CN114430847A - 多工具医学模拟系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种医学模拟系统和方法，包括：壳套装置，所述壳套装置具有至少一个开口并且包括至少三个可选择的工作站，其中至少一个工作站包括选路器；至少一个操作工具，所述至少一个操作工具包括能够从所述操作工具弹出的至少两个被压紧工具；以及至少一个传感器，其中所述至少一个操作工具或至少一个弹出的被压紧工具被配置为插入到所述至少一个开口中并且通过至少一个工作站；其中所述至少一个操作工具或至少一个弹出的被压紧工具被配置为经过所述选路器并且通过所述选路器分路；并且其中作为模拟医学程序的部分，控制器被配置为从所述至少一个传感器接收数据并生成表示所述工具在所述壳套装置内的姿态的输出。

Description

多工具医学模拟系统和方法

技术领域

本发明涉及医学模拟系统的领域，更明确地说，涉及被配置为提供触觉反馈的多工具医学模拟系统。

背景技术

多种医学程序，诸如血管内程序，甚至对最有经验的医生都可能会提出挑战。为了进行血管内程序，医生可能会插入并操纵若干操作工具。血管内程序，诸如用于去除血管中的病变的球囊血管成形术、动脉内/静脉内手术修补、电生理标测或结构心脏修补，需要将导丝、导管和鞘插入到患者的动脉或静脉系统中，直到到达操作点(即，病变点或其他修补区域)为止。在患者的血管系统内导航期间，可使用各种成像手段来向医生提供关于工具在患者器官内的进程的信息。此类成像可通过医生向血管系统中注射造影液来获得以允许在显示器(例如，在连续X射线辐射下的荧光显示器)上对所插入工具的姿态(即，定位、取向、操作状态等)进行视觉检查。操作工具可包括若干部件，例如，在导管内部同轴定位的导丝，所述导管又在鞘内部同轴地定位。

医学程序，诸如球囊血管成形术，可能涉及在血管系统内操纵操作工具的同时远程地控制所述操作工具。此类操纵可由熟练且协调的手部移动来进行，其中通过在显示器上显示的图像来监测所述操纵。熟练且协调的手部移动自身与在视频监视器上接收到的远程控制的操作工具的视图在空间上是不相关的。该部分表示可能会提出一些挑战。例如，在平面视频显示器上缺少深度感知，因此，通过所述空间任意链接来学习控制工具不是个容易的任务。在复杂程序期间犯错可能是危险的，因此，需要高的技能水平，并且这些专家的现实训练是必要的任务。训练可包括例如训练者或指导者可引导受训者在可能患上心脏病的患者或心脏病发作的患者的动脉网络内部操纵操作工具。

图像引导的程序，诸如血管导管插入术、血管成形术和支架置入，特别适合于模拟，因为此类程序的实际操作通常使医生在操纵操作工具以及在视频监视器上观看他的动作时远离手术部位。已开发出用于在血管成形术中训练医生的若干系统。例如，美国专利10,176,727或美国申请13/952,681公开了一种可折叠的医学模拟系统，所述可折叠的医学模拟系统包括可折叠的基部，所述可折叠的基部具有包括站单元的至少两个部分，而操作工具以及其同轴工具被配置为插入到所述站单元中。每个可折叠的基部部分被配置为收纳操作工具，所述操作工具包括与其一起被储存的高达两个同轴工具。每个站单元包括力反馈机构，所述力反馈机构包括杆，所述杆根据预定的模拟参数并且根据工具测量和特性对操作工具以及其中的任何同轴工具施加交替的力。

需要提供一种先进的医学模拟系统，所述先进的医学模拟系统使得能够同时使用大量工具，并且提供更现实、敏锐和准确的反馈机制，以便提高对医学程序的准确模拟。

发明内容

本发明提供一种医学模拟系统，所述医学模拟系统解决了向医务人员提供即时、高准确性训练的需要，所述即时、高准确性训练提供视觉与触觉反馈以便真实地模拟医学程序。

本发明使得能够选择使用对多个真实生活的工具的手动、物理操纵来处理各种模拟的医学场景，因此重建有效的训练经验，从而让医生为治疗具有真实医学状况的患者做好准备。

本发明还通过使用触觉力反馈机构来实现，所述触觉力反馈机构被配置为提供对所操纵工具施加的交替阻力水平，因此提供成功治疗医学状况必需的重要反馈。

本发明提出一种有效且可靠的模拟系统，所述系统实现各种训练场景，因此提高医务人员的专业化和专业技能，同时降低在真实生活的医学程序期间发生的医疗过错的风险。

结合系统、装置和方法来描述和说明以下实施方案及其方面，所述系统、装置和方法意欲是示例性和说明性的，并未限制范畴。在各种实施方案中，已减少或消除上述问题中的一者或多者，而其他实施方案涉及其他优点或改进。

根据一个方面，提供一种医学模拟系统，所述医学模拟系统包括：壳套装置，所述壳套装置具有至少一个开口并且包括至少三个工作站，其中至少一个工作站包括选路器；至少一个操作工具，所述至少一个操作工具包括能够从所述操作工具弹出的至少两个被压紧工具；以及至少一个传感器。

根据一些实施方案，所述至少一个操作工具或至少一个弹出的被压紧工具被配置为插入到所述至少一个开口中并且通过至少一个工作站。

根据一些实施方案，所述至少一个操作工具或至少一个弹出的被压紧工具被配置为经过所述选路器并且通过所述选路器分路。

根据一些实施方案，控制器被配置为从所述至少一个传感器接收数据并生成表示所述工具在所述壳套装置内的姿态的输出。

根据一些实施方案，所述壳套装置包括传感器，所述传感器被配置为追踪所述至少一个操作工具或至少一个弹出的被压紧工具的所述姿态。

根据一些实施方案，所述操作工具被配置为插入到所述选路器中并且在所述至少两个被压紧工具中的至少一个弹出工具继续可移动并且可朝向所要路线导航时停下。

根据一些实施方案，所述选路器包括旋转臂，所述旋转臂用于使所述操作工具或至少一个弹出的被压紧工具分路。

根据一些实施方案，所述选路器包括电机，所述电机用于使所述操作工具或至少一个弹出的被压紧工具分路。

根据一些实施方案，至少一个工作站被配置为包括至少两个站单元，每个站单元能够容纳至少一个操作工具或至少一个弹出的被压紧工具。

根据一些实施方案，所述选路器被配置为使所述至少一个操作工具或至少一个弹出的被压紧工具分路到至少一个站单元中。

根据一个方面，提供一种站单元，所述站单元包括：导管，所述导管可以是弹性管并且能够容纳至少一个操作工具或至少一个弹出的被压紧工具；以及触觉力反馈机构，所述触觉力反馈机构被配置为对所述导管施加力。

根据一些实施方案，所述触觉力反馈机构被配置为对所述导管施加交替水平的压力并且因此对容纳所述导管的所述至少一个操作工具或至少一个弹出的被压紧工具施加交替水平的压力。

根据一些实施方案，所述交替水平的力中的至少一者是通过至少一个寻的传感器来测量，并且测量结果由所述控制器使用来调整所述交替水平的力以便模拟医学程序。

根据一些实施方案，由所述触觉力反馈机构施加的垂直力转变为对所述导管的纵向压力，从而影响容纳所述导管的所述至少一个操作工具或所述至少一个弹出的被压紧工具的移动。

根据一些实施方案，直径识别传感器被配置为识别容纳所述站单元的所述操作工具或所述弹出的被压紧工具的直径，所述直径识别传感器可以是光学传感器。

根据一些实施方案，追踪传感器被配置为检测关于所述至少一个操作工具或所述弹出的被压紧工具在所述站单元内部的姿态的信息，所述追踪传感器可以是光学导航传感器并且可以通过自校准过程来校准。

根据一些实施方案，所述触觉力反馈机构包括通过交替水平的垂直力对所述导管施加压力。

根据一些实施方案，所述寻的传感器被配置为感测在站单元内处于预定义位置的所述操作工具或所述弹出的被压紧工具。

根据一些实施方案，连接基部被配置为实现每个站单元的可能的手动组装和拆卸。

根据一些实施方案，视觉指示被配置为指示所述站单元是否稳固地组装到其连接基部上。

根据一些实施方案，视觉指示被配置为指示所述至少一个操作工具或弹出的被压紧工具沿着所述站单元的长度的前进。

根据一些实施方案，视觉指示被配置为通过相应地显示不同的视觉标记来指示所述至少一个操作工具或弹出的被压紧工具在每个站单元内部的存在。

根据第二方面，提供一种用于模拟医学程序的方法，所述方法包括以下步骤：使用控制器选择医学程序的类型或操作工具的类型或能够从所述操作工具弹出的至少两个被压紧工具的类型；将所述至少一个所选的操作工具插入到壳套装置中；使所述至少一个操作工具或至少一个弹出的被压紧工具分路到至少两个站单元中的至少一者中；以及作为模拟医学程序的部分，使用所述控制器显示所述至少一个操作工具或所述至少一个弹出的被压紧工具的模拟图像。

根据第三方面，提供一种用于模拟医学程序的方法，所述方法包括以下步骤：使用控制器选择医学程序的类型或操作工具的类型或能够从所述操作工具弹出的至少一个被压紧工具的类型；将所述至少一个操作工具或至少一个弹出的被压紧工具插入到站单元中；以及作为模拟医学程序的部分，使用所述控制器对所述操作工具或对至少一个弹出的被压紧工具施加交替水平的压力。

附图说明

本文中参看附图来描述本发明的一些实施方案。说明书与图式使本领域的普通技术人员能够明了可以如何实践一些实施方案。图式是出于说明性描述的目的并且未试图比基本上理解本发明所需要的程度更详细地展示实施方案的结构细节。为清楚起见，图式中绘示的一些对象未按比例绘制。

在图式中：

图1A是根据本发明的一些实施方案的医学模拟系统的壳套装置的透视图。

图1B是根据本发明的一些实施方案的医学模拟系统的壳套装置的内部部件的透视图。

图2A是根据本发明的一些实施方案的医学模拟系统的工作站布置的透视图。

图2B是根据本发明的一些实施方案的图2A的工作站布置的局部透视图。

图3是根据本发明的一些实施方案的工作站布置的截面俯视图。

图4A是根据本发明的一些实施方案的选路器的透视图。

图4B是根据本发明的一些实施方案的选路器的透视分解图。

图5是根据本发明的一些实施方案的站单元的透视图。

图6A是根据本发明的一些实施方案的站单元的截面侧视图。

图6B是根据本发明的一些实施方案的站单元的一些内部部件的正视图。

图7是示出根据本发明的一些实施方案使用医学模拟系统的方法的流程图。

图8是示出根据本发明的一些实施方案使用站单元的触觉力反馈机构的方法的流程图。

具体实施方式

在以下详细描述中，陈述众多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域的技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他情况下，未详细地描述熟知的方法、程序和部件、模块、单元和/或电路，以免使本发明难以理解。相对于一个实施方案描述的一些特征或元件可以与相对于其他实施方案描述的特征或元件组合。为清楚起见，可能不会重复对相同或类似特征或元件的讨论。

虽然本发明的实施方案在此方面不受限制，但利用术语例如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”、“确立”、“分析”、“检查”、“设置”、“接收”等的讨论可指代控制器、计算机、计算平台、计算系统或其他电子计算装置的操作和/或过程，所述操作和/或过程将在计算机的寄存器和/或存储器内表示为物理(例如，电子)量的数据操纵和/或变换为在计算机的寄存器和/或存储器或可存储用于执行操作和/或过程的指令的其他信息非暂时性存储介质内类似地表示为物理量的其他数据。

虽然本发明的实施方案在此方面不受限制，但如本文所使用，术语“多个”和“许多个”可包括例如“多个”或“两个或更多个”。术语“多个”或“许多个”可在本说明书中用于描述两个或更多个部件、装置、元件、单元、参数等。除非另外指明，否则本文所描述的方法实施方案不限于特定的次序或顺序。另外，所描述的方法实施方案或其元件中的一些可同时、在相同的时间点或同期地出现或执行。

如本文所使用，术语“计算机化解剖学”指代可模拟将要在其中进行医学程序的器官(例如，动脉网络、心脏等)的计算机程序。此类模拟可以但不限于通过图形手段来进行。

如本文所使用，术语“控制器”是指可具有存储器装置、中央处理单元(CPU)或微处理器装置以及若干输入/输出(I/O)端口的任何类型的计算平台，诸如通用计算机，例如，个人计算机、膝上型计算机、平板计算机或智能电话以及云计算系统。

如本文所使用，术语“处理器”是指实施计算机程序的指令的任何类型的处理单元(CPU)或微处理器装置。

如本文所使用，术语“姿态”是指工具在患者的实际器官或模拟器官内部的任何姿势或移动，例如，工具在患者的动脉网络内部的位置和取向。

如本文所使用，术语“被压紧工具”是指储存在操作工具内部的一个或若干工具，所述工具能够单独地或共同地从操作工具弹出并且继续按所要路线前进。此类工具可以是各种类型的，诸如简单的导丝、球囊、鞘或其他精巧的操作工具。工具的压紧可以是并排的、同轴的或其组合。

如本文所使用，术语“管子”是指被配置为允许操作工具或与其一起传递的其弹出的被压紧工具插入的空心腔体。

术语“即插即用”机构是指允许用户使用很少的简单动作(例如，夹紧、推动、插入等)来组装系统的任何对接或组装机构。

本发明的实施方案涉及用于使用计算机化解剖学来模拟图像引导的医学程序(例如，血管内手术)的医学模拟系统。根据一些实施方案，所述系统可包括两个主要部件：执行模拟软件的控制器，诸如计算机；以及壳套装置，所述壳套装置使用户(例如，医生或训练者)能够亲自操纵操作工具通过所述壳套装置以及在所述壳套装置内操纵操作工具。

用户可使用用户接口来选择医学程序的类型和/或操作工具的类型，并且计算机可控制壳套装置中包括的各种部件和机构，使得在操作工具的操纵期间，用户可接收各种反馈输出，诸如工具的移动和取向的图像观察。

用户还可以感测模拟根据所选的医学程序类型、所使用的工具类型或工具将在其中操作的介质的类型对操作工具施加力的触觉，使得反馈的力将与用户的实际力施加成正比。

模拟软件可包括模拟将在其中进行医学程序的器官(例如，动脉或静脉系统)的计算机化解剖学。计算机可向用户显示计算机化解剖学的模拟图像，所述模拟图像模拟在真实医学程序期间在真实显示器上呈现的器官的真实图像。例如，在模拟工具从动脉或静脉系统中穿过时动脉或静脉系统的荧光图像。

壳套装置还可以包括被配置为追踪各种操作工具的移动并对所述工具中的一者或多者施加力的各种部件。被配置为追踪移动并对一起经过站单元的单个工具或多个工具施加力的一组部件可一起组装在单个站单元中。组装在壳套装置中的多个站单元可彼此基本上相同，因此，任何站单元可组装在壳套装置内的任何位置。在对接之后，站单元内的每个部件可位于适当的位置并且自动地校准以追踪移动并对不同工具施加力。站单元可以是模块化可移除的(通过简单地组装或拆卸)以便执行各种模拟场景或进行更换和维护。

参看图1A和图1B，图1A和图1B是根据本发明的一些实施方案的医学模拟系统的壳套装置10的透视图。如所示，壳套装置10包括至少三个工作站对接区域A、B和C，其中每个工作站对接区域能够收纳被组装并对接到对应的连接基部12a-12f(图1A上仅示出12c)的多个可移除的站单元100a-100j。

根据一些实施方案，可移除的盖14可打开和关闭以便允许手动接近多个站单元100。根据一些实施方案，所述可移动的盖14可具有可打开的段，允许快速、容易地接近壳套装置10内的多个站单元100。

根据一些实施方案，将由用户操纵的至少一个操作工具200(示出于图3A、图4A和图6B中)可插入到壳套装置10的开口16a或16b中。根据一些实施方案，操作工具200可包括与其一起储存的至少两个被压紧工具(未图示)。根据一些实施方案，操作工具200中包括的被压紧工具的数量和种类对应于可包括按不同取向布置的不同种类和类型的一个或几个工具的在现实生活中的实际操作工具包装。

根据一些实施方案，医学模拟系统可由控制器(未图示)控制，所述控制器可控制站单元100a至100j中的每一者中包括的各种部件，接收允许追踪操作工具200以及其中的被压紧工具的移动的信号，并且作为响应，基于用户或控制器选择的模拟程序来对其施加触觉反馈力。根据一些实施方案，所述触觉反馈力可根据用户施加的实际力来施加，或作为由模拟程序施加的输入来施加，以便模仿各种用户反馈体验。根据一些实施方案，控制器可集成到壳套装置10中。

根据一些实施方案，系统还可以包括用于模拟医学场景(例如，造影液的注射)的模拟注射系统(未图示)。

根据一些实施方案，操作工具200包括与其一起储存的至少两个被压紧工具。例如，操作工具200可包括鞘，所述鞘包括导管(诸如球囊导管)。在又一个示例中，操作工具200可包括插入到导管中的导丝。根据一些实施方案，包括导丝的导管还可以插入到鞘中，形成三个被压紧工具的布置。根据一些实施方案，操作工具200可包括四个或更多个被压紧工具布置。在一些实施方案中，操作工具200可包括单个工具，例如球囊导管。

根据一些实施方案，壳套装置10还包括与所有站单元100a至100j连接的数据通信连接集线器24。根据一些实施方案，集线器可以是USB集线器或任何其他数据通信连接集线器。根据一些实施方案，集线器24还通过导线或无线连接连接到控制器。

参看图2A和图2B，图2A和图2B是根据本发明的一些实施方案的医学模拟系统的工作站布置的透视图/局部透视图。如所示，三个工作站A、B和C沿着壳套装置10的纵向线D定位。根据一些实施方案，站单元100a和100b在位置A处组装并且可施加力并追踪操作工具200(诸如具有大致动脉直径(诸如约2mm至6mm)的鞘)的移动，站单元100c至100f在位置B处组装并且可施加力并追踪弹出的被压紧工具(诸如具有明显较小直径(诸如约0.5mm)的导管)的移动，并且站单元100g至100j在位置C处组装并且可施加力并追踪弹出的被压紧工具(诸如具有较小直径(诸如约0.1mm至0.3mm)的导丝)的移动。根据一些实施方案，所有站单元100可以是基本上相同并且被配置为操纵包括任何直径的任何操作工具。

根据一些实施方案，管子22a至22j被配置为使得工具200及其被压紧工具能够在其中传递并通过在不同的工作站A、B或C处组装并沿着壳套装置10的纵向线D的相关的站单元100a至100j。例如，并且根据一些实施方案，位于工作站B处的平行的站单元100c和100d各自分别通过管子22c和22d连接到位于工作站C处的接下来的平行的站单元100g和100h。

根据一些实施方案，连接基部12a至12f被配置为使得能够通过任何已知的附接手段来组装和拆卸每个站单元100。根据一些实施方案，连接基部12a至12f使得能够单独地且手动地更换每个站单元100。

根据一些实施方案，工作站A、B或C可包括一个或多个连接基部12a至12f以使用“即插即用”机制为工作单元100提供对接平台。“即插即用”机制可允许用户使用三个、两个或甚至单个动作来组装或拆卸站单元100。根据一些实施方案，连接基部12a至12f可包括被配置为容易地组装和拆卸站单元100的任何紧固装置，诸如销、钳子、夹子等。

根据一些实施方案，控制器(未图示)可被配置为通过在用户操纵操作工具200或其弹出的被压紧工具期间追踪操作工具200或其弹出的被压紧工具的移动(即，追踪信息)来控制图像引导的医学程序。所述控制可通过对操作工具200或其弹出的被压紧工具施加模拟实际器官组织将被施加的力的力并且向用户呈现患者的器官(例如，动脉网络)的真实图像模拟(例如，荧光图像)和每个操作工具200或其弹出的被压紧工具的当前位置来实现。所述模拟给用户提供了关于在真实的周围环境中对工具施加的移动和阻力的真实机械反馈体验。

根据一些实施方案，医学模拟系统可包括用于在模拟的血管成形术支架展开术中模拟球囊充气的注射器。注射器可包括与控制器通信来工作的量规，使得当用户按压注射器时，模拟软件显示充气的球囊或者支架展开术的模拟图像。

根据一些实施方案，控制器可包括用户接口，所述用户接口可允许用户选择与模拟有关的各种参数。例如，将要进行的手术类型(例如，在血管的某一位置通开堵塞)、使用的工具类型(例如，导丝、球囊导管、支架递送导管等)或图形显示器类型(例如，荧光显示器、计算机化解剖学的三维模拟等)。根据一些实施方案，在模拟操作结束时，控制器还可以基于用户的操作来确定表现得分并且在显示器上显示分数和/或使用收集的数据来评价和评估受训者。

参看图3，图3示出了根据本发明的一些实施方案的医学模拟系统的工作站布置的截面俯视图，如所示，壳套装置10包括选路器18a和18b，所述选路器被配置为使操作工具200或其弹出的被压紧工具的方向和移动转向。

根据一些实施方案，至少一个操作工具200以及与其一起储存的被压紧工具被配置为插入到开口16a或16b中，进一步插入到站单元100a或100b中，进一步插入到管子22a或22b中，并且随后插入到选路器18a或18b中。根据一些实施方案，操作工具200内包括的至少两个被压紧工具随后从操作工具200弹出并且继续朝向选路器18a或18b内部的分路点前进，导致每个被压紧工具朝向所要路线导航，所述所要路线可以是例如站单元100c至100f和任一个管子22c至22f。

参看图4A和图4B，图4A和图4B是根据本发明的一些实施方案的壳套装置10的选路器18的透视图/透视分解图。如所示，操作工具200被配置为插入并继续朝着选路器18内部的分路点前进并且随后可朝着所要路线导航。根据一些实施方案，操作工具200被配置为插入并且在选路器18内部停下，而它的被压紧工具继续朝着选路器18内部的分路点前进并且随后可朝着所要路线导航。根据一些实施方案，通过一个选路器18转向的操作工具200或其弹出的被压紧工具可能会在接下来的选路器18内部再次分路等等。

根据一些实施方案，选路器18的分路机构包括旋转臂26，所述旋转臂可使操作工具200或其弹出的被压紧工具朝向所要路线分路。根据一些实施方案，选路器18的分路机构包括电机28，所述电机可用机械方式使操作工具200或其弹出的被压紧工具转向到所要路线。根据一些实施方案，控制器(未图示)通过连接器36(诸如USB接口、线连接器或无线地)连接到选路器18并且根据所要模拟的各种参数来确定所要的分路。

根据一些实施方案，选路器18包括入口30和多个出口路线，其中分路机构被配置为调整操作工具200或其弹出的被压紧工具进入任一路线的分路。

根据一些实施方案，当选路器18具有两条出口路线(诸如两条路线32和34)时，分路机构可实现以下各项中的任一项或其组合：(1)使操作工具200停下并允许一个被压紧工具沿路线32前进，(2)使操作工具200停下并允许一个被压紧工具沿路线34前进，(3)使操作工具200停下并允许至少两个被压紧工具沿路线32和34前进。根据一些实施方案，允许操作工具200的停下以及其被压紧工具的继续前进，因为操作工具200的较大直径防止它进一步进入选路器18中。

根据一些实施方案，选路器18被配置为使操作工具200或其弹出的被压紧工具转向到至少一个站单元100中。根据一些实施方案，选路器18被配置为使一个被压紧工具转向到一个站单元100中。根据一些实施方案，选路器18被配置为使两个被压紧工具转向到至少两个平行的站单元100中。根据一些实施方案，选路器18可使两个以上被压紧工具转向到两个以上站单元100中。

参看图5，图5是根据本发明的一些实施方案的壳套装置10的站单元100的透视图。如所示，紧固件102a和102b被配置为将站单元100固定在适当位置，所述紧固件可以是例如螺钉或任何其他已知的附接装置。根据一些实施方案，紧固件102a和102b使得能够将站单元100手动地组装在连接基部12(未图示)上以及在连接基部上释放站单元。

根据一些实施方案，站单元100还包括视觉指示104，所述视觉指示可指示操作工具200或其弹出的被压紧工具中的至少一个被压紧工具在站单元100内部并且沿着站单元的长度的前进。根据一些实施方案，一行视觉标记通过沿着所述前进路线的渐进指示来表示所述前进。

根据一些实施方案，视觉指示104可指示站单元100是否稳固地对接到连接基部12上和/或连接到数据通信连接集线器24。根据一些实施方案，视觉指示104通过使用视觉指示104来显示各种视觉标记来指示操作工具200或者其弹出的被压紧工具中的至少一个被压紧工具是否容纳每个站单元100。例如，并且根据一些实施方案，绿灯可能表示操作工具200容纳站单元100，而白灯可能表示弹出的被压紧工具容纳站单元100，并且反之亦然。

根据一些实施方案，视觉指示104可以是被用户的眼睛感知的任何已知的视觉手段，例如，灯、移动、颜色变化、图案或符号变化等。根据一些实施方案，视觉指示104可以是任何种类的光源，例如发光二极管(LED)或任何其他已知的发光装置。

参看图6A和图6B。图6A是根据本发明的一些实施方案的站单元100的截面侧视图/局部正视图。如所示，站单元100包括导管106，所述导管被配置为容纳操作工具200或其弹出的被压紧工具。根据一些实施方案，触觉力反馈机构可能会导致或产生阻止操作工具200或其弹出的被压紧工具移动的力。追踪传感器108被配置为检测与操作工具200或其弹出的被压紧工具有关的追踪信息(即，通过诸如前进、缩回或取向等参数来感测操作工具200或其弹出的被压紧工具的位置变化和姿态)。直径传感器110被配置为检测与操作工具200或其弹出的被压紧工具有关的直径信息。

根据一些实施方案，寻的传感器120被配置为使得站单元100能够在操作工具200或其弹出的被压紧工具前进到站单元100内的预定义位置时感测操作工具200或其弹出的被压紧工具。站单元100被配置为相对于操作工具200或其弹出的被压紧工具的初始特征对所述工具施加力(即，对于无中断的移动，站单元100将不会施加力，并且如果是中断的移动，将根据操作工具200或其弹出的工具的交替直径来施加交替的力)。根据一些实施方案，寻的传感器120提供相对于所施加的力反馈的交替偏离并且因此提供使得能够根据交替的工具直径调整所施加的力的快速响应时间。例如，并且根据一些实施方案，寻的传感器120使得触觉力反馈机构能够对所述工具施加力以便模拟医学程序(诸如最接近地模仿物理成员)。根据一些实施方案，追踪传感器108是光学导航传感器。根据一些实施方案，所述光学导航传感器使用激光芯片。

根据一些实施方案，触觉力反馈机构被配置为对导管106施加交替水平的力并且因此导致导管106对至少一个操作工具200或放置在其中的其弹出的被压紧工具施加交替水平的力。根据一些实施方案，导管106由弹性物质制成，诸如但不限于硅、橡胶、塑料等。根据一些实施方案，由触觉力反馈机构施加的压力由于导致导管106局部变窄而使导管106变形，因此，导管106的内壁可能会施加限制操作工具200或放置在其中的其弹出的被压紧工具的移动的摩擦力，从而导致用户感受到的反馈力感觉。

根据一些实施方案，电机112，诸如福尔哈贝驱动系统、音圈、伺服电机、螺线管、步进电机等，被配置为施加旋转力，所述旋转力又使突出部114旋转，突出部又对销116施加交替的垂直压力。对销116施加的交替的垂直力在销116对导管106施加压力时转变为纵向摩擦力，并且因此，对放置在导管106内的操作工具200或其弹出的被压紧工具的移动导致交替的摩擦力。

根据一些实施方案，其他机构也可以对放置在导管106内的操作工具200或其弹出的被压紧工具的移动导致交替的阻力。此类机制可依赖于例如(1)电磁力场，所述电磁力场被配置为对导管106内的操作工具200或其弹出的被压紧工具的移动导致交替水平的阻力。(2)液压机构，所述液压机构被配置为对导管106并且因此对导管106内的操作工具200或其弹出的被压紧工具的移动导致交替水平的压力。(3)润滑控制机构，所述润滑控制机构使得能够改变操作工具200、其弹出的被压紧工具或导管106的内壁的摩擦系数，导致影响导管106内的操作工具200或其弹出的被压紧工具的移动的交替的阻力水平。

根据一些实施方案，触觉力机构施加的交替水平的力通过力传感器118来测量。根据一些实施方案，还使用闭环反馈机制来将所述测量结果发送回控制器。控制器可使用所述收集到的数据来确定将施加的交替水平的力以便影响操作工具200或其弹出的被压紧工具的移动，例如，以便模拟作为医学程序的部分的在器官内部的工具移动。因此，获得闭环力反馈机制用于模仿真实生活中的用户触觉体验。

根据一些实施方案，站单元100可适合于与多个被压紧工具一起使用，所述多个被压紧工具包括在操作工具200内并且具有不同的直径(与适合于具有特定直径的工具的常规站单元相反)，因此，所有站单元100可以是基本上相同的并且可与具有不同直径的不同的操作工具和被压紧工具(例如，鞘、导管或导丝等)一起使用。

根据一些实施方案，可控制力反馈机构以根据由用户使用控制器中包括的用户接口来选择的模拟程序来模拟对插入到或放置在特定的人类器官(例如，血管)内的任何操作工具200或其弹出的被压紧工具施加的力。例如，控制器可指示力反馈机构在碰到冠状动脉或其他器官组织的壁时施加模拟导管的力。

根据一些实施方案，可通过追踪传感器108来检测追踪信息，例如，放置在站单元100内的操作工具200或其弹出的被压紧工具的姿态。根据一些实施方案，追踪传感器108可以是光学单元，所述光学单元可包括光源和屏幕，用于在它被用户操纵时获取工具模式的照片，同时追踪沿着时间线的模式变化。根据一些实施方案，追踪传感器108可利用在光学鼠标中使用的相同的方法和部件。根据一些实施方案，由追踪传感器108追踪的操作工具200或其弹出的被压紧工具的所检测到的姿态可转发到控制器，所述控制器可进一步确定由触觉力反馈机构施加的力的量。

根据一些实施方案，如果操作工具200或其弹出的被压紧工具的移动指示已操纵它离开冠状动脉并进入较窄动脉，则将对操作工具200或其弹出的被压紧工具施加的力的量可能会增加。在一些实施方案中，追踪传感器108可被机械或光学机械追踪单元替代，例如，通过使用与轨迹球鼠标或其他种类的机械追踪装置中相同的机构。

根据一些实施方案，直径传感器110可被配置为站单元100的部分，以便检测与操作工具200或其弹出的被压紧工具有关的直径信息，例如，检测哪个工具插入到导管106中。根据一些实施方案，直径传感器110可包括在导管106中或可以是站单元100的单独部件。根据一些实施方案，直径传感器110可检测在导管106内部或在导管106外部的操作工具200或其弹出的被压紧工具的直径。

根据一些实施方案，控制器可接收所确定的直径，可识别操作工具200或其弹出的被压紧工具的类型，并且可将与所述工具在模拟中的特性有关的预先存储的数据和所要模拟程序的预定参数以及所确定的直径和所述工具的类型结合以便进一步控制触觉力反馈机构。

根据一些实施方案，直径传感器110和追踪传感器108可包括在单个传感器(例如，光学传感器)中。单个传感器可光学地和/或机械地被配置为测量操作工具200或其弹出的被压紧工具的姿态并且检测所述工具的直径。根据一些实施方案，单个传感器可与控制器通信或由控制器控制。在一些实施方案中，站单元100可被设计为使得可由单个传感器检测操作工具200的姿态与直径。根据本发明的一些实施方案，示例性单个传感器可以是基于多普勒效应的激光传感器或其他光学传感器。

根据一些实施方案，追踪传感器108可以是自校准的，使得每个追踪传感器108可执行自校准例程。根据一些实施方案，自校准可包括在追踪传感器108的制造过程和/或在追踪传感器108包括在站单元内的情况下在站单元100的制造过程期间针对每个追踪传感器108确定一个或多个校准参数，并且在追踪操作期间利用所述参数。校准参数可存储在与追踪传感器108或站单元100相关联的存储器中，或者可存储在与壳套装置10相关联或在控制器中的存储器中。

在一些示例性实施方案中，可使用指定的校准器和方法来获取校准参数。校准器可由处理器控制并且可包括工具通道、具有已知半径的机动化工具(例如，导管)或由与处理器通信的电机控制器控制的电机。校准器可按具有已知值的移动和速率(向后、向前和旋转)操纵所述工具。处理器可从电机控制器接收所述已知值并且还可以将所述已知值与从追踪传感器108和/或直径传感器110接收到的值相比较。处理器可基于所述比较来计算(例如，使用内插多项式)一组校准参数。可在每个站单元100的制造期间针对每个工具直径进行该过程，从而得到一系列校准参数，所述校准参数包括将存储在与站单元100相关联的存储器中的多个参数集。校准参数可包括旨在校准追踪传感器108或直径传感器110或两者的参数。

根据一些实施方案，与控制器相关联的存储器可存储用于执行图像引导的医学程序的模拟的指令。所述指令可包括获得绘示患者器官的三维(3D)医学图像、根据所获得的3D医学图像来产生计算机化的3D解剖模型以及根据所述3D模型来模拟图像引导的程序。与模拟图像引导的程序有关的指令还可以包括从传感器接收输入，例如，从追踪传感器108接收与各种工具的移动有关的信息和/或从直径传感器110接收与工具类型有关的信息。

根据一些实施方案，控制器可使用用户接口从用户接收将由处理器执行的指令，例如，用户可选择将要进行的手术程序的类型(例如，球囊血管成形术)以及动脉网络内的堵塞的位置。控制器随后可根据用户的选择来确定触觉力反馈机构可对操作工具200或其弹出的被压紧工具施加的压力的量。因此，控制器可在显示器上向用户显示操作工具200或其弹出的被压紧工具在动脉网络内的位置的模拟图像(例如，模拟的荧光图像)。

根据一些实施方案，控制器还可以根据从处理器接收到的输入来确定每个站单元100的触觉力反馈机构将施加的力。例如，控制器可从处理器接收指示位置A处的操作工具200直径基本上是动脉直径(诸如2mm至5mm)的输入。控制器可基于所述直径检测来确定鞘插入到位置A处。

控制器还可以接收关于鞘的姿态的数据，指示工具已向血管深处再插入几厘米并且可计算鞘在动脉网络内的新位置。控制器还可以基于以下各项来确定在位置A处某个站单元100的触觉力反馈机构可施加的力的量：鞘在动脉网络中的新位置、用户所选的模拟程序以及在位置A处在追踪传感器108检测的模拟期间由用户执行的对操作工具200的操纵。

根据一些实施方案，处理器可经由通信接口与控制器通信。通信接口可通过有线或无线通信与控制器通信。根据一些实施方案，通信接口可包括用于有线通信的任何端口，例如USB端口、RJ LAN端口或串行端口；或可包括无线通信部件，例如，WiFi天线。通信接口可安装在壳套装置10中，使得在每个站单元100对接到连接基部12中时，可建立处理器与控制器之间的通信。根据一些实施方案，站单元100和连接基部12可包括被配置为在站单元100与用户接口之间建立通信的插入式部件。

参看图7，图7是示出根据本发明的一些实施方案使用医学模拟系统的方法的流程图。在操作302中，所述方法可包括使用控制器来选择将要模拟的医学程序的类型或选择操作工具200的类型或能够从所述操作工具200弹出的至少两个被压紧工具(例如，鞘、导管、导丝等)的类型。在操作304中，所述方法可包括将所选的操作工具200通过开口16a或16b插入到壳套装置10中并且使操作工具200前进，直到它到达布线器18a或18b。在操作306中，所述方法可包括使用布线器18a或18b使操作工具200的至少一个弹出的被压紧工具分路到至少两个站单元100中的至少一者中。在操作308中，作为模拟医学程序(例如，球囊血管成形术等)的部分，所述方法可包括使用控制器来模拟和显示在壳套装置10内部的操作工具200或其弹出的被压紧工具的图像(例如，模拟的荧光图像等)。

参看图8，图8是示出根据本发明的一些实施方案使用站单元100的触觉力反馈机构的方法的流程图。在操作402中，所述方法可包括使用控制器来选择选择将要模拟的医学程序的类型或选择操作工具200的类型或能够从所述操作工具200弹出的至少两个被压紧工具(例如，鞘、导管、导丝等)的类型。在操作404中，所述方法可包括将所选的操作工具200或其至少一个弹出的被压紧工具插入到站单元100中，作为医学程序的部分，操作404还可以包括使用显示器来模拟操作工具200或其弹出的被压紧工具。在操作406中，作为模拟医学程序的部分，并且更明确地说，作为模拟医疗工具在现实生活中的器官内的存在或前进的部分，所述方法可包括使用控制器来对操作工具200或其至少一个弹出的被压紧工具施加交替水平的压力。

虽然已参考具体实施方案描述了本发明，但本说明书不意欲按限制性意义来理解。在参考本发明的描述之后，所公开的实施方案的各种修改以及本发明的替代实施方案将是本领域的技术人员显而易见的。因此，设想到所附权利要求将涵盖属于本发明的范畴内的此类修改。

Claims (24)

1.一种医学模拟系统，所述医学模拟系统包括：

(i)壳套装置，所述壳套装置具有至少一个开口并且包括至少三个工作站，其中至少一个工作站包括选路器；

(ii)至少一个操作工具，所述至少一个操作工具包括能够从所述操作工具弹出的至少两个被压紧工具；以及

(iii)至少一个传感器，

其中所述至少一个操作工具或至少一个弹出的被压紧工具被配置为插入到所述至少一个开口中并且通过至少一个工作站；

其中所述至少一个操作工具或至少一个弹出的被压紧工具被配置为经过所述选路器并且通过所述选路器分路；并且

其中控制器被配置为从所述至少一个传感器接收数据并生成表示所述工具在所述壳套装置内的姿态的输出。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述壳套装置包括传感器，所述传感器被配置为追踪所述至少一个操作工具或至少一个弹出的被压紧工具的所述姿态。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述操作工具被配置为插入到所述选路器中并且在所述至少两个被压紧工具中的至少一个弹出的工具继续能够朝向所要路线移动和导航时停下。

4.如权利要求1或3中任一项所述的系统，其中所述选路器包括旋转臂，所述旋转臂用于使所述操作工具或至少一个弹出的被压紧工具分路。

5.如权利要求1或3中任一项所述的系统，其中所述选路器包括电机，所述电机用于使所述操作工具或至少一个弹出的被压紧工具分路。

6.如权利要求1所述的系统，其中至少一个工作站被配置为包括至少两个站单元，每个站单元能够容纳至少一个操作工具或至少一个弹出的被压紧工具。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述选路器被配置为使所述至少一个操作工具或至少一个弹出的被压紧工具分路到至少一个站单元中。

8.如权利要求6所述的站单元，所述站单元包括：

(i)导管，所述导管能够容纳至少一个操作工具或至少一个弹出的被压紧工具；以及

(ii)触觉力反馈机构，所述触觉力反馈机构被配置为对所述导管施加力，

其中所述触觉力反馈机构被配置为对所述导管施加交替水平的压力并且因此对容纳所述导管的所述至少一个操作工具或至少一个弹出的被压紧工具施加交替水平的压力；

其中所述交替水平的力是由至少一个传感器测量；并且

其中所述测量结果由所述控制器使用来调整所述交替水平的力以便模拟医学程序。

9.如权利要求8所述的站单元，其中由所述触觉力反馈机构施加的垂直力转变为对所述导管的纵向压力，所述纵向压力影响容纳所述导管的所述至少一个操作工具或所述至少一个弹出的被压紧工具的移动。

10.如权利要求8所述的站单元，其中直径识别传感器被配置为识别容纳所述站单元的所述操作工具或所述弹出的被压紧工具的直径。

11.如权利要求10所述的站单元，其中所述直径识别传感器是光学传感器。

12.如权利要求8所述的站单元，其中追踪传感器被配置为检测关于所述至少一个操作工具或所述弹出的被压紧工具在所述站单元内部的姿态的信息。

13.如权利要求12所述的站单元，其中所述追踪传感器是光学导航传感器。

14.如权利要求12所述的站单元，其中所述追踪传感器是通过自校准过程来校准。

15.如权利要求8所述的站单元，其中所述触觉力反馈机构包括通过交替水平的垂直力对所述导管施加压力。

16.如权利要求8所述的站单元，其中所述传感器被配置为感测在站单元内处于预定义位置的所述操作工具或所述弹出的被压紧工具。

17.如权利要求8所述的站单元，其中所述导管是弹性管。

18.如权利要求8所述的站单元，其中连接基部被配置为实现每个站单元的组装和拆卸。

19.如权利要求18所述的站单元，其中所述组装和拆卸是通过手动操纵来完成。

20.如权利要求18或19中任一项所述的站单元，其中视觉指示被配置为指示所述站单元是否稳固地组装到其连接基部上。

21.如权利要求8所述的站单元，其中视觉指示被配置为指示所述至少一个操作工具或弹出的被压紧工具沿着所述站单元的长度的前进。

22.如权利要求8所述的站单元，其中视觉指示被配置为通过相应地显示不同的视觉标记来指示所述至少一个操作工具或弹出的被压紧工具在每个站单元内部的存在。

23.一种用于模拟医学程序的方法，所述方法包括以下步骤：

i.使用控制器选择医学程序的类型或操作工具的类型或能够从所述操作工具弹出的至少两个被压紧工具的类型，

ii.将所述至少一个所选的操作工具插入到壳套装置中，

iii.使所述至少一个操作工具或至少一个弹出的被压紧工具分路到至少两个站单元中的至少一者中，

iv.作为模拟医学程序的部分，使用所述控制器显示所述至少一个操作工具或所述至少一个弹出的被压紧工具的模拟图像。

24.一种用于模拟医学程序的方法，所述方法包括以下步骤：

i.使用控制器选择医学程序的类型或操作工具的类型或能够从所述操作工具弹出的至少一个被压紧工具的类型，

ii.将所述至少一个操作工具或至少一个弹出的被压紧工具插入到站单元中，

iii.作为模拟医学程序的部分，使用所述控制器对所述操作工具或至少一个弹出的被压紧工具施加交替水平的压力。

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