專利名稱：基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及房顫導管心內(nèi)介入手術(shù)訓練仿真技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器。
背景技術(shù)：
心房顫動(簡稱房顫)，是一種十分常見的持續(xù)性心律失常，其發(fā)病率約為0. 5% I. 0%，且隨著年齡增長逐漸增高，在60歲以上的人群中發(fā)病率高達6%以上。目前我國約有1500萬房顫患者，隨著人口老齡化加重，房顫患者數(shù)目將持續(xù)增加。房顫會帶來腦卒中、心衰等并發(fā)癥，嚴重影響患者的生活質(zhì)量甚至危及生命。在對于房顫諸多治療方法中，臨床表明采用三維電解剖標測系統(tǒng)(即CARTO系統(tǒng))指導下的環(huán)肺靜脈線性消融，具有療效好、創(chuàng)傷小、恢復快、花費少、住院時間短等優(yōu)點； 在手術(shù)過程中可實時觀察導管位置、避免X線透視的二維局限性、減少X線照射時間；在電解剖圖幫助下可快速判斷房速的類型，消融操作安全、有效，有利于提高消融成功率。其中，CARTO系統(tǒng)是由電磁定位板、消融標測/定位導管、中央信號分配器、CARTO磁/電處理器和計算機工作站構(gòu)成。手術(shù)時，在穿刺針的引導下鞘管先通過下腔靜脈到達右心房，再通過房間隔卵圓窩進入到左心房內(nèi)，之后消融導管沿著鞘管進入到左心房進行標測和消融手術(shù)。關(guān)于CARTO系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)，請參考上海交通大學出版社出版的，由劉旭、董建增和馬長生主編的，名稱為《CART0系統(tǒng)臨床應用指南》一書。盡管如此，然而這種心內(nèi)介入治療手術(shù)風險性高，錯誤操作會導致極為嚴重的后果，因此，實習醫(yī)生在實踐中積累經(jīng)驗的機會微乎其微。為了能幫助醫(yī)生熟練掌握該手術(shù)，亟需開發(fā)一種基于CARTO系統(tǒng)操作習慣的仿真訓練系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器，以實現(xiàn)基于CARTO系統(tǒng)操作習慣的仿真訓練，從而達到使得醫(yī)生能通過操作該模擬器而達到熟練掌握基于CARTO系統(tǒng)的心房顫動導管消融手術(shù)的目的。為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器，包括工作站，內(nèi)置有三維標測仿真軟件、多導儀仿真軟件、導管消融操作仿真軟件和X光機仿真軟件；通過串口分別與所述工作站相連的鞘管測量裝置、導管測量裝置、力反饋裝置；以及，消融導管、適于所述消融導管插入的消融導管移動導軌、第一顯示器、第二顯示器、第三顯示器、第四顯示器、X光機控制面板、取點腳踏板、刪點腳踏板、放電腳踏板、透視腳踏板和電影保存腳踏板；其中所述消融導管移動導軌依次貫穿所述鞘管測量裝置、所述導管測量裝置和所述力反饋裝置，且所述消融導管移動導軌分別位于所述鞘管測量裝置內(nèi)、所述導管測量裝置內(nèi)和所述力反饋裝置內(nèi)的部分被截除；所述導管消融操作仿真軟件，用于預先根據(jù)病人實際心臟數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬心臟及其對應的心電數(shù)據(jù)作為模擬手術(shù)操作對象，并構(gòu)建用于房顫消融的虛擬消融導管；在仿真訓練時，首先，借助于所述第三顯示器、所述取點腳踏板和所述刪點腳踏板對所述虛擬心臟進行多點采集操作，將每個采集點對應的取點數(shù)據(jù)發(fā)送至所述三維標測仿真軟件，其次，在所述三維標測仿真軟件構(gòu)建完成所述虛擬心臟的三維標測模型并找出所述虛擬心臟的房顫位置及類型后，且當操作者手持所述消融導管插入所述消融導管移動導軌進行房顫消融模擬時，接收所述鞘管測量裝置和所述導管測量裝置分別對應實時檢測出的所述消融導管的鞘管和導管在所述消融導管移動導軌內(nèi)的狀態(tài)變化數(shù)據(jù)，以及所述放電腳踏板發(fā)送的放電指令，根據(jù)所述虛擬心臟的房顫位置及類型、所述狀態(tài)變化數(shù)據(jù)和所述放電指令同步控制所述虛擬消融導管插入所述虛擬心臟進行模擬房顫消融的狀態(tài)進程，并將該狀態(tài)進程同步發(fā)送至所述三維標測仿真軟件；同時，將該狀態(tài)進程中所述虛擬消融導管與所述虛擬心臟的碰觸狀態(tài)數(shù)據(jù)反饋給所述力反饋裝置，由所述力反饋裝置根據(jù)所述碰觸狀態(tài)數(shù)據(jù)生成對應反饋力作用于所述消融導管上；·
所述多導儀仿真軟件，用于將所述虛擬心臟的心電數(shù)據(jù)所對應的心電信號實時顯示在所述第二顯示器上；所述X光機仿真軟件，用于借助于所述第四顯示器、所述X光機控制面板、所述透視腳踏板和所述電影保存腳踏板，實現(xiàn)對所述虛擬心臟的X光機成像與控制功能；所述三維標測仿真軟件，用于獲取所述導管消融操作仿真軟件發(fā)送的取點數(shù)據(jù)，根據(jù)該取點數(shù)據(jù)并借助于所述第一顯示器構(gòu)建所述虛擬心臟的三維標測模型及其對應的心電數(shù)據(jù)，根據(jù)該心電數(shù)據(jù)找出所述虛擬心臟的房顫位置及類型，并顯示在所述第一顯示器上供所述操作者在進行房顫消融模擬時查看；當所述操作者手持所述消融導管插入所述消融導管移動導軌進行房顫消融模擬時，接收所述導管消融操作仿真軟件發(fā)送的狀態(tài)進程，并使所述第一顯示器顯示的虛擬心臟的三維標測模型的狀態(tài)變化與所述第三顯示器顯示的虛擬心臟的狀態(tài)變化保持同步。由此可見，本發(fā)明的模擬器完全模擬了現(xiàn)有的三維電解剖標測系統(tǒng)(即CARTO系統(tǒng))，從而使得醫(yī)生通過操作該模擬器達到熟練掌握基于CARTO系統(tǒng)的心房顫動導管消融手術(shù)的目的，大大降低了其手術(shù)風險。


圖I為本發(fā)明的基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器的原理圖；圖2a為本發(fā)明的基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器中力反饋裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2b為本發(fā)明的基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器中力反饋裝置的電路原理框圖；圖3為本發(fā)明的基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器中鞘管測量裝置和導管測量裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖4為本發(fā)明的基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器中構(gòu)建虛擬心臟的心電數(shù)據(jù)時計算有限點心電數(shù)據(jù)中某一點位置的示意圖；圖5a為本發(fā)明的基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器中虛擬消融導管的單節(jié)點模型示意圖；圖5b為本發(fā)明的基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器中虛擬消融導管的節(jié)點模型示意圖；圖5c為本發(fā)明的基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器中虛擬消融導管的旋轉(zhuǎn)模型示意圖；圖5d為本發(fā)明的基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器中虛擬消融導管的打彎模型示意圖；圖6為本發(fā)明的基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器中導管消融操作仿真軟件的軟件界面； 圖7為本發(fā)明的基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器中多導儀仿真軟件顯示的軟件界面。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器的具體實施方式
進行詳細描述參考圖I所示，基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器包括第一工作站、第二工作站、通過串口分別與工作站相連的鞘管測量裝置2、導管測量裝置3、力反饋裝置4 ;以及，消融導管5、適于消融導管5插入的消融導管移動導軌I、第一顯示器、第二顯示器、第三顯示器、第四顯示器、X光機控制面板、取點腳踏板、刪點腳踏板、放電腳踏板、透視腳踏板和電影保存腳踏板。其中消融導管移動導軌I依次貫穿鞘管測量裝置2、導管測量裝置3和力反饋裝置4，且消融導管移動導軌I分別位于鞘管測量裝置2內(nèi)、導管測量裝置3內(nèi)和力反饋裝置4內(nèi)的部分被截除，以避免影響鞘管測量裝置2和導管測量裝置3的測量。第一工作站和第二工作站之間通過網(wǎng)絡交換機進行通信，第一工作站內(nèi)置有三維標測仿真軟件和多導儀仿真軟件，第二工作站內(nèi)置有導管消融操作仿真軟件和X光機仿真軟件，第一工作站分別與第一顯示器和第二顯示器相連，第二工作站分別與串口、第三顯示器和第四顯示器相連。在具體實現(xiàn)時，第一工作站、第二工作站、鞘管測量裝置、導管測量裝置、力反饋裝置和消融導管移動導軌可設(shè)置于一個箱體內(nèi)，第一顯示器、第二顯示器、第三顯示器、第四顯示器、消融導管5和X光機控制面板設(shè)置于箱體的工作臺面上，取點腳踏板、刪點腳踏板、放電腳踏板、透視腳踏板和電影保存腳踏板設(shè)置于箱體下方適于操作者用腳操作的位置，從而使該模擬器與實際的CARTO系統(tǒng)操作習慣保持相同。如圖6所示，導管消融操作仿真軟件用于預先根據(jù)病人實際心臟數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬心臟及其對應的心電數(shù)據(jù)作為模擬手術(shù)操作對象，并構(gòu)建用于房顫消融的虛擬消融導管；在仿真訓練時，首先，借助于第三顯示器、取點腳踏板和刪點腳踏板對虛擬心臟進行多點采集操作，將每個采集點對應的取點數(shù)據(jù)發(fā)送至三維標測仿真軟件，其次，在三維標測仿真軟件構(gòu)建完成虛擬心臟的三維標測模型并找出虛擬心臟的房顫位置及類型后，且當操作者手持所述消融導管5插入消融導管移動導軌I進行房顫消融模擬時，接收鞘管測量裝置2和導管測量裝置3分別對應實時檢測出的消融導管5的鞘管和導管在消融導管移動導軌I內(nèi)的狀態(tài)變化數(shù)據(jù)，以及放電腳踏板發(fā)送的放電指令，根據(jù)虛擬心臟的房顫位置及類型、狀態(tài)變化數(shù)據(jù)和放電指令同步控制虛擬消融導管插入虛擬心臟進行模擬房顫消融的狀態(tài)進程，并將該狀態(tài)進程同步發(fā)送至三維標測仿真軟件；同時，將該狀態(tài)進程中虛擬消融導管與虛擬心臟的碰觸狀態(tài)數(shù)據(jù)反饋給力反饋裝置4，由力反饋裝置4根據(jù)碰觸狀態(tài)數(shù)據(jù)生成對應反饋力作用于消融導管5上。多導儀仿真軟件用于模擬實際CARTO系統(tǒng)多導儀實時心電顯示功能，將虛擬心臟的心電數(shù)據(jù)所對應的心電信號實時顯示在第二顯示器上，其界面如圖7所示。X光機仿真軟件用于借助于第四顯示器、X光機控制面板、透視腳踏板和電影保存腳踏板，實現(xiàn)對虛擬心臟的X光機成像與控制功能。實際心臟的物質(zhì)組成主要是血管、腔室內(nèi)的血液和它們間的心肌纖維。這三種物質(zhì)的密度不同，當X射線穿過心臟時，對X射線的吸收系數(shù)不同圖像衰減不同；射線經(jīng)過的厚度不同，圖像衰減也不同；最終所有的衰減疊力口，即可得到最后的衰減投影圖像。心臟上投影位置和X射線吸收關(guān)系可以直觀的看到心 臟不同位置對X射線的吸收程度不同，它是與X射線在心臟中經(jīng)過的距離指數(shù)相關(guān)的。三維標測仿真軟件用于獲取導管消融操作仿真軟件發(fā)送的取點數(shù)據(jù)，根據(jù)該取點數(shù)據(jù)并借助于第一顯示器構(gòu)建所述虛擬心臟的三維標測模型及其對應的心電數(shù)據(jù)，根據(jù)該心電數(shù)據(jù)找出虛擬心臟的房顫位置及類型，并顯示在第一顯示器上供操作者在進行房顫消融模擬時查看；當操作者手持消融導管5插入消融導管移動導軌I進行房顫消融模擬時，接收導管消融操作仿真軟件發(fā)送的狀態(tài)進程，并使第一顯示器顯示的虛擬心臟的三維標測模型的狀態(tài)變化與第三顯示器顯示的虛擬心臟的狀態(tài)變化保持同步。結(jié)合圖2a和圖2b所示，力反饋裝置4包括夾持臺41，夾持臺41夾持有開口向左的U型阻力墊42，消融導管5的導管穿過U型阻力墊42，U型阻力墊42左側(cè)設(shè)有電機43，電機43橫向固定在一固定臺44上且與U型阻力墊42的開口位置對應，固定臺44內(nèi)安裝有控制電機43的第二控制器及電機驅(qū)動電路(圖2a未畫出)，一壓縮彈簧45的左端緊配合套在電機43的轉(zhuǎn)動軸上，壓縮彈簧45的右端固定有輕質(zhì)的夾塊46，夾塊46的右端安裝有輕質(zhì)的摩擦塊47，摩擦塊47貼近消融導管5的導管位于U型阻力墊42內(nèi)的部分，其中，第二控制器用于接收碰觸狀態(tài)數(shù)據(jù)，并據(jù)此生成對應控制信號發(fā)送給電機驅(qū)動電路以控制電機43的旋轉(zhuǎn)，進而驅(qū)動摩擦塊47作用于消融導管5的導管位于U型阻力墊42內(nèi)的部分上。此外，U型阻力墊42右側(cè)與夾持臺41之間的間隙內(nèi)安裝有壓力傳感器48，第二控制器在輸出控制信號的同時，接收壓力傳感器48反饋的壓力信號，并根據(jù)壓力信號動態(tài)調(diào)整控制信號的輸出，以使得壓力信號所對應的壓力與碰觸狀態(tài)數(shù)據(jù)中的反饋力匹配。結(jié)合圖3所示，鞘管測量裝置2和導管測量裝置3結(jié)構(gòu)相同，其中，鞘管測量裝置2包括激光管6a、凸透鏡7a、光電檢測器8a和單片機9a，導管測量裝置3包括激光管6b、凸透鏡7b、光電檢測器8b和單片機％。激光管6a和激光管6b發(fā)射的激光照射對應在消融導管5的鞘管或?qū)Ч苌?，凸透鏡7a和凸透鏡7b將鞘管或?qū)Ч軐瓷涞狡渖系姆瓷浼す膺M行放大聚光并輸出；光電檢測器8a和光電檢測器8b連續(xù)對應檢測凸透鏡7a和凸透鏡7b輸出的聚光后的反射激光，根據(jù)該聚光后的反射激光對應獲取鞘管和導管的點陣圖像，對應對比鞘管和導管前后相鄰兩幀的點陣圖像得到鞘管和導管的相對位移變化數(shù)據(jù)。單片機9a和單片機9b通過SPI接口從光電檢測器8a和光電檢測器8b接收相對位移變化數(shù)據(jù)，根據(jù)相對位移變化數(shù)據(jù)對應解析求出鞘管和導管在其位移方向上的位移點陣數(shù)，并最終單片機9b通過串口將位移點陣數(shù)發(fā)送至第二工作站。本實施例的模擬器中，上述的根據(jù)病人實際心臟數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬心臟及其對應的心電數(shù)據(jù)，具體如下一、虛擬心臟的幾何模型構(gòu)建在CARTO系統(tǒng)中涉及三個心臟模型一個是病人實際心臟；一個是根據(jù)病人CT醫(yī)學圖像重建的心臟三維幾何模型(下文稱CT心臟幾何模型);第三個是三維標測時根據(jù)消融導管在病人心臟內(nèi)取點，建立的心臟三維標測模型(下文稱心臟標測模型)。后兩個心臟模型都是計算機生成的，采用三角面片表達，但CT心臟幾何模型在存儲時保存為頂點-面片數(shù)據(jù)文件，顯示時直接讀取該文件進行顯示；心臟標測模型沒有直接存儲文件，只是顯示時根據(jù)標測點數(shù)據(jù)實時按照三角剖分算法創(chuàng)建表面模型。心臟標測模型實時反映了手術(shù)時病 人心臟的形態(tài)，該模型與CT心臟幾何模型融合比較，可以檢查手術(shù)時取點分布是否均勻合理，指導醫(yī)生取點，進而精確手術(shù)定位。根據(jù)CARTO系統(tǒng)的特點，在本實施例的模擬器中同樣需要三個心臟模型，與實際CARTO系統(tǒng)不同的是，在本實施例的模擬器中需要對病人實際心臟進行仿真，模擬出一個虛擬手術(shù)操作對象；其他兩個心臟用途、構(gòu)建方法與CARTO系統(tǒng)相同。有兩種方法構(gòu)建虛擬心臟的幾何模型①利用CARTO系統(tǒng)已重建好的與病人實際心臟匹配的CT心臟幾何模型，做進一步的處理得到；②利用病人CT醫(yī)學數(shù)據(jù)，采用圖像分割-三維重建的方法，提取并重建虛擬心臟模型。第二種方法需要大量的計算且算法編程實現(xiàn)復雜，效果不好，而CARTO系統(tǒng)經(jīng)過多年的研究、工程化及商業(yè)化，其對CT醫(yī)學圖像分割-提取-重建相當成熟，其重建的CT心臟幾何模型相當準確。本實施例采用第一種方法在CARTO系統(tǒng)的CT心臟幾何模型數(shù)據(jù)(11788個頂點、23572個面片)的基礎(chǔ)上根據(jù)虛擬手術(shù)交互操作實時性要求做面片消減處理，得到與CT心臟幾何模型及標測點坐標系一致的虛擬心臟的幾何模型，消減后的模型有2695個頂點、4713個面片。二、虛擬心臟的心電數(shù)據(jù)構(gòu)建結(jié)合圖4所示，首先根據(jù)虛擬消融導管的大頭位置在虛擬心臟的幾何模型中尋找距離CARTO系統(tǒng)中保存的病人實際心臟的有限點心電數(shù)據(jù)中的某一點位置(即P)最近的四個點(即 P1>P2>P3>P4);在由四個點(即P1, P2, P3、P4)的互聯(lián)構(gòu)成的兩個對角線方向上尋找激動時間差最大的方向，則該方向(如P1P3)為有限點心電數(shù)據(jù)中的某一點位置的心電傳導方向；然后在該心電傳導方向所對應的對角線上根據(jù)如下距離線性插值公式求得該位置的激動時間LAT及心電信號；
…TAT, (UTri -UTn) rLATp = LATn + ~~—--Lppi
^ppi + Lpp3其中，LATp為P點位置的激動時間LAT，LATpi和LATp3分別對應為P1和P3點的激動時間LAT，Lppi,Lpp2和Lpp3分別為P點到P1J2和P3點的距離，其中，心電信號是根據(jù)心電傳導方向和激動時間LATjfPl點的波形或P3點的波形作平移獲得，平移量為P點與Pl點或與P3點的激動時間差。
從而，依據(jù)上述步驟構(gòu)建有限點心電數(shù)據(jù)中的其他點位置的心電數(shù)據(jù)。本實施例的模擬器中，上述構(gòu)建房顫消融的虛擬消融導管中，采用離散化的質(zhì)量-彈簧模型算法表示其計算模型，并采用中心線軌跡掃描法構(gòu)建其可視三角面片模型，具體如下虛擬消融導管的計算模型為導管前端打彎段由N個節(jié)點(Xtl, X1,…，Xp1)組成，如圖5a和圖5b所示；導管主體根據(jù)導管相對鞘管伸出的長度由可變數(shù)量的節(jié)點組成，導管主體初始節(jié)點數(shù)為不超過L/ A _的整數(shù)M，其中L為鞘管長度，\ _為導管節(jié)點之間完全伸展開后的最大距離；節(jié)點之間連接著一個長度為、的彈簧，每個節(jié)點包含一個彎曲法向量e及彎曲角度0，如圖5d所示，從而實現(xiàn)導管的變形計算。導管前端節(jié)點之間設(shè)定最小距離入fflin,導管平移前進時先均勻伸長前端節(jié)點之間的距離，當前端節(jié)點之間的距離都伸長到最大值時，再增加導管主體節(jié)點中沒有達到最大距離的節(jié)點，再前進時增加導管主體節(jié)點數(shù)。后撤導管時先縮小導管主體節(jié)點距離，再刪節(jié)點，當主體節(jié)點數(shù)減為M時，再均勻縮小前端節(jié)點之間距離。 旋轉(zhuǎn)時位置與法向量均繞主軸旋轉(zhuǎn)，以節(jié)點Xi+1繞軸Xp1Xi旋轉(zhuǎn)5 ,度為例說明彎曲角度9」呆持不變，法向量ei、Xi+1均繞軸U旋轉(zhuǎn)，得到新的法向量e' i,X/ i+1，如圖5c所示，旋轉(zhuǎn)過程可用公式表示
a,= (n ,n )T = (X . - X. ,)/ X . - X.,a 、 x y zI -l/ I z-1^ =RO1d ,dVe/
X! , = X . + R(n ,,S .)(X . , - X ,)
i + IiK dt 八 i + II，. r N
1(I)其中R(nd，6 ,)為旋轉(zhuǎn)矩陣，T為向量或矩陣轉(zhuǎn)置符號，下面使用R(n，0 )來表示R(nd, Si)的計算方法。
n\ (I - cos(6>)) + cos((9)nxnr (I — cos((9)) — nz sin(6>)nxn: (I - cos(沒))+ nv sin(<9)
R(n，0) = nxnv(I -cos(9)) + nz sin(沒)n2v(l-cos(0)) + cos(沒)nyn_(I-cos(0))-nx sin(沒)
nxn,(l - cos(d)) - ny sin(沒)(I - cos(沒))+ nx sin(沒)n (I - cos(^)) + cos(^)導管打彎/松彎會直接引起彎曲角度0的變化，同時各節(jié)點的位置、法向量也會跟著發(fā)生變化。打彎段各個節(jié)點對應彎曲角度分別為0” 02，…，0N，總的彎曲角度
N
0 二 H0i設(shè)打彎量為AL G [0，A LnJ，導管彎曲角度0與打彎量AL之間的關(guān)系如下式 ,
表不:
, AL AO1 =—~A
^jTnirn在實際消融操作手術(shù)過程中消融導管與病人實際心臟內(nèi)壁接觸后，消融導管與心臟內(nèi)壁之間產(chǎn)生接觸力，心臟組織阻止導管繼續(xù)向前運動，醫(yī)生感知到該接觸力的存在后判斷出導管已與心臟接觸，調(diào)整導管的運動方向，避免導管穿透心臟而發(fā)生醫(yī)療事故。在本實施中，通過碰撞檢測及處理算法來實現(xiàn)虛擬消融導管與虛擬心臟之間的接觸判斷與處理。本實施采用OBB包圍盒碰撞檢測算法判斷出哪些三角面片接觸，在此基礎(chǔ)上采用三角面片之間及線段與三角面片相交計算方法，計算接觸位置和接觸深度，進而計算虛擬接觸力。本實施例的模擬器中，上述的根據(jù)取點數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬心臟的三維標測模型，具體為首先，采用三角面片生成算法中的VTK集成的點插入法，該方法三角生成思路簡單，容易實現(xiàn)，執(zhí)行效率較高，對數(shù)據(jù)分布無限制。VTK集成的點插入法為先生成離散點的外凸多邊形，然后內(nèi)部用三角形分割，判斷其余的點分別落在哪個三角形內(nèi)，以該點為頂點，把所在的三角形一分為三，直到所有的點都插入為止，然后調(diào)用局部優(yōu)化算法(即將當前生成的三維標測模型與虛擬心臟比較，判斷是否匹配，如果不匹配繼續(xù)取更多的離散點)，直到把三角網(wǎng)調(diào)整到最優(yōu)(當前生成的三維標測模型與虛擬心臟匹配)，從而構(gòu)成心腔三維結(jié)構(gòu)。其次，采用網(wǎng)格平滑算法中的簡單高效的Luplaeian平滑算法將心腔三維結(jié)構(gòu)進行平滑處理而得到虛擬心臟的三維標測模型。該算法將網(wǎng)格中的每個頂點移向其周圍鄰域重心的位置，它使頂點向網(wǎng)格內(nèi)部移動，起到抑制噪聲的效果，同時也產(chǎn)生一定的收縮效應；另外，也使頂點沿切向向長邊一側(cè)移動，使頂點分布區(qū)域均勻，起到網(wǎng)格形狀優(yōu)化的效 果。對于網(wǎng)格中的第i個頂點Vi及其一階鄰域中的點'(j G 表示Vi的星形鄰域，即Vi與Vj通過邊(i, j)相連)，離散LuPlacian算子可以用下式來描述。AV^TVV7(Vi-V1)其中Wij為權(quán)重，其有多種選擇方式，最簡單的一種是取相等權(quán)重，即Wij
,-7 —I 9
=l/n(j G D，其中n為鄰域中頂點的個數(shù)。也可采用Vi與V'距離的倒數(shù)為權(quán)重，即Wij=I Vj-Vi r1。每次迭代完成后，頂點坐標的更新通過下式來完成，其中\(zhòng)為權(quán)重，取值在0到I之間，可以控制網(wǎng)格平滑的速度Vi = Vi+ A A Vp以上的實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通工程技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進，均應落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器，其特征在于，包括工作站，內(nèi)置有三維標測仿真軟件、多導儀仿真軟件、導管消融操作仿真軟件和X光機仿真軟件；通過串ロ分別與所述工作站相連的鞘管測量裝置(2)、導管測量裝置(3)、カ反饋裝置(4);以及，消融導管(5)、適于所述消融導管(5)插入的消融導管移動導軌(I)、第一顯示器、第二顯示器、第三顯示器、第四顯示器、X光機控制面板、取點腳踏板、刪點腳踏板、放電腳踏板、透視腳踏板和電影保存腳踏板；其中所述消融導管移動導軌(I)依次貫穿所述鞘管測量裝置(2)、所述導管測量裝置(3)和所述カ反饋裝置(4)，且所述消融導管移動導軌(I)分別位于所述鞘管測量裝置(2)內(nèi)、所述導管測量裝置(3)內(nèi)和所述カ反饋裝置(4)內(nèi)的部分被截除；所述導管消融操作仿真軟件，用于預先根據(jù)病人實際心臟數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬心臟及其對應的心電數(shù)據(jù)作為模擬手術(shù)操作對象，并構(gòu)建用于房顫消融的虛擬消融導管；在仿真訓練時，首先，借助于所述第三顯示器、所述取點腳踏板和所述刪點腳踏板對所述虛擬心臟進行多點采集操作，將每個采集點對應的取點數(shù)據(jù)發(fā)送至所述三維標測仿真軟件，其次，在所述三維標測仿真軟件構(gòu)建完成所述虛擬心臟的三維標測模型并找出所述虛擬心臟的房顫位置及類型后，且當操作者手持所述消融導管(5)插入所述消融導管移動導軌(I)進行房顫消融模擬時，接收所述鞘管測量裝置(2)和所述導管測量裝置(3)分別對應實時檢測出的所述消融導管(5)的鞘管和導管在所述消融導管移動導軌(I)內(nèi)的狀態(tài)變化數(shù)據(jù)，以及所述放電腳踏板發(fā)送的放電指令，根據(jù)所述虛擬心臟的房顫位置及類型、所述狀態(tài)變化數(shù)據(jù)和所述放電指令同步控制所述虛擬消融導管插入所述虛擬心臟進行模擬房顫消融的狀態(tài)進程，并將該狀態(tài)進程同步發(fā)送至所述三維標測仿真軟件；同時，將該狀態(tài)進程中所述虛擬消融導管與所述虛擬心臟的碰觸狀態(tài)數(shù)據(jù)反饋給所述カ反饋裝置(4)，由所述カ反饋裝置(4)根據(jù)所述碰觸狀態(tài)數(shù)據(jù)生成對應反饋力作用于所述消融導管(5)上；所述多導儀仿真軟件，用于將所述虛擬心臟的心電數(shù)據(jù)所對應的心電信號實時顯示在所述第二顯示器上；所述X光機仿真軟件，用于借助于所述第四顯示器、所述X光機控制面板、所述透視腳踏板和所述電影保存腳踏板，實現(xiàn)對所述虛擬心臟的X光機成像與控制功能；所述三維標測仿真軟件，用于獲取所述導管消融操作仿真軟件發(fā)送的取點數(shù)據(jù)，根據(jù)該取點數(shù)據(jù)并借助于所述第一顯示器構(gòu)建所述虛擬心臟的三維標測模型及其對應的心電數(shù)據(jù)，根據(jù)該心電數(shù)據(jù)找出所述虛擬心臟的房顫位置及類型，并顯示在所述第一顯示器上供所述操作者在進行房顫消融模擬時查看；當所述操作者手持所述消融導管(5)插入所述消融導管移動導軌(I)進行房顫消融模擬時，接收所述導管消融操作仿真軟件發(fā)送的狀態(tài)進程，并使所述第一顯示器顯示的虛擬心臟的三維標測模型的狀態(tài)變化與所述第三顯示器顯示的虛擬心臟的狀態(tài)變化保持同歩。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器，其特征在干，所述鞘管測量裝置(2)和所述導管測量裝置(3)結(jié)構(gòu)相同，其包括激光管(6a、6b)，其發(fā)射的激光照射在所述消融導管(5)的鞘管或?qū)Ч苌?；凸透鏡(7a、7b)，其將所述鞘管或?qū)Ч芊瓷涞狡渖系姆瓷浼す膺M行放大聚光并輸出；光電檢測器(8a、8b)，其連續(xù)檢測所述凸透鏡(7a、7b)輸出的聚光后的反射激光，根據(jù)該聚光后的反射激光獲取所述鞘管或?qū)Ч艿狞c陣圖像，對比所述鞘管或?qū)Ч芮昂笙噜弮蓭狞c陣圖像得到所述鞘管或?qū)Ч艿南鄬ξ灰谱兓瘮?shù)據(jù)；第一控制器(9a、9b)，其通過SPI接ロ從所述光電檢測器(8a、8b)接收相對位移變化數(shù)據(jù)，根據(jù)相對位移變化數(shù)據(jù)解析求出所述鞘管或?qū)Ч茉谄湮灰品较蛏系奈灰泣c陣數(shù)，并通過串ロ將所述位移點陣數(shù)發(fā)送至所述工作站。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器，其特征在于，所述カ反饋裝置(4)包括夾持臺(41),所述夾持臺(41)夾持有開ロ向左的U型阻カ墊(42)，所述消融導管(5)的導管穿過所述U型阻カ墊(42)，所述U型阻カ墊(42)左側(cè)設(shè)有電機(43)，所述電機(43)橫向固定在一固定臺(44)上且與所述U型阻カ墊(42)的開ロ位置對應，所述固定臺(44)內(nèi)安裝有控制所述電機(43)的第二控制器及電機驅(qū)動電路，ー壓縮彈簧(45)的左端緊配合套在所述電機(43)的轉(zhuǎn)動軸上，所述壓縮彈簧(45)的右端固定有輕質(zhì)的夾塊(46)，所述夾塊(46)的右端安裝有輕質(zhì)的摩擦塊(47)，所述摩擦塊(47)貼近所述消融導管(5)的導管位于所述U型阻カ墊(42)內(nèi)的部分，其中所述第二控制器，用于接收所述碰觸狀態(tài)數(shù)據(jù)，并據(jù)此生成對應控制信號發(fā)送給所述電機驅(qū)動電路以控制所述電機(43)的旋轉(zhuǎn)，進而驅(qū)動所述摩擦塊(47)作用于所述消融導管(5)的導管位于所述U型阻カ墊(42)內(nèi)的部分上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器，其特征在于，所述U型阻カ墊(42)右側(cè)與所述夾持臺(41)之間的間隙內(nèi)安裝有壓カ傳感器(48)，所述第二控制器在輸出所述控制信號的同時，接收所述壓カ傳感器(48)反饋的壓力信號，并根據(jù)所述壓カ信號動態(tài)調(diào)整所述控制信號的輸出，以使得所述壓カ信號所對應的壓カ與所述碰觸狀態(tài)數(shù)據(jù)中的反饋カ匹配。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器，其特征在于，所述根據(jù)病人實際心臟數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬心臟及其對應的心電數(shù)據(jù)，具體為將三維電解剖標測系統(tǒng)中已重建好的所述病人實際心臟的CT心臟幾何模型作為所述虛擬心臟的幾何模型；根據(jù)所述虛擬消融導管的大頭位置在所述虛擬心臟的幾何模型中尋找距離所述三維電解剖標測系統(tǒng)中保存的所述病人實際心臟的有限點心電數(shù)據(jù)中的某一點位置最近的四個點；在由所述四個點的互聯(lián)構(gòu)成的兩個對角線方向上尋找激動時間差最大的方向，則該方向為所述有限點心電數(shù)據(jù)中的某一點位置的心電傳導方向；然后在該心電傳導方向所對應的對角線上根據(jù)距離線性插值求得該位置的激動時間及心電信號；依據(jù)上述步驟構(gòu)建所述有限點心電數(shù)據(jù)中的其他點位置的心電數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器，其特征在于，所述根據(jù)取點數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬心臟的三維標測模型，具體為根據(jù)三角面片生成算法將所述取點數(shù)據(jù)中的采樣點連接起來生成與所述虛擬心臟對應的心腔三維結(jié)構(gòu)；根據(jù)網(wǎng)格平滑算法將所述心腔三維結(jié)構(gòu)進行平滑處理而得到所述虛擬心臟的三維標測模型。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器，其特征在于，采用離散化的質(zhì)量-彈簧模型算法表示所述虛擬消融導管的計算模型，并采用中心線軌跡掃描法構(gòu)建其可視三角面片模型。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器，其特征在于，所述工作站包括第一工作站和第二工作站，他們之間通過網(wǎng)絡交換機進行通信，所述三維標測仿真軟件和所述多導儀仿真軟件設(shè)置于所述第一工作站內(nèi)，所述導管消融操作仿真軟件、所述X光機仿真軟件設(shè)置于所述第二工作站內(nèi)，所述第一工作站分別與所述第一顯示器和所述第二顯示器相連，所述第二工作站分別與所述串ロ、所述第三顯示器和所述第四顯示器相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器，其特征在于，所述第一工作站、所述第二工作站、所述鞘管測量裝置(2)、所述導管測量裝置(3)、所述カ反饋裝置(4)和所述消融導管移動導軌(I)設(shè)置于ー個箱體內(nèi)，所述第一顯示器、所述第二顯示器、所述第三顯示器、所述第四顯示器、所述消融導管(5)和所述X光機控制面板設(shè)置于所述箱體的工作臺面上，所述取點腳踏板、所述刪點腳踏板、所述放電腳踏板、所述透視腳踏板和所述電影保存腳踏板設(shè)置于所述箱體下方適于操作者用腳操作的位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于三維電解剖標測系統(tǒng)的心房顫動導管消融模擬器，其包括工作站，內(nèi)置有三維標測仿真軟件、多導儀仿真軟件、導管消融操作仿真軟件和X光機仿真軟件；通過串口分別與工作站相連的鞘管測量裝置、導管測量裝置、力反饋裝置；以及消融導管、消融導管移動導軌、第一顯示器、第二顯示器、第三顯示器、第四顯示器、X光機控制面板、取點腳踏板、刪點腳踏板、放電腳踏板、透視腳踏板和電影保存腳踏板等。該模擬器完全模擬了三維電解剖標測系統(tǒng)，從而使得醫(yī)生通過操作該模擬器達到熟練掌握基于CARTO系統(tǒng)的心房顫動導管消融手術(shù)的目的。
文檔編號G09B23/28GK102831289SQ20121019212
公開日2012年12月19日 申請日期2012年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月11日
發(fā)明者董建增, 晁建剛, 張炎, 陳學文, 馬長生, 周繼紅, 熊穎, 杜芳, 趙建奎, 黃鵬, 湯日波 申請人:董建增, 晁建剛