一種心臟電生理信號模擬系統及其模擬方法與流程
2023-05-09 04:49:07
本發明涉及心臟電生理領域，具體是一種心臟電生理信號模擬系統及其模擬方法。
背景技術：
由於熟練心臟外科醫生的數量較少，當前心臟病患者有機會得到手術治療的機率只有6％，其中很大一部分患者在等待的過程中貽誤時機而去逝，絕大部分患者則在高危中帶病生存。為解除病患的疾苦，在短時間內培養足量的外科手術醫生就顯得尤為重要。而心臟手術自身的複雜性與危險性，使得導管在心腔模型的操作風險極高，在真實病人或其他動物活體很難圓滿完成醫學臨床實踐訓練。電生理醫生要熟練掌握導管操作技巧，熟悉心腔模型的各個解剖部位，需要數百例手術的積累。
目前以色列發明的carto機只能通過在心腔模型內部定位採點得出心腔模型的三維電子模型，利用GPS磁導航原理在病人心腔模型外放置三塊磁極仿三顆衛星，而具有接收裝置的導管頭可以實時定位自身的位置，從而可以通過Carto機得出動物活體實驗的心臟三維真實數據。醫生若要獲得真實的操作體驗，只能通過病人或者其他活體動物的心臟手術，冒著長期暴露在X光輻射環境下的危險通過傳統的二維拍片結合心電圖機的電位輸出，來操作導管並不斷強化訓練記憶特徵與手感。如何避免醫療事故的高昂代價，來自活體動物實驗的倫理挑戰與現實經濟壓力，長時間輻射暴露的威脅，漫長的培養周期等一系列問題，改變傳統的心臟病手術醫師的培養方法既不經濟也不健康，且難以滿足當前的大量醫師缺口的需求的現狀，是本發明系統及方法要著重解決的問題。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種心臟電生理信號模擬系統及其模擬方法，本發明把器官、組織的興奮所產生的動作電位作為活動指標，把心腔模型的三維建模與實時的電位圖結合起來，使操作者僅通過電生理信號模擬系統即可獲得全真模擬活體實驗時的操作體驗與真實手感，大大縮短了實習醫生成為熟練外科醫生所需要的培訓周期。
為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：
一種心臟電生理信號模擬系統，包含：透明的心腔模型，心臟微創介入手術的導管裝置，用於定位導管頭位置的定位系統以及含有心電信號上位機翻譯程序的上位機；其中心腔模型通過定位系統連接上位機，心腔模型還連接導管裝置，定位系統由支座、傳感系統、集成電路信號處理器組成；根據上位機中預存心電信號、心臟內部位置的預設綁定關係特徵，在上位機上利用心電信號上位機翻譯程序翻譯並顯示心腔模型與導管裝置中導管頭觸碰點所對應的心電信號。
作為本發明進一步的方案：用戶通過資料庫、界面指定、文本對應關係輸入這三種方式中的任意一種來指定心電信號與心腔模型內部位置的綁定關係。
作為本發明進一步的方案：所述定位系統採用光學攝像頭視頻識別方式定位、聲音到時間差、GPS磁導航定位、內置透明電路與傳感器計算定位中的任意一種定位方式來定位導管裝置中導管頭的位置。
作為本發明進一步的方案：所述定位系統通過在導管裝置尾端引出所需信號組成迴路，以判斷導管裝置中的導管頭是否觸碰心腔模型內壁並計算出觸碰點所對應心腔模型位置。
作為本發明進一步的方案：在集成電路信號處理器中將不同特徵區域分區匹配對應心電信號，從而在獲取觸碰點時直接調取顯示相應區域的心電信號。
作為本發明進一步的方案：在上位機對應的反應程序內建有心腔模型的空間模型，通過空間位置計算還原導管頭是否與心腔模型內壁發生觸碰。
本發明的另一目的是提供一種心臟電生理信號模擬的方法，包括以下步驟：
1)定位系統檢測導管頭位置，並將導管頭位置信息發送至上位機；
2)所述上位機判斷導管頭位置是否位於心腔模型內部：如果不在，則終止本次心臟電生理信號模擬；如果存在，則執行步驟3)；
3)通過空間位置、傳感信號反饋信息來計算導管頭與心腔模型內壁發生觸碰的置信度；如果置信度小於預設的觸碰置信度，則終止本次心臟電生理信號模擬；如果置信度不小於預設的觸碰置信度，則執行步驟4)；
4)採用資料庫、界面指定信息或者輸入文本對應關係中的任意一種查詢方式來查詢對應的心電信號數據，並通過上位機顯示屏顯示心電信號數據；從而完成心腔模型內不同位置(即當前導管頭觸碰到的位置)的心電信號還原；
作為本發明進一步的方案：在所述步驟(3)計算出導管頭與心腔模型內壁發生觸碰的情況下，通過緊貼與心腔模型外壁的麥克風傳感器、振動傳感器或內部電路傳感器中的任意一種傳感器採集的信號來判斷是否存在該信號幅度超過預設倍數的激增，進一步提高判斷發生觸碰的置信度。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
本發明安全無輻射、透明直觀的操作體驗、真實的反饋手感、實時準確的心電信號反饋，使醫生擺脫了通過真實病患或者活體動物練手獲取經驗的途徑限制，使得實習醫生可以隨時隨地的進行仿真手術訓練，從而大大提高了醫生的培訓效率，縮短了他們的成長周期，從而可以在單位時間內提供更多經驗豐富的醫師，為更多的心臟病患者及時地解除痛苦。
本發明具體的優點或積極效果
1.極大地降低X光曝光量；
2.透明直觀，便於三維理念的建立；
3.可實時反饋不同心腔模型不同位置的或正常或病理狀態下的電生理信號，靈敏度高；
4.可模擬反饋手術時的真實手感；
5.縮短學習曲線，使臨床醫生的實踐訓練周期大大縮短；
6.避免了動物活體實驗的倫理問題，並極大地緩解經濟支出壓力；
7.簡單快捷，隨時隨地可進行模擬訓練；
8.可以根據病人個性化定製解決方案，預先演練，提高手術時的安全性。
附圖說明
圖1是心臟電生理信號模擬系統的結構示意圖；
圖2是心臟電生理信號模擬系統的方法流程圖；
圖3是行列掃描法電路布置示意圖；
圖4是行列掃描方法流程圖；
圖5是區域檢測法電路布置示意圖；
圖6是區域檢測方法流程圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
實施例1
本發明實施例中，本發明的心臟電生理信號模擬系統能夠提供給實習外科醫生一個全仿真的手術模擬環境，從而大大縮短了他們的成長周期，實現了短期內培養足量熟練外科手術醫生的目的。
請參閱圖1，一種心臟電生理信號模擬系統，包含：一個透明的心腔模型，心臟微創介入手術的導管裝置，一個用於定位導管頭位置的定位系統以及含有心電信號上位機翻譯程序的上位機；其中心腔模型通過定位系統連接上位機，心腔模型還連接導管裝置，定位系統由支座、傳感系統、集成電路信號處理器組成；根據上位機中預存心電信號、心臟內部位置的預設綁定關係特徵，在上位機上利用心電信號上位機翻譯程序翻譯並顯示心腔模型與導管裝置中導管頭觸碰點所對應的心電信號。本發明的模擬系統根據真人的CT掃描數據，通過列印的1:1心腔模型來模擬人體心臟，使用專用的支架和塑料軟管來模擬人體血管，配之以手術中使用的消融導管，進入心腔模型內部進行全仿真的手術訓練。心腔模型使用全透明的材料，使醫生獲得更直觀的三維視覺操作體驗。心腔模型與正常人心臟結構完全一樣，最大程度上還原了真實手術的手感。
該信號模擬系統能夠使導管頭不觸碰心腔模型內壁(仿心肌)時，上位機屏幕端呈現的心電信號為無電位信號；而導管頭觸碰心腔模型內壁時，即時通過上位機程序調用在屏幕端呈現相應的心電信號。如此，外科醫生可以在操作導管時獲得真實的操作體驗，同時也能得到實時且真實的反饋心電信號。在真實病人操作之前，可以用模擬系統進行標準化操作練習，逐步過渡到只結合carto系統與心電信號的實時反饋就能完成各個心腔模型的三維重建。即使不利用carto系統，僅模擬系統本身也可起到邊操作導管邊反饋電生理信號的訓練效果。練習的過程既提高導管操作技巧，鍛鍊了三維空間理念，更極大地降低曝光輻射，縮短了學習周期。
一旦本發明系統工作後，會通過定位系統檢測當前導管頭的位置，然後把導管頭的位置發送至上位機，至此下位機完成工作。上位機負責判斷導管頭是否在心腔模型內部，若不在則終止本次心電信號模擬，若存在則繼續執行向前，通過空間位置的計算，若計算出導管頭的點位置在心腔模型的內表面上，據此判斷導管頭與心腔模型內壁發生觸碰的置信度。若該置信度小於預設的觸碰置信度，則終止本次心臟電生理信號模擬；若大於則執行下一步，可以通過調整預設值增加或者減少觸碰的靈敏度(根據醫生實際操作的手感進行調整)，從資料庫或界面指定信息或文本輸入關係的一種去查詢對應的心電信號，並將該信號通過界面數據顯示從而達到還原當前導管頭所處位置的心電信號的目的。在預設置信度時，由於建模及定位的精度限制，會在心腔模型外壁固定麥克風或振動傳感器，或通過敷設的內部電路及傳感器來檢測當前一刻的信號幅度是否超過預設倍數的激增，來進一步輔助判斷是否發生觸碰。若確認發生超過預設倍數的激增，則提高發生觸碰的置信度；若沒有則削減置信度,從而提高判斷是否觸碰的準確度。
如圖2所示，目前的carto機可以利用GPS磁導航原理，使用消融導管在心腔模型內壁採點，從而得到心腔模型的三維數據模型。而在採點過程中，每個心腔模型不同位置對應的電生理電位圖無法同時採集到。利用本發明的電生理信號模擬系統將各區域的導出信號線通過模擬器固定支座接到集成電路信號處理器上，通過預設的程序控制，可以實現在上位機端實時顯示對應的心電電位圖。當消融導管頭觸碰到心腔模型內壁時，構成迴路，程序可以判斷觸碰並通過資料庫調取相應的電位圖，在顯示器上顯示出來。當消融導管頭不觸碰到心腔模型內壁，無相應的觸發信號被處理器接收，處理器會即時從資料庫中調取無信號電位圖在顯示器端顯示出來。
如此，就實現了在心腔模型建模的同時，對應出各部位的特徵電位圖，填補了目前醫生培訓的空白，縮短了學習曲線。即使不藉助carto機，通過消融導管、心腔模型、模擬器固定支座、集成電路信號處理器及上位機顯示屏端也能達到出不同心電電位的效果，從而極大地方便了醫生隨時隨地進行模擬訓練。
本發明跳過目前醫生培訓過程中必須依賴真實病患或活體動物試驗的階段，直接利用透明的心腔模型內敷設透明的電路及傳感器感應，達到1、整體透明性，可以直觀看到導管頭在模型內的操作軌跡；2、實時調用並顯示不同區域的電生理信號；3、通過材料的選取，還原手術時的真實手感。從而僅通過電生理信號模擬系統達到降低曝光量，熟練操作導管，縮短學習周期，快速培養熟練醫生的目的。
對於透明模型的區域識別，當前技術主要的實現方式有光學和電學兩種。光學是使用內窺鏡等攝像元件，通過處理觀測到的圖像，辨別導管所處區域。但是這種方法有著明顯的劣勢，其一，攝像頭元件其焦距有限，當導管或心腔模型內壁等距離攝像頭很近時，會影響觀測；其二，攝像頭視野有限，器官的不規則性，導致了一個或多個攝像頭仍舊難以完整觀測到器官內部的所有區域。其三，攝像頭基於光學原理，難以識別導管是否真實地接觸到器官心腔模型內壁上。此外過多的攝像頭布設，還會帶來影響心腔模型的通透性及術者視線，成本增加，模型製作困難等情況。
本發明基於電學原理，提出了行列掃描定位法和區域檢測法兩種判斷觸摸及定位的方案。其特點是，模型修改小、附加裝置少、易於實施。可以準確、穩定、及時地檢測到導管觸及到的模型區域。
主要工作原理：
(1)行列掃描定位法：
如圖3所示，參照模型的內部表面形狀，製作柔性、透明的電路網格，將其貼合在模型的內表面。電路中涉及如下部分：其一，橫向的導線，其二，縱向的導線。在橫縱導線的各個交叉處，通過絕緣處理，避免橫縱導線導通。通過特定接口，將橫線導線和縱嚮導線分別引出連接至後端處理裝置。如上圖所示，實際布設時，可以依據對於各個區域定位精度的要求，設置疏密不同的橫縱嚮導線。
如圖4所示，本發明工作時，處理裝置逐行驅動各橫嚮導線，與此同時，檢測各列縱嚮導線是否接收到驅動信號。當具有導電性的觸頭觸及到第i行橫嚮導線和第j列縱嚮導線的交界位置附近時，處理裝置可以檢測到第j列縱嚮導線上出現了第i行橫嚮導線，由此則可以判定，導管觸及到了該交界位置。
(2)區域檢測法：
如圖5所示，本發明同時提出了一種區域檢測方案。該方案可以在複雜透明模型內，依據區域劃分，在各個區域的輪廓上通過劃分邊界等形式，達到各個區域內部導電，同時不同區域間彼此絕緣。之後通過導線將各個區域連接到處理裝置。工作時，處理裝置依次在各個區域上輸出驅動信號。
在導管上，需要做的處理是，在導管頭上進行導電性處理，同時，通過在導管內部處理，可以將導管頭處接收到的信號引出至導管頭的末端，而後同樣連接至處理裝置上。當處理裝置檢測到導管頭傳來的信號是驅動第i個區域的信號時，則可以判定當前導管觸及到了第i個區域。如此，只需要在程序中調用相應區域的對應的心電電位即可實現實時的接觸上即出電位圖，不接觸時出無信號電位，真正做到實時動態穩定地模擬手術時的真實環境。
實際操作中，為了進一步提高檢測的靈敏度，將導管採集到的信號放大後再供給處理裝置，如圖6所示。另一方面，在軟體中可以將觸發的信號閾值設得較小，從而保證導管頭接觸上心腔模型內壁即可採集到所需的信號。對於相鄰區域邊界處的信號反饋，採用隨機算法，可輸出邊界所接壤處任意某一區域的心電信號。
對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本發明內。
此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但並非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。