CN116830180A - 模拟和训练装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟装置，包括壳体、容纳在壳体内的可延伸臂，该可延伸臂适于延伸出壳体、以及连接到可延伸臂的摄像机。该模拟装置还可以包括体模和至少一个用于由摄像机成像的解剖模型。该模拟装置可以容易地组装和拆卸，以实现最大的便携性。

Description

模拟和训练装置

技术领域

本公开涉及一种用于手术训练领域的模拟器。具体地，本公开涉及一种用于仿真c形臂机器的模拟和训练装置。

背景技术

对手术医生进行模拟和训练以获得所需的高水平能力和技能并减少对监督时间的需求是可取的。训练应在现实环境中进行，允许反馈并培养精细移动技能，例如灵活性和协调性，而不会给患者或从业者带来风险。

c形臂机器是一种成像扫描仪增强器，其名称“c形臂”源自用于将x射线源连接到x射线检测器的c形状臂。尽管c形臂机器具有放射成像功能，但它们主要用于外科手术、骨科和紧急护理手术中的术中荧光成像。c形臂机器实时提供高分辨率x射线图像。

x射线源发出穿透患者身体的x射线。图像增强器或x射线检测器检测x射线并将x射线转换为可见图像，该可见图像继而显示在c形臂监视器屏幕上。由于实时成像，医生可以随时检查诸如骨骼以及植入物和器械的位置的解剖细节。这还允许医生监视手术进展并立即根据需要进行任何纠正。

x射线剂量是所有c形臂制造商和操作者都关心的问题，尤其是在一般手术和长时间微创手术中使用时。一种用于减少x射线剂量的方法是使用x射线图像增强器。x射线图像增强器是将x射线转换为比荧光屏更高强度的可见光的图像增强器。x射线成像系统使用此类增强器(如荧光镜)来允许将低强度x射线转换为方便的明亮可见光输出。通过其增强效果，与单独的荧光屏相比医生或观察者可以更容易地查看成像对象的结构。由于x射线量子更有效地转换为可见光，因此需要更低的吸收剂量。尽管使用了x射线图像增强器，但使用c形臂机器仍然发出高剂量的x射线。

因此，期望提供一种用于仿真c形臂机器的模拟装置，用于训练需要使用c形臂机器的外科手术技术，而不会使医生、患者或操作者在训练期间暴露于一定剂量的x射线。

发明内容

根据本公开的示例性实施方式，提供了一种模拟装置，包括：壳体；容纳在壳体内的可延伸臂，该可延伸臂适于延伸出壳体；以及连接到可延伸臂的摄像机。

在本公开的示例性实施方式中，壳体具有带有第一中心角的第一曲率圆弧。可选地，第一中心角在30度至150度之间。可选地，可延伸臂具有带有第二中心角的第二曲率圆弧。可选地，第二曲率圆弧对应于第一曲率圆弧。可选地，第二中心角与第一中心角相同。可选地，其中第二中心角大于15度但小于第一中心角。

在本公开的示例性实施方式中，摄像机连接在可延伸臂的远端处。可选地，摄像机包括准直透镜。

在本公开的示例性实施方式中，模拟装置还包括对象，其中摄像机捕获对象的至少一个图像。可选地，摄像机基于从对象反射的环境光来捕获至少一个图像。

在本公开的示例性实施方式中，模拟装置还包括位于对象和摄像机之间的基本直线上的照明元件，其中摄像机基于从对象反射的来自照明元件发射的光来捕获至少一个图像。

在本公开的示例性实施方式中，模拟装置还包括位于对象下方的基本直线上的照明元件，其中摄像机基于穿过对象折射的来自照明元件的光来捕获至少一个图像。

在本公开的示例性实施方式中，摄像机将至少一个图像传输到至少一个计算机。可选地，至少一个计算机将所传输的至少一个图像投影在至少一个监视器上。可选地，至少一个计算机包括用于远程通信的网络接口。可选地，至少一个监视器还显示以下中的至少一项：训练指令和指导、训练支持、以及训练评估、分级和资格。

在本公开的示例性实施方式中，模拟装置还包括平台，壳体在壳体的基部处连接到平台。可选地，壳体适于围绕壳体的基部旋转。可选地，壳体适于相对于平台平移移动。

在本公开的示例性实施方式中，模拟装置还包括体模，该体模安装在平台上。可选地，模拟装置还包括解剖模型，该解剖模型安装在体模内。可选地，解剖模型安装在模型移动设备上。

在本公开的示例性实施方式中，模拟装置还包括解剖模型，该解剖模型安装在平台上。可选地，解剖模型安装在模型移动设备上。

附图说明

为了更好地理解本公开并了解其实际应用，提供并在下文中引用以下附图。应当注意的是，附图仅作为示例给出并且不限制本发明的范围。

图1A是根据本公开的一些实施方式的模拟装置的前透视图的示意图；

图1B是根据本公开的一些实施方式的模拟装置的后透视图的示意图；

图2A是根据本公开的一些实施方式的处于延伸构造的C形臂模块的前透视图的示意图；

图2B是根据本公开的一些实施方式的处于缩回构造的C形臂模块的后透视图的示意图；

图3A是根据本公开的一些实施方式的C形臂模块的分解前视图的示意图；

图3B是根据本公开的一些实施方式的C形臂模块的分解后视图的示意图；

图4是根据本公开的一些实施方式的C形臂模块、体模模块和体模模块内的解剖模块的示意图；

图5是根据本公开的一些实施方式的体模模块的示意图；

图6是根据本公开的一些实施方式的解剖模块的示意图；

图7A是根据本公开的一些实施方式的在具有不透明解剖模型的解剖模块的第一替代实施方式中光如何反射以捕获图像的示意图；

图7B是根据本公开的一些实施方式的在具有半透明解剖模型的解剖模块的第二替代实施方式中光如何折射通过解剖模型以捕获图像的示意图；

图8是根据本公开的一些实施方式的成像模块的示意图；

图9是根据本公开的一些实施方式的模拟装置中的部件的示意图；以及

图10A至图10F是根据本公开的一些实施方式的使用模拟装置的过程的示意图。

现在详细地具体参考附图，强调所示的细节是作为示例并且用于本公开的实施方式的说明性讨论的目的。在这点上，结合附图进行的描述对于本领域技术人员来说使得如何实践本公开的实施方式变得容易理解。

出现在一个或多个附图中的相同或重复或等同或相似的结构、元件或部分通常用相同的附图标记来标记，可选地用附加的一个或多个字母来区分相似的实体或实体的变体，并且可以不重复标记和/或描述。暗示对先前呈现的元件的引用，而不必进一步引用它们出现的附图或描述。

图中所示的部件和特征的尺寸是为了方便或清楚地呈现而选择的，并且不一定按比例或真实透视图示出。为了方便或清楚起见，一些元件或结构未示出或仅部分地和/或以不同的视角或从不同的观点示出。

具体实施方式

本发明在下面的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将理解，无需这些具体细节也可以实践本发明。在其他情况下，没有详细描述众所周知的方法、过程、部件、模块、单元和/或电路，以免模糊本发明。

尽管本发明的实施方式不限于此，但是本文所使用的术语“多个”和“多数”可以包括例如“多个”或“两个或更多个”。在整个说明书中可以使用术语“多个”或“多数”来描述两个或更多个部件、装置、元件、单元、参数等。除非明确说明，否则本文描述的方法实施方式不限于特定顺序或序列。另外，所描述的方法实施方式或其要素中的一些可以同时、在同一时间点或公同发生或执行。除非另有说明，本文使用的连词“或”的使用应理解为包含性的(任何或所有所述选项)。

本公开描述了一种模拟装置，该模拟装置被设计为仿真用于在手术部位处引导微创手术的c形臂机器的操作。当前描述的模拟装置不使用有害的放射性x射线，而是使用漫反射的环境光或透射的正常光线的无害光源。模拟装置的目的是在手术部位处提供类似于c形臂机器所提供的模拟环境，以供操作者(例如，外科医生)练习使用手术设备和器械来以安全、准确的方式在零放射性风险的情况下执行由c形臂机器引导的微创手术。这种方法有利于使医生或操作者获得高水平的能力和所需的技能，并减少对监督时间的需求，以及发展精细移动技能，而没有风险。

图1A是根据本公开的一些实施方式的模拟装置100的前透视图的示意图，而图1B是模拟装置100的后透视图的示意图。模拟装置100可以包括诸如C形臂模块200的臂和成像模块800。模拟装置100还可以包括体模模块500和解剖模块600。在一些实施方式中，C形臂模块200、成像模块800、体模模块500和解剖模块600中的每一个是便携式的，因为每个模块的尺寸可被设计成装配在便携性的标准行李箱内。根据一些实施方式的各种模块的便携性使得能够容易地部署模拟装置100，因为它可以使用商业运输通过空中运输。在本公开的一些实施方式中，C形臂模块200包括可延伸元件，并且C形臂模块200是可旋转的，使得连接到可延伸元件的成像模块800的摄像机804可以捕获并提供视线，其与提供给真实C形臂机器的操作者的视线类似。在本公开的一些实施方式中，C形臂模块200可以连接到工作台或体模模块500，使得C形臂模块200可以相对于工作台或体模模块500平移移动。

在本公开的一些实施方式中，C形臂模块200可以包括容纳可延伸臂208(参见图2A、图2B、图3A、图3B)的C形臂壳体212，该可延伸臂208模拟并提供c形臂机器的臂的机械功能，以及容纳摄像机804的C形臂模块头204，该摄像机804模拟真实c形臂机器中的x射线图像增强器或检测器的成像功能(参见图2A、图2B、图3A、图3B)。C形臂模块200仿真c形臂机器的c形臂、x射线管和x射线图像增强器的移动，使得容纳摄像机804的C形臂模块头204可移动和固定沿两个线性轴(x和y)和两个旋转轴(x(轨道)和y(倾斜))需要的横向和旋转定位。尽管图中未示出，但是C形臂模块200还可以包括致动C形臂模块200的移动的至少一个电机，该电机连接到成像模块800的计算机808并受其控制(参见图9)。在一些实施方式中，尽管图中未示出，但是C形臂模块200还可以包括至少一个传感器，该至少一个传感器连接到成像模块800的计算机808(参见图9)并且适于提供关于C形臂模块200的位置或角度的信息。C形臂模块200的部件将在下面关于图2A、图2B、图3A和图3B详细讨论。

在本公开的一些实施方式中，成像模块800可以包括容纳在C形臂模块200的C形臂模块头204内的摄像机804(图3A)，摄像机804捕获对象的至少一个图像。该对象可以是解剖模型604(参见图4和图6)。然后，摄像机804可以将至少一个图像传输到至少一个计算机808(参见图8)，其将所传输的至少一个图像投影或显示在至少一个监视器812(参见图8和图9)上。因此，成像模块800提供对象的实时捕获和成像，以与真实c形臂机器所提供的形式类似的形式向操作者(例如，放射技师或外科医生)模拟和显示图像。摄像机804可以优选地包括准直透镜以捕获至少一个图像。成像模块800的计算机808还可以显示用户界面(参见图10A、图10B、图10C、图10D、图10E、图10F)，其允许操作者与从摄像机804传输的图像进行交互。成像模块800的计算机808可以包括反转颜色和操纵图像质量(例如，亮度、对比度、缩放和采集)的计算机软件，其与实际荧光透视图像功能中常用的功能类似。

在本公开的一些实施方式中，体模模块500可以包括安装在工作台或平台512上的体模504，例如具有至少一个体模支架528的模拟操作台。体模模块500的体模504是人体的模型并提供人体表面和轮廓的外观以容纳所需的手术部位。在一些实施方式中，体模504是动对象的模型。在一些实施方式中，体模504是人体或动对象的器官模型。

平台512被建模为小型化操作台，其具有至少一个、优选地两个适于安装手术设备的导轨524。在一些实施方式中，平台512被建模为真实操作台的一部分。C形臂模块200和成像模块800可以可拆卸地安装在体模模块500的轨道524上，并且优选地安装在远离操作者的轨道524上。备选地，C形臂模块200和成像模块800可以可拆卸地安装到任何表面上，包括手术台或操作台，作为替代手术部位。

在本公开的一些实施方式中，解剖模块600可以包括至少一个解剖模型604(参见图4和图6)。解剖模块600可以放置在体模模块500的体模504内或者放置在任何表面上以利用成像模块800进行成像。解剖模型604可以是要在其上进行操作时被模拟的组织和/或器官结构的不透明或半透明模型。解剖模型604可以安装在模型移动设备608(参见图4和图6)上，其移动解剖模型604以仿真真实组织或器官由于对象的呼吸或其他生理功能而产生的移动。

在本公开的一些实施方式中，手术器械104可以由手术器械保持器108保持，手术器械保持器108可拆卸地安装在支撑臂112上并且利用支撑臂112上的支撑臂夹116附接到体模模块500的平台512的轨道524。备选地，手术器械104可由支撑臂112保持。备选地，支撑臂夹116可附接到任何其他表面，包括操作台或手术台。在本公开的一些实施方式中，手术器械104是针。在本公开的一些实施方式中，手术器械104是手术探针。在本公开的一些实施方式中，手术器械保持器可以直接放置在体模504上，而不使用支撑臂112。应当理解，本公开不限于如图所示的手术器械保持器108和手术器械104并且各种其他手术器械保持器和手术器械可以与本文所示的模拟和训练装置结合使用。手术器械的示例包括手术钻、激光装置、腹腔镜、内窥镜和其他诊断或手术装置或器械。在本公开的一些实施方式中，尽管图中未示出，但是模拟装置100可以连接到外部电源并且由大约110或220伏供电。

图2A是根据本公开的一些实施方式的处于延伸构造的C形臂模块200的前透视图的示意图，而图2B是处于缩回构造的C形臂模块200的后透视图的示意图。图3A是根据本公开的一些实施方式的C形臂模块的分解前视图的示意图，而图3B是C形臂模块的分解后视图的示意图。C形臂模块200可包括封闭在C形臂壳体212内的可延伸臂208，可延伸臂208在远端210处通过支撑座216连接到C形臂模块头204。C形臂壳体212可包括左臂凹槽盖220和右臂凹槽盖224，左臂凹槽盖220和右臂凹槽盖224通过底臂凹槽盖228沿着左臂凹槽盖220和右臂凹槽盖224的内周纵向连接。左臂凹槽盖220和右臂凹槽盖224可成形为使得C形臂壳体212具有带有第一中心角的第一曲率圆弧，但也可实施其他形状。第一中心角可以在30至150度之间，并且优选地为90度，以仿真c形臂。C形臂壳体212的第一曲率圆弧可具有5cm至80cm之间的半径，并且优选地在40cm至60cm之间，以模拟真实的c形臂机器。备选地，为了获得最大的便携性，C形臂壳体212的第一曲率圆弧的半径可以在5cm至50cm之间，其大约是真实c形臂机器的c形臂半径的三分之二。优选地，C形臂壳体212还可以包括至少一个臂手柄232，以供操作者抓握和移动C形臂壳体212。

在本公开的一些实施方式中，可延伸臂208的面向左臂凹槽盖220和右臂凹槽盖224的侧面可各自包括邻近C形臂模块头204的凹口236，每个凹口236容纳阻尼辊240的固定部分，阻尼辊240包括从凹口236突出的旋转轮244。

在本公开的一些实施方式中，容纳在C形臂壳体212内的可延伸臂208可具有带有第二中心角的第二曲率圆弧。优选地，第二曲率圆弧与第一曲率圆弧相对应，使得当可延伸臂208沿着轨道A延伸出C形臂壳体212时，C形臂模块头204和可延伸臂208沿着与C形臂壳体212相同的弧延伸。第二曲率圆弧可以具有在30度和150度之间的中心角，并且优选地为90度。优选地，第二中心角可以与第一中心角相对应。备选地，第二中心角可以大于15度但小于第一中心角，使得可延伸臂208装配在C形臂壳体212内。优选地，可延伸臂208在使用时在朝向操作者的方向上延伸。可延伸臂208的延伸被设计成仿真真实c形臂机器的固定弧和移动，同时通过使用与全c形臂机器(具有大半圆弧)相比减少C形臂模块200所需的空间来增加模拟装置100的便携性。

在本公开的一些实施方式中，可延伸臂208可以具有类似于大写字母“T”的横截面，大写字母“T”的臂的每个端部位于安装在左臂凹槽盖220和右臂凹槽盖224上的旋转轮244上，使得当可延伸臂208延伸出C形臂壳体212时可延伸臂208在旋转轮244上滚动。可延伸臂208还可以包括延伸部248，延伸部248基本上在可延伸臂208的“T”形横截面的主干的两侧的中点处突出，延伸部248位于突出部252的顶部，突出部252沿着面向左臂凹槽盖220和右臂凹槽盖224的侧面的可延伸臂208纵向延伸。可延伸臂208可以进一步包括可延伸臂手柄260，用于操作者握持和移动可延伸臂208。尽管图中未示出，但可延伸臂208还可以包括轨道度标尺以指示轨道移动的延伸程度。

在本公开的一些实施方式中，C形臂模块头204可以包括容纳摄像机804的相机圆筒264(参见图3A和图3B)，摄像机804连接到成像模块800的计算机808(参见图9)。下面将关于成像模块800进一步讨论摄像机804。摄像机804可以安装在相机圆筒264内的摄像机安装板268上，其中通气孔盖272覆盖相机圆筒264的顶部。尽管摄像机804的壳体被描述为相机圆筒264，但是可以实现任何中空形状或壳体。可选地，C形臂模块头204还可以包括激光指示器(未示出)，以帮助操作者将C形臂模块头204和摄像机804与解剖模型604对准。这种激光指示器可以与摄像机804串联连接，垂直于摄像机804的视线延伸可见激光束。

在本公开的一些实施方式中，C形臂壳体212的左臂凹槽盖220和右臂凹槽盖224的基部可以插入或连接到倾斜轴盖276中，倾斜轴盖276包括适于容纳左臂凹槽盖220和右臂凹槽盖224的基部的两个法兰。倾斜轴盖276还可以连接至锁板280，倾斜轴盖276和锁板280包括相应的U形弧形开口284。锁板280可以连接至位于底臂凹槽228的基部处的阻尼器连接板288，阻尼器连接板288不遮挡锁板280和倾斜轴盖276中的U形弧形开口284。锁板280可包括倾斜指示器指针256以向操作者指示C形臂壳体212和可延伸臂208相对于垂直线倾斜的范围或程度。

在本公开的一些实施方式中，C形臂模块200还可包括c形臂倾斜基部292。C形臂倾斜基部292可包括阻尼器296、阻尼器壳体304、阻尼器前盖308、阻尼器顶部312和至少一个阻尼器侧盖324。阻尼器296可安装在阻尼器壳体304的靠近C形臂壳体212的基部的壁上。阻尼器前盖308可覆盖阻尼器壳体304的远离阻尼器296的前表面，阻尼器顶部312可以覆盖阻尼器壳体304的顶部，并且阻尼器侧盖324可以位于阻尼器壳体304的任一侧。C形臂壳体212可以通过阻尼器耦合器316和阻尼器耦合衬套320可旋转地耦合到阻尼器296，使得C形臂壳体212可以沿着旋转路径B的轴线相对于c形臂倾斜基部292旋转，并且C形臂模块头204可以沿着路径C倾斜。阻尼器壳体304还可以包括至少一个阻尼器壳体手柄326，以供操作者抓握并移动c形臂倾斜基部292。

在本公开的一些实施方式中，倾斜锁定手柄328可通过将倾斜锁定手柄328的轴332经由凸台销336和至少一个凸台销垫圈340插入倾斜轴盖276的U形弧形开口284中，经由锁定板280的开口284并经由垫圈插入锁定销344，连接至c形臂倾斜基部292，锁定销344连接到靠近倾斜轴盖276的阻尼器壳体304的壁。当倾斜锁定手柄328旋转时，倾斜锁定手柄328的轴332被紧固到锁定销344中，从而锁定C形臂壳体212相对于c形臂倾斜基部292的位置。在本公开的一些实施方式中，沿着倾斜轴盖276的开口284和/或在靠近C形臂壳体212的阻尼器顶部312上可以存在量角器标记384，以帮助操作者读取C形臂壳体212的倾斜角度。

在本公开的一些实施方式中，c形臂倾斜基部292可安装在滑块安装座348上，使得c形臂倾斜基部292沿垂直于操作者的路径D沿滑块安装座348平移滑动。优选地，c形臂倾斜基部292可以通过榫槽布置安装在滑块安装座348上。在本公开的一些实施方式中，滑块安装座348可包括凹谷352，并且c形臂倾斜基部292还可包括滑块板356。螺钉可插入滑块板356的孔中并突出到滑块安装座348的凹谷352中，从而由于从滑块板356突出到凹谷352中的螺钉将防止c形臂倾斜基部292滑动超过滑块安装座的凹谷352，因此限制了c形臂倾斜基部292沿着滑块安装座348的平移移动的程度。

在本公开的一些实施方式中，滑块安装座348可以可移动地安装到体模模块500的平台512的轨道524上，使得滑块安装座348沿着轨道524沿着路径E平移地滑动。优选地，滑块安装座348还可以包括两组相邻的轨道滑动滚轮360。优选地，每个相邻的轨道滑动滚轮360安装在夹在两个塞板368之间的柱塞364上。多组相邻的轨道滑动滚轮360彼此平行布置，使得轨道524装配在两组轨道滑动滚轮360之间。每组相邻的轨道滑动滚轮360可直接或通过间隔板372和垫圈376连接至c形臂倾斜基部292。间隔板372还可连接至底部塞板380以超出塞板368覆盖轨道滑动滚轮360。底部塞板380可进一步连接至垂直可调节支撑腿(未示出)，以在需要时支撑C形臂模块200。

备选地，滑块安装座348可安装到具有轨道的任何表面上，包括操作台或手术台。

图4是根据本公开的一些实施方式的C形臂模块200、体模模块500以及体模模块500内的解剖模块600的示意图。体模模块500可以包括体模504。在一些实施方式中，体模504可以成形为人或动物。在一些实施方式中，体模504可以成形为人或动物的器官的一部分。在一些实施方式中，体模504可以成形为人或动物的一部分，例如躯干区域。解剖模块600可以包括解剖模型604。优选地，解剖模块600位于体模模块500的体模504内，定位成使得解剖模块600的解剖模型604位于体模504中的窗口508下方。在特定实施方式中，解剖模块600可以放置在任何表面上以由成像模块800在没有体模模块500的情况下成像。在一些实施方式中，在没有体模504的情况下使用模拟装置100。

图5是根据本公开的一些实施方式的体模模块500的示意图。体模模块500可以包括具有窗口508的中空体模504。窗口508可以位于体模504上的任何地方，只要解剖模型604对摄像机804可见。窗口508可以包括透明塑料胶片(未示出)，其可以模拟人或动物皮肤的位置。尽管图中未示出，但是窗口508可以包括期望器官或组织的x射线胶片。窗口508的大小可以根据所模拟的过程而变化，使得操作者能够在执行模拟所需的范围内看到解剖模型604(参见图4)。在一些实施方式中，窗口508的尺寸被设计为允许对摄像机804有足够的视野，以便模拟操作者可以使用真实的c形臂机器的相关视频屏幕看到的视场。体模504可以安装在具有至少一个体模支架528的平台512上。平台512被设计为小型化操作台并且可以包括台面516和纵向连接到台面516的相对端部的两个台架520，每个台架520包括纵向连接至台架520的导轨524。导轨524适于允许各种模块和/或手术器械夹在其上。体模504可以被替换为实际的、动物的、或人造的组织或器官样本以用于模拟手术、研究或训练。

图6是根据本公开的一些实施方式的解剖模块600的示意图。解剖模块600可以包括至少一个解剖模型604。解剖模型604可以是不透明的(参见图7A)或半透明的(参见图7B)。解剖模型604可以放置在体模模块500的体模504内，或者可选地安装在模型移动设备608上，如图6所示，以移动解剖模型604。解剖模型604与模型移动设备608的移动模拟更真实的外科手术，并复制由于生理器官运动(例如，患者呼吸期间肾脏等器官的周期性移动)而导致的某些手术的困难。模型移动设备608可以包括模型安装座612，解剖模型604安装在模型安装座612上，模型安装座612适于沿着滑块616移动或滑动。模型安装座612可以通过榫槽布置可移动地连接到滑块616。模型安装座612和解剖模型604的移动可以由可编程逻辑模块(PLC)620控制的滑轮系统致动。备选地，模型移动设备608可以是由PLC 620或微控制器控制的线性致动器和步进电机部件。PLC 620被编程为允许操作者通过用户界面设置解剖模型604的移动的速度、频率、范围和幅度，以及停止和开始解剖模型604的移动，以基于解剖模型604所模仿的器官模拟多种移动模式。例如，如果解剖模型604呈肾脏的形状，则模型移动设备608可以以每分钟12至25个循环之间的平均速率在高达5cm的范围内线性移动解剖模型604，这模拟了在正常呼吸期间肾脏的移动。尽管图中未示出，但解剖模块600还可以包括具有连接到模型移动设备608的控制按钮的控制面板，控制按钮被配置为开始和停止解剖模块600的移动以模拟麻醉师对患者呼吸的受控暂停以允许外科医生能够准确地进行操作，而不受器官移动的影响。

在本公开的一些实施方式中，滑轮系统可包括电机624、安装在电机624上并由电机624控制的第一滑轮628、第二滑轮632以及环绕第一滑轮628和第二滑轮632的滑轮带636。模型安装座612可附接至滑轮带636，使得滑轮带636的移动引起模型安装座612的移动。PLC 620可连接至成像模块800的计算机808(参见图9)。PLC 620控制电机624的移动，电机624进而旋转第一滑轮628并移动滑轮带636。滑轮带636的这种移动使附接至滑轮带636的模型安装座612移动。解剖模型604因此线性地移动并且沿着平行于滑轮带636的移动的路径F平移。

在本公开的一些实施方式中，模型移动设备608可以利用微动开关640来打开和关闭。备选地，模型移动设备608可以连接到成像模块800的计算机808(参见图9)并由其控制。

在本公开的一些实施方式中，解剖模块600还可以包括至少一个照明元件644。照明元件644可以是任何照明设备。例如，照明元件644可以是直径大于解剖模型604的圆形发光二极管(LED)，如图6所示。照明元件644可以位于任何位置，包括解剖模型604上方(如图6和图7A所示)，或解剖模型604下方(如图7B所示)。照明元件644的位置可以根据解剖模型604是不透明的还是半透明的而不同(参见图7A和图7B)。照明元件644可以用照明元件644上的开关独立地控制。备选地，照明元件644可以由成像模块800的计算机808控制(参见图9)。在一些实施方式中，照明元件644连接到电源(未示出)，例如连接到计算机808的USB电缆。在一些实施方式中，照明元件644还包括内部电源，例如电池(未示出)。

图7A是根据本公开的一些实施方式的在具有不透明解剖模型604的解剖模块600的第一替代实施方式中如何反射光以捕获图像的示意图。在真实c形臂机器中，来自x射线源的x射线光穿过患者，并由位于x射线源正对面的x射线增强器或检测器检测到。x射线光在真实c形臂机器中所采取的路径在图7A中被示出为x射线光路径704，其中摄像机804位于C形臂模块200内模拟真实c形臂机器中的x射线增强器或检测器。在解剖模块600的第一替代实施方式中，其中解剖模型604是不透明的，摄像机804可以基于来自周围环境的环境光捕获对象或解剖模型604的至少一个图像。环境光经由环境光路径708行进到解剖模型604，从解剖模型604反射，通过反射光路径712行进到摄像机804并且由摄像机804捕获。备选地，摄像机804可以基于从解剖模型604反射的从照明元件644发射的光来捕获对象或解剖模型604的至少一个图像。在这样的实施方式中，照明元件644位于解剖模型604和摄像机804之间的基本直线上，使得发射的光从照明元件644经由发射光路径716行进到解剖模型604，从解剖模型604反射，经由反射光路径712行进到摄像机804并且由摄像机804捕获。不透明解剖模型604将明亮地出现在由摄像机804捕获的图像上，它与真实c臂机器的x射线成像效果相匹配，其中骨头或石头等高密度区域将在x射线图像上明亮地出现。

图7B是根据本公开的一些实施方式的在具有半透明解剖模型604的解剖模块600的第二替代实施方式中光如何折射通过解剖模型604以捕获图像的示意图。当解剖模型604是半透明的时，照明元件644位于解剖模型604下方的基本直线中，使得被半透明解剖模型604折射的从照明元件644发射的光经由折射光路径720行进到摄像机804以被摄像机804捕获。在该实施方式中，半透明解剖模型604将表现为摄像机804捕获的图像上的暗区域。由于所产生的该图像将与用真实的c形臂机器获得的x射线图像相反，因此可以将灰度反转与实时图像处理一起应用以模拟用真实的c形臂机器成像的x射线的效果。

图8是根据本公开的一些实施方式的成像模块800的示意图。成像模块800可以包括至少一个监视器812、至少一个计算机808、至少一个监视器保持器816、监视器支架820和夹具824。监视器812可以是任何显示器。监视器812可以用监视器保持器816安装在监视器支架820上。夹具824可以位于远离监视器812的监视器支架820的基部处。监视器支架820可以用夹具824安装在体模模块500的导轨524上。备选地，监视器支架820可以用夹具824安装在任何表面上，包括操作台和手术台。优选地，计算机808是能够安装到监视器812上以便携带的微型计算机。尽管图8中未示出，但是成像模块800还可以包括输入设备828(参见图9)。输入设备828可以是鼠标、键盘或操纵杆。备选地，输入设备828可以并入监视器812中，使得监视器812是触摸屏显示器。

图9是根据本公开的一些实施方式的模拟装置100中的部件的示意图。计算机808可以包括至少一个存储器832、至少一个处理器836和至少一个存储器840。处理器836可以包括至少一个处理单元并且可以被配置为根据存储在存储器840中的编程指令来操作。至少一个存储器840可以与至少一个处理器836交互并且可以包括至少一个易失性或非易失性存储器设备。存储器840可用于存储可用于操纵从摄像机804获得的图像或执行在监视器812上所显示软件的软件应用的可执行版本。在监视器812上显示的软件可显示关于如何使用模拟装置100、训练支持、以及与待训练和/或模拟的外科手术相关的训练评估、分级和资格的逐步的训练指令和指导。例如，在存在两个监视器812的情况下，软件可以在第一监视器上显示812由摄像机804捕获的静态或实时图像或视频，并在第二监视器812上显示用于训练步骤或指导(手术期间解剖结构上的真实样本x射线图像)或支持(例如，针上的虚拟延长线)和训练评估和/或分级/反馈的界面。存储装置832可以是用于存储用于处理器836的操作的指令的计算机可读介质。在一些实施方式中，存储装置832可以与存储器840分离，但是在其他实施方式中，存储装置832可以被包括在存储器840中。

在本公开的一些实施方式中，计算机808可以连接到输入设备828并从输入设备828接收输入。计算机808还可以从模拟装置100的各种其他部件接收信息，包括摄像机804和传感器(未示出)。计算机808可以通过有线连接(参见图2A)从摄像机804接收信息或者可以无线地从摄像机804接收信息。计算机808还可以连接到模拟装置100的其他部件并向其中继信息，包括PLC 620、监视器812和照明元件644。计算机808可以在监视器812上显示图像、控制PLC 620以及控制照明元件644。尽管图中未示出，至少一个计算机808还可以包括网络接口。网络接口允许至少一个计算机808与其他计算机远程通信以允许远程训练、指导、训练评估或训练资格。尽管图中未示出，但是至少一个计算机808可以连接到C形臂模块200并控制C形臂模块200内的电机，该电机致动C形臂模块200内的部件的移动。

图10A至图10F是根据本公开的一些实施方式的使用模拟装置100的过程的示意图。在本公开的一些实施方式中，如图10A所示，操作者通过安装C形臂模块200、成像模块800、体模模块500和解剖模块600来组装模拟装置100。解剖模型604可以放置在体模模块500的体模504内并且可以直接对准在体模504的窗口508下方。C形臂模块头204可以大致在体模504的窗口508上方对准。如果不需要体模模块500的体模504，则解剖模块600可以是直接放置在体模模块500的平台512上，其中C形臂模块头204大约在解剖模型604上方对准。

在本公开的一些实施方式中，如图10B所示，操作者然后可以将模拟装置100连接到外部电源，然后打开模拟装置100，包括成像模块800的部件，例如计算机808和监视器812。操作者可以可选地在该步骤打开摄像机804。

在本公开的一些实施方式中，如图10C所示，操作者可以确定环境光是否足够亮以传递解剖模型604的清晰的反射照明。如果操作者确定存在环境光线不足，则操作者可以打开照明元件644。

在本公开的一些实施方式中，如图10D所示，操作者可以使用输入设备828来激活存储在成像模块800的计算机808中的软件。如果操作者之前没有打开摄像机804，则操作者也可以打开摄像机804。操作者可以通过使用其如上所述的特征滑动和/或旋转C形臂模块200来将C形臂模块头204的位置调节至将摄像机804与窗口508对准所需的角度。在本公开的一些实施方式中，操作者可以使用C形臂模块头204内的激光指示器来辅助C形臂模块头204和摄像机804与解剖模型604的对准。操作者可以观看由摄像机804捕获并在监视器812上显示的视频以进一步调整并确认C形臂模块头204的位置。

在本公开的一些实施方式中，如图10E所示，操作者可以使用保持手术器械保持器108的支撑臂112上的支撑臂夹具116将至少一个手术器械104安装并固定到体模模块500的平台512的轨道524上。然后操作者可以开始外科手术、实验、训练或模拟。

在本公开的一些实施方式中，如图10F所示，操作者可以将C形臂模块200旋转并锁定到新的角度或位置以用于对解剖模型604进行三角测量，或者从不同角度或方向获得窗口508或解剖结构604的其他视图。操作者还可以通过观看C形臂模块200上的量角器标记384来读取C形臂模块200的倾斜角度。一旦操作者使用模拟装置100完成，操作者就可以将C形臂模块200返回到其中性或零位置。然后操作者可以关闭在计算机808上运行的软件程序，停止计算机808，关闭模拟装置100的所有部件，并关闭主电源。然后操作者可以将支撑臂夹具116从轨道524上拆下并拆卸模拟装置100。

应当理解，上述方法和装置可以以多种方式变化，包括省略或添加步骤、改变步骤的顺序和所使用的设备的类型。应当理解，不同的特征可以以不同的方式组合。具体地，并非上面在特定实施方式中示出的所有特征在本公开的每个实施方式中都是必要的。上述特征的进一步组合也被认为在本公开的一些实施方式的范围内。

本领域技术人员应当理解，本发明不限于上文具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (25)

1.一种模拟装置，包括：

壳体；

容纳在所述壳体内的可延伸臂，所述可延伸臂适于延伸出所述壳体；和

连接到所述可延伸臂的摄像机。

2.根据权利要求1所述的模拟装置，其中所述壳体具有带有第一中心角的第一曲率圆弧。

3.根据权利要求2所述的模拟装置，其中所述第一中心角在30度至150度之间。

4.根据权利要求2所述的模拟装置，其中所述可延伸臂具有带有第二中心角的第二曲率圆弧。

5.根据权利要求4所述的模拟装置，其中所述第二曲率圆弧对应于所述第一曲率圆弧。

6.根据权利要求4所述的模拟装置，其中所述第二中心角与所述第一中心角相同。

7.根据权利要求4所述的模拟装置，其中所述第二中心角大于15度但小于所述第一中心角。

8.根据权利要求1所述的模拟装置，其中所述摄像机连接在所述可延伸臂的远端处。

9.根据权利要求1所述的模拟装置，其中所述摄像机包括准直透镜。

10.根据权利要求1所述的模拟装置，还包括对象，其中所述摄像机捕获所述对象的至少一个图像。

11.根据权利要求10所述的模拟装置，其中所述摄像机基于从所述对象反射的环境光来捕获所述至少一个图像。

12.根据权利要求10所述的模拟装置，还包括位于所述对象和所述摄像机之间的基本直线上的照明元件，其中所述摄像机基于从所述对象反射的来自所述照明元件发射的光来捕获所述至少一个图像。

13.根据权利要求10所述的模拟装置，还包括位于所述对象下方的基本直线上的照明元件，其中所述摄像机基于穿过所述对象折射的来自所述照明元件的光来捕获所述至少一个图像。

14.根据权利要求10所述的模拟装置，其中所述摄像机将所述至少一个图像传输到至少一个计算机。

15.根据权利要求14所述的模拟装置，其中所述至少一个计算机包括用于远程通信的网络接口。

16.根据权利要求14所述的模拟装置，其中所述至少一个计算机将所传输的至少一个图像投影在至少一个监视器上。

17.根据权利要求16所述的模拟装置，其中所述至少一个监视器还显示以下中的至少一项：训练指令和指导、训练支持以及训练评估、分级和资格。

18.根据权利要求1所述的模拟装置，还包括平台，所述壳体在所述壳体的基部处连接到所述平台。

19.根据权利要求18所述的模拟装置，其中所述壳体适于围绕所述壳体的所述基部旋转。

20.根据权利要求18所述的模拟装置，其中所述壳体适于相对于所述平台平移移动。

21.根据权利要求18所述的模拟装置，还包括体模，所述体模安装在所述平台上。

22.根据权利要求21所述的模拟装置，还包括解剖模型，所述解剖模型安装在所述体模内。

23.根据权利要求22所述的模拟装置，其中所述解剖模型安装在模型移动设备上。

24.根据权利要求18所述的模拟装置，还包括解剖模型，所述解剖模型安装在所述平台上。

25.根据权利要求24所述的模拟装置，其中所述解剖模型安装在模型移动设备上。