(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202111479070.6
(22)申请日 2021.12.03
(71)申请人 广东省中医院（广州中医药大学第
二附属医院、广州中医药大学第二
临床医学院、广东省中医药科学院）
地址 510030 广东省广州市越秀区大德路
111号
(72)发明人 王学涛 戴振晖 朱琳 张白霖
杨荣骞 郑凌翔 杨耕 何强
蔡春雅 靳怀志 孟皓宇 李飞
陈艳灿
(74)专利代理机构 深圳国海智峰知识产权代理
事务所(普通合伙) 44489
代理人 王庆海 刘军锋
(51)Int.Cl.G09B 23/28(2006.01)
(54)发明名称用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模及其使用方法(57)摘要本发明涉及医疗试验领域，尤其涉及用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模及其使用方法，组织体模包括控制器、呼吸模拟装置、水囊以及组织模型；呼吸模拟装置，包括驱动模块以及注射器，注射器的注射头通过导管与水囊的出水口连接，驱动模块与注射器的活塞柄连接；控制器，与驱动模块通讯连接，用于控制驱 动模块带动活塞柄进行周期性的往复运动，使注射器从水囊中吸取液体或向水囊中注射液体，改变水囊的液体体积以使水囊模拟胸腹部进行周期性不规则的呼吸运动；组织模型，固定设置在水囊上，随水囊的液体体积改变而发生移位。本发明提供的组织体模及其使用方法，能够真实有效模拟人体呼吸运动时组织模型的移位情况，为穿刺扩张
试验提供支持。权利要求书2页 说明书6页 附图2页CN 114220327 A 2022.03.22
C N 114220327
A
1.一种用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模，其特征在于，所述组织体模包括控制器、呼吸模拟装置、水囊以及组织模型；
所述呼吸模拟装置，包括驱动模块以及注射器，所述注射器的注射头通过导管与所述水囊的出水口连接，所述驱动模块与所述注射器的活塞柄连接；
所述控制器，与所述驱动模块通讯连接，用于控制所述驱动模块带动所述活塞柄进行周期性不规则的往复运动，使所述注射器从所述水囊中吸取液体或向所述水囊中注射液体，改变所述水囊的液体体积，以使所述水囊模拟胸腹部进行周期性不规则的呼吸运动；
所述组织模型，固定设置在所述水囊上，随所述水囊的液体体积改变而发生移位，内部设有一个或多个与所述组织模型材质不同的靶区标记物，用以模拟穿刺试验中的体内靶区。
2.根据权利要求1所述的用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模，其特征在于，所述驱动模块包括：底座、水平安装在所述底座上的丝杆、套设在所述丝杆上并与所述丝杆螺纹连接的丝杆螺母、与所述丝杆螺母固定连接并与所述底座上的滑轨滑动连接的滑块、一端与所述滑块固定连接且另一端与所述注射器的活塞柄固定连接的推杆、驱动所述丝杆转动的步进电机以及与所述步进电机电连接的电机驱动器；
所述控制器与所述电机驱动器通讯连接，用于向所述电机驱动器发送控制信号，所述电机驱动器根据所述控制信号驱动所述步进电机转动，令所述滑块沿所述滑轨进行周期性不规则的往复运动。
3.根据权利要求1所述的用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模，其特征在于，所述组织模型由琼脂粉以及水按照预设比例混合制成，所述靶区标记物为陶瓷珠。
4.根据权利要求1所述的用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模，其特征在于，所述水囊外表面固定设置有一个或多个反光标记点，以通过所述反光标记点，实现对模拟呼吸运动过程中水囊表面运动幅度的监测与测量，得到呼吸运动曲线。
5.根据权利要求4所述的用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模，其特征在于，所述反光标记点包括标记点底座以及设置在所述标记点底座上的反光球，所述标记点底座粘贴在所述水囊上。
6.一种用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模使用方法，其特征在于，用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模中，所述组织体模包括控制器、呼吸模拟装置、水囊以及组织模型，所述呼吸模拟装置包括驱动模块以及注射器，所述使用方法包括：所述控制器向所述驱动模块发送模拟呼吸运动的控制信号；
所述驱动模块根据控制信号带动所述活塞柄进行周期性不规则的往复运动，使所述注射器从所述水囊中吸取液体或向水囊中注射液体，改变所述水囊的液体体积，以使所述水囊模拟胸腹部进行周期性不规则的呼吸运动，使固定设置在所述水囊上的组织模型随所述水囊的液体体积改变而发生移位。
7.根据权利要求6所述的用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模使用方法，其特征在于，所述驱动模块包括底座、丝杆、丝杆螺母、滑块、推杆、步进电机以及电机驱动器，所述控制器发送的控制信号包括步进电机的电机转动角速度以及电机旋转方向；
所述使用方法还包括：所述控制器根据人体呼吸运动中胸腹部运动速度曲线得到电机转动速度曲线，根据所述电机转动速度曲线生成包含有步进电机的电机转动角速度以及电
机旋转方向的控制信号。
8.根据权利要求6所述的用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模使用方法，其特征在于，所述控制器控制所述驱动模块带动所述活塞柄进行周期性不规则的往复运动的周期为6.7秒。
9.根据权利要求8所述的用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模使用方法，其特征在于，所述控制器控制所述驱动模块带动所述活塞柄进行周期性不规则的往复运动时，所述水囊的垂直方向最大相对位移达到35mm。
用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模及其使用方法
技术领域
[0001]本发明涉及医疗试验领域，尤其涉及一种用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模及其使用方法。
背景技术
[0002]机器人穿刺系统(RPS)是一种很有前途的诊断方案，可以替代医生在复杂环境下进行的徒手操作。高精确度和自动化使RPS能够提取病变样本进行检查，向病变区域注射药物，以及切割不规则形状的肿瘤，最先进的RPS有潜力促进介入医疗领域的广泛发展。到目前为止，为了实现目标区域的精确定位，已经开发了各种RPS。特别是，机器人辅助的神经外科手术由于其卓越的准确性和安全性
而变得司空见惯。
[0003]RPS在胸腹穿刺(TAP)中的适用性仍然具有极大的挑战性。从标定角度看，医学图像空间与患者空间的刚性配准是一次性完成的。然后，机器人可以精确地定位靶区，但患者在手术过程中产生的生理运动，特别是呼吸运动，会导致图像与患者空间的位置关系发生改变；另一方面，系统标定在呼吸运动过程中失去了准确性，对机器人的实时跟踪造成了显著障碍。因此，应用于TAP的RPS必须处理与呼吸有关的非刚性校准和机器人跟踪控制。[0004]由于呼吸运动的影响机器人穿刺系统在胸腹穿刺手术中精度不高，为了克服这一困难，呼吸跟踪机器人系统(RFRS)被设计用于精确的外科穿刺。通过对呼吸运动的实时分析，将机械臂的运动由呼吸运动的后续补偿和向目标的插入组成。如何验证这种呼吸追踪机器人系统(RFRS)自动分析呼吸运动信号，规划最佳路径，并控制机器人在呼吸状态下跟随目标，以补偿临床呼吸作用下的组织变形等该系统功能的准确性是我们要面对的问题。[0005]因需要同时监测体模内外的运动，所以传统的体模无法应用于该实验进行研究。呼吸运动会对胸腹部进行穿刺的靶点产生许多不确定的因素，因此模拟真实环境下的呼吸运动，对评估呼吸跟踪机器人系统(RFRS)性能进行测试是必不可少的环节。目前国内外鲜少涉及关于模拟呼吸运动过程中用于组织穿刺的组织体模，有必要发明一种可以应用于模拟穿刺过程中进行呼吸运动的组织体模。
发明内容
[0006]针对上述问题，本发明提供一种用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模及其使用方法，通过使用本发明的用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模，能够分析呼吸运动对组织变形的补偿，实现对呼吸跟踪机器人系统(RFRS)性能进行测试。
[0007]本发明提供的一种用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模，包括控制器、呼吸模拟装置、水囊以及组织模型；
[0008]呼吸模拟装置，包括驱动模块以及注射器，注射器的注射头通过导管与水囊的出水口连接，驱动模块与注射器的活塞柄连接；
[0009]控制器，与驱动模块通讯连接，用于控制驱动模块带动活塞柄进行周期性不规则的往复运动，使注射器从水囊中吸取液体或向水囊中注射液体，改变水囊的液体体积，以使
水囊模拟胸腹部进行周期性不规则的呼吸运动；
[0010]组织模型，固定设置在水囊上，随水囊的液体体积改变而发生移位，内部设有一个或多个与所述组织模型材质不同的靶区标记物，用以模拟穿刺试验中的体内靶区。[0011]进一步的，驱动模块包括：底座、水平安装在底座上的丝杆、套设在丝杆上并与丝杆螺纹连接的丝杆螺母、与丝杆螺母固定连接并与底座上的滑轨滑动连接的滑块、一端与滑块固定连接且另一端与注射器的活塞柄固定连接的推杆、驱动丝杆转动的步进电机以及与步进电机电连接的电机驱动器；
[0012]控制器与电机驱动器通讯连接，用于向电机驱动器发送控制信号，电机驱动器根据控制信号驱动步进电机转动，令滑块沿滑轨进行周期性不规则的往复运动。
[0013]进一步的，组织模型由琼脂粉以及水按照预设比例混合制成，靶区标记物为陶瓷珠。
[0014]进一步的，水囊外表面固定设置有一个或多个反光标记点，以通过反光标记点，实现对模拟呼吸运动过程中水囊表面运动幅度的监测与测量，得到呼吸运动曲线。
[0015]进一步的，反光标记点包括标记点底座以及设置在标记点底座上的反光球，标记点底座粘贴在水囊上。
[0016]本发明还提供一种用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模使用方法，用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模中，组织体模包括控制器、呼吸模拟装置、水囊以及组织模型，呼吸模拟装置包括驱动模块以及注射器，使用方法包括：
[0017]控制器向驱动模块发送模拟呼吸运动的控制信号；
[0018]驱动模块根据控制信号带动活塞柄进行周期性不规则的往复运动，使注射器从水囊中吸取液体或向水囊中注射液体，改变水囊的液体体积以使水囊模拟胸腹部进行周期性不规则的呼吸运动，使固定设置在水囊上的组织模型随水囊的液体体积改变而发生移位。[0019]进一步的，驱动模块包括底座
、丝杆、丝杆螺母、滑块、推杆、步进电机以及电机驱动器，控制器发送的控制信号包括步进电机的电机转动角速度以及电机旋转方向；[0020]使用方法还包括：控制器根据人体呼吸运动中胸腹部运动速度曲线得到电机转动速度曲线，根据电机转动速度曲线生成包含有步进电机的电机转动角速度以及电机旋转方向的控制信号。
[0021]进一步的，控制器控制驱动模块带动活塞柄进行周期性不规则的往复运动的周期为6.7秒。
[0022]进一步的，控制器控制驱动模块带动活塞柄进行周期性不规则的往复运动时，水囊的垂直方向最大相对位移达到35mm。
[0023]本发明提供的用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模及其使用方法至少包括以下有益效果：
[0024]提供的用于穿刺扩张试验的仿真呼吸运动组织体模的硬件结构简单，易于复现；通过控制器以及呼吸模拟装置使水囊表面的运动具有周期性不规则的呼吸运动特性，组织体模能够有效模仿人体呼吸，为在胸腹穿刺手术中的穿刺扩张试验提供强有力的支撑，为呼吸跟踪机器人系统(RFRS)性能的评估测试提供支持；同时该组织体模启动操作简单、携带便捷，可有效应用于不同的实验场景。
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