CN114220327A - 用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗试验领域，尤其涉及用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模及其使用方法，组织体模包括控制器、呼吸模拟装置、水囊以及组织模型；呼吸模拟装置，包括驱动模块以及注射器，注射器的注射头通过导管与水囊的出水口连接，驱动模块与注射器的活塞柄连接；控制器，与驱动模块通讯连接，用于控制驱动模块带动活塞柄进行周期性的往复运动，使注射器从水囊中吸取液体或向水囊中注射液体，改变水囊的液体体积以使水囊模拟胸腹部进行周期性不规则的呼吸运动；组织模型，固定设置在水囊上，随水囊的液体体积改变而发生移位。本发明提供的组织体模及其使用方法，能够真实有效模拟人体呼吸运动时组织模型的移位情况，为穿刺扩张试验提供支持。

Description

用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模及其使用方法

技术领域

本发明涉及医疗试验领域，尤其涉及一种用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模及其使用方法。

背景技术

机器人穿刺系统(RPS)是一种很有前途的诊断治疗方案，可以替代医生在复杂环境下进行的徒手操作。高精确度和自动化使RPS能够提取病变样本进行检查，向病变区域注射药物，以及切割不规则形状的肿瘤，最先进的RPS有潜力促进介入医疗领域的广泛发展。到目前为止，为了实现目标区域的精确定位，已经开发了各种RPS。特别是，机器人辅助的神经外科手术由于其卓越的准确性和安全性而变得司空见惯。

RPS在胸腹穿刺(TAP)中的适用性仍然具有极大的挑战性。从标定角度看，医学图像空间与患者空间的刚性配准是一次性完成的。然后，机器人可以精确地定位靶区，但患者在手术过程中产生的生理运动，特别是呼吸运动，会导致图像与患者空间的位置关系发生改变；另一方面，系统标定在呼吸运动过程中失去了准确性，对机器人的实时跟踪造成了显著障碍。因此，应用于TAP的RPS必须处理与呼吸有关的非刚性校准和机器人跟踪控制。

由于呼吸运动的影响机器人穿刺系统在胸腹穿刺手术中精度不高，为了克服这一困难，呼吸跟踪机器人系统(RFRS)被设计用于精确的外科穿刺。通过对呼吸运动的实时分析，将机械臂的运动由呼吸运动的后续补偿和向目标的插入组成。如何验证这种呼吸追踪机器人系统(RFRS)自动分析呼吸运动信号，规划最佳路径，并控制机器人在呼吸状态下跟随目标，以补偿临床呼吸作用下的组织变形等该系统功能的准确性是我们要面对的问题。

因需要同时监测体模内外的运动，所以传统的体模无法应用于该实验进行研究。呼吸运动会对胸腹部进行穿刺的靶点产生许多不确定的因素，因此模拟真实环境下的呼吸运动，对评估呼吸跟踪机器人系统(RFRS)性能进行测试是必不可少的环节。目前国内外鲜少涉及关于模拟呼吸运动过程中用于组织穿刺的组织体模，有必要发明一种可以应用于模拟穿刺过程中进行呼吸运动的组织体模。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模及其使用方法，通过使用本发明的用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模，能够分析呼吸运动对组织变形的补偿，实现对呼吸跟踪机器人系统(RFRS)性能进行测试。

本发明提供的一种用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模，包括控制器、呼吸模拟装置、水囊以及组织模型；

呼吸模拟装置，包括驱动模块以及注射器，注射器的注射头通过导管与水囊的出水口连接，驱动模块与注射器的活塞柄连接；

控制器，与驱动模块通讯连接，用于控制驱动模块带动活塞柄进行周期性不规则的往复运动，使注射器从水囊中吸取液体或向水囊中注射液体，改变水囊的液体体积，以使水囊模拟胸腹部进行周期性不规则的呼吸运动；

组织模型，固定设置在水囊上，随水囊的液体体积改变而发生移位，内部设有一个或多个与所述组织模型材质不同的靶区标记物，用以模拟穿刺试验中的体内靶区。

进一步的，驱动模块包括：底座、水平安装在底座上的丝杆、套设在丝杆上并与丝杆螺纹连接的丝杆螺母、与丝杆螺母固定连接并与底座上的滑轨滑动连接的滑块、一端与滑块固定连接且另一端与注射器的活塞柄固定连接的推杆、驱动丝杆转动的步进电机以及与步进电机电连接的电机驱动器；

控制器与电机驱动器通讯连接，用于向电机驱动器发送控制信号，电机驱动器根据控制信号驱动步进电机转动，令滑块沿滑轨进行周期性不规则的往复运动。

进一步的，组织模型由琼脂粉以及水按照预设比例混合制成，靶区标记物为陶瓷珠。

进一步的，水囊外表面固定设置有一个或多个反光标记点，以通过反光标记点，实现对模拟呼吸运动过程中水囊表面运动幅度的监测与测量，得到呼吸运动曲线。

进一步的，反光标记点包括标记点底座以及设置在标记点底座上的反光球，标记点底座粘贴在水囊上。

本发明还提供一种用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模使用方法，用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模中，组织体模包括控制器、呼吸模拟装置、水囊以及组织模型，呼吸模拟装置包括驱动模块以及注射器，使用方法包括：

控制器向驱动模块发送模拟呼吸运动的控制信号；

驱动模块根据控制信号带动活塞柄进行周期性不规则的往复运动，使注射器从水囊中吸取液体或向水囊中注射液体，改变水囊的液体体积以使水囊模拟胸腹部进行周期性不规则的呼吸运动，使固定设置在水囊上的组织模型随水囊的液体体积改变而发生移位。

进一步的，驱动模块包括底座、丝杆、丝杆螺母、滑块、推杆、步进电机以及电机驱动器，控制器发送的控制信号包括步进电机的电机转动角速度以及电机旋转方向；

使用方法还包括：控制器根据人体呼吸运动中胸腹部运动速度曲线得到电机转动速度曲线，根据电机转动速度曲线生成包含有步进电机的电机转动角速度以及电机旋转方向的控制信号。

进一步的，控制器控制驱动模块带动活塞柄进行周期性不规则的往复运动的周期为6.7秒。

进一步的，控制器控制驱动模块带动活塞柄进行周期性不规则的往复运动时，水囊的垂直方向最大相对位移达到35mm。

本发明提供的用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模及其使用方法至少包括以下有益效果：

提供的用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模的硬件结构简单，易于复现；通过控制器以及呼吸模拟装置使水囊表面的运动具有周期性不规则的呼吸运动特性，组织体模能够有效模仿人体呼吸，为在胸腹穿刺手术中的穿刺扩张试验提供强有力的支撑，为呼吸跟踪机器人系统(RFRS)性能的评估测试提供支持；同时该组织体模启动操作简单、携带便捷，可有效应用于不同的实验场景。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明一种实施例中用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模示意图；

图2为本发明一种实施例中控制器与驱动模块的连接示意图；

图3为本发明一种实施例中的用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模使用方法流程图；

图4为本发明又一种实施例中的用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模使用方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

在本发明的一种实施例中，如图1、图2所示，提供一种用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模，包括控制器1、呼吸模拟装置、水囊3以及组织模型4；

呼吸模拟装置，包括驱动模块201以及注射器202，注射器202的注射头2021通过导管5与水囊3的出水口连接，驱动模块201与注射器202的活塞柄2022连接。

其中，在一种实现方式中，注射器可以采用空筒250ml容量的塑料材质注射器，当然本领域技术人员也可以根据实际情况选用其他容量的注射器，本发明对此不作限制。

控制器1，与驱动模块201通讯连接，用于控制驱动模块201带动活塞柄2022进行周期性不规则的往复运动，使注射器202从水囊3中吸取液体或向水囊3中注射液体，改变水囊3的液体体积，以使水囊3模拟胸腹部进行周期性不规则的呼吸运动。

具体的，在本实施例中的一种实现方式中，控制器1为微型控制器，可以采用可编程单片机实现。控制器1与驱动模块201通讯连接，具体可以为有线连接，也可以为无线连接，本发明对此不作限制。

更具体的，由于人体实际呼吸运动导致的胸腹部位移量符合高阶余弦函数原理，故在实际应用过程中，可以测得人体实际呼吸运动的胸腹部运动位移曲线，对其进行一阶微分，即得到注射器活塞柄的移动速度曲线，控制器根据该注射器活塞柄的移动速度曲线即可控制驱动模块进行相应运动，从而使得水囊能够模拟胸腹部进行周期性不规则的呼吸运动。

组织模型4，固定设置在水囊3上，随水囊3的液体体积改变而发生移位，内部设有一个或多个与所述组织模型材质不同的靶区标记物，用以模拟穿刺试验中的体内靶区。

当组织模型4随着水囊3的液体体积改变而发生移位时，组织模型4中的靶区标记物同样也会随着组织模型的移位而移位，靶区标记物的材质与组织模型4不同，在CT扫描影像中可根据特定的阈值将靶区标记物的点集从图像数据中分离出来，靶区标记物的中心坐标作为穿刺试验中的目标位置，在组织体模模拟呼吸运动过程中，能够通过实时监控系统获取模拟呼吸运动过程中体内靶区(靶区标记物的中心坐标)的运动轨迹，从而使组织体模能够真实有效模拟在人体呼吸运动时组织模型及靶区的移位情况，为评估呼吸跟踪机器人系统(RFRS)的性能进行测试等相关试验提供仿真测试环境。

具体的，在本实施例中，水囊3整体呈扁平状，水囊表面呈不规则形状。出水口仅允许一根导管插入，密封性能更好。水囊平面放置时通过粘贴方式将组织体模固定在水囊上。更具体的，可以采用双面胶将水囊与组织体模进行粘贴，以使水囊与组织体模固定牢固，不易在试验过程中脱落。

在本实施例中，控制器控制驱动模块带动活塞柄进行周期性不规则的往复运动，当注射器的活塞柄在驱动模块的作用下进行抽拉运动时(即活塞向远离注射头方向移动)，水囊中的液体被抽至注射器中，则水囊内的液体量减少，从而使固定设置在水囊表面的组织模型水平高度下降，模拟人体胸腹部的吸气过程；当注射器的活塞柄在驱动模块的作用下进行推压运动时，注射器中的液体通过导管被推至水囊中，水囊内的水量增加，从而使固定设置在水囊表面的组织模型水平高度上升，模拟人体胸腹部的呼气过程。

由于控制器控制驱动模块带动活塞柄进行周期性不规则的往复运动，使得水囊表面高度下降、上升过程也呈现出周期不规则特性，本实施例中的水囊在模拟胸腹呼吸运动时，其表面速度可表示为：

其中(ak,bk,ck)为实验经验参数，n表示波形周期数，t表示时间,该方程符合人体实际呼吸运动高阶余弦函数的理论模型，因此本实施例中提供的组织体模模拟出的人体胸腹呼吸运动符合人体实际呼吸运动的特征，使得组织体模能够有效模拟人体呼吸。

此外，由于水囊表面不规则形状，水囊表面运动具有多维性，使得水囊表面固定设置的组织模型的运动具有多维性，组织体模模拟人体呼吸运动时，能够模拟内部靶区的三维运动，更为真实有效的模拟人体呼吸时对组织模型的影响，为试验提供更为有力的支撑，可为后续进行手工或机器人辅助的穿刺试验研究提供有效的验证平台。

本发明提供的组织体模硬件结构简单，易于复现，克服了现有呼吸仿真模型的技术屏障，启动操作简单、携带便捷，可有效应用于不同的实验场景。

在本发明的又一种实施例中，在上一实施例的基础之上，驱动模块201包括：底座2011、水平安装在底座2011上的丝杆2012、套设在丝杆2012上并与丝杆2012螺纹连接的丝杆螺母2013、与丝杆螺母2013固定连接并与底座2011上的滑轨2014滑动连接的滑块2015、一端与滑块2015固定连接且另一端与注射器202的活塞柄2022固定连接的推杆2016(如图1所示，推杆2016可以有2根，分别设置在丝杆两侧)、驱动丝杆2012转动的步进电机2017以及与步进电机2017电连接的电机驱动器2018；

控制器1与电机驱动器2018通讯连接，用于向电机驱动器2018发送控制信号，电机驱动器2018根据控制信号驱动步进电机2017转动，令滑块2015沿滑轨2014进行往复运动。

具体的，本实施例提供的组织体模，在呼吸模拟过程中，控制器1采用周期不规则度量的数学方法控制步进电机的旋转方向和瞬时速度，步进电机的旋转带动丝杆转动，从而使丝杆螺母沿丝杆进行往复运动，同时丝杆螺母带动与其固定连接的滑块，使滑块沿底座上的滑轨进行直线往复运动，从而使得推杆移动，推杆的移动带动注射器的活塞运动；注射器通过导管与水囊紧密相连，其运动直接影响水囊的液体体积，水囊即可因为液体体积变化而进行扩张运动或收缩运动，实现模拟胸腹呼吸运动，进而使固定设置在水囊上的组织模型随着水囊模拟的呼吸运动而发生移位。

在本发明的又一种实施例中，组织模型4由琼脂粉以及水按照预设比例混合制成，靶区标记物为陶瓷珠。

具体的，琼脂粉与水以3.5％比例混合制成，即琼脂粉占水的3.5％，陶瓷珠的直径为1mm。

组织体模启动后，陶瓷珠的运动在相位上与步进电机转动位移相等，满足周期不规则特征，且控制器控制组织体模模拟人体呼吸运动时，陶瓷珠位移幅度达35mm，满足临床穿刺试验中靶区位移量，符合真实人体呼吸运动时内部靶区的运动规律。

在组织模型内植入陶瓷珠作为靶区标记物以模拟靶区，其材质与琼脂具有显著性差异，在CT扫描影像中可根据特定的阈值将陶瓷珠的点集从图像数据中分离出来，陶瓷珠的中心坐标作为穿刺试验中的目标位置，在模拟呼吸运动过程中，能够通过实时监控系统实时获取得到陶瓷珠的中心坐标，从而得到模拟呼吸运动过程中体内靶区的运动轨迹。

在本发明的又一种实施例中，水囊3外表面固定设置有一个或多个反光标记点，以使图像引导系统通过反光标记点，实现对模拟呼吸运动过程中水囊表面运动幅度的监测与测量，得到模拟的呼吸运动曲线。

具体的，在穿刺试验前，需对组织体模进行CT扫描，获取组织体模的图像序列，并提取CT图像中粘贴于水囊表面的反光标记点坐标；在实际试验场景中，通过双目摄像机实时监测水囊表面的反光标记点；两个空间中的标记点集进行匹配，并随着水囊在呼吸运动过程中容积扩充，点集匹配误差将增大；标记点集匹配误差即形成模拟的呼吸运动曲线。

具体的，反光标记点包括标记点底座602以及设置在标记点底座上的反光球601，标记点底座602粘贴在水囊3上。进一步的，标记点底座可以采用PVC材料，PVC材料的密度高于人体软组织密度，在CT图像中易于将其与人体解剖结构区分开来，便于设计图像空间自动定位算法，而反光球能够为光学手术导航系统所识别，故可实现图像引导系统对呼吸运动的实时监控，从而实现对模拟呼吸运动过程中体模表面运动幅度的监测与测量。

进一步的，光学定位系统实时获取反光标记点的坐标，并与术前影像中的标记点实时匹配与注册获取注册误差，利用体内靶区运动规律预测陶瓷珠位置，实现对陶瓷珠的实时跟踪与定位。

本发明还提供一种用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模使用方法，应用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模中，组织体模包括控制器、呼吸模拟装置、水囊以及组织模型，呼吸模拟装置包括驱动模块以及注射器，如图3所示，使用方法包括：

步骤S301：控制器向驱动模块发送模拟呼吸运动的控制信号；

步骤S302：驱动模块根据控制信号带动活塞柄进行周期性不规则的往复运动，使注射器从水囊中吸取液体或向水囊中注射液体，改变水囊的液体体积以使水囊模拟胸腹部进行周期性不规则的呼吸运动，使固定设置在水囊上的组织模型随水囊的液体体积改变而发生移位。

在本发明的又一种实施例中，在上一实施例的基础之上，驱动模块包括底座、丝杆、丝杆螺母、滑块、推杆、步进电机以及电机驱动器，控制器发送的控制信号包括步进电机的电机转动角速度以及电机旋转方向；

如图4所示，使用方法还包括：

步骤S303：控制器根据人体呼吸运动中胸腹部运动速度曲线得到电机转动速度曲线，根据电机转动速度曲线生成包含有步进电机的电机转动角速度以及电机旋转方向的控制信号。

在本步骤中，需要使电机转动速度曲线在相位上应与呼吸运动中胸腹部运动速度曲线保持一致，且由电机转动导致水囊表面运动的位移量应满足人体实际呼吸过程中的胸腹部位移。

具体的，可以根据人体实际呼吸运动的胸腹部运动位移曲线，对其进行一阶微分可获得人体呼吸运动中胸腹部运动速度曲线，此运动速度曲线即为注射器活塞柄的运动速度曲线；通过调整步进电机固有步距角，利用步进电机转动一圈对应的活塞柄位移量的关系，将注射器活塞柄的运动速度曲线转换为电机转动角速度曲线；从而，控制器根据电机转动角速度曲线调整端口的输出脉冲(控制信号)，通过电机驱动器实现对步进电机的直接控制。

在本发明的又一种实施例中，控制器控制驱动模块带动活塞柄进行周期性不规则的直线往复运动的周期为6.7秒。

进一步的，控制器控制驱动模块带动活塞柄进行周期不规则性的往复运动时，水囊的最大相对位移达到35mm。

由于在人体实际呼吸过程中，人体一次深呼吸周期6-7秒，故驱动模块带动活塞柄进行液体注射与抽出的运动周期应与之对应，方可模拟人体呼吸频率，因此在对组织体模进行控制时，将控制器控制驱动模块带动活塞柄进行周期性不规则的往复运动的周期设置为6.7秒，以模拟人体呼吸运动特性。

由于在人体实际呼吸过程中，人体腹部的相对最大位移可达到25mm，因此在对组织体模进行控制时，控制器控制驱动模块带动活塞柄进行周期性不规则的往复运动时，使水囊的最大相对位移达到35mm，以满足人体呼吸运动特性，从而符合真实人体呼吸运动时的运动规律。

本发明说明书中使用的术语和措辞仅仅为了举例说明，并不意味构成限定。本领域技术人员应当理解，在不脱离所公开的实施方式的基本原理的前提下，对上述实施方式中的各细节可进行各种变化。因此，本发明的范围只由权利要求确定，在权利要求中，除非另有说明，所有的术语应按最宽泛合理的意思进行理解。

Claims (9)

1.一种用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模，其特征在于，所述组织体模包括控制器、呼吸模拟装置、水囊以及组织模型；

所述呼吸模拟装置，包括驱动模块以及注射器，所述注射器的注射头通过导管与所述水囊的出水口连接，所述驱动模块与所述注射器的活塞柄连接；

所述控制器，与所述驱动模块通讯连接，用于控制所述驱动模块带动所述活塞柄进行周期性不规则的往复运动，使所述注射器从所述水囊中吸取液体或向所述水囊中注射液体，改变所述水囊的液体体积，以使所述水囊模拟胸腹部进行周期性不规则的呼吸运动；

所述组织模型，固定设置在所述水囊上，随所述水囊的液体体积改变而发生移位，内部设有一个或多个与所述组织模型材质不同的靶区标记物，用以模拟穿刺试验中的体内靶区。

2.根据权利要求1所述的用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模，其特征在于，所述驱动模块包括：底座、水平安装在所述底座上的丝杆、套设在所述丝杆上并与所述丝杆螺纹连接的丝杆螺母、与所述丝杆螺母固定连接并与所述底座上的滑轨滑动连接的滑块、一端与所述滑块固定连接且另一端与所述注射器的活塞柄固定连接的推杆、驱动所述丝杆转动的步进电机以及与所述步进电机电连接的电机驱动器；

所述控制器与所述电机驱动器通讯连接，用于向所述电机驱动器发送控制信号，所述电机驱动器根据所述控制信号驱动所述步进电机转动，令所述滑块沿所述滑轨进行周期性不规则的往复运动。

3.根据权利要求1所述的用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模，其特征在于，所述组织模型由琼脂粉以及水按照预设比例混合制成，所述靶区标记物为陶瓷珠。

4.根据权利要求1所述的用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模，其特征在于，所述水囊外表面固定设置有一个或多个反光标记点，以通过所述反光标记点，实现对模拟呼吸运动过程中水囊表面运动幅度的监测与测量，得到呼吸运动曲线。

5.根据权利要求4所述的用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模，其特征在于，所述反光标记点包括标记点底座以及设置在所述标记点底座上的反光球，所述标记点底座粘贴在所述水囊上。

6.一种用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模使用方法，其特征在于，用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模中，所述组织体模包括控制器、呼吸模拟装置、水囊以及组织模型，所述呼吸模拟装置包括驱动模块以及注射器，所述使用方法包括：

所述控制器向所述驱动模块发送模拟呼吸运动的控制信号；

所述驱动模块根据控制信号带动所述活塞柄进行周期性不规则的往复运动，使所述注射器从所述水囊中吸取液体或向水囊中注射液体，改变所述水囊的液体体积，以使所述水囊模拟胸腹部进行周期性不规则的呼吸运动，使固定设置在所述水囊上的组织模型随所述水囊的液体体积改变而发生移位。

7.根据权利要求6所述的用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模使用方法，其特征在于，所述驱动模块包括底座、丝杆、丝杆螺母、滑块、推杆、步进电机以及电机驱动器，所述控制器发送的控制信号包括步进电机的电机转动角速度以及电机旋转方向；

所述使用方法还包括：所述控制器根据人体呼吸运动中胸腹部运动速度曲线得到电机转动速度曲线，根据所述电机转动速度曲线生成包含有步进电机的电机转动角速度以及电机旋转方向的控制信号。

8.根据权利要求6所述的用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模使用方法，其特征在于，所述控制器控制所述驱动模块带动所述活塞柄进行周期性不规则的往复运动的周期为6.7秒。

9.根据权利要求8所述的用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模使用方法，其特征在于，所述控制器控制所述驱动模块带动所述活塞柄进行周期性不规则的往复运动时，所述水囊的垂直方向最大相对位移达到35mm。

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