像采集模块包括固定架和采集设备；所述固定架包括直线滑轨和弧形滑轨；所述直线滑轨上设置有横向滑块；所述弧形滑轨上设置有纵向滑块；所述采集设备安装在前述纵向滑块上；所述手术模型位于采集设备的下方；前述直线滑轨设置于手术模型的一侧；所述弧形滑轨的一端与横向滑块活动连接；所述弧形滑轨的另一端朝向手术模型设置；所述采集设备与前述图像处理及显示模块相电连接。在对手术模型进行模拟手术操作的结果或过程，通过图像采集模块中的采集设备进行数据采集，同时通过横向滑块移动弧形滑轨；通过纵向滑块移动采集的方式，使得采集设备可以从不同的角度对手术模型进行全方位的数据采集；最后将采集到的数据传输至图像处理及显示模块，经过对采集数据的处理与分析后显示出仿DSA成像效果的显示结果，从而为医疗人员的培训提供完全无辐射的模拟系统。通过替换不同的手术模型，本发明所述介入手术操作造影成像效果模拟系统可以对各种手术模块所对应的手术医疗过程进行模拟训练，并根据采集数据提供与临床类似的显示结果。

本发明所述介入手术操作造影成像效果模拟系统，所述弧形滑轨的一端与横向滑块上均设置有安装孔；所述弧形滑轨的一端与横向滑块通过在安装孔内设置螺栓相连接；所述纵向滑块背向弧形滑轨的侧壁上设置一通孔；所述通孔内设置一销钉；所述销钉的前端外壁上套设一弹簧；所述弹簧的一端与销钉前端固定连接，另一端面弹簧张力下顶在纵向滑块侧壁上；所述销钉顶端在弹簧的张力下作用于弧形滑轨侧壁上。

本发明所述介入手术操作造影成像效果模拟系统，所述弧形滑轨与销钉顶端相接触的侧壁上等间距设置有若干凹槽。通过设置凹槽来增大销钉与弧形滑轨侧壁之间的摩擦力，从而提高纵向滑块在弧形滑轨上的稳定性，确保设置于纵向滑块上的采集设备的采集准确率。

本发明所述介入手术操作造影成像效果模拟系统，所述手术模型下设置有透明底板；所述透明底板下设置有光源模块。通过在手术模型下设置透明底板，便于对手术模型的移动与更换，只需接触透明底板即可实现手术模型的移动，而不用接触手术模型；采用透明底板并在透明底板下设置光源模块，可以通过光源模块从手术模块的下方提供光照，从而利于对于手术模块的观测，利于采集设备提高对于手术模块进行模拟操作过程的精准采集。

本发明所述介入手术操作造影成像效果模拟系统，所述光源模块为一规则形状的面光源；所述面光源为白光；通过面光源可以提供较为均匀的光照，白光可以保证最大限度的提供不具有干扰色彩的光源。

本发明所述介入手术操作造影成像效果模拟系统，所述光源模块为一中空的半圆柱面体；所述光源模块的纵截面呈半圆形；前述手术模型、和图像采集模块均设置于半圆柱面体的中空腔内。

本发明所述介入手术操作造影成像效果模拟系统，所述透明底板为透明度大于85%的亚克力板。

本发明所述介入手术操作造影成像效果模拟系统，所述图像处理及显示模块包括处理终端和显示单元；所述处理终端与前述采集设备相电连接；所述显示单元设置有两个。

本发明所述介入手术操作造影成像效果模拟系统，所述采集设备为摄像头；所述摄像头的分辨率为1920x1080；图像采集帧率为30fps，图像格式为RGB32。

本发明所述介入手术操作造影成像效果模拟系统，所述处理终端设置有模拟造影软件；所述模拟造影软件对采集设备采集的图像数据进行图像处理；

所述图像处理过程包括：

模拟造影软件读取处理终端中的图像数据并做灰度化处理，选取绿色分量的灰度图片作为灰度处理的结果，将灰度图片存储进处理终端；

模拟造影软件将绿色分量的灰度图进行空间域增强，以消除图像背景干扰信号；并对空间域增强后的图像进行频域增强，以突出显示介入器械图像；

模拟造影软件将频域增强后的图像灰度值映射到预设的灰度范围，然后通过减影算法，只保留血管轮廓和器械的影像；

模拟造影软件将血管轮廓和器械的影像进行直方图均衡处理，形成细节突出、边界清晰可辨的DSA仿真图像；

一个前述显示单元显示模拟造影软件处理后的DSA仿真图像，另一个显示单元显示各项生理波形的仿真曲线。

本发明所述介入手术操作造影成像效果模拟系统，通过设置于手术模型上方的采集设备采集手术模型图像信息，以数字信号传输的方式将图像实时传输到图像处理及显示模块对其进行图像处理，最终实现类似于临床的DSA成像效果；通过替换不同的手术模型，本发明所述介入手术操作造影成像效果模拟系统可以对各种手术模块所对应的手术医疗过程进行模拟训练，并根据采集数据提供与临床类似的显示结果；同时，可通过固定架上的横向滑块和纵向滑块对采集设备的拍摄角度及距离手术模型之间的物距进行调节，根据实际需求对手术模型的各个角度进行观察，模拟实现了介入手术造影过程中观察体位的改变，对医疗领域的介入手术培训明显促进的积极作用。

附图说明

图1为本发明实施例一所述介入手术操作造影成像效果模拟系统示意图；

图2为本发明所述固定架结构示意图；

图3为本发明所述纵向滑块与弧形滑轨连接结构示意图；

图4为本发明实施例二所述介入手术操作造影成像效果模拟系统示意图；

图5为本发明实施例二所述光源模块结构示意图；

其中1-直线滑轨、2-弧形滑轨、3-手术模型、4-透明底板、5-横向滑块、6-处理终端、7-显示单元、8-纵向滑块、9-采集设备、10-销钉、11-弹簧、12-光源模块。

具体实施方式

下面通过附图及实施例对本发明所述介入手术操作造影成像效果模拟系统进行详细说明。

实施例一

本实施例所述介入手术操作造影成像效果模拟系统，如图1所示，包括手术模型3、图像采集模块和图像处理及显示模块；所述图像采集模块包括固定架和采集设备9；如图2所示，所述固定架包括直线滑轨1和弧形滑轨2；所述直线滑轨1上设置有横向滑块5；所述弧形滑轨2上设置有纵向滑块8；所述采集设备9安装在前述纵向滑块8上；所述手术模型3位于采集设备9的下方；前述直线滑轨1设置于手术模型3的左侧；所述弧形滑轨2的一端与横向滑块5上均设置有安装孔；所述弧形滑轨2的一端与横向滑块5通过在安装孔内设置螺栓相连接；所述弧形滑轨2的另一端朝向手术模型3设置，在本实施例中所述弧形滑轨2呈半圆形；所述采集设备9与前述图像处理及显示模块相电连接。所述手术模型3下设置有透明底板4；所述透明底板4下设置有光源模块12。

如图3所示，所述纵向滑块8背向弧形滑轨2的侧壁上设置一通孔；所述通孔内设置一销钉10；所述销钉10的前端外壁上套设一弹簧11；所述弹簧11的一端与销钉10前端固定连接，另一端面弹簧11张力下顶在纵向滑块8侧壁上；所述销钉10顶端在弹簧11的张力下作用于弧形滑轨2侧壁上。在本实施例中，根据实际情况销钉10整体为台阶轴形状，弹簧11的一端顶在销钉10头部的台阶面上实现固定，弹簧11的另一端顶在纵向滑块8侧壁的销钉10孔外围，通过弹簧11的张力将销钉10头部顶在弧形滑轨的侧壁上，通过其之间的摩擦力使得弧形滑轨上的滑块保持固定的位置。

在本实施例中，选用一套神经血管模型，血管模型材料为透明度为70%的硅胶材料，将神经血管模型放置在透明底板4上，硅胶材料表面的粘性使得血管模型和透明底板4之间的位置相对固定。所述透明底板4采用透明度大于85%的亚克力材料，通过机械加工的方法制造得到，尽量减少通过透明底板4上的光强损耗。透明底板4的形状是长方形，长方形的长宽为900mmx500mm；所述的光源模块12的光线照射方向是透过透明底板4照射神经血管模型。

光源模块12采用面光源为白光，以保证光线均匀的照射到血管模型的各个位置，并且尽量消除周围环境光线强弱变化的影响；在本实施例中光源模块12加工成表面为长方形的形状，长宽为1000mmx650mm。光源模块12发出的光是光照强度控制在2000Lux-2500Lux范围内的白色可见光，以控制血管模型和介入器械的对比度，以及血管模型、介入器械与背景白光的对比度，以保证后期图像处理成仿DSA图像时，能获得类似真实手术中看到的效果。所述图像处理及显示模块包括处理终端6和显示单元7；在本实施例中处理终端6为计算机；显示单元7为液晶显示器；所述处理终端6与前述采集设备9相电连接；所述显示单元7设置有两个。所述采集设备9为摄像头；所述摄像头的分辨率为1920x1080；图像采集帧率为30fps，图像格式为RGB32，以完整保留血管模型及介入器械在拍摄图像中的细节。所述处理终端6设置有模拟造影软件；所述模拟造影软件对采集设备9采集的图像数据进行图像处理。

处理过程为:所述的模拟造影软件读取计算机内存中的图像数据并做灰度化处理，选取绿色分量的灰度图片作为灰度处理的结果，灰度图片存储进计算机内存中。模拟造影软件将绿色分量的灰度图进行空间域增强，以消除图像背景干扰信号；并对空间域增强后的图像进行频域增强，以突出显示介入器械图像。将频域增强后的图像灰度值映射到所述参数设置模块指定灰度范围，然后通过减影算法，只保留血管轮廓和器械的影像；模拟造影软件将血管轮廓和器械的影像进行直方图均衡处理，形成细节突出、边界清晰可辨的DSA仿真图像；显示单元7的两个27英寸的液晶显示器，其中一个显示器显示模拟造影软件处理后的DSA仿真图像，另一个显示器显示各项生理波形的仿真曲线，使得系统的使用条件更接近医学临床效果。

在进行模拟操作时，连接好摄像头与图像处理计算机之间的数据信号线，给光源模块12供电使其照亮整个血管模型，打开图像处理计算机上的模拟造影软件，通过显示单元7上的一个显示器观察到仿DSA的造影的效果，这时进行使用导丝导管等器械的介入操作就可以在显示器上观察到相应的介入造影影像。显示单元7的另外一个显示器上同时会显示出人体的生理特征数据与曲线，创造出与临床DSA较接近的实际效果。

通过摄像头在固定架直线导轨及横向滑块5、弧形滑轨及纵向滑块8的调节，将摄像头调整到血管模型中心脏模型的正上方，并且摄像头的视线与水平面呈垂直状态，这个拍摄位置就称为造影操作中的正位（AP位），以AP位为基础，保持摄像头在直线导轨直线方向位置不变，将摄像头沿着弧形轴向血管模型左侧手臂血管方向转动45°，此造影位置称为左前斜45度（LAO45°），通过此位置可以比较清楚的观察到心脏模型右冠血管的图像。

实施例二

在实施例一的基础上，在本实施例中所述弧形滑轨与销钉10顶端相接触的侧壁上等间距设置有若干凹槽。通过设置凹槽来增大销钉10与弧形滑轨侧壁之间的摩擦力，从而提高纵向滑块8在弧形滑轨上的稳定性，确保设置于纵向滑块8上的采集设备9的采集准确率。

与实施例不同之处还在于，如图4或图5所示面光源为半圆柱面形状，其地面为长方形形状，在长方形底面上增加一个半弧面，长方形底面和半弧面为一个整体，将血管模型、图像采集模块包裹在其中；灯源外形加工为半圆弧面形状，灯源从外而内由三层结构构成，分别为外层的不锈钢镜面反光板，中间层的导光板以及内层的扩散板，不锈钢镜面反光板的的反光面朝向血管模型方向，采用封装规格为3528的白色光高亮LED灯珠作为发光源。半弧面灯源边沿使用铝型材包裹固定，白色LED被安装在铝型材与灯源边缘的缝隙中，以粘接的形式均匀分布在铝型材边框，并保证LED的灯珠的中心位置与灯源中间层的导光板平齐，LED灯珠焊盘之间通过安装在其底部的PCB板相并联，给PCB板上供额定值为24V的可调电压直流电作为光源模块12的供电电源。给光源模块12供电后，LED灯珠被点亮，灯珠的白光经过中间层的导光板上，通过光的折射将导光板上的每个光点单元点亮，形成细密的光斑，部分光线会通过导光板或者由LED灯珠直接照射到光源模块12外层的不锈钢镜面反光板的反光面上，被反光面反射到内层扩散板方向，防止光损失以保证光源模块12整体亮度，射向扩散板的光线经过扩散板散射后变得更均匀。电压额定值为24V的可调电压可以保证光源模块12的亮度在需要的范围内调节。使用带弧形面的光源模块12的目的在于提供更为均匀的照射光源，并且保证摄像头在任何角度拍摄的时候都是单一的白背景，便于图像处理系统进行处理，容易得到比较好的仿真效果。

在对手术模型3进行模拟手术操作的结果或过程，通过图像采集模块中的采集设备9进行数据采集，同时通过横向滑块5移动弧形滑轨；通过纵向滑块8移动采集的方式，使得采集设备9可以从不同的角度对手术模型3进行全方位的数据采集；最后将采集到的数据传输至图像处理及显示模块，经过对采集数据的处理与分析后显示出仿DSA成像效果的显示结果，从而为医疗人员的培训提供完全无辐射的模拟系统。通过替换不同的手术模型3，本发明所述介入手术操作造影成像效果模拟系统可以对各种手术模块所对应的手术医疗过程进行模拟训练，并根据采集数据提供与临床类似的显示结果。

Claims (4)

1.一种介入手术操作造影成像效果模拟系统，其特征在于:包括手术模型(3)、图像采集模块和图像处理及显示模块;所述图像采集模块包括固定架和采集设备(9);所述固定架包括直线滑轨(1)和弧形滑轨(2);所述直线滑轨(1)上设置有横向滑块(5);所述弧形滑轨(2)上设置有纵向滑块(8);所述采集设备(9)安装在前述纵向滑块(8)上;所述手术模型(3)位于采集设备(9)的下方;前述直线滑轨(1)设置于手术模型(3)的一侧;所述弧形滑轨(2)的一端与横向滑块(5)活动连接;所述弧形滑轨(2)的另一端朝向手术模型(3)设置;所述采集设备(9)与前述图像处理及显示模块相电连接;所述纵向滑块(8)背向弧形滑轨(2)的侧壁上设置一通孔;所述通孔内设置一销钉(10);所述销钉(10)的前端外壁上套设一弹簧(11);所述弹簧(11)的一端与销钉(10)前端固定连接，另一端面弹簧(11)张力下顶在纵向滑块(8)侧壁上所述销钉(10)顶端在弹簧(11)的张力下作用于弧形滑轨(2)侧壁上;所述弧形滑轨（2）与销钉(10)顶端相接触的侧壁上等间距设置有若干凹槽;所述手术模型(3)下设置有透明底板(4);所述透明底板(4)下设置有光源模块(12)；

所述光源模块(12)为一中空的半圆柱面体;所述光源模块(12)的纵截面呈半圆形;前述手术模型（3）和图像采集模块均设置于半圆柱面体的中空腔内；

所述图像处理及显示模块包括处理终端(6)和显示单元(7);所述处理终端(6)与前述采集设备(9)相电连接;所述显示单元(7)设置有两个；

所述处理终端(6)设置有模拟造影软件;所述模拟造影软件对采集设备(9)采集的图像数据进行图像处理；

所述图像处理过程包括：

模拟造影软件读取处理终端(6)中的图像数据并做灰度化处理，选取绿色分量的灰度图片作为灰度处理的结果，将灰度图片存储进处理终端(6);

模拟造影软件将绿色分量的灰度图进行空间域增强，以消除图像背景干扰信号;并对空间域增强后的图像进行频域增强，以突出显示介入器械图像;

模拟造影软件将频域增强后的图像灰度值映射到预设的灰度范围，然后通过减影算法，只保留血管轮廓和器械的影像;

模拟造影软件将血管轮廓和器械的影像进行直方图均衡处理，形成细节突出、边界清晰可辨的DSA仿真图像;

一个前述显示单元（7）显示模拟造影软件处理后的DSA仿真图像，另一个显示单元（7）显示各项生理波形的仿真曲线；

所述光源模块(12)为一规则形状的面光源;所述面光源为白光。

2.根据权利要求1所述介入手术操作造影成像效果模拟系统，其特征在于:所述弧形滑轨(2)的一端与横向滑块(5)上均设置有安装孔所述弧形滑轨(2)的一端与横向滑块(5)通过在安装孔内设置螺栓相连接。

3.根据权利要求2所述介入手术操作造影成像效果模拟系统，其特征在于:所述透明底板(4)为透明度大于85%的亚克力板。

4.根据权利要求3所述介入手术操作造影成像效果模拟系统，其特征在于:所述采集设备(9)为摄像头;所述摄像头的分辨率为1920x1080;图像采集帧率为30fps，图像格式为RGB32。

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