腹腔开放手术模拟训练评估系统的制作方法

本发明涉及一种医疗训练设备技术领域，具体涉及一种腹腔开放手术模拟训练评估系统。

背景技术：

在临床医学教学中，外科手术教学普遍面临知识抽象、培训困难的问题，其教学过程大多依赖图谱和模型，培训模式往往是医师操作、学生观摩或充当临时助手，学生很少有直接实施手术的机会。目前，大多数医学生实施手术只能在人尸体或活体动物上进行，虽然人尸体是最好的训练素材，但资源稀缺，成本巨大，伦理问题复杂，且对教师的依赖性高，需要大量师资介入，所以活体动物是教学中最常见的手术素材，但动物的解剖结构与人依然存在不小差距，还会给医护人员带来额外的寄生虫风险。

为解决上述问题，近年来已经有业内人士提出了一些解决方案，中国专利申请cn109493667a公开了“一种外科手术训练盒及其训练方法”；中国专利申请cn108492696a公开了“一种手术打结与缝合训练模型”；中国专利申请cn109035954a公开了“一种腹腔镜手术辅助训练装置”等。但是，这些方案中仅是一些简陋的专科器具，仅能针对缝合、打结、持剪、穿刺等某一项操作进行学习和训练，与临床场景差别甚远。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

鉴于目前尚无完整可行的损害控制手术训练方案可供选择，本发明的目的是提供整体性腹腔开放手术训练评估系统，为外科学生提供逼真的手术对象，根据学生的实际操作进行实时反馈并提供客观化的评估。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种腹腔开放手术模拟训练评估系统，其包括：

胸腹腔模拟训练装置(10)，用于模拟人体胸腹腔、以及腹腔内部的软组织和脏器，提供学员进行腹腔开放手术模拟训练使用；

可记录手术过程轨迹的手术刀(20)，提供学员进行腹腔开放手术模拟训练使用，所述手术刀设有无线传输装置；

上位机(60)，与所述手术刀(20)的无线传输模块进行通讯连接，接收手术刀所传输的轨迹数据，以供结合预设的评分规则，对学员的腹腔开放手术模拟训练成绩进行评估。

根据本发明的较佳实施例，其中：所述评估系统还包含摄像装置(30)，用于捕捉和记录学员在进行腹腔开放手术训练中的过程信息；所述摄像装置(30)与所述上位机(60)通讯连接，以综合学员在腹腔开放手术训练中的过程信息，对学员的腹腔开放手术模拟训练成绩进行评估。

根据本发明的较佳实施例，其中：所述胸腹腔模拟训练装置(10)包括半开放胸腹腔模型(11)和软组织及脏器模型(12)；所述半开放胸腹腔模型(11)包含用于模拟人体胸腹腔的肋骨(111)、胸骨架(112)、胸腔(113)和腹腔(114)，所述肋骨(111)和胸骨架(112)固定在所述胸腔(113)和腹腔(114)中；所述软组织及脏器模型(12)包含可拆卸地安装在所述胸腹腔模型内部的软组织模型、脏器模型(121)和胸/腹主动脉模型(122)。

根据本发明的较佳实施例，其中：还包括一个子控制单元(40)，设于所述胸腹腔模拟训练装置(10)内，与所述上位机(60)通讯连接；所述胸腹腔模拟训练装置(10)内还设有储血池(13)，所述储血池(13)通过蠕动泵(131)连接所述胸/腹主动脉模型(122)，且在所述储血池(13)与所述胸/腹主动脉模型(122)之间还设有压力传感器(14)；所述压力传感器(14)与所述子控制单元(40)通讯连接。

根据本发明的较佳实施例，其中：所述脏器模型(121)包括肝脏(121a)、双侧肾脏(121b)、脾脏(121c)和胃(121d)，且分别与所述胸/腹主动脉模型(122)以管路(p)连通，在所述各管路上设有流量传感器(15)；所述流量传感器(15)与所述子控制单元(40)通讯连接。

根据本发明的较佳实施例，其中：所述管路(p)包括连接管(p1)和连接器(p2)，所述连接器(p2)一端与所述胸/腹主动脉模型(122)固定连接，另一端则通过连接管(p1)与肝脏(121a)、双侧肾脏(121b)、脾脏(121c)和胃(121d)形成可拆卸的连接。

根据本发明的较佳实施例，其中：所述连接器(p2)包括中间管部和连接头，所述连接头为锥形管，所述锥形管中间具有通孔，锥形管外表面设有凸起的环圈，使所述连接头易于插进连接管(p1)中，但不易从连接管(p1)中松脱。

根据本发明的较佳实施例，其中：所述蠕动泵(131)由一个蠕动泵驱动模块(132)所驱动；所述蠕动泵驱动模块(132)与所述子控制单元(40)通讯连接；所述压力传感器(14)、流量传感器(15)将采集的压力值和流量值实时传送给所述子控制单元(40)，所述子控制单元(40)判断所述压力值和流量值是否在预设范围内，根据判断结果，向所述蠕动泵驱动模块(132)发送控制指令，使所述蠕动泵驱动模块(132)驱动所述蠕动泵(131)抽吸储血池(13)中的红色液体对胸/腹主动脉模型(122)进行补给。

根据本发明的较佳实施例，其中：所述胸腹腔模拟训练装置(10)还包括胸腹蒙皮(16)，所述胸腹蒙皮(16)与所述半开放胸腹腔模型(11)呈可拆卸的结合。

根据本发明的较佳实施例，其中：在所述半开放胸腹腔模型(11)上固定有凸股自封条(116)，所述胸腹蒙皮(16)的边缘处设有凹股自封条(161)；或者在所述半开放胸腹腔模型(11)上固定有凹股自封条，而所述胸腹蒙皮(16)的边缘处设有凸股自封条；将所述胸腹蒙皮(16)覆盖在所述半开放胸腹腔模型(11)表面，通过按压使所述凹股自封条(161)与对应位置的所述凸股自封条(116)结合，实现所述胸腹蒙皮(16)与所述半开放胸腹腔模型(11)的可拆卸连接。

根据本发明的较佳实施例，其中：软组织模型、脏器模型(121)和胸/腹主动脉模型(122)、胸腹蒙皮(16)采用pva生物医用材料，经物理凝胶成型，微观呈三维网状结构，且其电导率、含水率、弹性模量参照人体组织的参数进行设计。

根据本发明的较佳实施例，其中：所述摄像装置(30)固定于手术台(50)的手术灯(51)上，用于实时捕捉和记录学员在进行腹腔开放手术训练中的过程信息。例如，所述过程信息包括手术的操作时间，也可包括学员在手术过程中的操作动作，可供老师或评分专家调取和回顾，并结合其他评分项，综合给出评分成绩。

根据本发明的较佳实施例，其中：所述胸腹蒙皮(16)与所述半开放胸腹腔模型(11)密封结合，且所述半开放胸腹腔模型(11)的下侧设有与所述胸腔(113)和腹腔(114)连通的抽气口(115)，利用抽气筒对所述抽气口(115)抽气，使所述半开放胸腹腔模型(11)内部呈负压状态。

根据本发明的较佳实施例，其中：所述可记录手术过程轨迹的手术刀(20)包括刀头(21)和刀柄(22)，所述刀柄(22)内部设有惯性传感器(221)，在所述刀柄(22)朝向刀头(21)的一侧还设有前向摄像头(222)，且其摄像镜头朝向所述刀头(21)的方向设置，所述刀柄(22)内还设置有无线传输模块(224)和蓄电池(223)；所述无线传输模块(224)与所述上位机(60)通讯连接。

根据本发明的较佳实施例，其中：手术刀(20)以无线传输模块与上位机(60)通讯连接，将手术训练过程中的轨迹数据传送给上位机(60)，上位机(60)预存有专家的手术动作轨迹数据。

根据本发明的较佳实施例，其中：摄像装置(30)以无线或有线方式与上位机(60)通讯连接，将手术训练过程中动作捕捉等视频记录发送给上位机(60)。

根据本发明的较佳实施例，其中：在胸腹腔模拟训练装置(10)内设有子控制单元(40)，其与上位机(60)无线或有线(优选无线)方式通讯连接；子控制单元(40)主要包括电源管理模块(41)、无线传输模块(42)和处理模块(43)；电源管理模块(41)为胸腹腔模拟训练装置(10)内的蠕动泵驱动模块(132)、各流量/压力传感器、处理模块(43)、无线传输模块(42)等供电，保障各部分稳定工作；处理模块(43)接收各流量/压力传感器实时采集的数据并根据预设程序、发出相应控制指令；所述无线传输模块(42)提供与上位机(60)通讯连接，以将流量/压力传感器的采集数据、处理模块(43)的处理结果发送上位机(60)。

优选地，所述评分规则为出血总量、出血时间、手术时间、手术刀记录的手术轨迹与专家库匹配度4项相结合给出评分。对学员的腹腔开放手术模拟训练进行评分，可由上位机(60)结合预设的评分规则和程序软件来完成，或者由人工调取上位机(60)所收集的数据和信息，结合评分规则来完成。

本发明是实现基于空间轨迹追踪、视频监控、分布式多传感器(流量传感器和压力传感器)，进行腹腔损害控制手术的效果评价和操作评价，并进行动作捕捉方案设计，以实现训练过程的量化评判。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明首次提供了一种腹腔开放手术模拟训练评估系统，可用于腹腔损害控制手术的模拟训练和实战演习，为受训者/学员提供逼真的手术对象，并根据受训者/学员的实际操作进行实时反馈，提供客观化的评估。本发明包含但不限于以下技术效果：

(1)本发明腹腔开放手术模拟训练评估系统具有实感性。提供逼真的视觉、触觉体验，允许学员使用真实的手术器械操作，如手术电刀等进行分离切割、针线缝合、生命监护、麻醉维持等，按临床实际操作程序进行操作，接近正常人体组织特性，提供逼真的操作力反馈和直接的效果反馈。

(2)本发明腹腔开放手术模拟训练评估系统具有交互性。模拟训练系统和实际手术器械相配套，在演训过程中手术的实施要和设备协同配合，例如监护仪、麻醉机、呼吸机、输液泵等，使训练系统和设备系统真实交互。

(3)本发明腹腔开放手术模拟训练评估系统可提供整体性客观评价。结合专家临床决策经验和相关救治指南标准，可在不依赖教师的情况下，对医护人员手术操作和系统典型手术装备操作效能进行客观化、专业化、标准化的评估分析，以支持实现日常训练时的自主学习和考核时的量化评判统计。

附图说明

图1为本发明半开放胸腹腔模型的正视图。

图2为本发明半开放胸腹腔模型内部的软组织及脏器模型示意图。

图3为本发明可记录手术过程轨迹的手术刀的示意图。

图4为本发明可记录手术过程轨迹的手术刀的充电座示意图。

图5为本发明可记录手术过程轨迹的手术刀的视觉跟踪和惯性跟踪混合跟踪注册策略示意图。

图6为本发明胸腹腔模拟训练装置的胸腹蒙皮正视图。

图7为本发明腹腔损害控制手术模拟训练示意图。

图8为本发明腹腔开放手术模拟训练评估系统的各功能模块通讯及控制关系图。

图9为本发明胸腹腔模拟训练装置的脏器与胸/腹主动脉连接器结构图。

图10为本发明学员手术操作评分依据结构框图。

【附图标记说明】

10胸腹腔模拟训练装置、11半开放胸腹腔模型、12软组织及脏器模型、111肋骨、112胸骨架、113胸腔、114腹腔、115抽气口、121脏器模型、121a肝脏、121b双侧肾脏、121c脾脏、121d胃，122胸/腹主动脉模型、13储血池、131蠕动泵、132蠕动泵驱动模块、14压力传感器、15流量传感器、p管路、p1连接管、p2连接器、16胸腹蒙皮、161胸腹蒙皮的自封条、116半开放胸腹腔模型的自封条、20手术刀、21刀头、22刀柄、221惯性传感器、222前向摄像头、223蓄电池、224无线传输模块、23充电座、30摄像装置、40子控制单元、41电源管理模块、42无线传输模块、43处理模块、50手术台、51手术灯、60上位机。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例一

本实施例提供一种腹腔开放手术模拟训练评估系统，其包括：

胸腹腔模拟训练装置10、可记录手术过程轨迹的手术刀20、摄像装置30、上位机60。胸腹腔模拟训练装置10用于模拟人体胸腹腔、以及腹腔内部的软组织和脏器，提供学员进行腹腔开放手术模拟训练使用；手术刀20提供学员进行腹腔开放手术模拟训练使用，且该手术刀设有可将轨迹信息进行无线传输的无线传输模块；摄像装置30用于捕捉和记录学员在进行腹腔开放手术训练中的过程信息；上位机60与手术刀20的无线传输模块以及摄像装置30进行通讯连接，接收手术刀所传输的轨迹数据和学员在腹腔开放手术训练中的过程信息，结合预设的评分规则，对学员的腹腔开放手术模拟训练成绩进行评估。其中，摄像装置30可用于综合修正评估结果，在其他实施例中可省略摄像装置30。

以下分别就上述各部分的进一步优化和细节描述如下：

结合图1、图2所示，胸腹腔模拟训练装置10包括半开放胸腹腔模型11(见图1)和软组织及脏器模型12(图2中隐去了肋骨111、胸骨架112)。半开放胸腹腔模型11包含用于模拟人体胸腹腔的肋骨111、胸骨架112、胸腔113和腹腔114，其中肋骨111和胸骨架112固定在胸腔113和腹腔114中。软组织及脏器模型12包含可拆卸地安装在胸腹腔模型内部的软组织模型、脏器模型121和胸/腹主动脉模型122。

如图2所示，储血池13、胸/腹主动脉122、肝脏121a、双侧肾脏121b、脾脏121c和胃121d、连接器p2、连接管p1均为可更换的组件，肋骨111为胸骨架112为固定件。从三维角度看，肝脏121a主要位于右季肋区和腹上区，脾脏121c位于左上腹内，在胃121d的左侧部与隔之间，肋弓后面；双侧肾脏121b设于腹腔114的后上部。胸/腹主动脉122自右侧第2肋软骨延伸至腹腔114下部，主要负责为肝脏121a、双侧肾脏121b、脾脏121c和胃121d提供血流供应。

脏器模型121包括肝脏121a、双侧肾脏121b、脾脏121c和胃121d，且分别与胸/腹主动脉模型122以管路p连通，且在各管路上设有流量传感器15，流量传感器15与子控制单元40通讯连接。管路p可包括连接管p1和连接器p2，连接器p2一端与胸/腹主动脉模型122固定连接，另一端则通过连接管p1，分别与肝脏121a、双侧肾脏121b、脾脏121c和胃121d形成可拆卸的连接。

优选地，连接器p2的结构可如图9所示，包括中间管部和连接头，连接头为锥形管，锥形管中间具有通孔，锥形管外表面设有凸起的环圈，使连接头易于插进连接管p1中，但不易从连接管p1中松脱出来。

胸腹腔模拟训练装置10内还设有与上位机60通讯连接的子控制单元40、储血池13。储血池13内盛装红色液体，模拟血液，其通过蠕动泵131连接胸/腹主动脉模型122，且在储血池13与胸/腹主动脉模型122的连通之处还设有压力传感器14。压力传感器14与子控制单元40通讯连接。

蠕动泵131由蠕动泵驱动模块132所驱动，蠕动泵驱动模块132与子控制单元40通讯连接。若胸/腹主动脉模型122、肝脏121a、双侧肾脏121b、脾脏121c或胃121d无损伤，压力传感器14可检测到胸/腹主动脉模型122中红色液体压力在固定范围内搏动，若胸/腹主动脉模型122、肝脏121a、双侧肾脏121b、脾脏121c或胃121d出现了损伤，红色液体外泄，压力传感器14可检测到胸/腹主动脉模型122中红色液体压力明显下降，同时，流量传感器15可实时监测肝脏121a、双侧肾脏121b、脾脏121c和胃121d内红色液体流出量，压力传感器14、流量传感器15将采集的压力值和流量值实时传送给子控制单元40，由子控制单元40(的处理模块43)判断压力值和流量值是否在预设范围内，根据判断结果，例如压力值不足或流量值过小，向蠕动泵驱动模块132发送控制指令，使蠕动泵驱动模块132驱动蠕动泵131开始工作，抽吸储血池13中的红色液体对胸/腹主动脉模型122进行补给，模拟脏器破裂后出血。其中，蠕动泵13为周期性施压，频率可调(如80次每分钟)。

结合图3所示，为本实施例可记录手术过程轨迹的手术刀20的示意图。如图所示，手术刀20包括刀头21和刀柄22，刀柄22内部设有惯性传感器221，在刀柄22朝向刀头21的一侧还设有前向摄像头222，且其摄像镜头朝向刀头21的方向设置。刀柄22内还设置有无线传输模块224和蓄电池223，无线传输模块224提供与上位机60的通讯连接。

优选地，惯性传感器221为六自由度惯性传感器(如adis16365六自由度惯性传感器)，可实时获取手术刀20的刀头22移动轨迹；前向摄像头222可采用naneyestereocmos模块，用于获取手术刀20的前向视野，借助在胸腹腔模拟训练装置10内形成的多个标志点，根据获取的标志点在视野中的相对位置和惯性传感器221，实现反向注册手术刀轨迹。手术刀20与传统手术刀外形、尺寸接近，与外部无机械与线路连接。无线传输模块224可为低功耗蓝牙模块(如wh-ble102)，可将六自由度惯性传感器数据与naneyestereocmos模块的数据无线传输至上位机60。结合图3及图4所示，手术刀20的刀柄22的尾端还设有充电接口，可对蓄电池223进行充电，该接口可为microusb接口。图4为手术刀20的充电座23，该充电座23中间设有一个凸出的usb接头，恰好可插到手术刀20的刀柄尾端的充电接口达到电性连接和充电的目的。所述手术刀20可记录手术全过程手术刀轨迹，用于学员操作过程的轨迹记录，以作为训练成绩的评价指标。

如图5所示，为手术刀的视觉跟踪和惯性跟踪混合跟踪注册策略示意图。本实施例可记录手术动作轨迹的手术刀20，其结合了视觉追踪和惯性追踪两种轨迹捕捉策略(混合跟踪注册策略)，以惯性追踪捕捉的轨迹为主，利用视觉追踪捕捉的轨迹对惯性追踪轨迹进行修正标定，能够消除了惯性追踪所产生的不可避免的累积误差，并补偿了视觉追踪经常性的因目标被遮掩带来的特征丢失，可实现高精度的轨迹捕捉和记录。

结合图6所示，胸腹腔模拟训练装置10还包括胸腹蒙皮16，胸腹蒙皮16与半开放胸腹腔模型11呈可拆卸的结合。如图6所示，在半开放胸腹腔模型11上固定有凸股自封条116，胸腹蒙皮16的边缘处设有凹股自封条161。将胸腹蒙皮16覆盖在半开放胸腹腔模型11表面，通过按压使凹股自封条161。使之与对应位置的凸股自封条116嵌入结合，实现胸腹蒙皮16与半开放胸腹腔模型11的可拆卸连接。可理解地，凹股自封条也可设在半开放胸腹腔模型11上，而凸股自封条设置在胸腹蒙皮16的边缘处。

结合图7所示，进一步地，半开放胸腹腔模型11的下侧设有与胸腔113和腹腔114连通的抽气口115，在胸腹蒙皮16与半开放胸腹腔模型11密封结合后，利用抽气筒对抽气口115抽气，使半开放胸腹腔模型11内部呈负压状态。

上述软组织模型、脏器模型121和胸/腹主动脉模型122、胸腹蒙皮16采用pva生物医用材料，经物理凝胶成型，微观呈三维网状结构，且其电导率、含水率、弹性模量参照人体组织的参数进行设计，使之尽量与人体组织的接近。

结合图7所示，为本实施例的腹腔损害控制手术模拟训练示意图。手术灯51位于手术台50的一侧，手术灯51顶端中部固定有摄像装置30，用于实时捕捉和记录学员在进行腹腔开放手术训练中的过程信息，所述摄像装置30与上位机60通讯连接。摄像装置30通过固定架固定于手术灯51上，使其与手术灯18的照射方向一致，可实时记录手术的全过程。例如，所述过程信息包括手术的操作时间，也可包括学员在手术过程中的操作动作，可供老师或评分专家调取和回顾，并结合其他评分项，综合给出评分成绩。

结合图8所示，子控制单元40与上位机60以无线传输模块42通讯连接，而子控制单元40包括电源管理模块41、处理模块43和无线传输模块42。电源管理模块41为流量传感器15、压力传感器14、蠕动泵驱动模块132、无线传输模块42、处理模块43等供电，保障各部件的稳定工作。处理模块43执行相应程序、接收各传感器(流量传感器15和压力传感器14)实时采集的数据并相应发出控制指令(如向蠕动泵驱动模块132发出指令)。无线传输模块42将处理模块43所接收到实时数据、处理结果和指令等发送到上位机60。子控制单元40的处理模块43作为胸腹腔模拟训练装置10内部的运算和控制核心。

如图10所示，学员进行腹腔开放手术模拟训练的成绩评估包括出血总量、出血时间(来自流量传感器15和压力传感器14)、手术时间(来自摄像装置30和手术刀20)、手术刀记录的手术轨迹(来自手术刀20)与专家库匹配度4项相结合给出评分。其中，对学员的腹腔开放手术模拟训练进行评分，可由上位机60结合预设的评分规则和程序软件来完成，或者由人工调取上位机60所收集的数据(包括处理结果，如计算出来的止血时间和出血量等)和信息，结合评分规则来完成。

现以一次肝脏破裂止血修复手术为例，运用上述评估系统的过程如下：

(1)、手术开始前准备：将半开放胸腹腔模型11放置于手术台50上，将软组织、脏器模型121、胸/腹主动脉模型122、储血池13、连接器p2、连接管p1等可更换的活动组件安装到半开放胸腹腔模型11内，将胸腹蒙皮16与半开放胸腹腔模型11借助自封条相互结合，通过设置于半开放胸腹腔模型11左下侧的抽气口115，使用抽气筒将半开放胸腹腔模型11内部的气体抽出，使之成为负压环境。将摄像装置30固定于手术灯51上，手术灯51摆放于手术台50一侧。

其中子控制单元40可安装到半开放胸腹腔模型11内，并与一台外部的上位机60通讯。

(2)、手术开始时：子控制单元40开始工作，蠕动泵驱动模块驱动蠕动泵132开始工作，红色液体由储血池13驱动入胸/腹主动脉模型122中，并由胸/腹主动脉模型122流入各脏器模型121中，肝脏121a破损处红色液体流出，此时压力传感器14检测到胸/腹主动脉模型122中压力不足，肝脏121a处流量传感器15监测到液体不断流出并将数据发送至子控制单元40。

(3)、学员开始采取止血措施，止血成功后，压力传感器14检测到压力上升并在固定范围内搏动；肝脏处流量传感器15监测到液体不再从肝脏121a处流出；结合两处传感器数据变化，子控制单元40可辨识到止血成功并记录止血耗费的时间，将记录的时间发送给上位机60。

(4)、学员开始进行清创性部分肝脏切除，设置于手术刀20的刀柄22前端的惯性传感器221与摄像头222相结合，获得其手术轨迹，惯性传感器与前向摄像头222分别获得的轨迹并相互补充/修正，主要采纳惯性传感器221所获取的轨迹，周期性采用摄像头222获取的轨迹进行修正。同时设置在手术灯51上的摄像装置30可实时记录手术过程，摄像装置30发送给上位机60。通过手术刀20所反记录的轨迹与手术中速度、加速度等信息与数据库中所预存的专家操作信息进行比对，将比对结果作为学员清创性部分肝脏切除手术的评分依据。

(5)、参见图10所示，手术操作结束后，学员评分以出血总量、出血时间、手术时间、手术轨迹与专家库匹配度4项相结合给出。