RU143299U1 - MEDICAL PROCEDURE MODELING SYSTEM (OPTIONS) - Google Patents

MEDICAL PROCEDURE MODELING SYSTEM (OPTIONS) Download PDF

Info

Publication number
RU143299U1
RU143299U1 RU2013111292/14U RU2013111292U RU143299U1 RU 143299 U1 RU143299 U1 RU 143299U1 RU 2013111292/14 U RU2013111292/14 U RU 2013111292/14U RU 2013111292 U RU2013111292 U RU 2013111292U RU 143299 U1 RU143299 U1 RU 143299U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
simulated
endoscope
modeling
model
accordance
Prior art date
Application number
RU2013111292/14U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Амнон ХАРЕЛ
Гилат НОЙМАН
Бен ХАЗАН
Дорон ФРИКЕНШТЕЙН
Матан Шабат
Original Assignee
Симбионикс Лтд.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Симбионикс Лтд. filed Critical Симбионикс Лтд.
Priority to RU2013111292/14U priority Critical patent/RU143299U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU143299U1 publication Critical patent/RU143299U1/en

Links

Abstract

1. Моделирующая система для моделирования медицинской процедуры, включающая:моделируемый орган;моделируемый эндоскоп, расположенный в моделируемом органе и содержащий датчик для определения местоположения указанного моделируемого эндоскопа внутри моделируемого органа;механизм тактильной обратной связи, расположенный в моделируемом органе и предназначенный для обеспечения тактильной обратной связи, прикладываемой к моделируемому эндоскопу.2. Система по п.1, отличающаяся тем, что моделируемый орган помещен в переносном корпусе.3. Система по п.1, отличающаяся тем, что она также содержит блок обработки данных.4. Система по п.3, отличающаяся тем, что блок обработки данных помещен на удаленном сервере.5. Система по п.3, отличающаяся тем, что блок обработки данных содержит интерфейс связи, выполненный с возможностью обмена данными с удаленным сервером по сети.6. Система по п.1, отличающаяся тем, что механизм тактильной обратной связи включает трубку и шток, который выполнен с возможностью увеличения или уменьшения давления на трубку при помощи электродвигателя.7. Система по п.6, отличающаяся тем, что для управления электродвигателем предусмотрен контроллер, выполненный с возможностью обмена данными с блоком обработки данных.8. Система по п.1, отличающаяся тем, что моделируемый орган выбран из группы моделируемых органов, состоящей из моделируемого желудочно-кишечного тракта и моделируемого бронхиального тракта.1. A modeling system for simulating a medical procedure, including: a simulated organ; a simulated endoscope located in the simulated organ and containing a sensor for determining the location of the specified simulated endoscope inside the simulated organ; tactile feedback mechanism located in the simulated organ and designed to provide tactile feedback applied to the simulated endoscope. 2. The system according to claim 1, characterized in that the simulated organ is placed in a portable case. The system according to claim 1, characterized in that it also contains a data processing unit. The system according to claim 3, characterized in that the data processing unit is placed on a remote server. The system according to claim 3, characterized in that the data processing unit comprises a communication interface configured to exchange data with a remote server over the network. The system according to claim 1, characterized in that the tactile feedback mechanism includes a tube and a rod, which is configured to increase or decrease pressure on the tube using an electric motor. The system according to claim 6, characterized in that for controlling the electric motor a controller is provided, configured to exchange data with the data processing unit. The system according to claim 1, characterized in that the modeled organ is selected from the group of modeled organs consisting of a simulated gastrointestinal tract and a simulated bronchial tract.

Description

Область техники, к которой относится полезная модельThe technical field to which the utility model relates.

Настоящая полезная модель относится к системе подготовки и обучения студентов выполнению медицинских процедур и, конкретно, к системе обучения студентов выполнению процедуры эндоскопии.This utility model relates to a system for preparing and teaching students how to perform medical procedures and, specifically, to a system for teaching students how to perform endoscopy procedures.

Уровень техникиState of the art

Эндоскопия представляет собой важную малоинвазивную медицинскую процедуру. Гибкая гастроэндоскопия служит важным медицинским инструментом для проведения хирургических и диагностических процедур в желудочно-кишечном тракте. Практически гастроэндоскопия или бронхоскопия осуществляется путем введения эндоскопа, представляющего собой гибкую трубку, в желудочно-кишечный или бронхиальный тракт, соответственно, либо через рот, либо через прямую кишку пациента. Квалифицированный врач манипулирует трубкой при помощи специальных средств управления. Конец трубки, который введен в тело пациента, содержит камеру и один или несколько хирургических инструментов, таких как зажим или щипцы для взятия образцов ткани из указанного тракта. Врач должен манипулировать трубкой в соответствии с изображениями желудочно-кишечного или бронхиального тракта, поступающими от камеры и отображаемыми на видеоэкране. Отсутствие непосредственной визуальной обратной связи с указанными трактами является одним из факторов, который делает эндоскопию сложной и трудной для овладения процедурой. Такое отсутствие обратной связи также увеличивает сложность координации движений и правильного манипулирования эндоскопическим устройством. Таким образом, гибкая гастроэндоскопия является процедурой, трудной для выполнения и изучения.Endoscopy is an important minimally invasive medical procedure. Flexible gastroendoscopy serves as an important medical tool for surgical and diagnostic procedures in the gastrointestinal tract. In practice, gastroendoscopy or bronchoscopy is performed by inserting an endoscope, which is a flexible tube, into the gastrointestinal or bronchial tract, respectively, either through the patient’s mouth or rectum. A qualified doctor manipulates the tube using special controls. The end of the tube, which is inserted into the patient’s body, contains a camera and one or more surgical instruments, such as a clamp or forceps for taking tissue samples from the specified tract. The doctor must manipulate the tube in accordance with the images of the gastrointestinal or bronchial tract coming from the camera and displayed on the video screen. The lack of direct visual feedback from these paths is one of the factors that makes endoscopy difficult and difficult to master. This lack of feedback also increases the difficulty of coordinating movements and properly manipulating the endoscopic device. Thus, flexible gastroendoscopy is a difficult procedure to perform and study.

Как правило, студентов обучают выполнению гибкой гастроэндоскопии в соответствии с традиционной моделью медицинского образования, в рамках которой студенты наблюдают и помогают более опытным врачам. К сожалению, одно лишь наблюдение не может обеспечить необходимую подготовку для выполнения таких сложных медицинских процедур. Студенты могут также выполнять процедуры на животных и на человеческих трупах, однако ни то, ни другое не воспроизводит визуальные и тактильные ощущения, возникающие при работе с живым пациентом. Таким образом, традиционное медицинское обучение не подходит для современных технологически сложных медицинских процедур.As a rule, students are taught how to perform flexible gastroendoscopy in accordance with the traditional model of medical education, in which students observe and help more experienced doctors. Unfortunately, observation alone cannot provide the necessary training for such complex medical procedures. Students can also perform procedures on animals and human corpses, but neither one nor the other reproduces the visual and tactile sensations that arise when working with a living patient. Thus, traditional medical training is not suitable for modern technologically complex medical procedures.

В попытке обеспечить более реалистичную медицинскую подготовку для выполнения таких процедур были разработаны устройства моделирования, с помощью которых стремятся воспроизвести тактильные ощущения и (или) визуальную обратную связь при выполнении этих процедур, чтобы улучшить медицинскую подготовку, не подвергая опасности пациентов.In an attempt to provide more realistic medical training for performing such procedures, simulation devices have been developed that seek to reproduce tactile sensations and / or visual feedback when performing these procedures in order to improve medical training without endangering patients.

В патенте США №6,857,878 раскрыта система моделирования медицинской процедуры, выполняемой на теле обследуемого, которая содержит моделируемый орган, моделируемый медицинский инструмент и локализатор для определения местоположения инструмента в органе. Система также снабжена визуальным устройством отображения для воспроизведения изображений, получаемых в ходе медицинской процедуры. Визуальное устройство отображения включает также трехмерную математическую модель для моделирования органа, который подразделяется на множество линейных сегментов. Местоположение инструмента в органе используется для выбора сегмента, который, в свою очередь, используется, чтобы выбирать изображения для воспроизведения на визуальном устройстве отображения.US Pat. No. 6,857,878 discloses a system for modeling a medical procedure performed on a subject’s body, which contains a simulated organ, a simulated medical instrument, and a localizer for locating the instrument in the organ. The system is also equipped with a visual display device for reproducing images obtained during the medical procedure. The visual display device also includes a three-dimensional mathematical model for modeling an organ, which is divided into many linear segments. The location of the instrument in the organ is used to select a segment, which, in turn, is used to select images for playback on a visual display device.

Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure

Таким образом, предлагается система для моделирования медицинской процедуры. Система может включать моделируемую анатомическую структуру физического тракта и моделируемый эндоскоп. Система может также включать датчик и локализатор для определения местоположения моделируемого эндоскопа в моделируемой анатомической структуре, визуальное устройство отображения для воспроизведения изображений, получаемых в ходе медицинской процедуры, на основе определенного местоположения эндоскопа, и механизм тактильной обратной связи для обеспечения тактильной обратной связи, прикладываемой к моделируемому эндоскопу. Кроме того, система может включать блок обработки для вычисления данных изображения при создании изображений на основе математической модели моделируемой анатомической структуры и для определения визуальной обратной связи и вычисления тактильной обратной связи в соответствии с определенным местоположением эндоскопа, и интерфейс связи для обмена данными с удаленным сервером.Thus, a system for modeling a medical procedure is proposed. The system may include a simulated anatomical structure of the physical tract and a simulated endoscope. The system may also include a sensor and a localizer for determining the location of the simulated endoscope in the simulated anatomical structure, a visual display device for reproducing images obtained during the medical procedure based on the specific location of the endoscope, and a tactile feedback mechanism to provide tactile feedback applied to the simulated endoscope. In addition, the system may include a processing unit for calculating image data when creating images based on a mathematical model of a simulated anatomical structure and for determining visual feedback and calculating tactile feedback in accordance with the determined location of the endoscope, and a communication interface for exchanging data with the remote server.

Новый технический результат, достигаемый заявленной моделирующей системой, заключается в комбинировании трех ее технических компонентов с обеспечением возможности моделирования медицинских процедур, воспринимающихся пользователем абсолютно реалистичными. Практический эффект состоит в том, что у пользователя появляется возможность приобретать необходимый медицинский опыт в безопасной обстановке, не подвергая опасности обследуемых людей или животных, поскольку благодаря предложенному техническому решению пользователь становится более искусным в проведении разучиваемой медицинской процедуры. Совокупный эффект, обеспечиваемый путем применения в отношении моделируемого органа эндоскопа и путем получения от него тактильной обратной связи, позволяет пользователю накапливать опыт, являющийся абсолютно реалистичным, и поэтому увеличивается эффективность его обучения.A new technical result achieved by the claimed modeling system consists in combining its three technical components with the possibility of modeling medical procedures that are perceived by the user to be absolutely realistic. The practical effect is that the user has the opportunity to gain the necessary medical experience in a safe environment, without endangering the examined people or animals, because thanks to the proposed technical solution, the user becomes more skilled in conducting the learned medical procedure. The combined effect provided by applying an endoscope to the simulated organ and by receiving tactile feedback from it allows the user to accumulate experience that is absolutely realistic, and therefore the effectiveness of his training increases.

Кроме того, в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели моделируемая анатомическая структура может быть помещена в переносной корпус.In addition, in accordance with one embodiment of the utility model, a simulated anatomical structure can be placed in a portable case.

Кроме того, в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели блок обработки данных может быть удален по отношению к моделирующей системе.In addition, in accordance with one embodiment of the utility model, the data processing unit may be deleted with respect to the modeling system.

Кроме того, в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели блок обработки данных может быть расположен на удаленном сервере.In addition, in accordance with one embodiment of the utility model, the data processing unit may be located on a remote server.

В некоторых вариантах осуществления интерфейс связи может быть выполнен с возможностью обмена данными с удаленным сервером по сети.In some embodiments, the communication interface may be configured to communicate with a remote server over a network.

В некоторых вариантах осуществления механизм тактильной обратной связи может включать трубку и шток, который выполнен с возможностью увеличения или уменьшения давления на трубку при помощи электродвигателя.In some embodiments, the tactile feedback mechanism may include a tube and a rod, which is configured to increase or decrease pressure on the tube using an electric motor.

Кроме того, в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели этим электродвигателем может управлять контроллер, выполненный с возможностью обмена данными с блоком обработки данных.In addition, in accordance with one embodiment of the utility model, this motor may be controlled by a controller configured to exchange data with the data processing unit.

Кроме того, в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели моделируемая процедура может включать модуль процедуры оказания неотложной медицинской помощи.In addition, in accordance with one embodiment of the utility model, the simulated procedure may include an emergency medical procedure module.

В некоторых вариантах осуществления модуль процедуры оказания неотложной медицинской помощи может включать моделируемую процедуру, выбираемую из группы, состоящей из таких действий, как извлечение инородного предмета, лечение кровотечения и удаление слизистых пробок.In some embodiments, the emergency medical procedure module may include a simulated procedure selected from the group consisting of actions such as removing a foreign object, treating bleeding, and removing mucous plugs.

Кроме того, в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели модуль процедуры оказания неотложной медицинской помощи может включать моделирование одного или более видов взаимодействий, выбираемых из группы взаимодействий, состоящей из взаимодействия между инородным предметом и окружающей тканью, взаимодействия между инородным предметом и моделируемым инструментом и взаимодействия между инородным предметом и эндоскопом.In addition, in accordance with one embodiment of the utility model, the emergency medical procedure module may include modeling one or more types of interactions selected from the group of interactions consisting of the interaction between a foreign object and surrounding tissue, the interaction between a foreign object and a simulated tool, and interactions between a foreign object and an endoscope.

Кроме того, в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели моделирование взаимодействия инородного предмета и окружающей ткани может включать выполнение при каждом цикле обновления ряда задаваемых пользователем итераций, во время которых скорость, направление и выделенный интервал времени инородного предмета используются для вычисления текущего положения инородного предмета внутри моделируемой анатомической структуры.In addition, in accordance with one embodiment of the utility model, modeling the interaction of a foreign object and surrounding tissue may include performing at each update cycle a series of user-defined iterations during which the speed, direction, and the selected time interval of the foreign object are used to calculate the current position of the foreign object inside the simulated anatomical structure.

Кроме того, в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели при выполнении ряда задаваемых пользователем итераций могут быть выявлены столкновения между инородным предметом и окружающей тканью.In addition, in accordance with one embodiment of the utility model, collisions between a foreign object and surrounding tissue can be detected when performing a series of user-defined iterations.

Кроме того, в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели столкновения могут быть выявлены при проведении испытаний на столкновение по многоугольникам и оптимизации древовидной структуры сфер.In addition, in accordance with one embodiment of a useful collision model, collisions can be identified during collision tests on polygons and optimization of the tree structure of the spheres.

Кроме того, в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели новую скорость и направление инородного предмета можно вычислить на основе сталкивающихся многоугольников, их эластичности и с учетом физических воздействий.In addition, in accordance with one embodiment of the utility model, the new speed and direction of a foreign object can be calculated based on the colliding polygons, their elasticity, and taking into account physical effects.

Кроме того, в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели система может также включать удаленный сервер, на котором расположен блок обработки данных.In addition, in accordance with one embodiment of the utility model, the system may also include a remote server on which the data processing unit is located.

Кроме того, в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели моделируемая анатомическая структура может быть выбрана из группы моделируемых анатомических структур, состоящей из моделируемого желудочно-кишечного тракта и моделируемого бронхиального тракта.In addition, in accordance with one embodiment of the utility model, the simulated anatomical structure may be selected from the group of simulated anatomical structures consisting of a simulated gastrointestinal tract and a simulated bronchial tract.

Кроме того, в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели предусматривается сервер для обработки одной или нескольких имитационных моделей медицинской процедуры. Сервер может включать блок обработки данных, выполненный с возможностью обмена данными с одной или более моделирующими системами, которые включают моделируемый эндоскоп и моделируемую анатомическую структуру физического тракта, при этом блок обработки данных выполнен с возможностью обработки указанных одной или нескольких имитационных моделей медицинской процедуры на основе информации о местоположении, относящейся к местоположению каждого моделируемого эндоскопа в соответствующей моделируемой анатомической структуре каждой из указанных одной или более моделирующих систем.In addition, in accordance with one embodiment of the utility model, a server is provided for processing one or more simulation models of a medical procedure. The server may include a data processing unit configured to exchange data with one or more modeling systems, which include a simulated endoscope and a simulated anatomical structure of the physical tract, while the data processing unit is configured to process these one or more simulation models of a medical procedure based on information about the location related to the location of each simulated endoscope in the corresponding simulated anatomical structure of each of indicated by one or more modeling systems.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

В целях лучшего понимания представленных примеров и оценки возможностей их практического применения описание содержит следующие чертежи, ссылки на которые приводятся далее по тексту. Следует отметить, что чертежи даны только в качестве примера и ни в коей мере не ограничивают объем полезной модели. Для однотипных компонентов используются одинаковые позиционные обозначения.In order to better understand the presented examples and assess the possibilities of their practical application, the description contains the following drawings, the links to which are given later in the text. It should be noted that the drawings are given as an example only and in no way limit the scope of the utility model. For components of the same type, the same reference designators are used.

На ФИГ.1 показан пример изображения системы медицинского моделирования в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели.Figure 1 shows an example image of a medical modeling system in accordance with one embodiment of a utility model.

На ФИГ.2 показан пример изображения экранного дисплея в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели.FIG. 2 shows an example image of a screen display in accordance with one embodiment of the utility model.

На ФИГ.3А показан пример схемы процесса реализации способа в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели для создания визуальной модели моделируемого органа и формирования визуальной обратной связи.FIG. 3A shows an example of a process implementation diagram of a method in accordance with one embodiment of a utility model for creating a visual model of a simulated organ and generating visual feedback.

На ФИГ.3В представлена структурная схема, иллюстрирующая пример системы обработки видеоданных и отображения информации в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели.FIG. 3B is a block diagram illustrating an example of a video processing and information display system in accordance with one embodiment of the utility model.

На ФИГ.4 представлена структурная схема, иллюстрирующая пример обучающей системы в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели.FIG. 4 is a structural diagram illustrating an example of a training system in accordance with one embodiment of a utility model.

На ФИГ.5А и 5В изображен пример моделируемого желудочно-кишечного тракта в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели.FIGS. 5A and 5B show an example of a simulated gastrointestinal tract in accordance with one embodiment of the utility model.

На ФИГ.6А-С иллюстрируются различные аспекты системы силовой обратной связи в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели.FIG. 6A-C illustrates various aspects of a power feedback system in accordance with one embodiment of the utility model.

На ФИГ.7А-С иллюстрируется второй вариант осуществления системы силовой обратной связи в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели.FIG. 7A-C illustrates a second embodiment of a power feedback system in accordance with one embodiment of the utility model.

На ФИГ.8А-8Е показан другой вариант осуществления системы в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели.FIGS. 8A-8E show another embodiment of a system in accordance with one embodiment of a utility model.

На ФИГ.9А-9Е показан инструментальный блок в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели.FIGS. 9A-9E show a tool block in accordance with one embodiment of the utility model.

На ФИГ.10А изображена переносная моделирующая система в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели.FIG. 10A shows a portable modeling system in accordance with one embodiment of the utility model.

На ФИГ.10В изображены некоторые внутренние элементы переносной моделирующей системы в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели.FIG. 10B depicts some of the internal elements of a portable modeling system in accordance with one embodiment of the utility model.

На ФИГ.10С изображен блок силовой обратной связи эндоскопа переносной моделирующей системы в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели.FIG. 10C shows a power feedback unit of an endoscope of a portable modeling system in accordance with one embodiment of the utility model.

На ФИГ.11 изображена система облачного моделирования согласно одному из вариантов осуществления полезной модели.Figure 11 shows a cloud modeling system according to one embodiment of a utility model.

Следует понимать, что в целях простоты и ясности изображения элементы, показанные на рисунках, необязательно должны быть выполнены в масштабе. Например, размеры некоторых элементов могут быть преувеличены по отношению к другим элементам для наглядности. Кроме того, там, где это представляется целесообразным, позиционные обозначения на чертежах могут повторяться, указывая подобные или аналогичные элементы.It should be understood that for the sake of simplicity and clarity of the image, the elements shown in the figures need not be made to scale. For example, the dimensions of some elements may be exaggerated relative to other elements for clarity. In addition, where appropriate, the reference signs in the drawings may be repeated indicating similar or similar elements.

Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation

В следующем подробном описании многочисленные конкретные детали приведены для того, чтобы обеспечить полное понимание способов и устройства. Однако специалистам в данной области будет понятно, что настоящие способы и устройство можно осуществить на практике и без этих конкретных деталей. В других случаях хорошо известные способы, процедуры, компоненты не были подробно описаны, чтобы не затруднять понимание настоящих способов и устройства.In the following detailed description, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the methods and apparatus. However, it will be understood by those skilled in the art that the present methods and apparatus can be practiced without these specific details. In other cases, well-known methods, procedures, components have not been described in detail, so as not to complicate the understanding of the present methods and devices.

Хотя примеры, раскрытые и обсуждаемые в настоящей заявке, в этом отношении не ограничены, термины «множество» или «набор», используемые в тексте, могут включать в себя, например, «несколько» или «два или больше». Термины «множество» или «набор» могут использоваться в данном описании полезной модели, чтобы охарактеризовать два или большее количество компонентов, устройств, элементов, блоков, параметров и т.п. Если это прямо не предусмотрено, примеры осуществления описанного здесь способа не ограничены каким-либо конкретным порядком или последовательностью. Кроме того, некоторые из описанных примеров осуществления способа или их элементов могут возникать или выполняться в один и тот же момент времени.Although the examples disclosed and discussed in the present application are not limited in this regard, the terms “plurality” or “set” as used herein may include, for example, “several” or “two or more”. The terms "plural" or "set" can be used in this description of a utility model to describe two or more components, devices, elements, blocks, parameters, etc. Unless expressly provided, embodiments of the method described herein are not limited to any particular order or sequence. In addition, some of the described examples of the method or its elements can occur or run at the same time.

Если не оговаривается иное, то, как ясно из последующего обсуждения, следует понимать, что во всем тексте описания используемые термины, такие как «добавление», «соединение», «выбор», «оценка», «обработка», «вычисление», «расчет», «определение», «обозначение», «выделение» и им подобные, могут относиться к действиям и (или) процессам, выполняемым компьютером, процессором компьютера, вычислительной системой, или аналогичным электронным вычислительным устройством, которое манипулирует и (или) преобразует данные, представляемые в качестве физических (например, электронных) величин в регистрах и (или) блоках памяти вычислительной системы, в другие данные, аналогичным образом представляемые в качестве физических величин в регистрах и (или) блоках памяти вычислительной системы или на других устройствах для хранения, передачи или отображения информации.Unless otherwise specified, then, as is clear from the discussion that follows, it should be understood that the terms used throughout the description, such as “addition”, “connection”, “choice”, “rating”, “processing”, “calculation”, “Calculation”, “definition”, “designation”, “isolation” and the like, may refer to actions and (or) processes performed by a computer, computer processor, computing system, or similar electronic computing device that manipulates and (or) converts data presented as fi physical (for example, electronic) quantities in registers and (or) memory blocks of a computer system, to other data similarly represented as physical quantities in registers and (or) memory blocks of a computer system or other devices for storing, transmitting or displaying information .

Настоящая полезная модель относится к системе моделирования эндоскопической процедуры, конкретно, гибкой гастроэндоскопической процедуры или гибкой бронхоэндоскопической процедуры. Система может включать манекен, в который вводится моделируемый эндоскоп. Визуальная обратная связь обеспечивается при помощи видеомонитора. В некоторых вариантах осуществления на мониторе в реальном времени отображаются реалистичные изображения в соответствии с манипуляциями, выполняемыми моделируемым эндоскопом. В некоторых вариантах осуществления на мониторе отображается видеоизображение виртуальной реальности.This utility model relates to a system for modeling an endoscopic procedure, specifically, a flexible gastroendoscopic procedure or a flexible bronchoendoscopic procedure. The system may include a dummy into which a simulated endoscope is inserted. Visual feedback is provided using a video monitor. In some embodiments, realistic images are displayed on the monitor in real time in accordance with the manipulations performed by the simulated endoscope. In some embodiments, a virtual reality video image is displayed on a monitor.

Кроме того, в некоторых вариантах осуществления обеспечивается реалистичная тактильная обратная связь таким образом, чтобы тактильный и визуальный виды обратной связи были взаимосвязаны, как это имело бы место в случае живого пациента. В некоторых вариантах осуществления полезной модели предлагается обучающая система для подготовки студентов и проверки их успеваемости. Таким образом, система согласно полезной модели предусматривает реалистичное моделирование медицинской эндоскопической процедуры, а также модулей основных умений и навыков для подготовки и тестирования студентов.In addition, in some embodiments, realistic tactile feedback is provided so that the tactile and visual forms of feedback are interconnected, as would be the case in a living patient. In some embodiments of the utility model, a learning system is proposed for preparing students and checking their progress. Thus, the system according to the utility model provides for realistic modeling of the medical endoscopic procedure, as well as modules of basic skills for preparing and testing students.

Принципы и работа системы в соответствии с полезной моделью для медицинского моделирования и, конкретно, для моделирования медицинской эндоскопической процедуры, предпочтительно включая передачу результатов обучения и оценки умений и навыков студентов преподавателю, или контроль за медицинским персоналом, будут понятнее из следующих чертежей и сопровождающего их описания, при этом следует понимать, что эти чертежи приведены только в целях иллюстрации и не ограничивают объем полезной модели. Кроме того, хотя приведенное ниже описание относится к моделированию желудочно-кишечной системы и системы органов дыхания, следует отметить, что это сделано только в целях ясности и никоим образом не ограничивает объем полезной модели.The principles and operation of the system in accordance with a useful model for medical modeling and, specifically, for modeling a medical endoscopic procedure, preferably including the transfer of training results and assessment of skills of students to a teacher, or control of medical personnel, will be more clear from the following drawings and the accompanying description , it should be understood that these drawings are for illustrative purposes only and do not limit the scope of the utility model. In addition, although the description below refers to the modeling of the gastrointestinal system and the respiratory system, it should be noted that this is done only for the sake of clarity and in no way limits the scope of the utility model.

Обратимся теперь к чертежам. На ФИГ.1 изображена система 10 для медицинского моделирования в соответствии с одним из вариантов осуществления. Система 10 может включать манекен 12, представляющий обследуемого, на теле которого должна выполняться медицинская процедура, моделируемый эндоскоп 14 и блок обработки данных 16 с видеомонитором 18. Студент 20 показан взаимодействующим с системой 10 путем манипулирования моделируемым эндоскопом 14 внутри манекена 12. Как дополнительно показано ниже на ФИГ.5А и 5В, манекен 12 содержит моделируемый орган, в который вводится моделируемый эндоскоп 14. По мере того, как студент 20 манипулирует моделируемым эндоскопом 14, тактильная и визуальная обратная связь определяются в соответствии с положением эндоскопа 14 внутри моделируемого органа (не показан). Визуальная обратная связь предусматривается в виде отображения на видеомониторе 18. Вычисления необходимых данных выполняются блоком обработки 16, чтобы студент 20 получал реалистичную тактильную и визуальную обратную связь 20.We turn now to the drawings. FIG. 1 shows a system 10 for medical modeling in accordance with one embodiment. The system 10 may include a dummy 12 representing the subject, on whose body a medical procedure is to be performed, a simulated endoscope 14 and a data processing unit 16 with a video monitor 18. Student 20 is shown interacting with the system 10 by manipulating the simulated endoscope 14 inside the dummy 12. As is further shown below 5A and 5B, the mannequin 12 contains a simulated organ into which the simulated endoscope 14 is inserted. As the student 20 manipulates the simulated endoscope 14, the tactile and visual reverse with ide determined in accordance with the position of endoscope 14 within the simulated organ (not shown). Visual feedback is provided in the form of a display on the video monitor 18. Calculations of the necessary data are performed by the processing unit 16, so that the student 20 receives a realistic tactile and visual feedback 20.

На ФИГ.2 показан пример изображения экранного дисплея на мониторе 18 в соответствии с одним из вариантов осуществления полезной модели. Экранный дисплей 22 включает графическую обратную связь 24. Графическая обратная связь 24 представляет визуальное изображение, которое можно увидеть, если ввести эндоскоп в тело живого пациента. Графическая обратная связь 24 выполнена с возможностью точного и реалистичного моделирования визуальных данных, которые были бы получены из этой части желудочно-кишечного тракта живого пациента. Хотя графическая обратная связь 24 показана в виде статического изображения, следует понимать, что оно приведено только для целей иллюстрации, и что данные фактической визуальной обратной связи будут принимать вид практически непрерывного потока моделируемых изображений, основанных на фактическом видеопотоке данных, получаемых при помощи фактически осуществляемой эндоскопической процедуры. Таким образом, поток изображений, представляемых графической обратной связью 24, предоставляет студенту (не показан) реалистичную визуальную обратную связь. В другом варианте осуществления визуальная обратная связь представляет собой графическую анимацию, имитирующую реальные изображения, которые были бы получены из этой части желудочно-кишечного тракта живого пациента.Figure 2 shows an example image of the on-screen display on the monitor 18 in accordance with one embodiment of the utility model. The on-screen display 22 includes graphical feedback 24. Graphical feedback 24 is a visual image that can be seen if an endoscope is inserted into the body of a living patient. Graphical feedback 24 is capable of accurate and realistic modeling of visual data that would be obtained from this part of the gastrointestinal tract of a living patient. Although graphical feedback 24 is shown as a static image, it should be understood that it is provided for illustrative purposes only, and that the actual visual feedback data will take the form of an almost continuous stream of simulated images based on the actual video stream of the data obtained by actually performing endoscopic procedures. Thus, the stream of images represented by graphic feedback 24 provides a student (not shown) with realistic visual feedback. In another embodiment, the visual feedback is a graphic animation that mimics real images that would be obtained from this part of the gastrointestinal tract of a living patient.

Кроме того, экранный дисплей 22 предпочтительно включает ряд функций ГИП (графического интерфейса пользователя), связанных с предпочтительными обучающими функциями полезной модели. Например, сопровождающее отображение 26 явно показывает местоположение моделируемого эндоскопа внутри моделируемого желудочно-кишечного тракта. Сопровождающее отображение 26 включает схематический желудочно-кишечный тракт 28, в который введен схематический эндоскоп 30. Сопровождающее отображение 26 можно разрешать или запрещать, чтобы студент мог видеть только сопровождающее отображение 26, если функция сопровождения разрешена.In addition, the on-screen display 22 preferably includes a number of GUI (graphical user interface) functions associated with the preferred training functions of the utility model. For example, the accompanying display 26 clearly shows the location of the simulated endoscope within the simulated gastrointestinal tract. The accompanying display 26 includes a schematic gastrointestinal tract 28 into which the schematic endoscope 30 is inserted. The accompanying display 26 can be enabled or disabled so that the student can only see the accompanying display 26 if the tracking function is enabled.

Кроме того, дополнительные функции экранного дисплея 22 могут включать кнопку «справка» 32, при активации которой на мониторе отображается информация, например, руководство по управлению эндоскопом. Аналогичным образом, кнопка «подсказка» 34 предпочтительно предоставляет студенту одно или несколько предложений о том, как продолжать выполнение медицинской процедуры. При нажатии кнопки «история болезни» 36 на экранном дисплее 22 будет отображаться информация, относящаяся к одному из выбранных вариантов моделируемых «историй болезни», которые могут помочь студенту при определении последующих предпринимаемых действий. При нажатии кнопки «результаты выполнения» 38 на экранный дисплей 22 будет выведен анализ и количественная оценка действий студента. Все или некоторые из этих функций могут представлять собой часть варианта осуществления обучающей системы для подготовки студента к выполнению медицинской эндоскопической процедуры, подробнее представленной на ФИГ.4.In addition, additional functions of the on-screen display 22 may include a help button 32, upon activation of which information is displayed on the monitor, for example, an endoscope control guide. Similarly, the prompt button 34 preferably provides the student with one or more suggestions on how to proceed with the medical procedure. When the “medical history” button 36 is pressed, on-screen display 22 will display information related to one of the selected simulated “medical history” options that can help the student in determining subsequent actions to be taken. When you press the button "results of execution" 38 on-screen display 22 will be displayed analysis and quantitative assessment of student actions. All or some of these functions may constitute part of an embodiment of a training system for preparing a student to perform a medical endoscopic procedure, which is presented in more detail in FIG. 4.

На ФИГ.3А и 3В представлены структурные схемы обработки видеоданных, а также системы и способа отображения информации в соответствии с одним из вариантов осуществления. На ФИГ.3А приведена схема процесса реализации способа обработки и отображения видеоданных в соответствии с одним из вариантов осуществления, служащая в качестве обобщения способа, применяемого системой, которая изображена на ФИГ.3В. Дополнительные сведения, касающиеся конкретных аспектов способа в соответствии с одним из вариантов осуществления, описаны ниже со ссылкой на ФИГ.3В.FIGS. 3A and 3B are structural diagrams of video processing, as well as a system and method for displaying information in accordance with one embodiment. FIG. 3A shows a diagram of a process for implementing a method for processing and displaying video data in accordance with one embodiment, serving as a generalization of the method used by the system shown in FIG. 3B. Additional information regarding specific aspects of the method in accordance with one of the embodiments described below with reference to FIGU.

Способ и система согласно вариантам осуществления предлагают решение ряда проблем в области медицинского моделирования, в частности, моделирования процедуры гастроэндоскопии. Эта процедура включает визуальное отображение внутренней части желудочно-кишечного тракта, такой как толстая кишка. Толстая кишка представляет собой упругое тело с криволинейной структурой. Внутренняя поверхность толстой кишки в целом обладает способностью к деформации, и, более конкретно, является локально деформируемой. Все подобные пространственные деформации могут быть вычислены в соответствии с математической моделью толстой кишки, а затем визуально воспроизведены в реальном времени в целях обеспечения реалистичной визуальной обратной связи для пользователя.The method and system according to the options for implementation offer a solution to a number of problems in the field of medical modeling, in particular, modeling the gastroendoscopy procedure. This procedure involves visualizing the inside of the gastrointestinal tract, such as the colon. The large intestine is an elastic body with a curved structure. The inner surface of the colon as a whole has the ability to deform, and, more specifically, is locally deformable. All such spatial deformations can be calculated according to the mathematical model of the colon, and then visually reproduced in real time in order to provide realistic visual feedback for the user.

На ФИГ.3А показан способ подготовки модели и формирования визуальной обратной связи в соответствии с одним из вариантов осуществления, включая шаги по подготовке компьютеризованной модели толстой кишки, а также шаги по отображению толстой кишки.FIG. 3A shows a method for preparing a model and generating visual feedback in accordance with one embodiment, including steps for preparing a computerized model of the colon, as well as steps for displaying the colon.

На шаге 1 способа, показанного на ФИГ.3А, фактические видеоданные могут записываться на цифровые или аналоговые носители информации в процессе выполнения реальной медицинской эндоскопической процедуры на живом пациенте. Кроме того, такие данные могут также включать данные МРТ - (магнитно-резонансной томографии), ультразвукового и КТ - (компьютерной томографии) сканирования, собранные при помощи процедур, выполняемых на живых пациентах.In step 1 of the method shown in FIG. 3A, actual video data can be recorded on digital or analog storage media in the process of performing a real medical endoscopic procedure on a living patient. In addition, such data may also include MRI (magnetic resonance imaging), ultrasound and CT - (computed tomography) scans collected using procedures performed on living patients.

На шаге 2 отдельные изображения извлекают, например, при помощи устройства для захвата кадров изображения, а затем оцифровывают. На шаге 3 оцифрованные изображения предпочтительно отбирают с учетом ясности и отсутствия визуальных артефактов, а затем сохраняют в базе данных отображения текстур. В некоторых вариантах осуществления качество оцифрованных изображений перед сохранением улучшают. В некоторых вариантах осуществления отображение текстур включает также анимацию. Эта анимация позволяет моделировать различные эффекты, такие как случайные вибрации ткани толстой кишки или эндоскопа, а также такие события, как протекание жидкости в нижнем направлении под действием силы тяжести.In step 2, individual images are extracted, for example, using a device for capturing image frames, and then digitized. In step 3, the digitized images are preferably selected taking into account the clarity and lack of visual artifacts, and then stored in the texture mapping database. In some embodiments, the quality of the digitized images is improved before storage. In some embodiments, texture mapping also includes animation. This animation allows you to simulate various effects, such as random vibrations of colon tissue or an endoscope, as well as events such as fluid flowing in a lower direction by gravity.

На шаге 4 строится трехмерная математическая модель толстой кишки человека. Например, трехмерная математическая модель может представлять собой полигональную модель, такую как сплайн. Эта математическая функция представляет толстую кишку в виде семейства кривых таким образом, что точки в трехмерной структуре толстой кишки отображаются на сплайне. Например, толстая кишка может моделироваться в виде прямой линии, которую деформируют, изменяя сплайн для данной модели до тех пор, пока модель не будет соответствовать данным. Альтернативно, сплайн можно поместить внутрь толстой кишки и отображать на толстую кишку. Множество сплайнов может использоваться, например, для моделирования места соединения желудка с тонким кишечником.At step 4, a three-dimensional mathematical model of the human colon is built. For example, a three-dimensional mathematical model may be a polygonal model, such as a spline. This mathematical function represents the colon as a family of curves so that points in the three-dimensional structure of the colon are displayed on the spline. For example, the colon can be modeled as a straight line that is deformed by changing the spline for a given model until the model matches the data. Alternatively, the spline can be placed inside the colon and displayed on the colon. Many splines can be used, for example, to model the junction of the stomach with the small intestine.

В некоторых вариантах осуществления отображение может быть выполнено в трехмерной системе координат по осям x, y и z. В некоторых вариантах осуществления отображение может быть выполнено в координатах «время, угол и радиус» внутри толстой кишки. Может также применяться комбинация двух различных типов координат, например, время, x и y. И сам сплайн, и отображение сплайна на толстую кишку можно изменять для получения новых, отличающихся визуальных представлений толстой кишки, например, для получения набора теоретических «тестовых вариантов» для изучения студентами. Изменения могут осуществляться, например, в соответствии с данными МРТ (магнитно-резонансной томографии). Кроме того, данные, полученные при помощи процедур МРТ и (или) КТ-сканирования, могут очищаться и подвергаться повторной сборке с целью более точного определения геометрических характеристик моделируемой толстой кишки. В некоторых вариантах осуществления эти процедуры могут выполняться автоматически в соответствии с такими данными. В некоторых вариантах осуществления эти процедуры могут полностью или частично выполняться вручную. Таким образом, математическая модель в соответствии с вариантами осуществления позволяет реализовать быстрое визуальное воспроизведение этих данных на модели толстой кишки.In some embodiments, the mapping may be performed in a three-dimensional coordinate system along the x, y, and z axes. In some embodiments, the display can be made in the coordinates "time, angle and radius" inside the colon. A combination of two different types of coordinates may also be used, for example, time, x and y. Both the spline itself and the display of the spline on the colon can be changed to obtain new, different visual representations of the colon, for example, to obtain a set of theoretical “test options” for students to study. Changes can be made, for example, in accordance with the data of MRI (magnetic resonance imaging). In addition, the data obtained using MRI and (or) CT scans can be cleaned and reassembled to more accurately determine the geometric characteristics of the simulated colon. In some embodiments, these procedures may be performed automatically in accordance with such data. In some embodiments, the implementation of these procedures can be fully or partially performed manually. Thus, the mathematical model in accordance with the options for implementation allows for quick visual reproduction of these data on the model of the colon.

В соответствии с одним из вариантов осуществления можно моделировать саму «петлю» кабеля эндоскопа. Такая петля возникает, когда человек, выполняющий эндоскопическую процедуру, «реальную» или моделируемую, непреднамеренно изменяет направление внутри прямой кишки, поворачивая сам эндоскоп. Такая петля может быть очень опасной для пациента, поэтому было бы целесообразно выявлять ее в ходе моделирования, предупреждая студента о наличии признака неправильного выполнения процедуры, которое и привело к образованию петли.In accordance with one embodiment, the loop itself of the endoscope cable can be modeled. Such a loop occurs when a person performing an endoscopic procedure, “real” or simulated, inadvertently changes direction within the rectum, turning the endoscope itself. Such a loop can be very dangerous for the patient, so it would be advisable to identify it during the simulation, warning the student about the presence of a sign of incorrect procedure, which led to the formation of the loop.

Петлю можно сформировать с помощью сплайна в соответствии с одним из вариантов осуществления и согласовать с силовой обратной связью. Можно определить длину кабеля, который был введен в прямую кишку, а также длину толстой кишки от прямой кишки (точка входа эндоскопа) до текущего положения эндоскопа. Размер прямой кишки вычисляется затем по разности этих двух длин, и петля моделируется в соответствии со сплайном.The loop can be formed using a spline in accordance with one of the options for implementation and coordinate with the power feedback. You can determine the length of the cable that was inserted into the rectum, as well as the length of the colon from the rectum (entry point of the endoscope) to the current position of the endoscope. The size of the rectum is then calculated from the difference of these two lengths, and the loop is modeled according to the spline.

Способ визуального воспроизведения толстой кишки соответствии с одним из вариантов осуществления может включать ряд описанных ниже шагов, которые могут выполняться как команды программы, выполняемой процессором для обработки данных. Способ может включать шаг (шаг 5 на ФИГ.3А) разделения толстой кишки на множество участков. Разделение выполняется линейно, поскольку пространственное перемещение моделируемого эндоскопа может быть ограниченным. Иными словами, моделируемый эндоскоп не может «перепрыгивать» от одного участка толстой кишки к другому, а должен вместо этого линейно перемещаться вдоль моделируемой толстой кишки.A method for visually reproducing a colon in accordance with one embodiment may include a series of steps described below, which may be executed as instructions to a program executed by a processor for processing data. The method may include a step (step 5 in FIG. 3A) of dividing the colon into multiple sections. Separation is linear, since the spatial movement of the simulated endoscope may be limited. In other words, the simulated endoscope cannot "jump" from one section of the colon to another, but should instead move linearly along the simulated colon.

Вследствие такого разделения в любой данный момент времени необходимо обрабатывать только один сегмент, хотя при наличии необходимых вычислительных ресурсов множество сегментов можно было бы обрабатывать практически одновременно. Кроме того, разделение сводит обработку видеоданных к выполнению значительно более управляемой задачи, поскольку данная модель может в некоторых случаях включать тысячи многоугольников в предпочтительном варианте осуществления, хотя в каждом сегменте количество многоугольников намного меньше.Due to this separation, only one segment needs to be processed at any given time, although if the necessary computing resources were available, many segments could be processed almost simultaneously. In addition, the separation reduces the processing of video data to a much more manageable task, since this model may in some cases include thousands of polygons in the preferred embodiment, although the number of polygons in each segment is much smaller.

Кроме того, только те участки, которые находятся на линии прямой видимости моделируемой камеры, и, вследствие этого, либо являются непосредственно видимыми, либо скоро станут видимыми, выбирают для визуального воспроизведения, чтобы уменьшить объем вычислений, необходимых для воспроизведения. Количество участков, которые будут визуально воспроизводиться, нельзя определить заранее, поскольку их количество на линии видимости может быть различным при определенных обстоятельствах. Например, когда камера перемещается вокруг изгиба толстой кишки, линия видимости камеры очень короткая, так, что при этом должно воспроизводиться относительно меньшее количество участков, или участки меньшего размера.In addition, only those areas that are on the line of sight of the simulated camera, and, as a result, are either directly visible or will soon become visible, are selected for visual reproduction in order to reduce the amount of computation required for reproduction. The number of sections that will be visually reproduced cannot be determined in advance, since their number on the line of sight may be different under certain circumstances. For example, when the camera moves around the bend of the colon, the line of sight of the camera is very short, so that a relatively smaller number of sections, or sections of a smaller size, should be reproduced.

Затем, на шаге 6, определяются визуальные атрибуты зоны толстой кишки, которая сканируется моделируемой камерой. Эти визуальные атрибуты могут определяться в соответствии с рядом факторов, включая, например, местоположение дистального конца эндоскопа, где расположена камера, и направление, в котором обращена камера. Другие факторы могут включать форму моделируемой толстой кишки и историю перемещения камеры внутри толстой кишки. С учетом этого последнего фактора предшествующие перемещения эндоскопа внутри толстой кишки, определяемые действиями студента, оказывают значительное влияние на зону толстой кишки, которая визуализируется камерой в любой данный момент времени. Например, если студент вызвал образование петли, неправильно действуя эндоскопом, как описано выше, эту «петлю» можно правильно моделировать только принимая во внимание историю перемещений при определении визуальной обратной связи.Then, in step 6, the visual attributes of the colon area that is being scanned by the simulated camera are determined. These visual attributes can be determined according to a number of factors, including, for example, the location of the distal end of the endoscope where the camera is located and the direction in which the camera is facing. Other factors may include the shape of the simulated colon and the history of camera movement within the colon. With this last factor in mind, previous movements of the endoscope inside the colon, determined by the student’s actions, have a significant effect on the area of the colon that the camera visualizes at any given time. For example, if a student caused a loop to form by acting improperly with an endoscope, as described above, this “loop” can be correctly modeled only by taking into account the history of movements when determining visual feedback.

На шаге 7 выполняется анализ местной деформации по меньшей мере одного из этих участков, чтобы определить, воздействует ли такая деформация на сам сплайн. После этого отображаемые координаты быстро преобразуются из системы «время, угол и радиус» в систему x, y и z. Затем, на шаге 8 местную деформацию ткани толстой кишки определяют путем интерполирования радиуса, чтобы определить степень такой деформации. Поскольку время, угол и радиус могут не обеспечить достаточной информации для выполнения этого вычисления, объем толстой кишки дополнительно изменяют в соответствии с математической моделью.In step 7, an analysis of the local deformation of at least one of these sections is performed to determine whether such deformation affects the spline itself. After that, the displayed coordinates are quickly converted from the system “time, angle and radius” to the system x, y and z. Then, in step 8, the local deformation of the colon tissue is determined by interpolating the radius to determine the degree of such deformation. Since time, angle, and radius may not provide enough information to perform this calculation, the volume of the colon is further altered in accordance with the mathematical model.

Для деформаций исключительно в местном масштабе, таком как точка контакта между концом эндоскопического прибора и толстой кишкой при небольшой величине усилия со стороны прибора, уровень детализации в этой зоне можно увеличить за счет добавления дополнительных многоугольников к выполняемым на модели вычислениям, чтобы растянуть все или большинство точек в прилегающей зоне без искажения. Растяжение может выполняться в соответствии с заданной функцией, которая позволяет изменять сплайновую модель в местном масштабе.For deformations exclusively on a local scale, such as the point of contact between the end of the endoscopic instrument and the colon with a small amount of effort on the part of the instrument, the level of detail in this zone can be increased by adding additional polygons to the calculations performed on the model to stretch all or most points in the adjacent area without distortion. Stretching can be performed in accordance with a given function, which allows you to change the spline model locally.

Этот способ моделирования «растяжения» толстой кишки можно также использовать для моделирования местных зон нерегулярности, таких как полип. Полипы могут по точкам отображаться на модель толстой кишки, тем самым корректируя визуальное представление ткани, чтобы включить в модель и сам полип, и структурные изменения ткани, связанные с этим полипом.This method of modeling the "stretching" of the colon can also be used to model local areas of irregularity, such as a polyp. Polyps can be mapped onto the model of the colon by points, thereby adjusting the visual representation of the tissue to include both the polyp itself and the structural changes in the tissue associated with this polyp.

Затем, на шаге 9, различные типы данных, которые были описаны выше, используются для фактического преобразования визуальных данных в изображение толстой кишки. Первоначально отображение таких данных на модель в некоторых случаях предпочтительно предусматривает небольшие корректировки, выполняемые вручную программистом. Альтернативно, такое отображение может полностью осуществляться в автоматическом режиме.Then, in step 9, the various types of data that were described above are used to actually convert the visual data into an image of the colon. The initial mapping of such data to a model in some cases preferably involves minor adjustments made manually by the programmer. Alternatively, such a display may be fully automatic.

На шаге 10 отображение текстур из базы данных накладывается на фрагмент модели. Такое отображение текстур может включать оцифрованные изображения и дополнительную анимацию. На шаге 11 итоговые изображения воспроизводятся на мониторе. Как уже отмечалось, изображения могут выводиться на монитор в виде непрерывного потока в соответствии с местоположением моделируемого эндоскопа внутри моделируемого желудочно-кишечного тракта. Кроме того, как отмечалось выше, такое отображение координат предпочтительно выполняется в соответствии с математической моделью толстой кишки, например, сплайном.At step 10, the texture mapping from the database is superimposed on the model fragment. This texture mapping may include digitized images and additional animation. In step 11, the resulting images are displayed on the monitor. As already noted, images can be displayed on the monitor as a continuous stream in accordance with the location of the simulated endoscope inside the simulated gastrointestinal tract. In addition, as noted above, such a mapping of coordinates is preferably performed in accordance with a mathematical model of the colon, for example, a spline.

На ФИГ.3В система обработки видеоданных и отображения информации в соответствии с одним из вариантов осуществления показана более подробно. Система 40 обработки видеоданных и отображения информации может включать экранный дисплей 22 для отображения обработанных видеоданных. Видеоданные могут быть сформированы следующим образом. Прежде всего, данные могут записываться на видеоленту при помощи реальных гастроэндоскопических процедур, как показано в блоке записи 42. Эти данные можно собирать и хранить в аналоговом формате, например, таком как видеоформат S-VHS, или цифровом формате, таком как, например, поток видеоданных в формате HD, чтобы получить высококачественное представление визуальных изображений, отображаемых на экране в ходе реальной эндоскопической процедуры, как показано в блоке 44. Затем по меньшей мере часть кадров видеопотока, или все кадры извлекают индивидуально при помощи устройства 46 для захвата кадров изображения, чтобы сформировать оцифрованные изображения, если они не были получены в цифровой форме. После этого отдельные оцифрованные изображения могут быть отобраны с учетом ясности и отсутствия визуальных артефактов, таких как отражения от самой эндоскопической аппаратуры. Далее, изображения в отобранных кадрах могут быть улучшены и добавлены в базу данных отображения текстур 48.FIG. 3B, a video processing and information display system in accordance with one embodiment is shown in more detail. The video processing and information display system 40 may include an on-screen display 22 for displaying processed video data. Video data may be formed as follows. First of all, the data can be recorded on a video tape using real gastroendoscopic procedures, as shown in the recording unit 42. This data can be collected and stored in an analog format, for example, such as S-VHS video format, or in a digital format, such as, for example, a stream HD video data to obtain a high-quality representation of the visual images displayed on the screen during the actual endoscopic procedure, as shown in block 44. Then at least a portion of the frames of the video stream, or all frames, are extracted indie visually using the device 46 for capturing image frames to form digitized images, if they were not obtained in digital form. After that, individual digitized images can be selected taking into account the clarity and lack of visual artifacts, such as reflections from the endoscopic equipment itself. Further, the images in the selected frames can be enhanced and added to the texture mapping database 48.

В базе данных могут храниться два типа отображения текстур. Первый тип отображения текстур предназначен для усиления реалистичных визуальных аспектов изображений, например, путем удаления визуальных артефактов. Второй тип отображения текстур предназначен для моделирования поведения живого органа и реального эндоскопа, как представлено блоком 50. В ходе реальных эндоскопических процедур на живом пациенте ткань толстой кишки немного смещается, и сам эндоскоп вибрирует и покачивается. Это смещение моделируется визуально, путем добавления случайной анимации изображений, а также путем добавления таких эффектов, как протекание жидкости в нижнем направлении под действием силы тяжести. Такая анимация усиливает реалистический характер визуального представления толстой кишки.The database can store two types of texture mapping. The first type of texture display is designed to enhance the realistic visual aspects of images, for example, by removing visual artifacts. The second type of texture mapping is designed to simulate the behavior of a living organ and a real endoscope, as represented by block 50. During real endoscopic procedures on a living patient, the colon tissue shifts slightly, and the endoscope itself vibrates and sways. This displacement is modeled visually by adding random animation of images, as well as by adding effects such as fluid flowing in a lower direction under the influence of gravity. Such an animation enhances the realistic nature of the visual presentation of the colon.

Чтобы усовершенствованные изображения правильно отображались на дисплее, они должны соответствовать манипуляции и местоположению моделируемого эндоскопа внутри моделируемой толстой кишки. В частности, отображение текстур изображений выполняется в соответствии с местоположением эндоскопа внутри толстой кишки. Такое соответствие между местоположением эндоскопа внутри толстой кишки и отображением текстур обеспечивается процессором отображения текстур 52. После этого данные и отображения текстур становятся легко доступными для дисплейной части визуальной системы 40, как показано блоком 54.In order for advanced images to display correctly, they must correspond to the manipulation and location of the simulated endoscope inside the simulated colon. In particular, image texture mapping is performed in accordance with the location of the endoscope within the colon. Such a correspondence between the location of the endoscope inside the colon and the texture mapping is provided by the texture mapping processor 52. After that, the data and texture mappings become easily accessible to the display portion of the visual system 40, as shown by block 54.

Однако простое воспроизведение выбранных усовершенствованных кадров в массовом видеопотоке может быстро привести к переполнению вычислительных ресурсов и вызвать потерю синхронизации визуального отображения относительно физического местоположения моделируемого эндоскопа. Кроме того, такой видеопоток может не позволить выполнять правильное отображение изображений в соответствии с перемещением эндоскопа, которое предпочтительно имеет шесть степеней свободы. Таким образом, простого воспроизведения недостаточно, чтобы обеспечить реалистичные изображения, даже при отображении на трехмерную поверхность.However, the simple reproduction of selected advanced frames in a mass video stream can quickly lead to an overflow of computing resources and cause a loss in synchronization of visual display relative to the physical location of the simulated endoscope. In addition, such a video stream may not allow the correct display of images in accordance with the movement of the endoscope, which preferably has six degrees of freedom. Thus, simple reproduction is not enough to provide realistic images, even when displayed on a three-dimensional surface.

Система 40 обработки видеоданных и отображения информации может включать трехмерную математическую модель по меньшей мере части желудочно-кишечного тракта 56, например, такую как представлена на ФИГ.3А. Хотя модель 56 описана в настоящей заявке как трехмерная модель толстой кишки, следует понимать, что она никоим образом не ограничивает объем полезной модели. Модель 56 может включать множество сегментов 58 и даже многократных сегментов.The video data processing and information display system 40 may include a three-dimensional mathematical model of at least part of the gastrointestinal tract 56, for example, such as that shown in FIG. 3A. Although model 56 is described in this application as a three-dimensional model of the colon, it should be understood that it in no way limits the scope of the utility model. Model 56 may include multiple segments 58 and even multiple segments.

При перемещении моделируемого эндоскопа вдоль моделируемой толстой кишки местоположение эндоскопа определяется локализатором 60, более подробно описанным ниже. Локализатор 60 дает затем загрузчику объектов 62 команду загрузить соответствующий сегмент 58 для получения доступа визуальной системой 40, как показано в блоке 54 и описано выше. В показанном варианте осуществления три сегмента 58 готовы для доступа со стороны загрузчика объектов 62 в любой данный момент времени. Конкретный сегмент 58, в котором в данное время находится эндоскоп, может сохраняться в блоке памяти DRAM (динамической памяти с произвольным доступом) или RAM (памяти с произвольным доступом) в сочетании с отображением текстур, описанным выше. Следующий сегмент 58 и предыдущий сегмент 58 также могут храниться в легко доступном месте, хотя необязательно в RAM или DRAM.When you move the simulated endoscope along the simulated colon, the location of the endoscope is determined by the localizer 60, described in more detail below. The localizer 60 then instructs the object loader 62 to load the corresponding segment 58 for access by the visual system 40, as shown in block 54 and described above. In the shown embodiment, the three segments 58 are ready for access from the loader of the objects 62 at any given time. The particular segment 58 in which the endoscope is currently located may be stored in a DRAM (random access dynamic memory) or RAM (random access memory) memory unit in combination with the texture mapping described above. The next segment 58 and the previous segment 58 can also be stored in an easily accessible place, although not necessarily in RAM or DRAM.

Отображение каждого изображения из конкретного сегмента 58, в который был введен моделируемый эндоскоп, может быть оптимизировано при помощи оптимизатора сегментов 64. Оптимизатор сегментов 64 принимает информацию от локализатора 60, а также ряд изображений, полученных путем наложения отображения текстур на соответствующий сегмент 58, а затем передает каждое конкретное изображение экранному менеджеру 66 для отображения на экранном дисплее 22.The display of each image from a particular segment 58 into which the simulated endoscope was inserted can be optimized using the segment optimizer 64. The segment optimizer 64 receives information from the localizer 60, as well as a series of images obtained by superimposing the texture mapping on the corresponding segment 58, and then transmits each particular image to the screen manager 66 for display on the screen display 22.

Кроме того, экранный менеджер 66 может работать при поддержке визуализатора в режиме реального времени 68, например, реализованного в программе Direct 3Dтм (компания Microsoft Inc., Сиэтл, штат Вашингтон). Визуализатор в режиме реального времени 68 обеспечивает необходимую программную поддержку при обмене данными с графическим адаптером 70 в целях фактического отображения изображений на экранном дисплее 22. Может применяться любой подходящий вариант графического адаптера 70, например, для обеспечения оптимальной работы графический адаптер 70 может иметь память VRAM (ОЗУ для видеоизображений) объемом по меньшей мере 8 или по меньшей мере 16 Мб. Примером подходящего графического адаптера 70 служит видеокарта NVidia GEforce 660. Рабочие характеристики визуализатора в режиме реального времени 68 могут быть улучшены за счет оптимизатора математических выражений 72, например, реализованного в Visual C++. Взаимодействие между оптимизатором сегментов 64 и экранным менеджером 66 с одной стороны, и локализатором 60 с другой может быть обеспечено при помощи программного интерфейса 74. Программный интерфейс 74 позволяет локализатору 60 обмениваться данными с другими компонентами визуальной системы 40 в целях получения информации, касающейся местоположения эндоскопа внутри моделируемой анатомической структуры.In addition, the screen manager 66 can work with the support of a real-time visualizer 68, for example, implemented in the Direct 3D tm program (Microsoft Inc., Seattle, WA). The real-time visualizer 68 provides the necessary software support for exchanging data with the graphics adapter 70 in order to actually display the images on the screen display 22. Any suitable version of the graphics adapter 70 may be used, for example, to ensure optimal performance, the graphics adapter 70 may have VRAM ( RAM for video images) of at least 8 or at least 16 MB. An example of a suitable graphics adapter 70 is the NVidia GEforce 660 graphics card. The real-time performance of the visualizer 68 can be improved by the mathematical expressions optimizer 72, for example, implemented in Visual C ++. The interaction between the segment optimizer 64 and the screen manager 66 on the one hand and the localizer 60 on the other can be achieved using the program interface 74. The program interface 74 allows the localizer 60 to exchange data with other components of the visual system 40 in order to obtain information regarding the location of the endoscope inside simulated anatomical structure.

В вариантах осуществления локализатор 60 может включать датчик 76, например, производства компании Ascension Technology Corp. Датчик 76 воспринимает информацию о местоположении изнутри моделируемого органа 77, который описан в настоящей заявке в виде толстой кишки в целях обсуждения и не является ограничивающим. Управление датчиком 76 осуществляет блок управления 82. Информация о местоположении передается устройству управления 78, которое подключено к серводвигателю 80 (например, производства компании Haydon Switch and Instrument Co.). По мере перемещения моделируемого эндоскопа по толстой кишке эндоскоп соприкасается с различными участками толстой кишки (не показана; см. ФИГ.5 и 6 ниже). Тактильная обратная связь может поочередно обеспечиваться каждым серводвигателем 80, который манипулирует материалом толстой кишки.In embodiments, the localizer 60 may include a sensor 76, for example, manufactured by Ascension Technology Corp. The sensor 76 senses location information from within the simulated organ 77, which is described as a colon in this application for discussion purposes and is not limiting. The sensor 76 is controlled by the control unit 82. The location information is transmitted to the control device 78, which is connected to the servomotor 80 (for example, manufactured by Haydon Switch and Instrument Co.). As the simulated endoscope moves through the colon, the endoscope comes into contact with various parts of the colon (not shown; see FIGS. 5 and 6 below). Tactile feedback may be provided alternately by each servomotor 80 that manipulates the colon material.

Визуальная система 40 может также включать пользовательский интерфейс 84, например, реализованный в Visual C++ или Flash. Пользовательский интерфейс 84 включает функции ГИП, описанные ранее со ссылкой на ФИГ.2. Кроме того, пользовательский интерфейс 84 может обеспечивать возможность взаимодействия визуальной системы 40 с сетевым интерфейсом 86, например, чтобы другие студенты могли просматривать экранный дисплей 22 по сети. Пользовательский интерфейс 84 может также разрешать активацию обучающих функций по меньшей мере одного, или нескольких учебных модулей 88. Учебный модуль 88 может включать конкретный сценарий, например, обследуемый, страдающий раком толстой кишки, извлечение инородного предмета из дыхательных путей при бронхиальной астме, так, чтобы представить студенту различные типы диагностических и медицинских проблем. При этом ожидается, что студент правильно отреагирует на представленный сценарий.The visual system 40 may also include a user interface 84, for example, implemented in Visual C ++ or Flash. User interface 84 includes GUI functions described previously with reference to FIG. 2. In addition, the user interface 84 may allow the visual system 40 to interact with the network interface 86, for example, so that other students can view the on-screen display 22 over the network. User interface 84 may also enable the activation of learning functions of at least one or more training modules 88. Training module 88 may include a specific scenario, for example, a subject suffering from colon cancer, removing a foreign object from the respiratory tract in bronchial asthma, so that introduce the student to various types of diagnostic and medical problems. It is expected that the student will correctly respond to the presented scenario.

Пример обучающей системы более подробно иллюстрируется на структурной схеме, представленной на ФИГ.4. Обучающая система 90 запускается, как показано в блоке 92. Затем пользователь получает приглашение указать, требуется ли фактическое взаимодействие с моделируемым эндоскопом, или пользователь предпочитает пройти обучение теории эндоскопии, как показано в блоке 94. Затем на экран выводится вопрос, является ли пользователь новичком, как показано в блоке 96. Если ответ «да», пользователю предлагается ввести определенную информацию, как показано блоком 98. Если ответ «нет», пользователю предлагается ввести идентификационную информацию, такую как имя или идентификационный номер пользователя, как показано блоком 100.An example of a training system is illustrated in more detail in the structural diagram presented in FIG. 4. The training system 90 starts up, as shown in block 92. Then the user is prompted to indicate whether the actual interaction with the simulated endoscope is required, or the user prefers to be trained in the theory of endoscopy, as shown in block 94. The screen then asks if the user is a newbie, as shown in block 96. If the answer is yes, the user is prompted to enter certain information, as shown in block 98. If the answer is no, the user is prompted to enter identification information such as to the name or user ID as shown by block 100.

После этого пользователь получает приглашение выбрать тип обучения. Например, пользователь может выбрать обучение по темам 102, обучение на основе процедур 104, или обучение на основе описания единичных случаев 106. Обучение по темам 102 может включать, например, такие темы, как основные манипуляции эндоскопом, биопсия и полипэктомия. Обучение по темам 102 может включать экранную поддержку, как показано в блоке 108.After that, the user is invited to choose the type of training. For example, the user may choose training on topics 102, training on the basis of procedures 104, or training based on the description of single cases 106. Training on topics 102 may include, for example, topics such as basic endoscope manipulation, biopsy, and polypectomy. Topics training 102 may include screen support, as shown in block 108.

Обучение на основе описания единичных случаев 106 можно выбрать, например, в соответствием с номером случая и требуемым уровнем профессиональной квалификации, например, «начинающий», «средний», «специалист». Отдельные описания случаев могут быть созданы преподавателем или профессором путем комбинирования характеристик различных сохраняемых описаний случаев. Например, профессор может создать историю болезни, подходящую для 20-летнего мужчины, страдающего колитом, чтобы студент смог в дальнейшем отрабатывать эндоскопическую процедуру на таком пациенте. Другой вариант может состоять в том, что преподаватель создает и назначает учебную программу, которая может включать, в дополнение к выбранным моделируемым случаям, инструктивный учебный материал в письменном, аудио- или видеоформате. Учебная программа может генерироваться пользователем или предоставляться профессиональным сообществом и утверждаться с использованием общих образовательных стандартов. Таким образом, обучающая система 90 предпочтительно обладает гибкостью, позволяющей изучать много различных типов пациентов.Training based on the description of single cases 106 can be selected, for example, in accordance with the case number and the required level of professional qualification, for example, "beginner", "intermediate", "specialist". Separate case descriptions can be created by the teacher or professor by combining the characteristics of the various stored case descriptions. For example, a professor can create a case history suitable for a 20-year-old man suffering from colitis so that a student can further develop an endoscopic procedure on such a patient. Another option may be that the teacher creates and assigns a curriculum, which may include, in addition to the selected simulated cases, instructional training material in written, audio or video format. The curriculum can be user generated or provided by the professional community and approved using common educational standards. Thus, the training system 90 preferably has the flexibility to study many different types of patients.

При необходимости экранную поддержку можно обеспечить как для обучения на основе анализа единичных случаев 106, так и для обучения на основе процедур 104, как показано в блоке 110. Если экранная поддержка не нужна, пользователь может указать, является ли сеанс обучения официальным испытанием, как показано в блоке 112. Таким образом, обучающая система 90 может включать как возможность обучения, так и проверки знаний студентов.If necessary, screen support can be provided both for training based on the analysis of individual cases 106 and for training based on procedures 104, as shown in block 110. If screen support is not needed, the user can indicate whether the training session is an official test, as shown in block 112. Thus, the training system 90 may include both the possibility of learning and testing students' knowledge.

Согласно одному из вариантов осуществления обучающая система может включать упрощенную версию моделируемого эндоскопического процесса, которая позволяет обучать правильному манипулированию эндоскопом в соответствии с визуальной обратной связью и дает студенту возможность понять соответствие между визуальной и тактильной обратной связью. В такой упрощенной версии особо отмечалось бы качество выполнения и степень овладения одной или несколькими конкретными задачами, такими как манипулирование эндоскопом внутри толстой кишки.According to one embodiment, the training system may include a simplified version of a simulated endoscopic process that allows you to teach the correct manipulation of the endoscope in accordance with visual feedback and allows the student to understand the correspondence between visual and tactile feedback. In such a simplified version, the quality of execution and the degree of mastery of one or more specific tasks, such as manipulating the endoscope inside the colon, would be especially noted.

В самом деле, этот вариант осуществления может быть обобщен на создание способа обучения студента конкретным навыкам, необходимым для выполнения реальной медицинской процедуры. Этот способ может включать шаг извлечения части визуальной обратной связи реальной медицинской процедуры, которая предпочтительно включала бы меньшее количество визуальных деталей, чем вся визуальная обратная связь, полученная при выполнении медицинской процедуры. Эта часть визуальной обратной связи предпочтительно позволит студенту изучить движение инструмента в качестве необходимого навыка.In fact, this embodiment can be generalized to create a way of teaching a student the specific skills necessary to perform a real medical procedure. This method may include the step of extracting a portion of the visual feedback of the actual medical procedure, which would preferably include fewer visual details than all the visual feedback obtained during the medical procedure. This part of the visual feedback will preferably allow the student to study the movement of the instrument as a necessary skill.

Например, упрощенная версия может в некоторых случаях не содержать многих, или даже большинства визуальных деталей толстой кишки в виде визуальной обратной связи. Вместо этого, толстая кишка может быть представлена в виде гладкой, относительно лишенной характерных черт трубки, имеющей геометрию и размеры толстой кишки, чтобы обеспечить соответствие с перемещением моделируемого эндоскопа по внутреннему пространству толстой кишки. Более предпочтительно, упрощенная версия могла бы быть реализована в виде игры, в которой студенты набирали бы очки за правильное манипулирование эндоскопом и теряли очки в случае неправильных манипуляций. Таким образом, студенты получили бы возможность изучать манипуляции, необходимые для успешного выполнения эндоскопии, не отвлекаясь на визуальные детали, находясь в не требующей большого напряжения и даже «развлекательной» среде.For example, a simplified version may in some cases not contain many, or even most of the visual details of the colon in the form of visual feedback. Instead, the colon can be presented in the form of a smooth, relatively devoid of characteristic features tube having the geometry and dimensions of the colon to ensure consistency with the movement of the simulated endoscope in the interior of the colon. More preferably, the simplified version could be implemented as a game in which students would score points for the correct manipulation of the endoscope and lose points in the event of incorrect manipulations. Thus, students would have the opportunity to study the manipulations necessary for the successful implementation of endoscopy, without being distracted by visual details, being in a low-voltage and even “entertaining” environment.

На ФИГ.5А и 5В изображены механические аспекты моделируемого желудочно-кишечного тракта в соответствии с одним из вариантов осуществления. На ФИГ.5А показан вид в разрезе манекена 114. Манекен 114 может иметь около одного метра в ширину, что примерно соответствует размерам реального пациента. Моделируемая анатомическая структура 116 (например, желудочно-кишечный тракт) показана внутри манекена 114. В целях упрощения моделируемая анатомическая структура 116 включает только толстую кишку, при этом следует понимать, что это никоим образом не ограничивает объем полезной модели. Моделируемая анатомическая структура 116 соединена с передатчиком 118 и устройством обработки сигналов 120, также помещенными внутри манекена 114. Как показано на рисунке, моделируемый эндоскоп 122 можно ввести внутрь манекена 114 через отверстие 124. В этом случае, поскольку выполняется моделирование эндоскопии толстой кишки обследуемого, отверстие 124 моделирует прямую кишку обследуемого.FIGS. 5A and 5B depict mechanical aspects of a simulated gastrointestinal tract in accordance with one embodiment. FIG. 5A shows a sectional view of a mannequin 114. The mannequin 114 may be about one meter wide, which approximately corresponds to the size of a real patient. The simulated anatomical structure 116 (eg, the gastrointestinal tract) is shown inside the dummy 114. For simplicity, the simulated anatomical structure 116 includes only the colon, it should be understood that this in no way limits the scope of the utility model. The simulated anatomical structure 116 is connected to the transmitter 118 and the signal processing device 120, also placed inside the dummy 114. As shown in the figure, the simulated endoscope 122 can be inserted inside the dummy 114 through the hole 124. In this case, since the endoscopy of the colon is being examined, the hole 124 models the rectum of the subject.

Моделируемый эндоскоп 122 можно перемещать влево, вправо, вверх и вниз, вперед и назад в границах моделируемой анатомической структуры. В одном из вариантов осуществления моделируемый эндоскоп 122 имеет в длину около 180 см, или около 60 см в случае моделируемого бронхоскопа, аналогично длине реального эндоскопа. Диаметры конца моделируемого эндоскопа 122 или остальной его части аналогичны размерам реальных эндоскопов, используемым при моделировании (таких как колоноскоп, бронхоскоп, гастроскоп и дуоденоскоп).The simulated endoscope 122 can be moved left, right, up and down, forward and backward within the boundaries of the simulated anatomical structure. In one embodiment, the simulated endoscope 122 is about 180 cm long, or about 60 cm in the case of a simulated bronchoscope, similar to the length of a real endoscope. The diameters of the end of the simulated endoscope 122 or the rest of it are similar to the sizes of real endoscopes used in the simulation (such as a colonoscope, bronchoscope, gastroscope and duodenoscope).

После того, как моделируемый эндоскоп 122 введен в моделируемую анатомическую структуру 116, датчик 76 на конце моделируемого эндоскопа 122 позволяет определять местоположение моделируемого эндоскопа 122. Датчик 76 предпочтительно имеет по меньшей мере три степени свободы, однако в некоторых вариантах осуществления он обладает шестью степенями свободы в целях эффективного моделирования манипулированием эндоскопом 122. Если датчик 76 имеет шесть степеней свободы, определяемые направления ориентации включают прямоугольные декартовы координаты X, Y, Z, а также поворот вокруг продольной оси, угла места и азимут. Кроме того, датчик 76 может включать сенсорный передатчик 126, позволяющий определять точный угол и местоположение датчика 76 относительно анатомической структуры 116. Сенсорный передатчик 126 передает данные устройству обработки сигналов 120, которое затем анализирует и обрабатывает сигнал. После этого обработанный сигнал поступает на передатчик 118 для передачи на электронный блок 128 и блок привода постоянного тока 130. Сигнал преобразуется блоком привода постоянного тока 130 и направляется на электронный блок 128. Затем электронный блок 128 посылает данные о положении и ориентации датчика 76 программному интерфейсу 74, чтобы оставшаяся часть системы отображения могла использовать эту информацию для отображения правильных изображений на экранном дисплее 22 для создания визуальной обратной связи.After the simulated endoscope 122 is inserted into the simulated anatomical structure 116, the sensor 76 at the end of the simulated endoscope 122 allows you to determine the location of the simulated endoscope 122. The sensor 76 preferably has at least three degrees of freedom, but in some embodiments it has six degrees of freedom in for the purpose of efficient modeling by manipulating the endoscope 122. If the sensor 76 has six degrees of freedom, the determined orientation directions include rectangular Cartesian coordinates X, Y, Z, as well as rotation around the longitudinal axis, elevation and azimuth. In addition, the sensor 76 may include a sensor transmitter 126, which allows you to determine the exact angle and location of the sensor 76 relative to the anatomical structure 116. The sensor transmitter 126 transmits data to the signal processing device 120, which then analyzes and processes the signal. After that, the processed signal is transmitted to the transmitter 118 for transmission to the electronic unit 128 and the DC drive unit 130. The signal is converted by the DC drive unit 130 and sent to the electronic unit 128. Then, the electronic unit 128 sends the position and orientation of the sensor 76 to the program interface 74 so that the rest of the display system can use this information to display the correct images on the on-screen display 22 to create visual feedback.

Варианты осуществления обеспечивают как визуальную, так и тактильную обратную связь. Тактильную обратную связь можно обеспечить путем приложения усилий к моделируемому эндоскопу 122 со стороны моделируемой анатомической структуры 116, как показано на ФИГ.6А-6С. Альтернативно, тактильную обратную связь можно обеспечить при помощи механического воздействия моделируемого эндоскопа 122, как показано на ФИГ.7A-7D. В одном из вариантов осуществления, в котором тактильная обратная связь обеспечивается путем приложения усилий к моделируемому эндоскопу 122, моделируемая анатомическая структура 116 может быть выполнена из полуэластичного материала, который дает ощущение гладкой и влажной поверхности. Реальные ощущения скольжения вдоль полуэластичного, гладкого и влажного материала могут также быть обеспечены при помощи механизма самого эндоскопа 122, как в случае с тактильной обратной связью, обеспечиваемой механическим воздействием моделируемого эндоскопа 122.Embodiments provide both visual and tactile feedback. Tactile feedback can be achieved by applying efforts to the simulated endoscope 122 from the side of the simulated anatomical structure 116, as shown in FIG.6A-6C. Alternatively, tactile feedback can be achieved by mechanically acting on the simulated endoscope 122, as shown in FIGS. 7A-7D. In one embodiment in which tactile feedback is provided by applying force to the simulated endoscope 122, the simulated anatomical structure 116 may be made of a semi-elastic material that gives a feeling of a smooth and damp surface. Real sensations of sliding along a semi-elastic, smooth and wet material can also be achieved using the mechanism of the endoscope 122 itself, as in the case of tactile feedback provided by the mechanical action of the simulated endoscope 122.

Дополнительный вариант осуществления моделируемой анатомической структуры 116, в которой моделируемую анатомическую структуру 116 помещают внутри коробки 132, а не в самом манекене 114, показан на ФИГ.5В. Преимущество коробки 132 заключается в том, что она может служить для удерживания любых радиочастотных волн, чтобы механизмом моделируемой анатомической структуры 116 можно было управлять, например, при помощи передачи радиочастотных волн. Поскольку некоторые виды медицинского оборудования обладают высокой чувствительностью к радиочастотным волнам, необходимо, что они оставались в пределах манекена 114. Поэтому коробка 132 будет изолировать моделируемую анатомическую структуру 116 от внешней среды за пределами манекена, действуя в качестве клетки Фарадея (экранированной камеры). Детали моделируемой анатомической структуры 116 лучше видны на ФИГ.6А, при этом следует понимать, что на ФИГ.5А, 5В и 6А изображена одна и та же моделируемая анатомическая структура (например, желудочно-кишечный тракт) 116.A further embodiment of the simulated anatomical structure 116, in which the simulated anatomical structure 116 is placed inside the box 132, and not in the dummy 114 itself, is shown in FIG. The advantage of the box 132 is that it can serve to hold any radio frequency waves so that the mechanism of the simulated anatomical structure 116 can be controlled, for example, by transmitting radio frequency waves. Since some types of medical equipment are highly sensitive to radio frequency waves, it is necessary that they remain within the dummy 114. Therefore, box 132 will isolate the simulated anatomical structure 116 from the external environment outside the dummy, acting as a Faraday cage (shielded camera). Details of the simulated anatomical structure 116 are better seen in FIG. 6A, it being understood that FIG. 5A, 5B and 6A depict the same simulated anatomical structure (e.g., the gastrointestinal tract) 116.

На ФИГ.6А показана моделируемая анатомическая структура (желудочно-кишечный тракт) 116 в соответствии с одним из вариантов осуществления, в котором тактильная обратная связь обеспечивается силами, действующими на моделируемый эндоскоп 122 при помощи механизма, содержащегося в самой моделируемой анатомической структуре 116. Моделируемая анатомическая структура 116 выполнена из полуэластичного материала. Набор блоков движения 134 расположен с интервалами вдоль наружной поверхности моделируемой анатомической структуры 116. В целях иллюстрации показаны семь блоков движения 134. Каждый блок движения 134, более подробно показанный на ФИГ.6В, оснащен по меньшей мере одним, а, предпочтительно, несколькими серводвигателями 80, предпочтительно линейными двигателями.FIG. 6A shows a simulated anatomical structure (gastrointestinal tract) 116 in accordance with one embodiment in which tactile feedback is provided by forces acting on the simulated endoscope 122 using the mechanism contained in the simulated anatomical structure 116. The simulated anatomical structure 116 is made of semi-elastic material. A set of motion blocks 134 is spaced along the outer surface of the simulated anatomical structure 116. For purposes of illustration, seven motion blocks 134 are shown. Each motion block 134, shown in more detail in FIG. 6B, is equipped with at least one, and preferably several, servomotors 80 preferably linear motors.

Каждый серводвигатель 80 может быть подключен к поршню 136. Детали поршня 136 в увеличенном виде показаны на ФИГ.6В. Каждый поршень 136 может быть подключен к пятке 138, которая контактирует с частью материала наружной поверхности моделируемой анатомической структуры 116. Пятка 138 может фактически быть прикреплена к части материала наружной поверхности, чтобы упростить манипулирование материалом.Each servomotor 80 may be connected to a piston 136. Details of the piston 136 are shown in an enlarged view in FIG. Each piston 136 may be connected to a heel 138, which is in contact with a portion of the material of the outer surface of the simulated anatomical structure 116. The heel 138 may actually be attached to a portion of the material of the outer surface to facilitate handling of the material.

Могут применяться различные типы поршней 136. Например, первый тип, два образца которого показаны в целях иллюстрации, представляет собой поршень 140 вертикального усилия, вызывающий вертикальное перемещение части поверхности моделируемой анатомической структуры 116. Второй тип, один образец которого показан в целях иллюстрации, представляет собой поршень 142 горизонтального усилия, вызывающий горизонтальное перемещение части поверхности моделируемой анатомической структуры 116. В показанном предпочтительном варианте осуществления серводвигатель 80 представляет собой осциллирующий двигатель, размещенный непосредственно против материала моделируемой анатомической структуры 116, чтобы поршень 142 горизонтального усилия включал только двигатель, не затрагивая конструкцию, аналогичную поршню 140 вертикального усилия. Поскольку каждый поршень 136 имеет связанный с ним серводвигатель 80, необходимое вертикальное и горизонтальное перемещение наружной поверхности моделируемой анатомической структуры 116 может быть точно определено действием серводвигателя 80.Various types of pistons 136 may be used. For example, the first type, two samples of which are shown for illustration purposes, is a vertical force piston 140 causing vertical movement of a portion of the surface of the simulated anatomical structure 116. The second type, one sample of which is shown for purposes of illustration, is horizontal force piston 142 causing horizontal movement of a portion of the surface of the simulated anatomical structure 116. In the shown preferred embodiment, the servo vigatel 80 is an oscillating motor placed directly against the material of the simulated anatomical structure 116, the piston 142 includes only horizontal force motor, without affecting a structure similar to vertical force piston 140. Since each piston 136 has a servo motor 80 associated with it, the necessary vertical and horizontal movement of the outer surface of the simulated anatomical structure 116 can be precisely determined by the action of the servo motor 80.

Каждый поршень 136, или прикрепленная к нему пятка 138, может контактировать с материалом моделируемой анатомической структуры 116, чтобы манипулировать этим материалом, прикладывая усилие к эндоскопу (не показан). Например, как показано на ФИГ.6В, первый поршень 144 вертикального усилия можно придвинуть ближе к серводвигателю 80, при этом второй поршень 146 вертикального усилия можно отодвинуть дальше от серводвигателя 80. Эти перемещения изменяют положение материала моделируемой анатомической структуры 116, создавая усилия, приложенные к моделируемому эндоскопу, аналогичные или идентичные тем, которые ощущаются при выполнении реальной эндоскопической процедуры. Кроме того, поршень 142 горизонтального усилия, который предпочтительно представляет собой одиночный осциллирующий серводвигатель, как показано на рисунке, может перемещаться по горизонтали, обеспечивая более тонкую настройку ощущений, вызываемых тактильной обратной связью. Поскольку серводвигатели 80 расположены на трехмерной поверхности моделируемой анатомической структуры 116, усилие, прикладываемое к эндоскопу, будет воздействовать в трех направлениях.Each piston 136, or heel 138 attached thereto, can contact the material of the simulated anatomical structure 116 to manipulate this material by applying force to an endoscope (not shown). For example, as shown in FIG. 6B, the first vertical force piston 144 can be moved closer to the servomotor 80, while the second vertical force piston 146 can be moved further away from the servomotor 80. These movements reposition the material of the simulated anatomical structure 116, creating forces applied to simulated endoscope, similar or identical to those that are felt when performing a real endoscopic procedure. In addition, the horizontal force piston 142, which is preferably a single oscillating servomotor, as shown in the figure, can move horizontally, providing a finer adjustment of the sensations caused by tactile feedback. Since the servomotors 80 are located on the three-dimensional surface of the simulated anatomical structure 116, the force exerted on the endoscope will act in three directions.

Действиями серводвигателя 80 может, в свою очередь, управлять цифровой контроллер 82. Цифровой контроллер 82 может представлять собой, например, плату, вставленную в персональный компьютер (ПК) для выполнения заданных вычислений, необходимых для моделирования медицинского процесса. Программа, выполняемая блоком обработки 16 (см. ФИГ.1), может использовать информацию о местоположении и ориентации, полученную от датчика 76, расположенного на моделируемом эндоскопе 122, с целью определения положения моделируемого эндоскопа 122. Далее, программа передает команды цифровому контроллеру 82 в соответствии с требуемыми тактильными ощущениями, которые должен воспринимать оператор от моделируемого эндоскопа 122, находящегося в конкретном месте внутри моделируемой анатомической структуры 116. После этого цифровой контроллер 82 заставляет по меньшей мере один серводвигатель 80 привести в движение связанный с ним поршень 136 в соответствии с необходимостью обеспечить ощущения, вызываемые тактильной обратной связью.The actions of the servomotor 80 can, in turn, be controlled by a digital controller 82. The digital controller 82 can be, for example, a card inserted in a personal computer (PC) to perform the specified calculations necessary to simulate a medical process. The program executed by the processing unit 16 (see FIG. 1) can use the location and orientation information received from the sensor 76 located on the simulated endoscope 122 to determine the position of the simulated endoscope 122. Next, the program transmits commands to the digital controller 82 in in accordance with the required tactile sensations, which the operator must perceive from the simulated endoscope 122 located in a specific place inside the simulated anatomical structure 116. After that, the digital controller 82 At least one servomotor 80 is required to actuate the associated piston 136 in accordance with the need to provide sensations caused by tactile feedback.

Цифровой контроллер 82 может быть связан с серводвигателями 80 беспроводным способом, например, при помощи инфракрасного излучения. Однако ограничения на излучение волн с определенными длинами, например, радиочастотных волн, в условиях больничных или медицинских учреждений во многих случаях делает подключение при помощи провода, идущего от цифрового контроллера 82 к каждому серводвигателю 80, более приемлемым. В варианте осуществления, показанном на ФИГ.6В, каждый серводвигатель 80 подключен к контроллеру 144 блоков движения при помощи провода. Контроллер 144 блоков движения также соединен с цифровым контроллером 82 при помощи одинарного провода (не показан). Такая конфигурация ограничивает количество отдельных соединений с цифровым контроллером 82 для повышения эффективности.The digital controller 82 may be connected to the servomotors 80 wirelessly, for example, using infrared radiation. However, the restrictions on the emission of waves with certain lengths, for example, radio frequency waves, in the conditions of hospital or medical institutions in many cases makes connecting with a wire coming from a digital controller 82 to each servomotor 80 more acceptable. In the embodiment shown in FIG. 6B, each servomotor 80 is connected to a motion controller 144 by a wire. The motion block controller 144 is also connected to the digital controller 82 via a single wire (not shown). This configuration limits the number of individual connections to the digital controller 82 for increased efficiency.

На ФИГ.6С показан увеличенный вид в разрезе серводвигателя, который, как отмечалось выше, предпочтительно представляет собой линейный двигатель. Серводвигатель 80 может иметь, например, около 100 мм в ширину и 45 мм в высоту.FIG. 6C shows an enlarged sectional view of a servomotor, which, as noted above, is preferably a linear motor. The servo motor 80 may, for example, be about 100 mm wide and 45 mm high.

На ФИГ.7A-7D показан механизм обеспечения тактильной обратной связи в соответствии с одним из вариантов осуществления. В этом варианте осуществления механизм находится внутри самого моделируемого эндоскопа, а не в моделируемом желудочно-кишечном тракте. Аналогично предшествующему варианту осуществления, моделируемый желудочно-кишечный тракт может помещаться внутри манекена, имеющего практически натуральную величину с отверстием для моделирования прямой кишки. Кроме того, с точки зрения студента или другого лица, управляющего моделируемым эндоскопом, оба варианта осуществления должны обеспечивать надлежащее моделирование медицинской процедуры. Однако, как подробнее описано ниже, реальный механизм обеспечения тактильной части моделирования имеет иной характер.FIGS. 7A-7D show a tactile feedback mechanism in accordance with one embodiment. In this embodiment, the mechanism is located within the simulated endoscope itself, and not in the simulated gastrointestinal tract. Similarly to the previous embodiment, the simulated gastrointestinal tract can be placed inside a mannequin, which is almost life-size with an opening for modeling the rectum. In addition, from the point of view of a student or other person managing a simulated endoscope, both options for implementation should ensure proper modeling of the medical procedure. However, as described in more detail below, the real mechanism for providing the tactile part of the simulation is of a different nature.

На ФИГ.7А показан моделируемый эндоскоп 146 в соответствии с другим вариантом осуществления. Перемещениями и действиями моделируемого эндоскопа 146 управляют при помощи комплекта органов управления 148. Конец моделируемого эндоскопа 146 находится внутри направляющей втулки 150. Направляющая втулка 150, более подробно показанная на ФИГ.7В, может оставаться внутри моделируемого желудочно-кишечного тракта (не показан; см. ФИГ.7С), чтобы сохранять реалистичный внешний вид моделируемого эндоскопа 146 перед его введением в манекен (не показан). К концу эндоскопа 146 может быть прикреплен металлический кронштейн 152, помеченный словом «образец» или другим словом, чтобы пояснить, что эндоскоп 146 представляет собой только модель и не является настоящим медицинским инструментом. Внутренняя сторона направляющей втулки 150 предпочтительно намагничена, например, электрическим током. Таким образом, когда конец эндоскопа 146 вводят в манекен, металлический кронштейн 152 прикреплен к направляющей втулке 150, чтобы направляющая втулка 150 оставалась прикрепленной к концу эндоскопа 146.FIG. 7A shows a simulated endoscope 146 in accordance with another embodiment. The movements and actions of the simulated endoscope 146 are controlled using a set of controls 148. The end of the simulated endoscope 146 is located inside the guide sleeve 150. The guide sleeve 150, shown in more detail in FIG. 7B, may remain inside the simulated gastrointestinal tract (not shown; see. FIG. 7C) in order to maintain a realistic appearance of the simulated endoscope 146 before being inserted into a mannequin (not shown). A metal bracket 152 may be attached to the end of the endoscope 146, labeled with the word “sample” or another word, to make it clear that the endoscope 146 is only a model and is not a true medical tool. The inner side of the guide sleeve 150 is preferably magnetized, for example, by electric current. Thus, when the end of the endoscope 146 is inserted into the mannequin, the metal bracket 152 is attached to the guide sleeve 150 so that the guide sleeve 150 remains attached to the end of the endoscope 146.

Направляющая втулка 150 может содержать один или несколько шарикоподшипников 154, прикрепленных к наружной поверхности направляющей втулки 150. Кроме того, направляющая втулка 150 может содержать один или несколько прикрепленных к ней плунжеров 156. Как показано на укрупненном виде, представленном на ФИГ.7В, на одном конце направляющей втулки 150 имеется участок эластичного материала 158. Как показано на рисунках, конец эндоскопа 146 вводят через направляющую втулку 150, при этом на конце эндоскопа 146 имеется датчик 76, как и в описанном выше варианте осуществления моделируемого эндоскопа.The guide sleeve 150 may include one or more ball bearings 154 attached to the outer surface of the guide sleeve 150. In addition, the guide sleeve 150 may contain one or more plungers 156 attached to it. As shown in an enlarged view shown in FIG. 7B, one at the end of the guide sleeve 150 there is a stretch of elastic material 158. As shown in the figures, the end of the endoscope 146 is inserted through the guide sleeve 150, while at the end of the endoscope 146 there is a sensor 76, as in the above embodiment Realization of a simulated endoscope.

На ФИГ.7С показан моделируемый эндоскоп 146 после введения внутрь второго варианта осуществления моделируемого желудочно-кишечного тракта 160. Моделируемый желудочно-кишечный тракт 160 может быть изготовлен из жесткого материала. Кроме того, моделируемый желудочно-кишечный тракт 160 может иметь общую анатомическую форму и особенности реального желудочно-кишечного тракта по двум причинам. Во-первых, тракт, имеющий общую анатомическую форму, легче поместить внутрь манекена вследствие ее изгибов и поворотов. Во-вторых, общая анатомическая форма может обеспечить ощутимую тактильную обратную связь. Например, когда любой эндоскоп вводится глубже в толстую кишку, форма толстой кишки вызывает изменение тактильных ощущений при движении эндоскопа вокруг изгиба в толстой кишке. Таким образом, общая анатомическая форма полезнее для эффективного моделирования.FIG. 7C shows a simulated endoscope 146 after the second embodiment of the simulated gastrointestinal tract 160 has been introduced inside. The simulated gastrointestinal tract 160 may be made of rigid material. In addition, the simulated gastrointestinal tract 160 may have a common anatomical shape and features of the real gastrointestinal tract for two reasons. Firstly, the tract, having a common anatomical shape, is easier to place inside the mannequin due to its bends and turns. Secondly, the general anatomical form can provide tangible tactile feedback. For example, when any endoscope is inserted deeper into the colon, the shape of the colon causes a change in tactile sensations when the endoscope moves around a bend in the colon. Thus, the general anatomical shape is more useful for effective modeling.

При перемещении эндоскопа 146 внутри моделируемого желудочно-кишечного тракта 160 направляющая втулка 150 позволяет оператору воспринимать тактильную обратную связь следующим образом. Шарикоподшипник 154 перекатывается по внутренней поверхности желудочно-кишечного тракта 160. Каждый шарикоподшипник 154 имеет пять степеней свободы движения. Каждый плунжер 156 присоединен к линейному двигателю 162, как показано в разрезе на ФИГ.7D. Управление линейным двигателем 162 осуществляется так же, как серводвигателем в предыдущем варианте. Получив сигналы от компьютера, линейный двигатель 162 заставляет плунжер 156 двигаться в вертикальном направлении, тем самым позволяя оператору моделируемого эндоскопа 146 воспринимать ощущения тактильной обратной связи. Таким образом, направляющая втулка 150 вызывает передачу тактильной обратной связи обратно через эндоскоп 146.When moving the endoscope 146 inside the simulated gastrointestinal tract 160, the guide sleeve 150 allows the operator to perceive tactile feedback as follows. Ball bearing 154 rolls along the inner surface of the gastrointestinal tract 160. Each ball bearing 154 has five degrees of freedom of movement. Each plunger 156 is connected to a linear motor 162, as shown in section in FIG.7D. The linear motor 162 is controlled in the same way as the servo motor in the previous embodiment. Having received signals from the computer, the linear motor 162 makes the plunger 156 move in the vertical direction, thereby allowing the operator of the simulated endoscope 146 to perceive the sensations of tactile feedback. Thus, the guide sleeve 150 causes the tactile feedback to be transmitted back through the endoscope 146.

Кроме того, как отмечалось выше, направляющая втулка 150 может иметь участок эластичного материала 158. Участок эластичного материала 158 заставляет конец эндоскопа 146 испытывать некоторое сопротивление при определенных обстоятельствах, например, когда конец загибается назад. Таким образом, эластичный материал 158 ограничивает движение конца под определенными углами.In addition, as noted above, the guide sleeve 150 may have a stretch of elastic material 158. The stretch of elastic material 158 causes the end of the endoscope 146 to experience some resistance under certain circumstances, for example, when the end is bent backward. Thus, the elastic material 158 restricts the movement of the end at certain angles.

Особое преимущество полезной модели заключается в том, что большая часть тактильных ощущений определяется самим эндоскопом, поэтому ими легче управлять при помощи блока обработки данных. Кроме того, к командам, поступающим от компьютера, легко могут быть добавлены такие анатомические особенности, как фистула, не вызывая необходимости изменять физическую модель моделируемого желудочно-кишечного тракта. Помимо этого, при некоторых обстоятельствах ткань реальной толстой кишки выталкивает эндоскоп назад, причем эту ситуацию легче воспроизвести во втором варианте полезной модели. Таким образом, второй вариант осуществления моделируемого желудочно-кишечного тракта и эндоскопа является более гибким с точки зрения воспроизведения большего количества вариантов анатомических особенностей и условий.A particular advantage of the utility model is that most of the tactile sensations are determined by the endoscope itself, therefore it is easier to control them using the data processing unit. In addition, anatomical features such as a fistula can easily be added to commands coming from a computer without causing the need to change the physical model of the simulated gastrointestinal tract. In addition, under certain circumstances, the tissue of the real colon pushes the endoscope back, and this situation is easier to reproduce in the second embodiment of the utility model. Thus, the second embodiment of the simulated gastrointestinal tract and endoscope is more flexible in terms of reproducing a larger number of anatomical features and conditions.

На ФИГ.8А-8Е показан еще один вариант осуществления моделируемого эндоскопа и толстой кишки в соответствии с полезной моделью. На ФИГ.8А показана система для медицинского моделирования в соответствии с одним из вариантов осуществления. Система 164 может включать манекен 166, представляющий обследуемого, на котором должна выполняться процедура, моделируемый эндоскоп (не показан, см. ФИГ.8D) и блок обработки данных 168 с видеомонитором 170. Манекен 166 может включать пальпируемый участок 172 для определения местоположения моделируемого эндоскопа путем нащупывания абдоминальной области манекена 166. Пальпируемый участок 172 может содержать источник света (не показан), такой, что после того, как студент определит местоположение моделируемого эндоскопа, свет может зажигаться, чтобы показать фактическое местоположение моделируемого эндоскопа.FIGS. 8A-8E show yet another embodiment of a simulated endoscope and colon in accordance with a utility model. FIG. 8A shows a system for medical modeling in accordance with one embodiment. System 164 may include a dummy 166 representing the subject to perform the procedure, a simulated endoscope (not shown, see FIG. 8D) and a data processing unit 168 with a video monitor 170. Dummy 166 may include a palpable portion 172 for determining the location of the simulated endoscope by feeling for the abdominal region of the mannequin 166. The palpable portion 172 may contain a light source (not shown), such that after the student determines the location of the simulated endoscope, the light can be ignited so that to show the actual location of the simulated endoscope.

Манекен 166 может включать моделируемый орган 174, в который вводят моделируемый эндоскоп. Моделируемый орган 174 может представлять собой толстую кишку, например, выполненную в виде прямой трубки, при этом силовая обратная связь, необходимая для изгибов в толстой кишке, будет обеспечиваться за счет механизма силовой обратной связи 176. Визуальная обратная связь для моделируемой медицинской процедуры может не зависеть от геометрической формы моделируемого органа 174, так что и визуальная, и тактильная обратная связь являются практически полностью независимыми от строения моделируемого органа 174.Dummy 166 may include a simulated organ 174 into which a simulated endoscope is inserted. The simulated organ 174 may be a colon, for example, made in the form of a straight tube, while the force feedback necessary for bending in the colon will be provided by the force feedback mechanism 176. The visual feedback for the simulated medical procedure may not depend from the geometric shape of the modeled organ 174, so that the visual and tactile feedback are almost completely independent of the structure of the modeled organ 174.

Механизм обратной связи 176 может включать пневматическое устройство силовой обратной связи 178 (показано более подробно на ФИГ.8В, 8D и 8Е). Могут предусматриваться два таких пневматических устройства силовой обратной связи 178, одно возле рта 180 манекена 166, а другое возле прямой кишки 182 манекена 166. Воздушный шланг 184 может соединять каждое пневматическое устройство силовой обратной связи 178 с воздушным насосом 186. Воздушный насос 186 может также включать блок управления 188 воздушным насосом, который подключен к блоку обработки данных 168 для регулирования количества воздуха, перекачиваемого в пневматическое устройство силовой обратной связи 178.Feedback mechanism 176 may include a pneumatic force feedback device 178 (shown in more detail in FIGS. 8B, 8D, and 8E). Two such pneumatic force feedback devices 178 may be provided, one near the mouth 180 of the mannequin 166 and the other near the rectum 182 of the mannequin 166. An air hose 184 may connect each pneumatic force feedback device 178 to the air pump 186. The air pump 186 may also include an air pump control unit 188, which is connected to the data processing unit 168 to control the amount of air pumped into the pneumatic force feedback device 178.

Блок обработки 168 может также включать модем 190 или другой интерфейс связи для обмена данным с другими устройствами. Например, модем 190 может обеспечивать подключение блока обработки 168 к сети Интернет или Интранет для оказания телемедицинских услуг, или к Интранет/компьютерной сети производителя в целях выполнения ремонта или поиска неисправностей.Processing unit 168 may also include a modem 190 or other communication interface for exchanging data with other devices. For example, the modem 190 may provide the connection of the processing unit 168 to the Internet or Intranet for the provision of telemedicine services, or to the manufacturer’s Intranet / computer network in order to carry out repairs or troubleshooting.

На ФИГ.8В и 8С более подробно показаны компоненты пневматического устройства силовой обратной связи 178. Как показано на ФИГ.8В, часть моделируемого эндоскопа 192 взаимодействует с пневматическим устройством силовой обратной связи 178 для обеспечения студента силовой обратной связью. Устройство силовой обратной связи 178 может включать набор надувных колец 194 (показаны более подробно в полностью накачанном положении на ФИГ.8С). Все надувные кольца 194 могут иметь разные радиусы. В некоторых вариантах осуществления имеется четыре таких кольца 194, по меньшей мере одно из которых имеет больший радиус, чем эндоскоп 192, и по меньшей мере одно из которых имеет меньший радиус, чем эндоскоп 192. Количество воздуха, подаваемое в кольца 194, определяет степень наполнения воздухом каждого кольца 194, предпочтительно по отдельности, тем самым определяя величину усилия, приложенного к эндоскопу 192.FIGS. 8B and 8C show in more detail the components of the pneumatic force feedback device 178. As shown in FIG. 8B, part of the simulated endoscope 192 interacts with the pneumatic force feedback device 178 to provide the student with power feedback. The force feedback device 178 may include a set of inflatable rings 194 (shown in more detail in the fully inflated position in FIG. 8C). All inflatable rings 194 may have different radii. In some embodiments, there are four such rings 194, at least one of which has a larger radius than the endoscope 192, and at least one of which has a smaller radius than the endoscope 192. The amount of air supplied to the rings 194 determines the degree of filling the air of each ring 194, preferably individually, thereby determining the amount of force applied to the endoscope 192.

В некоторых вариантах осуществления каждому кольцу 194 требуется одна секунда или меньше, чтобы достичь положения, при котором оно полностью наполнено воздухом. В некоторых вариантах осуществления расход воздуха может достигать до 100 литров в минуту, а давление может достигать 3 атмосфер. Кольца 194 могут использоваться для создания как пассивной силовой обратной связи, такой, какая возникает при сокращении прямой кишки, так и активной обратной связи, например, когда воздух закачивают в моделируемый орган 174 в соответствии с функциональным признаком моделируемого эндоскопа 192 (см. ФИГ.8Е).In some embodiments, each ring 194 takes one second or less to reach a position where it is completely filled with air. In some embodiments, the air flow rate can reach up to 100 liters per minute, and the pressure can reach 3 atmospheres. Rings 194 can be used to create both passive force feedback, such as occurs when the rectum contracts, and active feedback, for example, when air is pumped into the simulated organ 174 in accordance with the functional attribute of the simulated endoscope 192 (see FIG. 8E )

На ФИГ.8D подробно показан механизм силовой обратной связи 176 в соответствии с одним из вариантов осуществления. Кольца 194 могут быть подключены к воздушному насосу 186 через шланг 184, который может быть разделен на два шланга 196, причем первый шланг 196 служит для закачивания воздуха в кольца 194, а второй шланг 196 - для откачивания воздуха из колец 194. Количество воздуха, перекачиваемого воздушным насосом 186, регулируется контроллером 188 воздушного насоса. Действиями контроллера 188 воздушного насоса может управлять блок обработки 168 через (аналого-цифровую) плату ввода-вывода 198.FIG. 8D shows in detail the force feedback mechanism 176 in accordance with one embodiment. The rings 194 can be connected to the air pump 186 through a hose 184, which can be divided into two hoses 196, the first hose 196 serving to pump air into the rings 194, and the second hose 196 to pump air from the rings 194. The amount of air pumped air pump 186, is regulated by the controller 188 of the air pump. The actions of the controller 188 of the air pump can be controlled by the processing unit 168 through the (analog-to-digital) I / O board 198.

На ФИГ.8Е подробно показан моделируемый эндоскоп 192 в соответствии с одним из вариантов осуществления. Моделируемый эндоскоп 192 может иметь рукоятку 200 с различными органами управления, включая первый орган управления 202 для закачивания воздуха в моделируемый орган 174 и второй орган управления 204 для всасывания воздуха из моделируемого органа 174. Моделируемый эндоскоп 192 может включать устройство 206 управления хирургическим инструментом, в которое могут в некоторых случаях предпочтительно вставляться различные хирургические инструменты (см. ФИГ.9А-9Е). Моделируемый эндоскоп 192 может также иметь приемник 208, например, датчик «мини-птичка» (компания Ascension Ltd., г.Берлингтон, шт. Вермонт, США). Приемник 208 может размещаться на конце моделируемого эндоскопа 192. Приемник 208 может быть рассчитан на прием данных от передатчика 210, расположенного в манекене 166 (см. ФИГ.8А), определяя, таким образом, положение конца моделируемого эндоскопа 192 внутри моделируемого органа 174. Передатчик 210 может представлять собой передатчик «мини-птичка» (компания Ascension Ltd.). Затем приемник 208 может передавать эти сигналы блоку обработки данных 168, который использует эти сигналы для определения величины силовой обратной связи и визуальной связи, отображаемой для студента на мониторе 178.FIG. 8E shows in detail a simulated endoscope 192 in accordance with one embodiment. The simulated endoscope 192 may have a handle 200 with various controls, including a first control 202 for pumping air into the simulated organ 174 and a second control 204 for sucking air from the simulated organ 174. The simulated endoscope 192 may include a surgical instrument control device 206 into which various surgical instruments may preferably be inserted in some cases (see FIGS. 9A-9E). The simulated endoscope 192 may also have a receiver 208, for example, a mini-bird sensor (Ascension Ltd., Burlington, Vermont, USA). A receiver 208 may be located at the end of the simulated endoscope 192. A receiver 208 may be configured to receive data from a transmitter 210 located in the manikin 166 (see FIG. 8A), thereby determining the position of the end of the simulated endoscope 192 within the simulated organ 174. The transmitter 210 may be a mini-bird transmitter (Ascension Ltd.). Then, the receiver 208 can transmit these signals to the data processing unit 168, which uses these signals to determine the magnitude of the power feedback and visual communication displayed to the student on the monitor 178.

Как описано выше, на ФИГ.9А-9Е показана реализация устройства 206 управления хирургическим инструментом, в которое могут вставляться различные хирургические инструменты. Устройство 206 управления хирургическим инструментом может включать зажим 212, вставляемый во втулку для инструмента 214, тем самым моделируя настоящий зажим для эндоскопа. Настоящий зажим применяется для выполнения полипэктомии и, как правило, снабжен петлей, которая появляется из кончика зажима при манипулировании устройством. Эта петлю накладывают вокруг полипа и туго затягивают. После этого через петлю пропускают электрический ток, чтобы срезать полип и прижечь эту зону.As described above, FIGS. 9A-9E show an implementation of a surgical instrument control device 206 into which various surgical instruments can be inserted. The surgical instrument control device 206 may include a clip 212 inserted into the sleeve of the instrument 214, thereby simulating a true endoscope clip. This clamp is used to perform polypectomy and, as a rule, is equipped with a loop that appears from the tip of the clamp when manipulating the device. This loop is applied around the polyp and tightened tightly. After that, an electric current is passed through the loop to cut off the polyp and cauterize this zone.

Аналогично настоящему зажиму, зажим 212 вводят, когда студент держит рукоятку зажима 216, на которой может размещаться кнопка или другие органы управления для моделирования эффектов протекания «электрического тока» через «петлю». Втулка для инструмента 214 может включать блок управления инструментом 218 для распознавания движений зажима 212 и преобразования этих движений в силовую и визуальную обратную связь. Визуальная обратная связь может при необходимости включать, например, визуальное отображение «петли» зажима, а также отображение полипа до и после «полипэктомии». Кроме того, местоположение петли можно отслеживать, предпочтительно включая перемещения вверх и вниз внутри эндоскопа, а также «вращательное» движение петли. Блок управления инструментом 218 подключен к плате ввода-вывода в блоке обработки (не показан) с целью выполнения необходимых вычислений для различных типов обратной связи.Similar to the present clip, the clip 212 is inserted when the student holds the handle of the clip 216, on which a button or other controls can be placed to simulate the effects of the flow of “electric current” through the “loop”. The sleeve for the tool 214 may include a tool control unit 218 for recognizing the movements of the clamp 212 and converting these movements into power and visual feedback. Visual feedback may optionally include, for example, a visual display of the “loop” of the clamp, as well as the display of the polyp before and after the “polypectomy”. In addition, the location of the loop can be monitored, preferably including up and down movements within the endoscope, as well as the “rotational” movement of the loop. The tool control unit 218 is connected to an input / output board in a processing unit (not shown) in order to perform the necessary calculations for various types of feedback.

На ФИГ.9В и 9С показаны два вида зажима 212, взаимодействующего с блоком управления инструментом 218 внутри втулки для инструмента 214. Блок управления инструментом 218 снабжен направляющим колесом 220 и световым колесом 222 для распознавания движений зажима 212 (ФИГ.9В). В световом колесе 222 имеется набор вырезов, через которые может проходить свет. В блоке управления инструментом 218 имеется также первый источник света 224 и первый оптический датчик 226, а также второй источник света 228 и второй оптический датчик 230 (ФИГ.9С). При повороте светового колеса 222 в результате движения зажима 212 прохождение света первого источника света 224 и второго источника света 228 попеременно блокируется и разблокируется таким образом, что световой сигнал попеременно распознается или не распознается первым оптическим датчиком 226 и вторым оптическим датчиком 230.FIGS. 9B and 9C show two types of clamp 212 interacting with the tool control unit 218 inside the tool sleeve 214. The tool control unit 218 is provided with a guide wheel 220 and a light wheel 222 for detecting movements of the clip 212 (FIG. 9B). In the light wheel 222 there is a set of cutouts through which light can pass. In the instrument control unit 218, there is also a first light source 224 and a first optical sensor 226, as well as a second light source 228 and a second optical sensor 230 (FIG. 9C). When the light wheel 222 is rotated as a result of the movement of the clamp 212, the light passage of the first light source 224 and the second light source 228 is alternately blocked and unlocked so that the light signal is alternately recognized or not recognized by the first optical sensor 226 and the second optical sensor 230.

На ФИГ.9С показан второй вариант осуществления блока управления инструментом. В этом варианте осуществления блок управления инструментом 232 снабжен двумя направляющими колесами 234. Направляющие колеса 234 помогают направлять движение зажима 212 внутри втулки для инструмента 214. Световое колесо 236 также имеет вырезы, которое попеременно блокирует и разблокирует прохождение света при вращении зажима 212 внутри втулки для инструмента 214. Источник света (не показан) излучает свет, который распознается, если проходит через световое колесо 236, фотоэлектрическим датчиком 238. Затем фотоэлектрический датчик 238 посылает сигналы на печатную плату (РСВ) 240, которая подключена к компьютеру (не показан), так, что эти сигналы могут преобразовываться компьютером в требуемую визуальную и силовую обратную связь.FIG. 9C shows a second embodiment of a tool control unit. In this embodiment, the tool control unit 232 is provided with two guide wheels 234. The guide wheels 234 help guide the movement of the clip 212 inside the tool sleeve 214. The light wheel 236 also has cutouts that alternately locks and unlocks the passage of light when the clip 212 is rotated inside the tool sleeve 214. A light source (not shown) emits light that is detected if it passes through the light wheel 236 by a photoelectric sensor 238. Then, the photoelectric sensor 238 sends signals to and a printed circuit board (PCB) 240, which is connected to a computer (not shown), so that these signals can be converted by the computer into the desired visual and power feedback.

На ФИГ.9Е показана ножная педаль 242 для выполнения моделируемой полипэктомии. Ножная педаль 242 имеет масляный поршень 244 и микропереключатель 246. Микропереключатель 246 подключен к плате ввода-вывода в блоке обработке (не показан) для преобразования движения ножной педали 242 в требуемую визуальную и силовую обратную связь.FIG. 9E shows a foot pedal 242 for performing a simulated polypectomy. The foot pedal 242 has an oil piston 244 and a microswitch 246. The microswitch 246 is connected to an input / output board in a processing unit (not shown) to convert the movement of the foot pedal 242 to the desired visual and power feedback.

Чтобы точно воспроизвести тактильные ощущения, создаваемые реальным эндоскопом при выполнении медицинской процедуры, эти ощущения следует точно зарегистрировать в ходе эндоскопической процедуры на живом пациенте. Например, данные о тактильных ощущениях можно получить с помощью врача, который выполняет эндоскопическую процедуру, надев перчатки виртуальной реальности, такие как DataGloves.TM. Tracking VR System (компания Greenleaf Medical Systems). Эти перчатки известны своей способностью регистрировать данные, касающиеся тактильных ощущений и обратной связи, испытываемых врачом при выполнении реальной эндоскопической процедуры. Такие реальные данные важны, поскольку тактильные ощущения изменяются в ходе процедуры. Например, корреляция между перемещением эндоскопа и визуальным отображением постепенно уменьшается по мере того, как эндоскоп вводится глубже в желудочно-кишечный тракт. Таким образом, сбор реальных данных представляет собой важный шаг на пути создания точной, реалистичной эндоскопической моделирующей системы.In order to accurately reproduce the tactile sensations created by a real endoscope when performing a medical procedure, these sensations should be accurately recorded during the endoscopic procedure on a living patient. For example, tactile sensation data can be obtained with the help of a doctor who performs an endoscopic procedure by wearing virtual reality gloves such as DataGloves.TM. Tracking VR System (Greenleaf Medical Systems). These gloves are known for their ability to record tactile sensations and feedback experienced by a physician when performing a real endoscopic procedure. Such real data is important because tactile sensations change during the procedure. For example, the correlation between the movement of the endoscope and the visual display gradually decreases as the endoscope is inserted deeper into the gastrointestinal tract. Thus, collecting real data is an important step towards creating an accurate, realistic endoscopic modeling system.

В соответствии с другим вариантом осуществления предусматривается моделируемое устройство для биопсии (не показано). Это устройство для биопсии моделировало бы реальное устройство для биопсии, применяемое для взятия образцов ткани из желудочно-кишечного тракта во время эндоскопии. Реальное устройство для биопсии находится внутри эндоскопа. Когда оператор эндоскопа хочет взять образец, устройство для биопсии появляется на конце эндоскопа, и в этот момент становится видимым на экране дисплея. Затем щипцы устройства для биопсии открываются и вдавливаются в ткань. После этого щипцы закрываются, и устройство для биопсии извлекается. Извлечение ткани вызывает появление скоплений крови, так как оставшаяся ткань кровоточит.In accordance with another embodiment, a simulated biopsy device (not shown) is provided. This biopsy device would simulate a real biopsy device used to take tissue samples from the gastrointestinal tract during endoscopy. The real biopsy device is inside the endoscope. When the endoscope operator wants to take a sample, a biopsy device appears at the end of the endoscope, and at that moment becomes visible on the display screen. Then, the forceps of the biopsy device are opened and pressed into the tissue. After this, the forceps are closed and the biopsy device is removed. Removing the tissue causes blood to build up as the remaining tissue bleeds.

Аналогичным образом, моделируемое устройство для биопсии будет появляться на экране дисплея только в том случае, когда в результате действий оператора моделируемого эндоскопа моделируемое устройство для биопсии появится на конце эндоскопа. Щипцы устройства для биопсии предпочтительно визуализируются при помощи анимации, более предпочтительно - с относительно высоким разрешением, поскольку щипцы имеют маленькие размеры, и высокое разрешение не потребует ненужного чрезмерного расходования ресурсов персонального компьютера. Кровотечение из ткани и образовавшиеся в результате скопления крови также будут отображаться с помощью анимации.Similarly, the simulated biopsy device will only appear on the display screen when, as a result of the actions of the operator of the simulated endoscope, the simulated biopsy device appears at the end of the endoscope. The forceps of the biopsy device are preferably visualized by animation, more preferably with relatively high resolution, because the forceps are small in size and high resolution will not require unnecessary over-expenditure of personal computer resources. Bleeding from tissue and blood clots resulting from the accumulation of blood will also be displayed using animation.

На ФИГ.10А изображена переносная моделирующая система в соответствии с вариантами осуществления. Переносная моделирующая система 300 содержит корпус 306, который вмещает механические и электронные элементы моделирующей системы (см. ФИГ.10b). В системе может предусматриваться предохранительный колпак 308, закрывающий с возможностью съема отверстие (см. 330 на ФИГ.10В и ФИГ.10С), через которое может вводиться моделируемый эндоскоп. В некоторых вариантах осуществления отверстию может быть придана форма, представляющая очертания органа, в который должен вводиться моделируемый эндоскоп (например, человеческий рот, нос или задний проход). В других вариантах осуществления может использоваться простое отверстие, не имеющее формы конкретного человеческого органа.FIG. 10A shows a portable simulation system in accordance with embodiments. The portable simulation system 300 includes a housing 306 that accommodates the mechanical and electronic elements of the simulation system (see FIG. 10b). The system may include a safety cap 308 that can be removably closed (see 330 in FIG. 10B and FIG. 10C) through which a simulated endoscope can be inserted. In some embodiments, the opening may be shaped to represent the shape of the organ into which the simulated endoscope is to be inserted (eg, a human mouth, nose, or anus). In other embodiments, a simple opening not having the shape of a particular human organ may be used.

Переносная моделирующая система 300 может также включать одну или несколько розеток и (или) разъемов, например, разъемов 310 для подключения периферийных устройств (таких как зажимы, педали или шприц), коммуникационных разъемов 314 для подключения и обмена данными с компьютером и разъем Ethernet 312 для подключения к ЛВС (локальной вычислительной сети).The portable simulation system 300 may also include one or more sockets and / or connectors, for example, connectors 310 for connecting peripheral devices (such as clamps, pedals, or a syringe), communication connectors 314 for connecting and exchanging data with a computer, and an Ethernet connector 312 for LAN connections (local area network).

Переносная моделирующая система может содержать, согласно вариантам осуществления, различные элементы, в том числе, например, следящий элемент эндоскопа, включая отслеживание введения моделируемого эндоскопа, извлечение, проворачивание влево и вправо, сгибание конца влево/вправо, сгибание конца вверх/вниз, кнопки и рычажки для выбора области действия. Она может также включать элемент силовой обратной связи эндоскопа, элемент отслеживания инструментов, элемент обратной связи инструментов. На ФИГ.10В изображены некоторые внутренние элементы переносной моделирующей системы в соответствии с вариантами осуществления. Переносная моделирующая система может содержать блок силовой обратной связи 320, включающий отверстие 330, через которое можно вводить и манипулировать моделируемым эндоскопом, блок отслеживания бронхоскопа 322, карту связи по сети Ethernet 324, интерфейс связи 326 и блок периферийных устройств 328.A portable simulation system may comprise, according to embodiments, various elements, including, for example, an endoscope monitoring element, including tracking the insertion of a simulated endoscope, retrieving, turning left and right, bending the end left / right, bending the end up / down, buttons and levers for selecting a scope. It may also include an endoscope force feedback element, an instrument tracking element, an instrument feedback element. FIG. 10B depicts some of the internal elements of a portable modeling system in accordance with embodiments. The portable modeling system may include a power feedback unit 320, including an opening 330 through which the simulated endoscope can be inserted and manipulated, a bronchoscope tracking unit 322, an Ethernet communication card 324, a communication interface 326, and a peripheral unit 328.

На ФИГ.10С изображен блок силовой обратной связи эндоскопа (СОЭ) переносной моделирующей системы в соответствии с одним из вариантов осуществления. Блок СОЭ 320 может включать трубку силовой обратной связи 332, предназначенную для восприятия воздействия моделируемого эндоскопа (не показан на этом рисунке) через отверстие 330. Электродвигатель/электромагнит 334 может использоваться для приложения усилия обратной связи при помощи штока силовой обратной связи 333, как определяется алгоритмом обратной связи, который может реализовываться блоком обработки системы моделирования через контроллер 336. Шток силовой обратной связи 333 может подниматься и опускаться, при этом сбрасывая (во время подъема) или повышая давление, прикладываемое к моделируемому эндоскопу внутри трубки силовой обратной связи. При увеличении давления сила трения, прикладываемая к моделируемому эндоскопу, возрастает, поэтому практиканту становится труднее перемещать и манипулировать им внутри трубки 332, и для выполнения операций требуется прикладывать большее усилие.FIG. 10C shows a power feedback unit of an endoscope (ESR) of a portable modeling system in accordance with one embodiment. ESR block 320 may include a power feedback tube 332 designed to absorb the effects of a simulated endoscope (not shown in this figure) through aperture 330. An electric motor / electromagnet 334 can be used to apply feedback force using a force feedback rod 333, as determined by the algorithm feedback, which can be implemented by the processing unit of the modeling system through the controller 336. The power feedback rod 333 can rise and fall, while resetting (during ema) or by increasing the pressure applied to the simulated endoscope inside the force feedback tube. As the pressure increases, the friction force applied to the simulated endoscope increases, so it becomes more difficult for the trainee to move and manipulate it inside the tube 332, and more effort is required to complete the operations.

Питание обеспечивается при помощи блока питания 338. Чтобы добавить упругости штоку силовой обратной связи, может использоваться упругая пружина 340, что обеспечит пользователю более равномерное ощущение при увеличении или уменьшении силовой обратной связи.Power is provided by power supply 338. To add resilience to the power feedback rod, an elastic spring 340 can be used to provide the user with a more even feel when increasing or decreasing the power feedback.

Система моделирования в соответствии с полезной моделью может быть предназначена для обучения процедурам оказания неотложной медицинской помощи. В некоторых вариантах осуществления такая процедура оказания неотложной медицинской помощи может моделировать, например, ситуацию бронхиальной эндоскопии, чтобы обучить хирурга или студента-медика правильным действиям в такой ситуации.The modeling system in accordance with the utility model may be designed to teach emergency medical procedures. In some embodiments, such an emergency care procedure may simulate, for example, a bronchial endoscopy situation in order to train a surgeon or medical student in the correct actions in such a situation.

Модуль процедуры оказания неотложной медицинской помощи в соответствии с вариантами осуществления может включать, например, обучение извлечению инородного предмета, отработку лечения кровотечения, (например, кровотечение в желудочно-кишечном тракте, кровотечение в легких) и удаление слизистых пробок.A module of an emergency care procedure in accordance with embodiments may include, for example, training in the extraction of a foreign object, practicing bleeding treatment (e.g., bleeding in the gastrointestinal tract, bleeding in the lungs) and removal of mucous plugs.

Например, обучение извлечению инородного предмета может включать задачу удаления из легких попавших при дыхании предметов, применение набора инструментов, которые могут вводиться в бронхиальные пути и легкие через бронхоскоп (эндоскоп, используемый для бронхиальных процедур).For example, training in the extraction of a foreign object may include the task of removing from the lungs breathing objects, using a set of instruments that can be inserted into the bronchial tract and lungs through a bronchoscope (an endoscope used for bronchial procedures).

Обучение извлечению инородного предмета может включать моделирование взаимодействия между инородным предметом и окружающей тканью, взаимодействия между инородным предметом и используемым моделируемым инструментом, и взаимодействия между инородным предметом и эндоскопом.Learning to recover a foreign object may include modeling the interaction between the foreign object and the surrounding tissue, the interaction between the foreign object and the simulated tool used, and the interaction between the foreign object and the endoscope.

Взаимодействие между инородным предметом и окружающей тканью может быть реализовано за несколько этапов. При каждом цикле обновления выполняется ряд задаваемых пользователем итераций, во время которых могут быть произведены, например, следующие вычисления:The interaction between a foreign object and the surrounding tissue can be implemented in several stages. At each update cycle, a series of user-defined iterations are performed during which, for example, the following calculations can be performed:

A) скорость, направление и выделенный интервал времени инородного предмета могут использоваться для вычисления текущего положения инородного предмета (вычисление может производиться отдельно для каждого инородного объекта);A) the speed, direction and the selected time interval of a foreign object can be used to calculate the current position of a foreign object (calculation can be done separately for each foreign object);

B) могут быть идентифицированы столкновения инородного объекта с окружающей тканью. Испытания на столкновение, например, могут выполняться по многоугольникам, с возможным использованием древовидной структуры (схематического дерева) сфер;B) collisions of a foreign object with surrounding tissue can be identified. Collision tests, for example, can be performed on polygons, with the possible use of a tree structure (schematic tree) of spheres;

C) новая скорость и направление объекта могут вычисляться на основе сталкивающихся многоугольников, их эластичности, с учетом физических воздействий, например, таких как сила тяжести и коэффициент затухания.C) the new speed and direction of the object can be calculated based on the colliding polygons, their elasticity, taking into account physical influences, such as gravity and attenuation coefficient.

В соответствии с вариантами осуществления моделируемые процедуры могут включать воздействие жидкостей, таких как вода, кровь или любая другая жидкость (например, лекарственное средство).In accordance with embodiments, simulated procedures may include exposure to fluids such as water, blood, or any other fluid (eg, a drug).

Например, при обучении процедуре экстренной остановки кровотечения кровь включается в процесс моделирования, например, в пространство текстуры. Источник жидкости (например, крови, воды или другой жидкости с известными характеристиками) в трехмерном пространстве вызывает нанесение пятна на графическую текстуру, представленную на дисплее, в соответствующих координатах отображения текстур. Характеристики пятен жидкости могут отличаться радиусом, цветом, интенсивностью, формой и т.д. Источник жидкости может оставаться активным или деактивироваться в соответствии с конфигурацией моделирования.For example, when learning the procedure for emergency stopping of bleeding, blood is included in the modeling process, for example, in the texture space. A source of liquid (for example, blood, water, or another liquid with known characteristics) in three-dimensional space causes a spot to be applied to the graphic texture displayed on the corresponding coordinates of the texture display. Characteristics of fluid stains may vary in radius, color, intensity, shape, etc. The fluid source can remain active or deactivate according to the simulation configuration.

На каждом цикле визуализации, использующем несколько проходов, для отображения распространения жидкости могут применяться следующие шаги моделирования. Каждый пиксель сравнивается с соседними пикселями. Пиксель может принимать жидкость от соседнего пикселя, передавать жидкость соседнему пикселю или поддерживать свое текущее состояние. Также может быть принят во внимание эффект испарения. При принятии решения о «жидкостном» статусе пикселя могут учитываться его относительное расположение, отношение к направлению действия силы тяжести, вязкость и заданная пользователем конфигурация.At each visualization cycle using multiple passes, the following modeling steps can be applied to display fluid distribution. Each pixel is compared with neighboring pixels. A pixel may receive fluid from a neighboring pixel, transmit fluid to a neighboring pixel, or maintain its current state. The effect of evaporation may also be taken into account. When deciding on the "liquid" status of a pixel, its relative location, relation to the direction of gravity, viscosity, and user-defined configuration can be taken into account.

В соответствии с вариантами осуществления механизм обработки протекания жидкости по швам (краям) отображения текстур может определять соотношение между пикселями, расположенными на одной стороне шва, которые отображаются на соответствующие пиксели с другой стороны, тем самым позволяя осуществлять передачу тока крови с одной стороны на противоположную. В некоторых вариантах осуществления может использоваться механизм обработки скопления жидкости в локальных минимумах. Скопления могут образовываться при протекании жидкости в связи с особенностями анатомической структуры моделируемого органа и плотностью жидкости. Механизм обработки таких скоплений позволяет моделировать скопившуюся кровь в соответствующих местах.In accordance with embodiments, the processing mechanism for the flow of fluid along the seams (edges) of the texture display can determine the ratio between pixels located on one side of the seam that are displayed on the corresponding pixels on the other side, thereby allowing the transfer of blood flow from one side to the opposite. In some embodiments, a mechanism for processing fluid accumulation at local minima may be used. Accumulations can form during the flow of fluid in connection with the features of the anatomical structure of the simulated organ and the density of the fluid. The processing mechanism of such clusters allows you to simulate the accumulated blood in appropriate places.

В соответствии с вариантами осуществления сила тяготения может прилагаться динамически, при этом сила тяготения регулируется с учетом положения тела пациента или включения отсасывания жидкости, причем реагирование в процессе моделирования жидкости происходит в реальном времени.In accordance with the embodiments, the gravitational force can be applied dynamically, while the gravitational force is adjusted taking into account the position of the patient’s body or the inclusion of the suction of the liquid, and the response in the process of modeling the fluid occurs in real time.

В некоторых вариантах осуществления объектив камеры может загрязниться, когда виртуальная камера касается моделируемой жидкости.In some embodiments, the camera lens may become dirty when the virtual camera touches the simulated fluid.

Моделирование жидкости может включать получение реакций на промывание, при котором жидкость растворяется, позволяя осуществить всасывание.Modeling a fluid may include obtaining flushing reactions in which the fluid dissolves, allowing absorption.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления моделирование жидкости может включать моделирование лечения кровотечения. При этом активное кровотечение может уменьшаться по интенсивности или останавливаться в одном или нескольких из следующих случаев: а) остановка или уменьшение естественным путем после истечения заданного времени (например, отсчитываемого в секундах); b) остановка или уменьшение после приложения давления в локализованном пространстве с помощью баллона в течение заданного времени; с) остановка или уменьшение после введения заданного количества замороженного физиологического раствора, приходящего в прямой контакт с источником кровотечения; d) остановка или уменьшение после введения заданного количества адреналина, приходящего в прямой контакт с источником кровотечения; е) остановка или уменьшение после аргоно-плазменной коагуляции (АПК) или прижигания источника кровотечения.In accordance with some embodiments, fluid modeling may include a bleeding treatment simulation. In this case, active bleeding can decrease in intensity or stop in one or more of the following cases: a) stop or decrease naturally after a predetermined time (for example, counted in seconds); b) stopping or decreasing after applying pressure in a localized space with a balloon for a predetermined time; c) stopping or decreasing after the introduction of a predetermined amount of frozen saline that comes in direct contact with the bleeding source; d) stopping or decreasing after administration of a predetermined amount of adrenaline coming into direct contact with the source of bleeding; e) stopping or decreasing after argon-plasma coagulation (APC) or cauterization of a source of bleeding.

Согласно одному из вариантов осуществления в заявке описано облачное моделирование. Облачное моделирование позволяет запускать сложные имитационные модели на относительно низкоуровневых компьютерах, которые обычно не поддерживают большой объем математических вычислений и трудоемкие функции построения графических изображений.According to one embodiment, the application describes cloud modeling. Cloud modeling allows you to run complex simulation models on relatively low-level computers, which usually do not support a large amount of mathematical calculations and labor-intensive functions for constructing graphic images.

В некоторых вариантах осуществления при облачном моделировании задействованы один или несколько локальных компьютеров, к которым подключены аппаратные средства для отслеживания моделирующей системы и тактильной обратной связи, а также удаленный сервер, на котором производится моделирование.In some embodiments, the implementation of cloud modeling involves one or more local computers that are connected to hardware for tracking the modeling system and tactile feedback, as well as a remote server on which the simulation is performed.

На ФИГ.11 изображена система моделирования облака согласно одному из вариантов осуществления. В примере, показанном на ФИГ.11, предусмотрены две моделирующие системы 212а и 212b для медицинского моделирования, каждая из которых включает устройства отслеживания моделирующей системы и тактильной обратной связи, соответственно 208а и 208b (в этом примере - моделирующие системы желудочно-кишечного тракта с моделируемым эндоскопом, соответственно 210а и 210b), при этом каждое из этих устройств обменивается данными с соответствующим вычислительным блоком 206а и 206b. Моделирующие системы выполнены с возможностью обмена данными с удаленным сервером облачного моделирования 204.11, a cloud modeling system according to one embodiment is shown. In the example shown in FIG. 11, two modeling systems 212a and 212b are provided for medical modeling, each of which includes tracking devices for the modeling system and tactile feedback, respectively 208a and 208b (in this example, modeling systems of the gastrointestinal tract with simulated endoscope, 210a and 210b, respectively), with each of these devices exchanging data with the corresponding computing unit 206a and 206b. Modeling systems are configured to exchange data with a remote cloud modeling server 204.

Сервер облачного моделирования 204 может принимать данные моделирования от моделирующих систем 212а, 212b.Cloud simulation server 204 may receive simulation data from simulation systems 212a, 212b.

В некоторых вариантах осуществления сервер облачного моделирования 204 может предоставлять обобщенную информацию об имитационных моделях, выполняемых моделирующими системами 212а, 212b, всем пользователям. В некоторых вариантах осуществления обобщенная информация может предоставляться только пользователю или группе пользователей, обладающих определенными привилегиями.In some embodiments, the cloud simulation server 204 may provide generalized information about the simulation models performed by the simulation systems 212a, 212b to all users. In some embodiments, generalized information may be provided only to a user or group of users with certain privileges.

Так, обобщенная информация может представлять собой конкретную оценку или оценки в баллах одной или серии процедур моделирования, выполненных на любой из моделирующих систем 212а, 212b, на некоторых из них, или на всех системах. В некоторых вариантах осуществления обобщенная информация может включать статистические и аналитические данные, относящиеся к одной или серии процедур моделирования, выполненных на любой из моделирующих систем 212а, 212b, на некоторых из них, или на всех системах. В некоторых вариантах осуществления обобщенная информация может включать результаты, показанные одним или группой пользователей, обучающихся на любой из моделирующих систем 212а, 212b.So, the generalized information can be a specific assessment or scores of one or a series of modeling procedures performed on any of the modeling systems 212a, 212b, on some of them, or on all systems. In some embodiments, the aggregated information may include statistical and analytical data relating to one or a series of modeling procedures performed on any of the modeling systems 212a, 212b, on some of them, or on all systems. In some embodiments, the aggregated information may include results shown by one or a group of users studying on any of the modeling systems 212a, 212b.

В некоторых вариантах осуществления сервер облачного моделирования может реализовывать имитационные модели локально, при этом серверы моделирующих систем действуют в качестве терминалов, за которыми обучается каждый из практикантов.In some embodiments, the cloud simulation server can implement simulation models locally, with the servers of the simulation systems acting as terminals for which each trainee is trained.

В некоторых вариантах осуществления для каждой процедуры, выполняемой на моделирующей системе (например, 212а или 212b), можно сохранять набор показателей, используемых для оценки действий практиканта. Когда система подключена к сети (например, к сети Интернет), этот набор показателей можно автоматически синхронизировать с помощью «облачной» среды с удаленным сервером моделирования, который сохраняет данные из моделирующей системы. В некоторых вариантах осуществления эти данные могут включать сведения о регистрации новых пользователей, показанные результаты, специализированные курсы.In some embodiments, for each procedure performed on a modeling system (for example, 212a or 212b), a set of indicators used to evaluate the actions of the trainee can be stored. When the system is connected to a network (for example, to the Internet), this set of indicators can be automatically synchronized using a "cloud" environment with a remote simulation server that stores data from the modeling system. In some embodiments, the implementation of this data may include information about the registration of new users, the results shown, specialized courses.

К удаленному серверу моделирования в разное время или одновременно могут подключаться несколько моделирующих систем (например, 212а, 212b), позволяя создать единственную точку доступа ко всем данным центра моделирования.Several simulation systems (for example, 212a, 212b) can be connected to the remote simulation server at different times or simultaneously, allowing you to create a single access point to all the data of the modeling center.

Синхронизация данных облачного моделирования может включать встроенные средства безопасности, разрешающие доступ к данным только пользователям, имеющим надлежащий уровень полномочий.Cloud simulation data synchronization can include built-in security features that only allow users with the appropriate level of authority to access data.

Следует понимать, что приведенное выше описание призвано служить только в качестве примера, и что многие другие варианты осуществления могут быть реализованы без выхода за рамки полезной модели и отступления от ее сущности.It should be understood that the above description is intended to serve only as an example, and that many other options for implementation can be implemented without going beyond the scope of the utility model and deviating from its essence.

Примеры могут включать устройства для выполнения операций, описанных в настоящей заявке. Такие устройства могут быть специально изготовлены для нужных целей, или могут включать компьютеры или процессоры, выборочно активируемые или переконфигурируемые компьютерной программой, хранящейся в памяти компьютеров. Такие компьютерные программы могут храниться на машиночитаемом стационарном носителе информации, любом типе диска, включая гибкие диски, оптические диски, компакт-диски постоянной памяти (CD-ROM), магнито-оптические диски, постоянные запоминающие устройства (ROM, read only memory), устройства памяти с произвольным доступом (RAM, random access memory), электрически программируемые устройства ПЗУ (EPROM, electrically programmable read-only memories), электрически стираемые и программируемые устройства ПЗУ (EEPROM, electrically erasable and programmable read only memories), магнитные или оптические карты, или любой другой тип носителей, пригодных для хранения электронных команд. Следует понимать, что для реализации замысла примеров, описанных в настоящей заявке, могут использоваться различные языки программирования. Примеры могут включать изделие, такое как машиночитаемый стационарный носитель информации, например, устройство памяти, дисковый накопитель или флэш-память с портом USB, кодирующий, включающий или сохраняющий команды, например, машинные команды, которые, когда их выполняет процессор или контроллер, реализуют описанные здесь способы. Эти команды могут вызывать исполнение процессов, реализующих описанные способы, процессором или контроллером.Examples may include devices for performing the operations described in this application. Such devices may be specially made for the desired purpose, or may include computers or processors selectively activated or reconfigured by a computer program stored in computers. Such computer programs can be stored on a machine-readable stationary storage medium, any type of disk, including floppy disks, optical disks, compact discs, read-only memory (CD-ROM), magneto-optical disks, read-only memory (ROM) devices random access memory (RAM), electrically programmable ROM devices (EPROM, electrically programmable read-only memories), electrically erasable and programmable ROM devices (EEPROM, electrically erasable and programmable read only memories), magnetic or optical cards, or any q ugoy type of media suitable for storing electronic instructions. It should be understood that to implement the intent of the examples described in this application, various programming languages can be used. Examples may include an article of manufacture, such as a computer-readable stationary storage medium, such as a memory device, disk drive, or USB flash drive that encodes, includes, or stores instructions, such as machine instructions, which, when executed by a processor or controller, implement the described here are the ways. These commands can cause the execution of the processes that implement the described methods, the processor or controller.

В настоящей заявке раскрыты различные варианты осуществления. Признаки некоторых вариантов осуществления могут объединяться с признаками других вариантов; таким образом, некоторые варианты осуществления могут представлять собой комбинацию признаков нескольких вариантов осуществления. Приведенный выше текст заявки представлен в целях иллюстрации и описания. Он не является исчерпывающим и не ограничивает полезную модель формой, в которой представлен. Специалистам в данной области понятно, что в рамках описанной идеи можно предложить много модификаций, изменений, вариантов замены или эквивалентов. В связи с этим следует понимать, что прилагаемая формула полезной модели распространяется на все такие модификации и изменения, каждое из которых входит в подлинный объем полезной модели.Various applications are disclosed herein. Features of some embodiments may be combined with features of other options; thus, some embodiments may be a combination of features of several embodiments. The above application text is provided for purposes of illustration and description. It is not exhaustive and does not limit the utility model to the form in which it is presented. Specialists in this field it is clear that in the framework of the described ideas, you can offer many modifications, changes, replacement options or equivalents. In this regard, it should be understood that the attached formula of the utility model applies to all such modifications and changes, each of which is included in the true scope of the utility model.

Хотя в настоящем описании были проиллюстрированы и описаны определенные признаки полезной модели, специалисты в данной области смогут предложить много модификаций, изменений, вариантов замены или эквивалентов. В связи с этим следует понимать, что прилагаемая формула полезной модели распространяется на такие модификации и изменения, каждое из которых входит в подлинный объем полезной модели.Although certain features of a utility model have been illustrated and described herein, those skilled in the art will be able to propose many modifications, changes, replacement options, or equivalents. In this regard, it should be understood that the attached formula of the utility model applies to such modifications and changes, each of which is included in the true scope of the utility model.

Claims (8)

1. Моделирующая система для моделирования медицинской процедуры, включающая:1. A modeling system for modeling a medical procedure, including: моделируемый орган;simulated organ; моделируемый эндоскоп, расположенный в моделируемом органе и содержащий датчик для определения местоположения указанного моделируемого эндоскопа внутри моделируемого органа;a simulated endoscope located in the simulated organ and containing a sensor for determining the location of the specified simulated endoscope inside the simulated organ; механизм тактильной обратной связи, расположенный в моделируемом органе и предназначенный для обеспечения тактильной обратной связи, прикладываемой к моделируемому эндоскопу.tactile feedback mechanism located in the simulated organ and designed to provide tactile feedback applied to the simulated endoscope. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что моделируемый орган помещен в переносном корпусе.2. The system according to claim 1, characterized in that the simulated organ is placed in a portable case. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что она также содержит блок обработки данных.3. The system according to claim 1, characterized in that it also contains a data processing unit. 4. Система по п.3, отличающаяся тем, что блок обработки данных помещен на удаленном сервере.4. The system according to claim 3, characterized in that the data processing unit is placed on a remote server. 5. Система по п.3, отличающаяся тем, что блок обработки данных содержит интерфейс связи, выполненный с возможностью обмена данными с удаленным сервером по сети.5. The system according to claim 3, characterized in that the data processing unit comprises a communication interface configured to exchange data with a remote server over the network. 6. Система по п.1, отличающаяся тем, что механизм тактильной обратной связи включает трубку и шток, который выполнен с возможностью увеличения или уменьшения давления на трубку при помощи электродвигателя.6. The system according to claim 1, characterized in that the tactile feedback mechanism includes a tube and a rod, which is configured to increase or decrease pressure on the tube using an electric motor. 7. Система по п.6, отличающаяся тем, что для управления электродвигателем предусмотрен контроллер, выполненный с возможностью обмена данными с блоком обработки данных.7. The system according to claim 6, characterized in that for controlling the electric motor there is a controller configured to exchange data with the data processing unit. 8. Система по п.1, отличающаяся тем, что моделируемый орган выбран из группы моделируемых органов, состоящей из моделируемого желудочно-кишечного тракта и моделируемого бронхиального тракта. 8. The system according to claim 1, characterized in that the simulated organ is selected from the group of simulated organs consisting of a simulated gastrointestinal tract and a simulated bronchial tract.
RU2013111292/14U 2013-03-14 2013-03-14 MEDICAL PROCEDURE MODELING SYSTEM (OPTIONS) RU143299U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013111292/14U RU143299U1 (en) 2013-03-14 2013-03-14 MEDICAL PROCEDURE MODELING SYSTEM (OPTIONS)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013111292/14U RU143299U1 (en) 2013-03-14 2013-03-14 MEDICAL PROCEDURE MODELING SYSTEM (OPTIONS)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU143299U1 true RU143299U1 (en) 2014-07-20

Family

ID=51220185

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013111292/14U RU143299U1 (en) 2013-03-14 2013-03-14 MEDICAL PROCEDURE MODELING SYSTEM (OPTIONS)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU143299U1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2607958C1 (en) * 2015-11-27 2017-01-11 Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Мозга Человека Им. Н.П. Бехтеревой Российской Академии Наук /Имч Ран/ Method of combining multimodal brain images
RU2726476C1 (en) * 2019-09-18 2020-07-14 Государственное бюджетное учреждение здравоохранения города Москвы городская клиническая больница имени С.П. Боткина департамента здравоохранения города Москвы (ГБУЗ ГКБ им. С.П. Боткина ДЗМ) Method for accelerated training in basic surgical skills of endoscopic endonasal manipulations using simulated techniques

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2607958C1 (en) * 2015-11-27 2017-01-11 Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Мозга Человека Им. Н.П. Бехтеревой Российской Академии Наук /Имч Ран/ Method of combining multimodal brain images
RU2726476C1 (en) * 2019-09-18 2020-07-14 Государственное бюджетное учреждение здравоохранения города Москвы городская клиническая больница имени С.П. Боткина департамента здравоохранения города Москвы (ГБУЗ ГКБ им. С.П. Боткина ДЗМ) Method for accelerated training in basic surgical skills of endoscopic endonasal manipulations using simulated techniques

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6863536B1 (en) Endoscopic tutorial system with a bleeding complication
US6939138B2 (en) Endoscopic tutorial system for urology
US10902677B2 (en) Interactive mixed reality system and uses thereof
AU2017202475B2 (en) Endoscope simulator
US5882206A (en) Virtual surgery system
US7261565B2 (en) Endoscopic tutorial system for the pancreatic system
Bro-Nielsen et al. Preop [TM] Endoscopic Simulator: A PC-Based Immersive Training System for Bronchoscopy
US9396669B2 (en) Surgical procedure capture, modelling, and editing interactive playback
Datta et al. The PreOp flexible sigmoidoscopy trainer
Dumay et al. Endoscopic surgery simulation in a virtual environment
Riener et al. VR for medical training
EP1275098B1 (en) Endoscopic tutorial system for urology
RU143299U1 (en) MEDICAL PROCEDURE MODELING SYSTEM (OPTIONS)
Wang et al. Development of a 3D simulation which can provide better understanding of trainee's performance of the task using airway management training system WKA-1RII
WO2001088881A2 (en) Tools for endoscopic tutorial system
Trantakis et al. “IOMaster 7D”—a new device for virtual neuroendoscopy
WO2018193064A1 (en) Medical simulations
Acosta et al. Design and Manufacture of a Training System for Ventriculostomy
Deligianni Visual augmentation for virtual environments in surgical training.
TW202111724A (en) A multimedia assisted system for medical training
Fares et al. Computer-Based Surgical Simulation for Medical Education: A Survey