超声引导针穿刺手术模拟训练系统

1.一种超声引导针穿刺手术模拟训练系统，其特征在于，它包括气缸（1）、红外激光器（2）、穿刺针（3）、手柄（4）、双轴二环架（5）、连杆臂（6）、带滚轮底座（7）、超声探头模型（8）、假体模型（9）、六自由度磁定位仪（10）、第一磁定位仪传感器（11）、第二磁定位仪传感器（12）、计算机（13）和气缸控制单元；所述双轴二环架（5）由两个可绕中轴旋转的铁环构成，两个铁环的旋转轴互相垂直；其中，所述连杆臂（6）一端固定在带滚轮底座（7）上，另一端固定连接双轴二环架（5），气缸（1）固定在双轴二环架（5）的两个铁环的旋转轴的交点处，红外激光器（2）、穿刺针（3）和第一磁定位仪传感器（11）均安装在气缸（1）上，手柄（4）与气缸（1）的活塞杆固定连接；超声探头模型（8）与第二磁定位仪传感器（12）固定连接，第一磁定位仪传感器（11）和第二磁定位仪传感器（12）均与六自由度磁定位仪（10）相连，六自由度磁定位仪（10）与计算机（13）相连，气缸（1）通过气缸控制单元与计算机（13）相连；
所述气缸控制单元包括控制器（14）、压力传感器（15）、位移传感器（16）、比例阀（17）和气源（18）；压力传感器（15）安装在气缸（1）导气管上，位移传感器（16）安装在气缸（1）的活塞杆上，比例阀（17）的进气口与气源（18）相连，出气口与气缸（1）差动连接，比例阀（17）的比例电磁铁与控制器（14）的模拟输出模块相连，压力传感器（15）和位移传感器（16）均与控制器（14）的模拟输入模块相连。

超声引导针穿刺手术模拟训练系统\n技术领域\n[0001] 本发明属于医疗器械领域，尤其涉及一种超声引导针穿刺手术模拟训练系统。\n背景技术\n[0002] 针穿刺手术是介入式治疗中常用的手段，一般应用于组织活检、局部麻醉、近距治疗等。针穿刺手术大多以实时超声图像为引导，但穿刺过程仍然伴随较高的手术风险，因此要求手术医生具备熟练的手术技巧，包括高水平的空间想象力、手和眼睛协同工作能力，才能保证手术的成功率和病人的安全。建立一个可靠的针穿刺手术训练系统，可以帮助医生提高针穿刺手术技能。由于使用病人来做针穿刺手术的训练风险高，可行性很低，因此开发一种可靠的针穿刺手术模拟训练系统，是当前提高针穿刺手术技能的有效途径。\n[0003] 以往的一些研究中有对针穿刺手术的计算机有限元仿真，然而很少有研究针对针穿刺手术的模拟训练。一个可靠的针穿刺手术模拟训练系统，必须能够做到实时地提供触觉和视觉反馈，并且保证其触觉和视觉反馈的有效性，如此才能有效训练手术者对穿刺针的使用以及图像设备的认知熟练程度。\n[0004] 针对超声引导针穿刺手术训练需求，本发明提出一种超声引导针穿刺手术模拟训练系统，该系统的目标是提供一套接近真实情况的针穿刺手术模拟训练方式，在该系统训练得到的针穿刺手术技能可以较快地迁移至真实手术中。本系统可以在手术训练过程中，模拟较为真实的穿刺针触觉反馈，以及二维超声图像视觉反馈，能够提高训练者的针穿刺手术技能。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种能够较好模拟针穿刺手术过程、训练方式简便、训练效率高且易于推广的超声引导针穿刺手术模拟训练系统。\n[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种超声引导针穿刺手术模拟训练系统，它包括气缸、红外激光器、穿刺针、手柄、双轴二环架、连杆臂、带滚轮底座、超声探头模型、假体模型、六自由度磁定位仪、第一磁定位仪传感器、第二磁定位仪传感器、计算机和气缸控制单元；其中，所述连杆臂一端固定在带滚轮底座上，另一端固定连接双轴二环架，气缸固定在双轴二环架上，红外激光器、穿刺针和第一磁定位仪传感器均安装在气缸上，手柄与气缸的活塞固定连接。超声探头模型与第二磁定位仪传感器固定连接，第一磁定位仪传感器和第二磁定位仪传感器均与六自由度磁定位仪相连，六自由度磁定位仪与计算机相连，气缸通过气缸控制单元与计算机相连。\n[0007] 进一步地，所述气缸控制单元包括控制器、压力传感器、位移传感器、比例阀和气源；压力传感器安装在气缸导气管上，位移传感器安装在气缸的活塞杆上，比例阀的进气口与气源相连，出气口与气缸差动连接，比例阀的比例电磁铁与控制器的模拟输出模块相连，压力传感器和位移传感器均与控制器的模拟输入模块相连。\n[0008] 本发明的有益效果是，本发明由于采取以上技术方案，针穿刺手术过程模拟较为真实，可以为手术医师模拟训练针穿刺手术技能，具有较高的技能训练效率，能够为临床医学中针穿刺手术的技能训练提供有效工具。\n附图说明\n[0009] 图1是本发明的系统框架图；\n[0010] 图2是本发明的系统硬件结构示意图；\n[0011] 图3是本发明的气缸控制单元结构示意图；\n[0012] 图4是本发明的气缸控制算法原理图；\n[0013] 图中，气缸1、红外激光器2、穿刺针3、手柄4、双轴二环架5、连杆臂6、带滚轮底座\n7、超声探头模型8、假体模型9、六自由度磁定位仪10、第一磁定位仪传感器11、第二磁定位仪传感器12、计算机13、控制器14、压力传感器15、位移传感器16、比例阀17、气源18。\n具体实施方式\n[0014] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的目的和效果将变得更加明显。\n[0015] 如图2所示，所述超声引导针穿刺手术模拟训练系统包括气缸1、红外激光器2、穿刺针3、手柄4、双轴二环架5、连杆臂6、带滚轮底座7、超声探头模型8、假体模型9、六自由度磁定位仪10、第一磁定位仪传感器11、第二磁定位仪传感器12、计算机13和气缸控制单元。\n[0016] 连杆臂6一端固定在带滚轮底座7上，另一端固定连接双轴二环架5，气缸1固定在双轴二环架5上，红外激光器2、穿刺针3和第一磁定位仪传感器11均安装在气缸上，手柄4与气缸1的活塞杆固定连接。超声探头模型8与第二磁定位仪传感器12固定连接，第一磁定位仪传感器11和第二磁定位仪传感器12均与六自由度磁定位仪10相连，六自由度磁定位仪10与计算机13相连，气缸1通过气缸控制单元与计算机13相连。\n[0017] 如图3所示，气缸控制单元包括控制器14、压力传感器15、位移传感器16、比例阀\n17和气源18。压力传感器15安装在气缸1气缸导气管上，位移传感器16安装在气缸1的活塞杆上。比例阀17的进气口与气源18相连，出气口与气缸1差动连接，控制器14可以采用NI公司CompactRIO控制器，但不限于此。控制器14具有模拟输出模块（AO）和模拟输入模块（AI）。比例阀17的比例电磁铁与控制器14的模拟输出模块相连，压力传感器15和位移传感器16均与控制器14的模拟输入模块相连。\n[0018] 所述手柄4由使用者控制，做推进或拉回的动作，模拟针穿刺手术中的进针和退针；所述红外激光器2固定在所述气缸1上，激光方向指向所述穿刺针3的穿刺体表靶点。\n所述双轴二环架5由两个可绕中轴旋转的铁环构成，两个铁环的旋转轴互相垂直，分别记为双轴二环架的X、Y轴，X轴与Y轴交点处固定有气缸1，使气缸1可绕双轴二环架4的X轴、Y轴作旋转动作，竖直的铁环底部连接在所述连杆臂6顶端；所述连杆臂6固定在所述带滚轮底座7上，带滚轮底座7可做水平方向任意方向移动。由于采取所述机械结构，本发明中的穿刺针进针方向可以为空间任意方向，进针靶点可以为空间任意位置，较好的保证了针穿刺手术中穿刺针执行自由度的要求。\n[0019] 所述超声探头模型8和假体模型9用于实现模拟训练过程中对超声探头的操控练习；六自由度磁定位仪10用于接收第一磁定位仪传感器11、第二磁定位仪传感器12的数据，并将数据上传至计算机13。第一磁定位仪传感器11用来实时跟踪穿刺针的3的空间位置和姿态，第二磁定位仪传感器12用来实时跟踪超声探头模型8的空间位置和姿态，两者数据上传至计算机13后，由计算机13实现二维超声图像的模拟。\n[0020] 气缸控制单元用来模拟穿刺过程中软组织对针体的反作用力。压力传感器15用来测量气缸内的压力，压力信号通过控制器14的模拟输入模块（AI）采集进入计算机13。\n位移传感器16采集的位移信号通过控制器14的模拟输入模块采集进入计算机13。\n[0021] 如图3、图4所示，气缸1的活塞杆的位移x由位移传感器16采集并传输给计算机13，在计算机13中经过有限元计算转换成控制器14的输出电压信号输出给比例阀17，比例阀17输出压力给气缸1，气缸1的输入压力再经过压力传感器15采集并反馈给计算机\n13，反馈压力与有限元计算得到的软组织作用力进行比较，偏差经计算机13 进行PID控制调节，继而改变比例阀17输出压力，使气缸1的活塞杆行进压力与有限元计算得到的软组织对针体作用力保持一致，实现模拟穿刺过程中软组织对针体的反作用力。\n[0022] 利用本发明中的气缸及其控制模块实现对针穿刺手术过程中软组织对穿刺针的反作用力的模拟，对穿刺手术训练有很大的帮助，可以提升训练者对穿刺手术中穿刺针触感认知程度。