一种交互式肾穿刺模拟训练模型及其模拟方法

本发明属于医学模拟训练模型，具体涉及一种交互式肾穿刺模拟训练模型及其模拟方法。

背景技术：

1、肾穿刺又称肾活检穿刺术，目前最常用的方法是在超声的引导下，用穿刺针，于患者肾脏上取少量组织进行病理诊断的医学技术。人体肾脏可分为三个部分：皮质、髓质和肾盂，其中，肾小球位于肾皮质中，为血液过滤器，从内到外有三层结构：内层为内皮细胞层，为附着在肾小球基底膜内的扁平细胞，上有无数孔径大小不等的小孔，小孔有一层极薄的隔膜；中层为肾小球基膜，髓质包含数百万计产尿的微管，肾盂呈漏斗形能够收集并输出尿液。肾穿刺实际取样是通过临床对人体取样，传统的学习操作方式由经验丰富的临床穿刺医生帮带学习穿刺技术，对于教学、学习或者实习训练都受到限制，目前已有通过模拟训练模型，实现学习和模拟训练，如申请号为201320172374.2的专利文件公开的用于模拟肾穿刺的肾活检穿刺模型，训练或测试者通过在模型上操作也能够得到操作质量的反馈。

2、包括上述专利文件公开的目前现有的模拟训练模型，传统的肾穿刺模拟训练模型往往结构简单，导致训练效果不尽如人意。此外，这些模型往往缺乏与真实临床操作的结合，使得训练者在面对实际操作时仍感到困惑。因此，本发明通过引入多种先进技术和系统，旨在打造一种更贴近实际临床操作的肾穿刺模拟训练模型，以提高训练者的操作技能和应对复杂情况的能力。

3、大部分结构较为简单，不但使用不方便或不够智能化，更没有对肾脏的部位进行区分，又如申请号为201320172374.2的专利文件仅仅通过将肾脏不同的部位标记为不同颜色，穿刺取样后只能得出大概穿刺于哪个部位的粗略反馈信息，对于训练者的穿刺力度、穿刺深度、是否准确穿刺于目标取样部位都没有给出训练反馈，而且导致训练或教学的低效率化，并且不同的肾病取样部位不同，不同取样部位的模拟操作对于训练者学习掌握不同病例类别的穿刺技术具有重要意义，目前传统的肾穿刺模拟训练模型研发一种操作人性化且能够较为准确、更全面的训练反馈信息的肾穿刺模拟训练模型或模拟训练方式成为医学模拟训练设计技术领域需要解决的问题。

技术实现思路

1、本发明公开了一种交互式肾穿刺模拟训练模型及其模拟方法，拟解决传统的肾穿刺模拟训练模型存在反馈给训练者的操作结果信息单一、粗略，不能较为准确地反馈给训练者在穿刺训练后的穿刺深度、穿刺力度和穿刺位置信息的技术问题。

2、为解决上述存在的技术问题，本发明采用的技术方案如下：

3、一种交互式肾穿刺模拟训练模型，包括包括仿真人体模型外壳、与人体肾脏周围位置对应的仿真骨骼、仿真肾脏外部组织、仿真肾脏器官和设于仿真人体模型外壳的交互式控制系统；所述仿真肾脏器官包括至少一组由外到内依次设置的仿真肾脏皮质层、仿真肾髓质和仿真肾盂和仿真血管；所述仿真肾脏器官设有至少一组依次由仿真人体模型外壳至仿真肾盂的穿刺通道；所述穿刺通道的肾脏皮质层入口和出口处分别设置第一传感器和第二传感器；所述第一传感器和所述第二传感器分别用于获取穿刺针的第一位置和第二位置；在所述穿刺通道的内壁设有距离所述出口距离不等的若干个第三传感器，所述第三传感器为触觉传感器用于获取穿刺针的第三位置和穿刺力度；所述交互式控制系统用于将所述第一传感器、所述第二传感器和所述第三传感器获取的数据转换为第一位置数据的值、第二位置数据的值、所述第三位置数据的值、第一位置数据的值与每个所述第三位置数据的差值、力度数据值，并交互式输出为刺入位置是否合格、刺出位置是否合格、刺入深度和刺入力度反馈给训练者。

4、本发明所述交互式肾穿刺模拟训练模型，在设置仿造人体上半身的仿真人体模型外壳、人体肾脏周围对应位置的仿真骨骼、仿真肾脏外部组织和仿真肾脏器官的基础上，通过将所述仿真肾脏器官设置为包括至少一组由外到内依次设置的仿真肾脏皮质层、仿真肾髓质和仿真肾盂和仿真血管；所述仿真肾脏器官设有至少一组依次由仿真人体模型外壳至仿真肾盂的穿刺通道；不仅仅为穿刺模拟训练提供了训练的穿刺针肾脏皮质层入口，而且，所述穿刺通道的肾脏皮质层入口和出口处分别设置第一传感器和第二传感器，所述第一传感器和所述第二传感器用于获取穿刺针位置，使训练者在使用穿刺针刺入仿真肾脏皮质后，第一传感器通过交互式控制系统能够给出刺入的位置信息、是否刺入所述穿刺通道出口位置信息，能够较为准确的得到是否刺入通道出口，从而判断是否达到刺入标准，并通过在所述穿刺通道的外壁设距离所述出口距离不等的若干个第三传感器，所述第三传感器能够获取所述穿刺通道外壁所受的侧向挤压力，不同的所述第三传感器由于距离所述出口距离不等，从而得出穿刺针所处的位置，从而测得穿刺针在所述穿刺通道内的深度，并且第三传感器为触觉传感器，能够获得穿刺的力度，通过设置第一传感器、第二传感器和第三传感器再通过信号电路传输于所述交互式控制系统，所述交互式控制系统对操作训练的数据根据预设的穿刺模式中的标准操作参数进行比对，能够反馈给训练者本次操作训练刺入位置是否合格、以及与预设标准的偏差，还能给训练者提供穿刺力度和入针深度的数据，相比于传统的肾穿刺模型，不但能够反馈给训练者操作是否合格信息，并且能够给出刺入位置是否正确及偏差值，这对训练者通过训练后进行下一次训练提供了操作改进的重要信息，能够大大提高训练者学习和训练的有效性，从而提高模拟训练的效率。

5、优选的，所述交互式控制系统包括：数据处理模块、交互式控制模块、数据分析模块、电源模块、交互式输出模块；所述交互式控制模块通过信号电路控制所述数据处理模块、所述数据分析模块、所述电源模块和所述交互式输出模块的运行；所述数据处理模块用于获取所述第一传感器传输的第一位置数据、第二传感器传输的第二位置数据、所第三传感器传输的第三位置数据和所述第三传感器传输的力度数据，并分类整理成第二数据传输于所述数据分析模块；所述数据分析模块用于分析所述第二数据中的第一位置数据的值、分析所述第二位置数据的值、每个所述第三位置数据的值、计算所述第一位置数据的值与每个所述第三位置数据的差值、分析每个所述力度数据值，并形成第三数据传输于所述交互式输出模块；所述交互式输出模块用于将所述第三数据交互式反馈给训练者。

6、并且，本发明所述交互式肾穿刺模拟训练模型，通过交互式控制系统，预先对需要训练的模式进行预设，预设模式中输入刺入深度、位置、力度和入针角度等标准参数，实现设定一个标准参考模式，通过所述第一、第二、第三传感器和所述触觉传感器通过信号电路传输第一数据于所述数据处理模块；所述数据处理模块能够将所述第一数据分类整理并传输第二数据于所述数据分析模块，所述数据分析模块能够根据所述交互式控制模块所执行的穿刺模式对所述第二数据进行计算；所述数据分析模块能够将计算得到的第三数据传输于所述交互式输出模块；所述交互式控制模块通过信号电路控制所述交互式输出模块将第三数据于人机交互模式反馈显示，相比于传统的手动计算分析模式，不但给出的数据信息较为准确，并且，由于穿刺的真实场景应是对于患者人身体，通过上述特定的人机交互模式反馈显示，有助于训练者快速读取训练或测试信息，还能提高训练者的使用体验感，相比于传统的人机交互模式，本发明所述的此场景中配合穿刺模型的其他部件设置，具有适用性更强，使用更方便快速地给出反馈信息，提高使用体验的效果，进一步提高了训练者模拟训练的效率。

7、优选的，本发明所述的交互式肾穿刺模拟训练模型，所述第二传感器包括与所述肾脏皮质层入口中心偏离角度不同的若干个角度传感器单元；每个所述角度传感器单元能够通过不同的编号被所述交互式控制系统识别。

8、本发明所述的交互式肾穿刺模拟训练模型的优选方案，通过设置若干个与所述肾脏皮质层入口中心偏离角度不同的角度传感器单元，所述穿刺通道足够宽能够使若干个所述角度传感器单元都位于出口处，则训练者从所述肾脏皮质层入口刺入穿刺针的过程中如果穿刺针偏离了肾脏皮质层入口的中心位置则会刺向偏离中心位置角度所对应的角度传感器单元，不同的角度传感器单元通过编号被所述交互式控制系统识别，所述交互式控制系统通过比对所述角度传感器单元的原位置参数，能够计算得到刺入末端偏离所述肾脏皮质层入口中心的角度，从而实现对训练者刺入角度偏向的反馈，进一步增加了一项穿刺训练者能够获取的训练信息，增加交互式肾穿刺模拟训练模型的功能，增强了该交互式穿刺模拟系统的适用性。

9、优选的，本发明所述的交互式肾穿刺模拟训练模型，靠近所述穿刺通道的仿真血管设有第四传感器，所述第四传感器为触觉传感器；所述第四传感器通过电信号连接于所述交互式控制系统。

10、本优选方案，通过在靠近所述穿刺通道的仿真血管设置第四传感器，当所述模拟训练者的穿刺针由于刺入偏向而触碰所述第四传感器后，所述第四传感器将获取到的信号数据传输于所述交互式控制系统，使所述交互式控制系统识别并通过预设模式和交互式输出模块向训练者输出该触碰信息，例如通过语音和报警提示音提示训练者已经操作失误穿刺于血管，给出警示，给模拟训练者提供一种操作安全性的提示，使拟训练者能够获取到穿刺触碰血管的失误信息，从而提高了该交互式肾穿刺模拟训练模型使用的安全性。

11、优选的，本发明所述的交互式肾穿刺模拟训练模型，所述仿真肾脏外部组织的外部设有仿真呼吸气囊，所述仿真人体外壳内设有微型充吸气机，所述微型充吸气机能够通过气管给所述仿真呼吸气囊充气；所述仿真呼吸气囊设充吸气开关；所述充吸气开关和所述微型充吸气机通过电信号受控于所述交互式控制系统；所述交互式控制系统通过控制吸气和充气的时间进而模拟人体呼吸。

12、本发明所述的交互式肾穿刺模拟训练模型的优选方案，通过仿真肾脏外部组织的外部设有仿真呼吸气囊，通过所述微型充吸气机的作用，所述交互式控制系统通过控制吸气和充气的时间进而模拟人体呼吸，由于在肾穿刺实际临床操作中，需要配合患者的呼吸进行刺针或拔针，相比于传统的其他模拟训练模型或传统结构简单的肾穿刺模型，能够更贴合实际应用场景的真实情况，而且在肾穿刺训练中，配合患者的呼吸是重要的训练项目，通过优选方案，达到了该项目的便捷有效实现。

13、优选的，本发明所述的交互式肾穿刺模拟训练模型，还包括：超声仪模型和设于仿真肾脏器官内的至少一组超声传感器；所述超声仪模型能够接收所述超声传感器的传输信号；所述超声仪模型能够通过所述交互式控制系统输出与所述仿真肾脏器官的超声影像。

14、本发明所述的交互式肾穿刺模拟训练模型的优选方案，通过设置超声传感器和超声仪模型，使所述仿真肾脏器官通过超声传感器在所述超声仪模型中形成超声影像，将模型的内部结构转化为超声影像，超声仪模型通过高分辨率显示屏相连，通过传感器采集的信号，实时生成超声影像并在显示屏上展示，使模拟训练更贴近于实际临床操作，使模拟训练更具有针对性，进一步提高训练者训练的时效。

15、优选的，本发明所述的交互式肾穿刺模拟训练模型，还包括虚拟现实系统和增强现实系统；所述虚拟现实系统和所述增强现实系统通过集成电路受控于所述交互式控制系统。

16、本发明所述的交互式肾穿刺模拟训练模型的优选方案，通过设置虚拟现实系统和增强现实系统，通过交互式控制系统控制所述虚拟现实系统和增强现实系统，能够构建一个多人协作的模拟环境，学生可以通过头戴设备和其他交互设备进行操作，使该模拟训练模型使用能够场景化，训练者可以通过虚拟现实系统和增强现实系统选择角色、接收任务，提高了训练者使用的便捷性，增强训练者对场景的体验感。

17、优选的，本发明所述的交互式肾穿刺模拟训练模型，还包括集成专家系统，所述集成专家系统通过网络协议获取专家设备终端的链接，进而获取专家设备终端的专家技术指导信息。

18、本发明所述的交互式肾穿刺模拟训练模型的优选方案，通过集成专家系统，从专家设备终端获取专家的指导，够根据学生的操作情况提供实时的指导和反馈，所述专家系统还可以为学生提供解决复杂问题的策略和方法。

19、本发明还通过集成专家系统，从专家设备终端获取专家的指导信息。这种设计能够根据学生的操作情况提供实时的指导和反馈，帮助学生解决复杂问题，进一步提高他们的操作技能。

20、优选的，本发明所述的本发明所述的交互式肾穿刺模拟训练模型，还包括设于仿真人体模型外壳的温度传感器、湿度传感器，所述温度传感器和所述湿度传感器通过电信号传输温度数据和湿度数据于所述交互式控制系统。

21、本发明所述的本发明所述的交互式肾穿刺模拟训练模型的优选方案，所述述为了确保与其他设备和系统的互操作性，我们将遵循行业标准和规范进行设计和开发，考虑到模拟训练可能在不同环境条件下进行，我们将确保传感器布局方案具有良好的环境适应性。这包括对温度、湿度、压力等环境因素的适应能力，以确保传感器在各种条件下都能提供准确的数据。

22、具体而言，本发明所述的交互式肾穿刺模拟训练模型，不仅具备仿真人体模型外壳，还集成了温度传感器、湿度传感器等多种传感器，以实时获取并传输环境数据。这些传感器经过精心布局，具有良好的环境适应性，能够在各种条件下提供准确的数据，确保模拟训练的准确性和可靠性。

23、优选的，本发明所述的本发明所述的交互式肾穿刺模拟训练模型，还包括校准调试系统，所述校准调试系统通过电路信号链接于所述交互式控制系统；所述校准调试系统包括定期清洁时间提醒输出模块、定期检查输出模块。

24、优选的，本发明还引入了校准调试系统，通过电路信号链接于交互式控制系统。该系统能够定期提醒清洁、检查和校准模型内的参数，确保模型始终处于最佳工作状态。同时，人机交互的设计也使得使用者能够更加方便地进行操作和维护。

25、本发明所述的本发明所述的交互式肾穿刺模拟训练模型的优选方案，为了该模型使用的更长期性和准确性，通过设置校准调试系统，所述校准调试系统通过电路信号链接于所述交互式控制系统，通过在所述交互式控制系统设置定期清洁、检查和校准的时间参数，交互式控制系统通过控制所述校准调试系统对模型内的参数进行调整和校准，也可通过人机交互的方式，包括声音或画面提醒使用者定期清洁、检查和校准部件，以确保它们始终处于最佳工作状态。

26、本发明还集成了虚拟现实系统和增强现实系统，通过交互式控制系统控制这些系统，能够构建一个多人协作的模拟环境。训练者可以通过头戴设备和其他交互设备进行操作，选择角色、接收任务，使模拟训练更加场景化、便捷化。这种设计不仅提高了训练者的使用体验，还增强了他们对场景的体验感。

27、本发明在提供上述交互式肾穿刺模拟训练模型的基础上，还提供了一种交互式肾穿刺模拟训练模型的模拟方法，包括以下步骤：

28、s1：在所述交互式控制系统中的输入不同取样位置的标准参数，得到所述标准参数对应的预设模式；所述标准参数包括：所述第一位置数据标准值、低温位置数据标准值、刺入深度标准值范围、刺入力度标准范围。

29、s2：将所述第一位置数据值与所述第一位置数据标准值比对，相等则得出训练者刺入位置合格，不相等则得出训练者刺入位置不合格；

30、将所述第二位置数据值与所述第二位置数据标准值比对，相等则得出训练者刺入位置合格，不相等则得出训练者刺入位置不合格；

31、将所述将所述第三数据中的每个第三位置数据的值分别与所述第一位置数据的值进行计算，得到与每个所述第三位置对应的深度值，并计算得出其中的最大深度值作为训练者实际刺入深度值；将所述实际刺入深度值与刺入深度标准范围比对计算，得出实际刺入值与刺入深度标准范围的刺入深度偏差值；

32、将所述第三数据中的每个刺入力度数据值求取平均值得到刺入力度数据平均值，将刺入力度平均值与刺入力度标准值比对计算，得出实际刺入力度值与与刺入力度标准值的刺入力度偏差值；

33、s3：通过交互式输出模块将所述刺入位置是否合格信息、刺入深度值、刺入深度偏差值、刺入力度偏差值反馈于训练者。

34、本发明所述的交互式肾穿刺模拟训练模型的模拟方法，通过在所述交互式控制系统中的输入不同取样位置的标准参数，使训练者在训练开始前能够具有标准操作的具体参照标准值，再通过三个不同的传感器获取三种不同的信号，再将三种不同的信号分别与对应的预设参数对比，通过交互式控制系统能够计算并得到穿刺位置的准确值和穿刺位置的偏差值、刺入深度及刺入深度的偏差值、穿刺力度数据及穿刺力度偏差值，将所述第一位置数据、第二位置数据、刺入深度数据和穿刺力度数据以及他们的偏差值进行计算，得到训练者操作的达标程度，并将训练者操作的达标程度以及第三数据通过交互式输出模块并反馈给训练者，使该模型的模拟方法更简单而高效地模型使用，并且，该模拟方法参数误差小，数据传输路径不复杂，能够快速、准确地得出训练者需要的反馈信息，与该模型结合能够运转更高效、便捷。

35、优选的，本发明所述的交互式肾穿刺模拟训练模型的模拟方法，所述标准参数还包括：每个所述角度传感器单元与所述肾脏皮质层入口中心的偏离角度值；标记每个所述角度传感器单元为对应的记号，使每个记号对应一个角度偏离值；获取到刺入信号的其中一个所述角度传感器单元将确认刺入信号传输于交互式控制系统，所述交互式控制系统识别传输所述确认刺入信号的角度传感器单元的第一记号，再提取所述第一记号下的偏离角度值；将该角度偏离值交互式输出为刺入角度反馈给训练者。

36、本发明所述的交互式肾穿刺模拟训练模型的模拟方法，通过设置若干个与所述肾脏皮质层入口中心偏离角度不同的角度传感器单元，所述穿刺通道足够宽能够使若干个所述角度传感器单元都位于出口处，则训练者从所述肾脏皮质层入口刺入穿刺针的过程中如果穿刺针偏离了肾脏皮质层入口的中心位置则会刺向偏离中心位置角度所对应的角度传感器单元，不同的角度传感器单元通过编号被所述交互式控制系统识别，所述交互式控制系统通过比对所述角度传感器单元的原位置参数，能够计算得到刺入末端偏离所述肾脏皮质层入口中心的角度，从而实现对训练者刺入角度偏向的反馈，进一步增加了一项穿刺训练者能够获取的训练信息，增加交互式肾穿刺模拟训练模型的功能，模拟训练方法适用性高。

37、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

38、1、相比于传统的肾穿刺模型，本发明不但能够反馈给训练者操作是否合格信息，并且能够给出刺入位置是否正确及偏差值，这对训练者通过训练后进行下一次训练提供了操作改进的重要信息，能够大大提高训练者学习和训练的有效性，从而提高模拟训练的效率。

39、2、相比于传统的手动计算分析，本发明不但给出的数据信息较为准确，并且，由于穿刺的真实场景应是对于患者人身体，通过上述特定的人机交互模式反馈显示，有助于训练者快速读取训练或测试信息，还能提高训练者的使用体验感，相比于传统的人机交互模式，本发明所述的此场景中配合穿刺模型的其他部件设置，具有适用性更强，使用更方便快速地给出反馈信息，提高使用体验的效果，进一步提高了训练者模拟训练的效率。