CN113274132A - 一种自动模拟呼吸周期的体模及包含其的穿刺导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动模拟呼吸周期的体模，其包括电机控制器和电机驱动装置，所述电机控制器根据录入的真人呼吸数据控制所述电机驱动装置运动，所述电机驱动装置运动带动所述体模的模拟皮肤进行模拟呼吸的起伏运动。本发明公开的体模可复制模拟真实呼吸周期信号，结合穿刺导航系统，可用于模拟胸腹腔穿刺导航实验，可以解决现有技术中利用气囊变形来模拟仿真呼吸时人体变化情况存在的精确控制气压、气流大小以及充吸气频率难度较大，难以模拟匹配真实的呼吸周期信号，而且气囊多次使用后会产生永久性形变，对实验效果产生影响的问题。

Description

一种自动模拟呼吸周期的体模及包含其的穿刺导航系统

技术领域

本发明涉及医疗领域，具体涉及一种自动模拟呼吸周期的体模，以及包含该体膜的穿刺导航系统。

背景技术

伴随微创介入治疗技术和影像技术的发展，在面对胸腹腔经皮穿刺手术时，呼吸跟踪和补偿变得尤为重要，这是因为体内病灶靶区会随着呼吸产生周期运动。如果没有呼吸跟踪辅助，医生在执行介入穿刺手术时会面临以下困境：

(1)医生无法准确定位病灶靶区位置，主要依靠个人技能和临床经验，导致手术时间延长，增加手术风险；

(2)考虑到手术安全和准确性，医生需多次暂停手术过程，去扫描影像确认并修正穿刺路径，导致病患接受更多的射线照射，导致手术过程可能引入其他隐患。

因此，带呼吸跟踪的穿刺导航系统应运而生，该系统配有体模，使得医生在术前可进行大量的手术模拟训练，提升手术技能和熟练度。中国专利文献CN 110706570 A公开了一种用于穿刺手术实验的肺部组织模型，中国专利文献CN 110473440 A公开了一种肿瘤呼吸运动模拟平台及肿瘤位置估计方法，即是应用于这种手术模拟训练。

但现有技术又存在以下问题：

第一、目前体模的呼吸模拟手段大都是对气囊充吸气，利用气囊变形来模拟仿真呼吸时人体变化情况。此类方案想要精确控制气压、气流大小以及充吸气频率难度较大，难以模拟匹配真实的呼吸周期信号，而且气囊多次使用后会产生永久性形变，也会对实验效果产生影响；

第二、目前用于经皮穿刺实验的体模大都为静态模型，此类体模存在如下问题：穿刺若干次后表皮产生永久性损伤，且不可修复，体模需要整体更换，导致实验成本增加。

发明内容

本发明提供一种可自动模拟呼吸周期的体模，该体模可复制模拟真实呼吸周期信号，结合穿刺导航系统，可用于模拟胸腹腔穿刺导航实验，可以解决现有技术中的上述缺陷。

本发明的技术方案如下：

一种自动模拟呼吸周期的体模，其包括电机控制器和电机驱动装置，所述电机控制器根据录入的真人呼吸数据控制所述电机驱动装置运动，所述电机驱动装置运动带动所述体模的模拟皮肤进行模拟呼吸的起伏运动。

作为所述的自动模拟呼吸周期的体模的一种优选，所述电机控制器与所述电机驱动装置通过电机控制器排线进行电连接。

作为所述的自动模拟呼吸周期的体模的一种优选，所述电机控制器支持数据录入和控制编程。

作为所述的自动模拟呼吸周期的体模的一种优选，所述电机驱动装置包括驱动电机、导轨、丝杆螺母组件和托盘，所述驱动电机能够被所述电机控制器控制进行正转或反转，所述丝杆螺母组件用于将所述驱动电机的转动运动转换为直线运动，所述导轨用于引导所述丝杆螺母组件的直线运动，所述托盘与所述模拟皮肤相连接，所述丝杆螺母组件直线运动时能够带动所述托盘运动进而带动所述模拟皮肤进行模拟呼吸的起伏运动。

作为所述的自动模拟呼吸周期的体模的一种优选，所述丝杆螺母组件包括丝杆和螺母滑动组件，其中，所述丝杆由所述驱动电机带动进行正转或反转，所述丝杆正反转能够驱动所述螺母滑动组件进行直线方向的往复运动，所述螺母滑动组件的往复运动带动所述托盘运动进而带动所述模拟皮肤进行模拟呼吸的起伏运动。

作为所述的自动模拟呼吸周期的体模的一种优选，所述螺母滑动组件包括与所述丝杆螺纹配合的螺母及与所述螺母连接的推杆和滑块，所述推杆套在所述丝杆外，所述推杆的一端连接有所述托盘，所述丝杆被所述驱动电机带动转动时，所述螺母将所述丝杆的转动转换为直线运动，所述滑块被所述螺母带动沿所述导轨直线运动，所述推杆被所述螺母带动进行直线方向的往复运动并带动所述托盘往复运动，所述托盘带动所述模拟皮肤进行模拟呼吸的起伏运动。

作为所述的自动模拟呼吸周期的体模的一种优选，还包括呼吸跟踪标记球支架以及安装在该支架上的呼吸跟踪标记球，所述呼吸跟踪标记球支架固定于所述模拟皮肤上，并随所述模拟皮肤移动，所述呼吸跟踪标记球的运动轨迹能够被外部光学定位跟踪系统捕获采集，并转化为呼吸周期信号。

作为所述的自动模拟呼吸周期的体模的一种优选，还包括病灶模拟球，所述病灶模拟球经由托架连接于所述电机驱动装置的所述螺母滑动组件并随所述螺母滑动组件运动，用于模拟呼吸运动过程中病灶的随动效果。

作为所述的自动模拟呼吸周期的体模的一种优选，还包括模型箱体，所述模型箱体用于模拟人体胸腹腔部位，所述模型箱体的上表面具有敞口部，所述模拟皮肤可拆卸式安装在所述模型箱体的敞口部处。

作为所述的自动模拟呼吸周期的体模的一种优选，所述模型箱体为透明的。

作为所述的自动模拟呼吸周期的体模的一种优选，还包括定位标记球支架及定位标记球，用于定位该体模，所述定位标记球支架固定于所述模型箱体上。

基于同样的发明构思，本发明还提供一种穿刺导航系统，其包括上述任一的自动模拟呼吸周期的体模，所述穿刺导航系统根据呼吸门控法，实时捕获呼吸周期内呼气相区间的起止时间，对呼吸进行跟踪和补偿。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

第一、本发明可模拟真人呼吸运动周期信号，配合呼吸门控，便于捕获呼吸周期相位，可有效辅助经皮穿刺导航实验。

第二、本发明所设计的体模支持单独拆换模拟皮肤，而不影响其他模型组件的使用，可降低穿刺体模损耗，降低穿刺耗材成本。

第三、本发明所设计体模的模型箱体为透明设计，属于半开放式箱体，方便观摩跟踪穿刺实验过程，便于及时发现穿刺过程出现的问题，提高穿刺精度。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本发明实施例的体模的立体结构示意图；

图2为本发明实施例的体模的电机驱动装置的立体结构示意图；

图3为本发明实施例的体模的电机驱动装置的部分剖视图，其中推杆被剖开，露出了其中的丝杆；

图4为本发明实施例的体模进行呼吸模拟的使用流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

以下结合图1、图2和图3说明本发明的自动模拟呼吸周期的体模的一个具体实施结构。

请参见图1，其中所示的自动模拟呼吸周期的体模主要包括：

模型箱体1，用于模拟人体胸腹腔部位，模型箱体1的上表面为敞口；模型箱体1优选为透明亚克力材质，便于试验过程中观察箱体内部情况，此外还可以为其他种类的透明材质。模型箱体设计的要点是上端敞口，优选为透明箱体，因此其具体形状不限于图1所示的长方体，本领域技术人员可选择任何合适的形状；

模拟皮肤2，具体可以为弹性硅胶膜，材质为软硅胶，厚度例如优选为3mm，固定于模型箱体1的上表面敞口处，代替人造体表皮肤；模型箱体1和模拟皮肤2的组合设计，使得模拟皮肤2实现单独拆换成为可能；优选地，模拟皮肤2设置为可以单独拆换。模拟皮肤的材质和厚度不做特别限定，在可替换实施例中，可选用其他类似的材质代替硅胶制作模拟皮肤来替代弹性硅胶膜。在可替换实施例中，作为模拟皮肤的弹性硅胶膜或其替代物的厚度指标可根据实验需求(如：呼吸模拟、力反馈模拟等)来确定，以上关于厚度的具体数值仅为举例说明，并不用于限定本发明模拟皮肤的厚度设定范围。

电机驱动装置3，包括驱动电机、导轨、丝杆螺母组件和托盘，其结构放大图如图2所示。电机驱动装置3用于带动模拟皮肤2上下运动。驱动电机由可编程控制器驱动。

电机控制器7，用于控制驱动电机，通过电机控制器排线8与驱动电机电连接，电机控制器7支持数据录入和控制编程。电机控制器7可以安装在模型箱体1上。电机控制器7可以根据录入的真人呼吸数据控制驱动电机运动。

呼吸跟踪标记球支架40，用于安装呼吸跟踪标记球4，且固定于模拟皮肤2上。呼吸跟踪标记球支架40及呼吸跟踪标记球4受电机驱动装置3驱动，随模拟皮肤2移动。呼吸跟踪标记球4的运动轨迹可被外部光学定位跟踪系统捕获采集，并转化为呼吸周期信号。

病灶模拟球5，经由托架6与电机驱动装置3的丝杆螺母组件连接，随丝杆螺母组件上下运动，能够模拟呼吸运动过程中病灶的随动效果。在一个具体的实施方式中，病灶模拟球5可以是材质为PVC、直径为10mm的球体。但对于本发明的体模而言，病灶模拟球5的大小、形状和材质可根据实验需要修改和选择，以用于模拟不同类型的病灶。

定位标记球支架及定位标记球9，用于定位该体模，固定于模型箱体1上。

请参见图2和图3，电机驱动装置3具体包括驱动电机31、导轨32、丝杆螺母组件33、托盘34，其中：

驱动电机31，可以加速/减速运动，具体由电机控制器7驱动和控制，电机控制器7可以根据人体真实呼吸频率调整编程，进而控制驱动电机31的运行。

导轨32：与丝杆螺母组件33配合，用于引导丝杆螺母组件33上下滑动，并对丝杆螺母组件33的滑动提供导向作用。

丝杆螺母组件33：包括丝杆331和螺母滑动组件332，其中丝杆331由驱动电机31带动进行正/反转，丝杆331正反转能够驱动螺母滑动组件332沿图2所示方位进行上/下运动。螺母滑动组件332具体包括与丝杆331螺纹配合的螺母(图中视角不可见)及与所述螺母连接的推杆332b和滑块332c，所述推杆332b套在所述丝杆外，所述推杆332b的一端连接所述托盘34，所述丝杆331被所述驱动电机31带动转动时，所述推杆332b进行直线方向的往复运动并带动所述托盘34同步运动，进而带动所述模拟皮肤2进行模拟呼吸的起伏运动。

托盘34：固定于所述推杆332b的顶端，优选与模拟皮肤2粘连，螺母滑动组件332上下运动时，推杆332b会带动托盘34上下运动，进而托盘34带动模拟皮肤2上下运动，从而模拟皮肤2实现起伏运动，模拟人体呼吸。可替换地，托盘34可不与模拟皮肤2连接，此时，当托盘34被推杆332b带动向上运动时，会将模拟皮肤2向上顶起，而当托盘34被推杆332b带动向下运动时，模拟皮肤2将复位，不会被带动向下凹陷。

本发明的体模呼吸模拟的原理是：将驱动电机(例如驱动电机31)安置在体模内，利用该驱动电机驱动丝杆331的正反转，丝杆331的正反转带动螺母滑动组件332上下运动，螺母滑动组件332的推杆332b带动顶部的托盘34产生往复机械运动，而当模拟皮肤2与托盘34粘连时，驱动电机正反转会带动托盘34连同模拟皮肤2一起有规律的上下起伏运动，达到模拟人体呼吸的目的。当模拟皮肤2与托盘34不连接时，驱动电机正反转会带动托盘34，进而使模拟皮肤2重复被顶起和复位的动作，实现有规律的上下起伏运动，达到模拟人体呼吸的目的。

本发明还有呼吸跟踪功能，将呼吸跟踪标记球4固定于呼吸跟踪标记球支架40上，并使呼吸跟踪标记球支架40固定于模拟皮肤2之上，且使呼吸跟踪标记球4处于一光学定位跟踪系统的视场之内，便能实时捕获呼吸跟踪标记球4的运动起伏曲线。

本发明的体模设有呼吸跟踪标记球4，结合导航系统，可实时捕获呼吸周期信号，用于模拟穿刺导航实验。

本发明还包含病灶模拟球，设置为在驱动电机正/反转时随螺母滑动组件332运动，可模拟呼吸过程中病灶随动效果。

此外，本发明所设计的体模中箱体的敞口设计及与模拟皮肤相配合的设计，支持单独拆换“模拟皮肤”，而不影响其他模型组件的使用，将模拟皮肤设计为可拆换，能够降低实验耗材成本。

图4为本发明实施例的体模进行呼吸模拟的使用流程示意图。结合图4，示例性说明本发明的体模具体使用流程如下：

1)数据准备：外部采集真人呼吸数据，对数据做滤波、增强和转换处理等预处理得到一组位移序列，将该数据录入电机控制器7，电机控制器7根据录入的呼吸数据转换成电机正反转的周期和加速度并输出控制信号控制驱动电机31运动，此时驱动电机31根据电机控制器7内录入的程序进行运动。

2)呼吸模拟：启动驱动电机31，驱动电机31会根据电机控制器7输出的运行信号特别是正反转的周期和加速度，驱动丝杆331实时正反转运动。丝杆331再带动螺母滑动组件332上下起伏运动，螺母滑动组件332带动模拟皮肤2上下起伏运动进而模拟呼吸过程，另外固定于模拟皮肤2上的呼吸跟踪标记球支架40上的呼吸跟踪标记球4也会随着模拟皮肤2的上下起伏运动产生起伏运动的效果，呼吸跟踪标记球4的运动周期信号会由外部光学导航系统捕获；此外，通过托架6固定于电机驱动装置3的螺母滑动组件332的推杆332b上的病灶模拟球5亦随螺母滑动组件332的起伏运动而同步运动，用于模拟呼吸过程中体内病灶起伏运动效果。

本发明的使用场景可以是：借助本发明的体模所产生的呼吸模拟和病灶起伏运动模拟这两方面的模拟效果，根据呼吸门控法，穿刺导航系统可实时捕获呼吸周期内呼气相区间的起止时间，对呼吸进行跟踪和补偿，进而更精准地完成穿刺导航实验。

本发明的体模的特点是：

第一、通过模型箱体与模拟皮肤的具体配合，设计了可拆换的模拟皮肤；

第二、基于对真人呼吸数据进行处理并通过电机控制器控制驱动电机运动，使用驱动电机由此产生的机械运动代替人体胸腔起伏，模拟呼吸周期信号；

第三、本发明的体模设计的跟踪定位标记球设置为与模拟皮肤同步运动，可用于捕获呼吸周期信号，进而用于模拟穿刺导航实验；

第四、本发明的体模设计的病灶模拟球可模拟呼吸运动过程中病灶的随动效果；

本发明的此套体模装置即为人体胸腹腔的简化模型，通过这套装置可以模拟真实人体胸腹腔穿刺效果。

本发明的优点在于：

第一、本发明所设计的体模支持单独拆换“人造体表皮肤”，而不影响其他模型组件的使用，可降低穿刺体模损耗，降低穿刺耗材成本。

第二、本发明可模拟呼吸运动周期信号，配合呼吸门控，便于捕获呼吸周期相位，可有效辅助经皮穿刺导航实验。

第三、本发明所设计体模的模型箱体为透明设计，属于半开放式箱体，方便观摩跟踪穿刺实验过程，便于及时发现穿刺过程出现的问题，提高穿刺精度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (12)

1.一种自动模拟呼吸周期的体模，其特征在于，包括电机控制器和电机驱动装置，所述电机控制器根据录入的真人呼吸数据控制所述电机驱动装置运动，所述电机驱动装置运动带动所述体模的模拟皮肤进行模拟呼吸的起伏运动。

2.如权利要求1所述的自动模拟呼吸周期的体模，其特征在于，所述电机控制器与所述电机驱动装置通过电机控制器排线进行电连接。

3.如权利要求1所述的自动模拟呼吸周期的体模，其特征在于，所述电机控制器支持数据录入和控制编程。

4.如权利要求1所述的自动模拟呼吸周期的体模，其特征在于，所述电机驱动装置包括驱动电机、导轨、丝杆螺母组件和托盘，所述驱动电机能够被所述电机控制器控制进行正转或反转，所述丝杆螺母组件用于将所述驱动电机的转动运动转换为直线运动，所述导轨用于引导所述丝杆螺母组件的直线运动，所述托盘与所述模拟皮肤相连接，所述丝杆螺母组件直线运动时能够带动所述托盘运动进而带动所述模拟皮肤进行模拟呼吸的起伏运动。

5.如权利要求4所述的自动模拟呼吸周期的体模，其特征在于，所述丝杆螺母组件包括丝杆和螺母滑动组件，其中，所述丝杆由所述驱动电机带动进行正转或反转，所述丝杆正反转能够驱动所述螺母滑动组件进行直线方向的往复运动，所述螺母滑动组件的往复运动带动所述托盘运动进而带动所述模拟皮肤进行模拟呼吸的起伏运动。

6.如权利要求5所述的自动模拟呼吸周期的体模，其特征在于，所述螺母滑动组件包括与所述丝杆螺纹配合的螺母及与所述螺母连接的推杆和滑块，所述推杆套在所述丝杆外，所述推杆的一端连接有所述托盘，所述丝杆被所述驱动电机带动转动时，所述螺母将所述丝杆的转动转换为直线运动，所述滑块被所述螺母带动沿所述导轨直线运动，所述推杆被所述螺母带动进行直线方向的往复运动并带动所述托盘往复运动，所述托盘带动所述模拟皮肤进行模拟呼吸的起伏运动。

7.如权利要求1所述的自动模拟呼吸周期的体模，其特征在于，还包括呼吸跟踪标记球支架以及安装在该支架上的呼吸跟踪标记球，所述呼吸跟踪标记球支架固定于所述模拟皮肤上，并随所述模拟皮肤移动，所述呼吸跟踪标记球的运动轨迹能够被外部光学定位跟踪系统捕获采集，并转化为呼吸周期信号。

8.如权利要求6所述的自动模拟呼吸周期的体模，其特征在于，还包括病灶模拟球，所述病灶模拟球经由托架连接于所述电机驱动装置的所述螺母滑动组件并随所述螺母滑动组件运动，用于模拟呼吸运动过程中病灶的随动效果。

9.如权利要求1所述的自动模拟呼吸周期的体模，其特征在于，还包括模型箱体，所述模型箱体用于模拟人体胸腹腔部位，所述模型箱体的上表面具有敞口部，所述模拟皮肤可拆卸式安装在所述模型箱体的敞口部处。

10.如权利要求9所述的自动模拟呼吸周期的体模，其特征在于，所述模型箱体为透明的。

11.如权利要求9所述的自动模拟呼吸周期的体模，其特征在于，还包括定位标记球支架及定位标记球，用于定位该体模，所述定位标记球支架固定于所述模型箱体上。

12.一种穿刺导航系统，其特征在于，包括权利要求1-11中任一所述的自动模拟呼吸周期的体模，所述穿刺导航系统根据呼吸门控法，实时捕获呼吸周期内呼气相区间的起止时间，对呼吸进行跟踪和补偿。

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