专利名称：干预模拟器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及模拟干预手术的计算机控制的设备，特别是使用专用器械所取得的效果。
背景技术：
成人教育的原则，实践学习的宗旨以及致力于专门技术发展的理论，全都强调在学习过程中关键性角色经验的扮演。模拟技术成功地应用于当今外科和内科教育，并且向实习生和开业医生提供，基于这些教育理论基础的必要学习经验。所有的学习者都有机会依据标准的学习经验学到基本功并且达到规定的资格水平。通过对性能评估以及提供即时的，个别的和详细的反馈信息，模拟可以使学习简化。模拟可以提供控制设置，这种设置可以重复直到获取确定的性能等级，模拟还能够减小学习者的压力，增加他们的信心，并且在对病人治疗前确保达到技术技能的情况下，提高实际设置中的安全性。开业医生可以通过使用模拟的教育干预方式，提高他们的技能并且学习由于科学技术进步而产生的新兴程序。此外，应用模拟有助于解决实际问题，譬如对医务人员从业时间的要求，可以向实习生提供独立的学习和实践机会以解决这些问题。通过使用这种模拟手段，解决了当前重点强调的责任义务和卫生保健质量保证的问题，并且结果数据用于向公众保证医师的从业能力。
模拟应被认为是每个当前致力于专门技能发展的教育程序的一个至关重要的部分。模拟可以用于确保有效的教学和学习，向学习者提供了对其技能进行评定的确实可靠的手段，并且生成有关需要改进的特定缺点的信息，以及创建学习者技能的单独预指令集。为了取得预期的结果，根据成人教育，实践学习以及有效反馈的原则，应该开设特定的课程。这种模拟还可以用于专业进修教育和专业资格认证的程序中。在发展和获得模拟，以及建立与教育模式有效结合的练习程序时，需要投入资源。然而，迅速有效的执行手术的程序，病人安全性的提高，以及教授学习者多样专业技能时间的减少，由这些因素产生的众多优势都很容易与资源的初始投入相抵消。这种模拟也可以用于评估在教育方面所付出努力的效果，甚至是选择受训的个体。因此，模拟具有对未来的外科和内科教育产生重大影响的潜力。
由于计算机技术领域的飞速发展，模拟技术，特别是应用于外科和内科教育的模拟技术，已经取得了显著的进步。然而，现有已知的设备和方法不能对所使用的不同器械进行全面模拟。
根据本发明，在先技术中没有提出或给出模拟不同器械的提示。
US 4,907,973专利公开了一个医疗调查系统，在这个系统中，一个人与系统交互，插入信息。系统利用这些信息建立替代条件的现实非限制环境模型，所述条件是在向体内导入器械或者或不完全导入器械的医疗过程中遇到的。这些是通过播放如同生活中出现的模拟内部条件的视频，以及通过显示监测数据来实现的，数据包括，例如血压，呼吸，心脏跳动速率等等。文中提到血流量，但是没有提到血流量的变化以及如何完成这种模拟。
WO 01/88882专利涉及一种方法和一个系统，其用于模拟胆、胰腺十二指肠镜检查的最低程度地向体内导入器械的医疗过程。系统设计成尽可能地模拟实际的胆、胰腺十二指肠镜检查的医疗过程，实现的方式是提供模拟医疗器械，并且提供当模拟程序作用于模拟病人时的触觉和视觉反馈。特别优选的特点包括，在复杂的解剖中虚拟导航的多途径解决方案。此外，系统和方法可选择地且优选地结合将染料动力对比注射到乳突中得到的荧光透检查结果。这种染料的注射，以及在十二指肠镜检查中存在的胆、胰腺器官系统的随后造影必须在准确的视觉反馈方面被精确地模拟。而且，胆、胰腺器官系统可选择地且优选地被模拟成多个花键(spline)，更优选地是布置成花键树或者是其他有枝结构。因此，系统和方法，为了解决在胆、胰腺十二指肠镜检查程序中关于训练学生这一复杂且困难的问题，提供了一个完整的解决方案。文中提到，在三个步骤中，数字化影像优选地应该是清晰且没有视觉伪差的，然后，将其存储在组织结构制图的数据库中。优选地，在存储之前应该增强数字化影像。更优选地，组织结构制图还包括动画。这种动画可以模拟生物流体流动的效果，譬如血液由于重力的影响而向下流动。文中既没有提到流量的变化也没有提到是如何完成模拟的。
发明内容
本发明优选实施例的主要目标是，为在模拟血管中展开器械所造成影响的实时模拟提供一个新颖有效的系统，优选地，系统用于心脏血管或内血管的诊断或干预程序中。本发明的另一个目标是在模拟血管中模拟，例如血液或其他液体的流量变化。
由此，本发明的干预程序模拟系统包括一个控制部件和一个接口部件，控制部件与接口部件之间进行通信，从而模拟控制至少一个与接口部件连接的器械。器械是一个可在模拟血管中展开的工具，当工具展开时，血管的几何形状改变，从而导致血液流量变化。模拟血管在一个层次结构中互连，血液流量的改变影响邻近模拟血管中的血液流量改变。
参照如下幅图，将对本发明不受限制地进一步叙述图1是本发明一个实施例的结构图。
图2是接口装置的示意图。
图3是模拟器械的示意图。
图4-6是使用球囊和支架(stent)时的一系列荧光镜图像。
图7-10是使用导管时的一系列荧光镜图像。
图11-13是使用远端保护时的一系列荧光镜图像。
图14是血管结构的示意图。
图15是图14血管结构的层次示意图。
图16是一个用于计算半径的模型，其中所示为R(p)(从上至下)q＝0，q＝1，q＝2(p0＝4)。
图17是另一个用于计算半径的模型，其中所示为R(p)(从左至右)p0＝2，4，6，8(q＝1)。
图18是另一个用于计算半径的模型，其中所示为R(p)(从左至右)p0＝2，4，6，8(q＝2)。
具体实施例方式
依据本发明的模拟装置的一个典型实施例如图1所示。装置100包括一个计算机部件110和一个接口部件120。计算机部件110可以是一个普通个人计算机(PC)或者与之相似的装置，或者是与接口部件120集成的部件。本实施例的计算机部件与显示器111，输入装置112譬如键盘和鼠标，以及通信接口(没有显示)之间互相通信。
接口部件120设计成接受多个器械121-123，接口部件在由同一个申请人申请的，发明名称为“干预模拟装置”(SE 0203568-1)的类似申请中有所叙述，在本申请中可结合参考。控制系统设计成模拟干预程序，控制系统在由同一个申请人申请的，发明名称为“干预模拟控制系统”(SE 0203567-3)的类似申请中有所叙述，在本申请中可结合参考。
然而，本申请并不限于一个包括以上所述控制系统和接口部件的系统。本申请可以应用于能够对自展开器械进行模拟的任何系统中。
通过不同的方式，可以作出一个3D几何图形—它们能够在3D模型软件中建模，即从零开始，使用解剖学课本，视频剪辑等手段进行，这里仅作为参考。
—它们可以根据实际的病人数据形成，例如，这些数据是通过具有计算机辅助X线体层摄影术(CT)，核磁共振成像(MRI)，超频率音响，荧光镜等的扫描装置130获得。
如图2所示的作为优选实施例的接口部件200，其接受多个器械，器械是模拟的或者是真实的且优选地至少是两个器械。接口部件包括多个活动厢体216A-216C，其数量与器械的数量相一致。接口部件还包括一个公共轨道220和一个如同套筒式管子一般的互连构件226。互连构件226与厢体216A-216C依次互连。每个厢体都有一个开口，以确保接收器械。每个厢体216A-216C进一步包括用于接受且闭锁至少一个器械的构件，以及用于接受器械的移动并且产生一个力的构件，产生的力反作用于具有模拟特性的器械。优选地，每个厢体包括一个用于检测器械类型的检测装置，器械插入穿过互连构件。接口部件与控制部件(PC)相连以测量每个厢体的移动，并且通过一个速度调节器和一个距离调节器对移动进行调节。每个厢体与一个齿轮皮带传动装置连接以沿着轨道220驱动。每个厢体装配一个放置在扭矩轮子上的曲柄滑块。曲柄滑块有一个配合表面，表面朝着咬合器械导线夹头的方向被按压。而且，每个厢体上具有使检测构件进出的出口，检测构件用于检测厢体内器械的存在状况。检测构件可以检测每个器械的厚度。光学传感器探测在厢体内器械的存在状况。控制部件测量器械的纵向移动和转动，并且根据接收到的力和扭矩，给出器械在纵向和旋转方向的力反馈。闭锁构件用于夹住器械，将器械连接到中心壁上。闭锁构件包括一个放置在中心壁中的扭矩轮子。曲柄滑块放置在扭矩轮子内部，并且曲柄滑块可以沿着纵向移动，但是其在旋转方向是固定不动的。
优选地，系统模拟不同类型自展开工具的工作方式。自展开工具由工具本身和覆盖在工具上的一层护套(软管)组成。当护套是收缩时，工具本身展开到其“自然”形状。在一些情况下，也有可能将护套拉回，再次覆盖到工具上。
实例1自展开的支架。支架被强加于空心管的上部，空心管在导线的上部延伸，并且支架被一层护套覆盖。支架与下部管子不连接。当覆盖的护套收缩时，支架逐渐张开，达到预定的直径(这个直径是血管中直径的最大值，如果血管壁与支架挤压在一起，这个直径将更小)。当护套完全收缩时，整个支架将脱离护套和下部管子，并且压紧血管壁。当前没有恢复支架自身的办法。
实例2远端保护器(DPD)。如图3中所示的远端保护器30是一个“双锥体”31和32，它们的两个末端连接到一根线33上，并且被一层护套覆盖(没有显示)。“锥体”的远端部分是一张细网眼的网31，其用于筛取在干预中释放出来的颗粒。“锥体”的近端部分完全张开。当护套收缩时，锥体成为其“自然”形状，即中间最宽。由于护套与下部线相连，则能够将其拉回，再次覆盖“锥体”。
接下来，将结合多个实例对本发明进行叙述，实例不限于以下所述图4-6所示为一个自展开器械的系列图，在这个实施例中是一个自展开的支架。这种自展开的支架被一层护套覆盖，护套收缩时，支架展开到一个规定尺寸(但是，由于它触及血管壁，则最终的尺寸取决于血管的“刚度”和支架自身的特性)。支架在视觉上的两个特性，即它在血管上展开的方式以及作用的效果都是被模拟的。随后，也可以使用一个“有规则的”球囊使血管后膨胀。图4中，自展开支架处在血管中适当的位置，但是并没有展开。图5中，覆盖在支架上的护套部分收缩。图6中，护套完全收缩并且支架展开(没有连接到工具上)。模拟程序具有多个初始值自展开器械的静止展开直径，血管初始内直径(在模拟部分)，自展开器械的弹簧常数以及血管刚度。这些参数用于确定模拟器如何设定器械以及血管(模拟部分)展开的边界。如果使用护套，则它的直径也必须计入其中。
也可以采用相同的方式使用球囊和支架；球囊(也适用于支架)与血管相互作用，血管展开。血流量随之改变，注射造影剂时也会产生同样的情况。支架以一种其是可看得见的方式被模拟，并且当球囊泄气时支架处于原位。有可能是，先放入一个更大的球囊，然后对它再充气。这对支架和血管都会产生影响，就是所谓的后扩张。也有可能是，在使用支架之前先对球囊充气，这就是所谓的先扩张。利用力反馈能够实现模拟，由此，当使用一个“大”球囊做检查时，通过压迫会感觉到的患处。
根据本发明的最佳实施例，血管布置成一个层次结构。数据库中提供的所有血管具有如图14和图15中的层次结构，其表明了血管是如何连接的。一个血管中血流量的变化会影响层次结构中其他血管中的血流量变化。
系统模拟球囊器械以及模拟球囊对周围管状器官的影响，譬如血管或者排泄管。
血管具有管状几何结构，并且其具有特定的刚度。不同血管的刚度可以不同，而且同一根血管的不同部分其刚度也可以不同。特别地，患处(血管狭窄处)的刚度与其相邻血管部分的刚度是不同的。
血管的几何结构会影响内部流体(血液)的流量。患处将降低流经超过那一点的其余血管树部分的流量。
球囊，举例来说，用于撑开患处，因此扩大了血管的狭窄部分，增大了流量。球囊在高压下充气。每个特定的球囊有预定的尺寸(直径和长度)。最终的直径将取决于医生给球囊充气时作用于其外部的压力总量和血管壁的内部压力。
系统计算流经具有几何结构的血管树的流量。狭窄部分将会导致低流量。每次血管树的几何结构改变或者发生实物阻塞(甚至是其中一部分)时，都要再次计算流量。
流量的计算与解决电阻网络问题的方法相同。电压对应于压力，电流对应于流量，电阻对应于流体阻力。流体网络的顶端在心脏的左心室，这里压力最高，且网络的底部处在与心脏的右心室连接的静脉之中，那里的压力接近于零。中间的血管，例如，树中的所有血管分支，具有根据它们直径和长度计算出的流动阻力。计算流量的算法是通过树进行递归计算，直到计算出所有分支中的流量和压力。
系统计算球囊对周围血管壁的影响。取决于球囊的尺寸(直径和长度)和施加在血管壁的压力，将产生不同的影响。如果血管的刚度不同，即使是同样的球囊和相同的压力，也会对相同尺寸的血管产生不同的影响。具有不同压力的相同球囊也会对相同血管产生不同的影响。
以下是模拟流量变化的典型方法。血管的数据以及球囊的特征数据都存储在计算机的存储部件中。压力数据从接口部件中引出。
血管直径变化的算法以下面的方式进行(简化)使用加压器，例如泵，为球囊充气。当球囊直径小于血管直径时，球囊直径是泵压力的函数，血管未受影响(但是，根据以下的方法，因为横截面区域改变了，流量也发生了变化)。当球囊直径等于或者大于血管直径，血管直径开始增大。球囊的压力作用于血管壁，并且在血管内引起内应变。这依次会造成取决于血管刚度的血管壁扩张，导致血管半径增大以产生一个新的血管壁区域，以及在血管壁上造成新的内力等等。
应用在计算机部件中的典型模型具有如下形式R(p)=rN(p)ifrN(p)<rVrV+(rN(p)-rV)kBkB+kVtanhq(pp0)else]]>其中，p是球囊内的压力，R(p)是血管中球囊的实际半径，rN(p)是在指定的压力下自由空间中球囊的尺寸，rV是血管的初始半径。q是一个确定函数线型的整数(参见图16)，p0是压力临界值(参见图17和图18)。最后，kB和kV分别确定球囊和血管的刚度。R(p)缓慢地渗透以进行缓慢的扩展。注意，球囊随意地增大，直到其具有血管的尺寸。
对于特殊情况，有可能的是p是一个固定值，而p0是默认值。
球囊充气时，球囊会阻塞从而影响流量(参见图8的整个阻塞)。
球囊排气时，将会引起血管几何形状的永久变化，从而导致流量的变化。
代替球囊，可是使用一个自扩展支架撑开血管，从而改变流量。
如图7-10所示的程序，其采用的方式是，首先导管和导线预先接近右边或左边的冠状血管树。接下来，通过导管注射造影剂以确定患处/器官狭窄部位。图像可以被改变以获得患处最佳的显影。也可以将影像输出，或者由独立的QCA(质量性状评估)程序对其分析以进行长度和宽度测量。然后，用户能够确定其需要使用的球囊/支架尺寸(典型地，在球囊充气/支架展开的前后，将记录下一些电影循环画面)。一根细导线(冠状线)首先沿着导管前进穿入血管树。线的顶端可以制成一个角(用户可选择的)，然后将线转动从而令其贯穿血管树，并且进行拉/推操作，找出经过患处的恰当路线。球囊/支架预先放置在线的顶端，并且使用射线透不过的标志将其定位在合适位置。可以注射造影剂，确定球囊/支架所在的恰当位置。最后，球囊/支架展开并保持一段时间，然后收缩。所有的这些步骤都是被模拟的，都可以在实际生活中完成。
远端保护器阻止血栓进一步移动从而阻塞非常小的血管(其可以是大脑中正破坏的血管)。使用的过滤“筐”与一根线连接，并且最初被一层护套覆盖。线和护套定位在穿过损伤的位置，然后收缩护套，留下筐作为当患处扩张时的保护。接下来，复原的护套将筐合拢，并且两个共同收缩。远端保护器的动作是被模拟的，包括人们如何控制它以及控制一些看得见的特性。其他类型的保护装置也可能模拟，例如，充气时阻塞流动的球囊。
如图11-13所示的系列图图11中远端保护器处于血管的适当位置，覆盖过滤器的护套部分收缩；图12中护套收缩，过滤器“底部”的标志开始“展开”。
图13中护套进一步收缩。
请注意，过滤器本身在本申请中的荧光镜图像中不可见，仅可看到标记点。由于过滤器与线连接，上述顺序可以颠倒。
本发明并不限于所述的实施例，但是能够在不脱离附加权利要求范围内进行改变，并且装置和方法可以根据实际应用，功能部件，需求和要求等因素以不同的方式实施。
权利要求
1.干预程序模拟系统，包括一个控制部件和一个接口部件，所述控制部件与所述接口部件之间进行通信，从而模拟控制至少一个与所述接口部件连接的器械，其特征在于，控制部件包括一个血管数据库，其中的血管具有层次结构，每个血管具有直径和刚度，且所述器械是能够在模拟血管中展开的工具，由此，当所述工具被展开时，所述血管的几何形状改变，从而导致流体流量的变化。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述模拟血管以一个层次结构互连，且所述流体流量的改变影响相邻模拟血管中的流体流量的变化。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述器械是一个球囊，支架(stent)和/或一个远端保护器。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，血管具有管状几何结构并且具有特定的刚度。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，患处血管的刚度不同于相邻血管部分的刚度。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，系统计算流经层次结构的流量，层次结构的几何形状是一个血管树。
7.在一个干预程序模拟系统中模拟体内流体流量的方法，系统包括一个控制部件和一个接口部件，所述控制部件与所述接口部件之间进行通信，从而模拟控制至少一个与所述接口部件连接的器械，方法包括的步骤是-在所述控制部件中提供一个血管数据库，血管具有层次结构，并且每个血管具有直径和刚度，-提供所述器械，其是一个能够在模拟血管中展开的工具，以及-当所述工具展开时，能够改变所述血管的几何形状，从而导致流体流量的变化。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，以一个电阻网络为模型进行流量的模拟。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，电压对应于压力，电流对应于流量，电阻对应于流体阻力。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，流体网络的顶端在心脏的左心室，这里压力最高，且网络的底部在与心脏的右心室连接的静脉之中。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，流量的计算是通过树进行递归计算，直到算出所有分支中的流量和压力。
全文摘要
本发明涉及一个干预程序模拟系统和方法，系统包括一个控制部件和一个接口部件，所述控制部件与所述接口部件之间进行通信，从而模拟控制至少一个与所述接口部件连接的器械。控制部件包括一个血管数据库，其中的血管具有层次结构，每个血管具有直径和刚度，且所述器械是能够在模拟血管中展开的工具。当所述工具被展开时，所述血管的几何形状改变，从而导致流体流量的变化。
文档编号G09BGK1720560SQ200380104806
公开日2006年1月11日 申请日期2003年12月3日 优先权日2002年12月3日
发明者杨·格鲁德-佩德森 申请人:曼帝丝公司