CN113380093A - 一种用于微波消融手术的操作训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于微创消融手术的操作训练系统，所述操作训练系统包括：人体仿真模型100、消融设备200、操作台300、消融监视设备400以及消融针状态显示设备500，人体仿真模型100设置于操作台300上，人体仿真模型100至少包括上体模型，所述上体模型靠近内脏一侧设置消融监视设备400，上体模型内部具有模拟脏器，所述模拟脏器由透明材质制成，所述消融监视设备400包括可见光成像设备401和红外热成像设备402，可见光成像设备401和红外热成像设备402均对向目标脏器，所述摄像设备401和热成像仪402与所述消融针状态显示设备500用于基于消融设备200的控制信号输送不同类型的图像。

Description

一种用于微波消融手术的操作训练系统

技术领域:

本发明涉及医疗辅助系统技术领域，具体涉及一种用于微波消融手术的操作训练系统。

背景技术:

肝癌的手术治疗其实包括2个方面，手术切除肿瘤或者肝移植。而无论是手术切除或者肝移植，都得有个前提条件，就是发现的肿瘤属于早期，没有转移，这样的患者外科手术效果才比较好。我国2019年版《原发性肝癌诊疗规范》指出，肝功能良好，不伴有血管，淋巴结及远处转移的单个的肿瘤，或3枚以内的多发肿瘤，属于早期肝癌，适合外科手术切除。在术前应对病人的全身情况及肝脏储备功能进行全面评价，肝功能良好且切除后余肝体积足够是实施手术切除的必要条件。

而对于术前评估肝功能不佳，无法耐受手术切除的早期肝癌患者，肝移植是最好的选择。关于肝癌肝移植适应证，国内外具有不同的标准，这些标准对于无大血管侵犯、淋巴结转移及肝外转移的要求都是一致的，但对于肿瘤的大小和数目的要求不尽相同。现阶段我国卫健委规范推荐采用UCSF标准，即单个肿瘤直径≤6.5cm；肿瘤≤3个，其中最大肿瘤直径≤4.5cm，且肿瘤直径总和≤8cm；无大血管侵犯。肝移植对于肝功能不佳，无法耐受手术切除的早期肝癌患者来说，可以达到根治的效果。但肝移植手术复杂，技术要求高，且肝源紧缺。对于无条件进行肝移植，或者高龄，合并心肺慢性疾病的早期肝癌患者，经皮微创消融治疗是最佳选择。

经皮肿瘤消融术是在超声或CT、核磁共振等医学影像设备引导下，通过经皮穿刺等方式，对肿瘤组织运用化学消融、热消融或者冷冻消融技术，诱导肿瘤细胞坏死及肿瘤组织的局部灭活。治疗过程中，医学影像设备为手术“导航”，精准定位肿瘤，在最大限度保护器官及组织功能的情况下消灭肿瘤，因此具有创伤小、疗效好、恢复期短，并发症轻微的特点。对于肿瘤直径小于3厘米的肝癌，消融疗效确切、创伤小，不用开腹，避免了大手术的创伤；术后恢复快，术后1-2天即可出院，对生活质量影响小；安全性高，术后并发症发生率低于开腹手术。

虽然消融术具有诸多优势，但是对于医生也是具有一定挑战的，因为消融术无法实现肉眼的直视手术，需要借助辅助可视化工具，并且，消融术的操作没有系统的练习工具，一些高端厂商推出了虚拟训练系统，但是这种系统毕竟无法与实物不同，无法提供真实的操作实物和实物体验更加没办法提供真实的反馈，对于学员的心理素质等各方面锻炼无法实务练习相比，而且，虚拟训练系统往往需要各种体感设备、传感器等，尤其国外医疗器械厂商提供的设备，价格昂贵，不易普及。

实践操作中，往往是新手医生在具有一定经验医生的指导下通过临床进行练习，既影响患者对医生的信心，一旦出现临床问题或者复发情况，也容易导致医患纠纷。

因此，若能够提供一种为医生提供系统性的消融手术操作训练的系统，将能够有效提升医生的操作水平，使得医生在临床手术前即可以积累足够的经验。

发明内容:

针对现有技术中存在的上述问题，本发明希望提供一种基于实物的微波(或者射频等其他)消融手术的操作训练系统，该系统可以实现基于实物的手术训练。

一种用于微创消融手术的操作训练系统，其特征在于，所述操作训练系统包括：人体仿真模型、消融设备、操作台、消融监视设备以及消融针状态显示设备，人体仿真模型设置于操作台上，人体仿真模型至少包括上体模型，所述上体模型靠近内脏一侧设置消融监视设备，上体模型内部具有模拟脏器，所述模拟脏器由透明材质制成，所述消融监视设备包括可见光成像设备和红外热成像设备，可见光成像设备和红外热成像设备均对向目标脏器，所述摄像设备和热成像仪与所述消融针状态显示设备用于基于消融设备的控制信号输送不同类型的图像。

优选地，所述摄像设备和热成像仪采用并排设置的方式，二者分别从各自角度和各自波段拍摄模拟脏器和模拟肿瘤的图像。

优选地，所述人体仿真模型分成两部分，一部分为具有内脏组织的上体部分，另一部分为下体部分，二者拼装在一起。

优选地，所述摄像设备和热成像仪采用共轴、分光方式进行相同目标区域的同步拍摄。

优选地，所述消融监视设备还包括光学镜头、分光镜、反射镜以及外壳，光学镜头位于外壳最前端，外壳前端开口，光学镜头密封在该开口处，分光镜位于光学镜头后方，用于接收来自光学镜头的入射光并对其进行分波段反射和透射，其中，该分光镜镀有针对红外光的增反膜，从而对红外光之一进行反射，对另一波段的光进行透射。

优选地，所述图像输出模式包括两种模式穿刺模式和消融模式。

优选地，消融针状态显示设备中存储有温度与像素值映射表，所述消融针状态显示设备根据消融区域的像素值在图像中添加特定温度点的标识。

优选地，消融设备包括：消融控制装置、手柄、消融针、流体通道接口、微波线缆接口、进水管、出水管以及手持部，消融针内有同轴电缆。

优选地，所述操作训练系统还包括脏器或模拟组织修复贴片，所述修复贴片中包含硅胶固化剂，该硅胶固化剂用于对为模拟组织进行修复的硅胶进行固化。

本发明可以为用户提供反复的操作练习，并且通过可视地提供消融探针的插入深度反馈，使得用户了解其手部操作动作与穿刺针的行进距离之间的对应关系，便于用户控制其动作幅度，了解其动作幅度所带来的器械动作情况，提供更好的操控感觉。并且，通过消融开关的触发，将目标脏器的可视图像与红外图像融合，本发明可以实现直观的消融时间与消融区域温度变化的展示，让用户更好地了解，其操作对目标肿瘤的影响。现有操作方式往往是通过变色来进行消融状态的区分，但是变色无法准确的反应消融温度，而本发明通过热导率校正、温度传感器测温及映射，可以有效地、真实地反应消融带来的温度变化。

附图说明：

附图1是本发明操作训练系统的结构示意图。

附图2是本发明中操作训练系统中的消融设备结构示意图。

附图3是本发明的消融监视设备的光路结构示意图。

附图4为本发明优选的修复贴片的结构示意图。

附图5为一种优选地模拟组织层和内层衬底的结构示意图。

具体实施方式：

如图1所示，本实施例中，所述微创消融操作训练系统包括：人体仿真模型100、消融设备200、操作台300、消融监视设备400以及消融针运动显示设备500，消融设备包括：消融控制装置210、手柄211、消融针212、流体通道接口214和微波线缆接口215，消融针212内有同轴电缆213，进水管216、出水管217。

操作台300采用与手术台基本相同或者类似的构造，以便给学员尽可能真实的体验。

人体仿真模型100设置于操作台300上，比如，对于肝癌治疗训练而言，可以将人体仿真模型100分成两部分，一部分为具有内脏组织的上体部分，这部分采用相对更加逼真，质量更加优良的仿真模型，另一部分为下体部分(可省略)，下体部分采用成本更低的普通的人体模型，这样可以进一步降低成本。并且，上体部分与下体部分可以采用两部分拼装在一起，以便拆卸组装，当上体部分需要更换时，不需要同时更换下体部分。更优选地，还包括人体头部模型(可省略)，人体头部模型与上体部分模型可拆卸的组装在一起。

在人体仿真模型100(上体模型的靠下部分)的下方设置中空区域，中空区域位于非内脏区域(尤其是非肝脏或者其他目标区域)，靠近肝脏部分。设置中空区域的目的是为了放置消融监视设备400，消融监视设备400的高度与目标监视区域的高度成一定比例。人体仿真模型100的至少上体模型的内部(尤其是脏器)采用透明材质制成，比如采用透明硅胶。

如图3所示，消融监视设备400包括可见光成像设备401和/或红外热成像设备402，二者均对向目标脏器。目标脏器采用硅胶模型或者其他透明或者半透明材质制成，更优选地，目标脏器的热容量和热导率选用与人体组织热导率和热容量相近的材料制成，目标脏器内根据需要可以塞入或者预先形成有各种形状和构造的模拟肿瘤。

可见光成像设备401、红外热成像设备402的成像焦点对向目标脏器的目标模拟病变区域。

在一种优选实现方式中，可见光成像设备401、红外热成像设备402采用并排设置的方式，二者分别从各自角度和各自波段拍摄目标脏器和模拟肿瘤的图像。但是，采用这种方式存在一个问题，即，使用者需要同时观察两个图像的状态，并且由于两个图像是并排拍摄的，两个图像的拍摄角度并不能完全相同，而是横向或纵向错开了一定间距，导致而这拍摄到的图像内容并非针对相同部分。这容易给使用者增加观察负担，无法建立直观的联系。

针对这一问题，在另一种优选实现方式中，采用如图3所示的光路结构。如图所示，消融监视设备400包括可见光成像设备401、红外热成像设备402、光学镜头403、分光镜404以及反射镜405、外壳406，光学镜头403位于外壳最前端，外壳前端开口，光学镜头403刚好密封在该开口处，分光镜404位于光学镜头403后方，用于接收来自光学镜头403的入射光并对其进行分波段反射和透射，其中，该分光镜404镀有针对可见光或红外光的反射膜，从而对可见光或红外光之一进行反射，对另一波段的光进行透射，比如，将可见光透射至可见光成像设备401，将红外光反射至反射镜405，再反射至红外光成像设备402。

采用这种方式可以实现可见光成像设备401和红外光成像设备402的相同视场。

进一步地，为了使使用者观察更加方便，将手术模拟训练过程分成两种模式，穿刺模式和消融模式，其中，在穿刺模式将可见光成像设备401获得的图像呈现给用户，以便用户了解其手部操作动作与穿刺针的行进距离之间的对应关系，便于用户控制其动作幅度，了解其动作幅度所带来的器械动作情况，提供更好的操控感觉。

当穿刺达到预定位置之后，启动消融模式，用户触发消融针的控制开关，该控制开关同时发出模式切换信号给消融监视设备，消融监视设备显示红外光图像，或者对可见光成像设备401获得的图像与红外光成像设备402获得的图像进行融合。由于红外光图像无法显示清晰的物体轮廓，并且突然的切换容易让使用者不适，因此，优选采用融合图像。

具体融合方式为，对可见光成像设备401和红外光成像设备402同步触发信号进行快门触发，基于该同步信号，采集对应帧的可见光图像和红外光图像。提取可见光图像的RGB值，分别对其RGB值进行不等比加权，在该不等比加权中，赋予R值小于G、B值的权重，即w_R1小于w_G1、w_B1，优选地，赋予R值的权重低于G、B值的权重10-20％左右。RGB的各自加权系数可以设置为30％-60％之间，优选小于等于50％或45％。提取红外光成像设备402所获得的红外摄影图像的RGB值，由于红外光对人眼不可见，所以红外光成像设备402会将其所拍摄到的红外光图像转换成人眼可见的图像，这里面所进行操作的对象为转换后的红外图像。对红外图像的RGB值进行不均等加权，其中对R值的加权系数大于GB的加权系数，即w_R2大于w_G2、w_B2。采用这种赋权方式，一方面可以向短波方向调整可以见光图像的色调，向长波方向调整红外光成像设备所形成的图像的色调，使得一旦进入消融阶段，红外光图像更加清楚的反映出被消融区域的热传导情况，另一方面，可以减少加权并融合后两种图像的像素值达到溢出的可能。

由于本发明采用的是同轴拍摄方式，二者的图像基本对应(当然，在设备准备就绪前需要对两种图像拍摄设备进行校准，以使得二者的像素基本对应，在获得图像后，再利用图像配准算法，对两种图像先进行配准，然后在进行后续的加权融合)。将加权后的可见光图像的R₁值与加权后的红外图像的R₂值相加，将加权后的可见光图像的G₁值与加权后的红外图像的G₂值相加，将加权后的可见光图像的B₁值与加权后的红外图像的B₂值相加，获得融合后图像对应像素的RGB值：R_融、G_融、B_融。

优选地，该方法还包括将融合图像中每个像素点的R_融、G_融、B_融值分别与对应的溢出阈值进行比较，确定溢出像素占总像素值的比例，考虑到可能的噪声尖刺，当RGB中任意一项中的溢出像素占总像素的比例超过预定阈值时，对该项的像素值乘以防溢出系数，防溢出系数的设置基于该项的平均像素值、溢出阈值以及溢出比例来设定，比如，将该系数设定为：

其中，Q为溢出阈值、A为平均像素值、Y为溢出比例，采用该系数对相应项的像素值进行缩减，溢出比例越高，则缩减幅度越大，有效避免出现溢出现象。然后再次迭代计算溢出比例，若依然出现溢出现象，则对该系数按每次0.05-0.1(即5％-10％)的幅度进行缩减，若缩减三次后依然溢出比例超出限定，则判定为异常，舍弃该图片，采用该图片前三帧的对应像素的等差数列值作为该像素的像素值，比如，以像素值范围设定为[0,255]为例，某像素值异常，其前三帧某像素的G像素值分别为172、176、184，计算两两之间差值的平均值，7，当前像素值则设定为191。这样可以保留图像变化趋势，避免过大失真。

进一步地，建立消融监视设备的显示像素与温度的对应关系映射，在模拟脏器的预定位置(距离)处设置温度传感器，将消融针的消融电极插入到模拟脏器中，与温度传感器保持1-4cm的距离，逐渐增大消融电极的功率，分别向温度传感器和消融监视设备发送测量触发信号，温度传感器测量其所在位置点的实际温度，消融监视设备获得消融电极和温度传感器处的融合图像。通过图像提取软件，提取出紧邻温度传感器处的模拟脏器的像素值，建立像素值与温度值的对应关系，反复试验，获得每个像素值区段对应的温度值，形成当前参数条件下，融合像素值与温度值之间的映射关系表。根据不同肿瘤或者实验条件，可以建立多套参数体系以及对应的映射关系。基于该关系表，对于消融过程中医生所关注的特定温度值(特定像素值)，进行标记或者像素扩充显示。比如，对于某特定温度，比如120摄氏度所对应的像素值所形成的等温线，对该等温线所在像素以及其周围像素，赋予更高的亮度值，或者对于该等温线所在像素的周围3*3的像素，赋予该等温线相同的RGB值，以形成一个明显的标示区域。

进一步地，测定模拟脏器(肿瘤)材料的导热系数、比热和密度，并且测定动物肝脏(肿瘤)材料的导热系数、比热和密度，对红外成像设备所采集的图像R像素值进行基于材料的加权，加权方式为：

P’为修正后的像素值，P为修正前的像素值，λ₁和λ₂分别为被测动物组织的热导率和模拟材料的热导率，c₁和c₂分别为被测动物组织的比热和模拟材料的比热，ρ₁和ρ₂分别为被测动物组织(比如肝脏)的密度和模拟材料的密度。这样通过基于材料的加权，则对于不同热导率、密度的模拟脏器的材料，其在修正后的图像中所体现出的热传导情况，均与动物组织大体相当。

更优选地，为了更好地降低成本，提供可更换的脏器模型和/或上体体表组织模型，所述脏器模型和体表组织模型由双组份硅胶制成。更具体而言，优选地，所述上体模型包括组织层，所述组织层包括外层组织层3和内层衬底层4，所述外层组织层和内层衬底层彼此贴合在一起，并且四周彼此密封连接，二者的内部间隔固定并大体贴合在一起，在二者之间形成流体通道。

具体而言，内层衬底贴附在外层组织层内侧，并且其与外层组织层之间通过粘接或其他固定方式，间隔的设置若干贴合固定点，以便将内层衬底与模拟组织层固定在一起，使用柔性胶，点涂，粘接在一起即可。内层衬底的外周与模拟组织层的内壁密封连接，进而在二者之间形成填充层，在内层衬底与模拟组织层贴合处、在其两端，分别设置填充液输入口8和填充液抽吸口9，填充液输入口和填充液抽吸口分别与内层衬底与内层模拟组织层之间的填充层相连通。优选地，内层衬底采用柔性硅胶等具有少许粘性的材料制成，以保证内层衬底与模拟组织层之间的紧密贴合。优选地，仅在模拟组织层中靠近前胸的一侧设置衬底层，在另一侧不设置衬底层，因为大部分手术消融手术均是从前侧进行的穿刺。

更优选地，所述系统还包括修复贴片501，所述修复贴片包括圆形或方形的贴片，所述贴片一侧具有光滑表面，另一侧表面的至少外周部分为粘性表面，该粘性表面的中间部分活动地粘接有圆形修复块502，所述圆形修复块上附着有双组份硅胶的第一组份(本实施例中，修复块包括包覆膜和其内的硅胶第一组份，包覆膜可以在外力挤压作用下被挤破，或者可以被第二组分所溶解)，该第一组份硅胶与填充液输入口中输入的第二组份硅胶匹配，形成双组份硅胶。优选地，所述圆形修复块的第一组份为硅胶固化剂，或其内填充有硅胶固化剂，该硅胶固化剂与填充液输入口中输入的硅胶液匹配，分别为双组份硅胶中的两种组分。更优选地，所述双组份硅胶为无色或纯色、柔性胶。

优选地，所述双组份硅胶由第一和第二两组分组成，第二、第一两组分的质量比为10：1。所述第一组份包括2-3份交联剂、1～4份偶联剂、0.1～0.3份催化剂、5份增塑剂、3份扩链剂，第二组份包括100-120份端羟基聚硅氧烷、80份填料以及30份增塑剂，填料可以为重质碳酸钙、硅微粉、氢氧化铝，增塑剂为甲基硅油，端羟基聚硅氧烷的粘度为400～650mPa·s。交联剂为正硅酸甲酯或乙酯、甲基三乙氧基硅烷、四异丙氧基硅烷中的至少一种，偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷或氨丙基三甲氧基硅烷，扩链剂可以为现有常用扩链剂，比如二甲基二乙基硅烷，氨丙基甲基二甲氧基硅烷催化剂为二月桂酸二丁基锡。

修复过程为：在每个穿刺孔的两侧，即内层衬底层的内侧以及外层组织层的外侧，分别各贴敷一个修复贴片101，修复贴片的修复块正对穿刺孔。然后，打开填充液输入口，填充液抽吸口缓慢抽吸或自然开放以便排出填充层内可能存在的残余空气。通过填充液输入口向填充层中缓慢充入第二组分硅胶，由于内层衬底层与模拟组织层原本贴合在一起并且间隔固定连接，此时充入第二组分胶粘剂后，会在二者之间形成流体通道，进而将第二组分输送到二者之间的各个位置处，包括各个穿刺孔位置处，将原穿刺孔中残留的空气挤压到填充层的另一侧，使填充液填充入穿刺孔，并与修复贴片上的修复块或修复液第一组份相接触，当第二组分填充满各个穿刺孔之后，关闭填充液输入口，打开填充液抽吸口，缓慢向外进行填充液抽吸，直至内层衬底层与模拟组织层再次基本贴合在一起，由于填充液输入口与填充液抽吸口分别位于模拟器材的两侧，抽吸过程中可以抽出原穿刺孔中残留的空气而将第二组分胶粘剂留在穿刺孔的凹坑中。此时，可以轻轻挤压揉搓各个穿刺孔上的修复块，使得修复块上的第一组分胶粘剂与第二组分充分混合，然后静置直至固化完成，实现对内层衬底层和模拟组织层的修复，修复后可以进一步抽吸处其内的残留第二组份。固化后，修复处将成为两层之间的又一处固定点。采用这种液体固化的修复方式，使得修复位置几乎没有明显边界，修复位置与原有材料更好的融合在一起。最优选的，内层衬底层与模拟组织层所采用的材料与修复材料相同，即，二者也有双组分硅胶或者其他类似双组分固化材料制成。在另一种优选实现方式中，所述修复贴片与所述内层模拟组织层可分离，当修复完成后，将修复贴片撕下。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于微创消融手术的操作训练系统，其特征在于，所述操作训练系统包括：人体仿真模型(100)、消融设备(200)、操作台(300)、消融监视设备(400)以及消融针状态显示设备(500)，人体仿真模型(100)设置于操作台(300)上，人体仿真模型(100)至少包括上体模型，所述上体模型靠近内脏一侧设置消融监视设备(400)，上体模型内部具有模拟脏器，所述模拟脏器由透明材质制成，所述消融监视设备(400)包括可见光成像设备(401)和红外热成像设备(402)，可见光成像设备(401)和红外热成像设备(402)均对向目标脏器，所述摄像设备(401)和热成像仪(402)与所述消融针状态显示设备(500)用于基于消融设备(200)的控制信号输送不同类型的图像。

2.根据权利要求1所述的用于微创消融手术的操作训练系统，其特征在于，所述可见光成像设备(401)和红外热成像设备(402)采用并排设置的方式，二者从相同方向、在各自波段拍摄模拟脏器和模拟肿瘤的图像。

3.根据权利要求1所述的用于微创消融手术的操作训练系统，其特征在于，所述人体仿真模型(100)分成两部分，一部分为具有内脏组织的上体模型，另一部分为下体模型，二者拼装在一起。

4.根据权利要求1所述的用于微创消融手术的操作训练系统，其特征在于，所述可见光成像设备(401)和红外热成像设备(402)采用共轴、分光方式进行相同目标区域的同步拍摄。

5.根据权利要求1所述的用于微创消融手术的操作训练系统，其特征在于，所述消融监视设备(400)还包括光学镜头(403)、分光镜(404)、反射镜(405)以及外壳(406)，光学镜头(403)位于外壳最前端，外壳前端开口，光学镜头(403)密封在该开口处，分光镜(404)位于光学镜头(403)后方，用于接收来自光学镜头(403)的入射光并对其进行分波段反射和透射，其中，该分光镜(404)镀有针对红外光的增反膜，从而对红外光之一进行反射，对另一波段的光进行透射。

6.根据权利要求1所述的用于微创消融手术的操作训练系统，其特征在于，所述图像输出模式包括两种模式穿刺模式和消融模式。

7.根据权利要求1所述的用于微创消融手术的操作训练系统，其特征在于，消融针状态显示设备(500)中存储有温度与像素值映射表，所述消融针状态显示设备(500)根据消融区域的像素值，在显示时在图像中添加特定温度点的标识。

8.根据权利要求1所述的用于微创消融手术的操作训练系统，其特征在于，消融设备包括：消融控制装置、手柄、消融针、流体通道接口、微波线缆接口、进水管以及出水管，消融针内有同轴电缆。

9.根据权利要求1所述的用于微创消融手术的操作训练系统，其特征在于，所述操作训练系统还包括脏器或模拟组织修复贴片，所述修复贴片中包含硅胶固化剂，用于对修复硅胶进行固化。

10.根据权利要求1所述的用于微创消融手术的操作训练系统，其特征在于，还包括设置于消融监视设备前端的漫射照明装置，所述漫射照明装置用于对目标脏器进行均匀照明，所述漫射照明装置采用冷光源。

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