專利名稱：用于超聲引導(dǎo)的針插入的體模和用于制作該體模的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及針插入且更具體地涉及超聲引導(dǎo)的插入。
背景技術(shù)：
將針插入病人的血管中以便例如從血管收集血或者注入諸如疫苗之類的產(chǎn)品是 非常常見的醫(yī)學(xué)過程。針的插入并不總是完美地進(jìn)行，且監(jiān)測該插入會是有益的。因此非 常需要超聲引導(dǎo)的針插入。 超聲引導(dǎo)的針插入可以手動或自動地進(jìn)行。對于手動插入的情況，人可以將諸如 超聲探頭之類的超聲成像部件握持在一只手以及將保持針的注射器握持在另一只手；當(dāng)針 插入時(shí)，人可以在通過成像部件實(shí)時(shí)地獲得的圖像上檢查針在病人組織內(nèi)的移動。對于自 動插入的情況，提供了用于自動針插入的設(shè)備，該設(shè)備包含用于插入針的驅(qū)動部件、超聲成 像部件和圖像處理部件，該圖像處理部件分析由該成像部件獲得的針在皮膚內(nèi)的圖像；來 自處理部件的信息用于控制該驅(qū)動部件。 可以容易地理解，超聲引導(dǎo)的針插入處理在其在人體上進(jìn)行之前應(yīng)被測試；具體 而言，可進(jìn)行此測試以用于開發(fā)、評價(jià)、優(yōu)化、驗(yàn)證、治療前的計(jì)劃或者醫(yī)務(wù)人員訓(xùn)練目的， 這無論是對于手動插入還是自動插入都是一樣。測試可以在測試對象上進(jìn)行，該測試對象 一般被指定為體模(phantom)或人體模型。體模為這樣的對象，其用于測試針插入處理，并 且其模擬特定人體部位且針插入其內(nèi)如同是插入真實(shí)人體部位內(nèi)。 體模應(yīng)設(shè)計(jì)成模擬人體部位在針插入期間的行為。US2005/0202381公開一種由可 成型的模擬組織的彈性化學(xué)成分制成的擬人體模?？梢蕴砑由⑸鋭┖蜕匾蕴峁┠M活組 織的超聲波成像(sonographic)特性的體模。體模主體可含有模擬內(nèi)部結(jié)構(gòu)的空的或者填 充液體的腔和導(dǎo)管。內(nèi)部腔和結(jié)構(gòu)是通過將可移除的次模具置于主模具內(nèi)來形成。例如， 中空桿可以縱向布置在主模具內(nèi)部且隨后移除，由此形成模擬靜脈或動脈的中空導(dǎo)管。
US 2005/0202381的體模允許調(diào)節(jié)體模的超聲波成像特性從而更接近地模仿人體 組織。然而，它不允許模仿人體部位在針插入血管內(nèi)時(shí)的行為。實(shí)際上，靜脈由于針插入而 呈現(xiàn)異常變形行為它們?nèi)菀姿菀约案〉撵o脈也會被推開；結(jié)果，在一次插入中可能 無法命中期望的血管。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供用于測試超聲引導(dǎo)的針插入方法以及模仿當(dāng)針插入血 管內(nèi)時(shí)人體部位的行為的體模。 依據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于模擬針到人體部位的血管中的超聲引導(dǎo)的插入的體 模，該體模包含 皮膚模仿層，由第一材料形成；
組織模仿層，由第二材料形成；以及
至少一個(gè)人造血管，由第三材料形成，
3
第一、第二和第三材料設(shè)置成再現(xiàn)該人體部位的相應(yīng)部分的力學(xué)和超聲屬性二 者。 由于本發(fā)明，該體模允許逼真地模擬超聲引導(dǎo)的針插入血管中期間的人體部位行 為，這是因?yàn)樵擉w模包含用于模仿人體部位的每個(gè)特定部分的特定材料，而且這些材料設(shè) 置成再現(xiàn)實(shí)際人體的相應(yīng)(被模仿)部分的力學(xué)和超聲屬性。因此，體模力學(xué)上表現(xiàn)為人體 并允許對針插入的逼真超聲成像。換言之，本發(fā)明的體模使得可以模擬特定人體部位的解 剖特征、當(dāng)將針插入血管內(nèi)時(shí)血管及其周期的變形行為以及血管、組織和皮膚的超聲屬性。 體模適用于模擬手動以及自動針插入方法。 根據(jù)一實(shí)施例，該人造血管包含由第三材料形成的管狀壁。 根據(jù)一實(shí)施例，該第二和第三材料不同。 根據(jù)一實(shí)施例，該第一和第三材料相似或相同。 根據(jù)一實(shí)施例，該第一和第三材料為乳膠，特別是流體乳膠。 根據(jù)一實(shí)施例，該第二材料為含水的凝膠(aqueous gel)，特別是大致上包含1 % w/v和1. 5% w/v之間的瓊脂糖、以及0. 88% w/v的具有0. 3 ii m直徑的顆粒的A1203粉末、 0. 94Xw/v的具有3. 0iim直徑的顆粒的Al203粉末、0. 54%w/v of SiC和0.43^of BC在
純水中的凝膠。 根據(jù)一實(shí)施例，該第二材料為藻酸鹽基水凝膠(hydrogel)。 根據(jù)本發(fā)明，還提供了用于制作上述體模的工藝，包含 制備皮膚模仿層， 制備用于形成組織模仿層的混合物， 制備至少一個(gè)人造血管， 將該人造血管布置在模具內(nèi)，該模具包含用于保持該人造血管的部件，
將該混合物傾倒在該人造血管周圍以便形成該組織模仿層，以及
沉積該皮膚模仿層在該組織模仿層上。 本發(fā)明的這些和其它方面根據(jù)下述描述并通過參考附圖而將更加顯而易見。


圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的體模的透視示意圖；以及
圖2為圖1的體模的截面示意性側(cè)視圖。
發(fā)明詳述 參考圖1和2，根據(jù)本發(fā)明的體模1包含皮膚模仿層2、組織模仿層3和人造血管 4a、4b、4c。體模1為對在超聲圖像引導(dǎo)的醫(yī)學(xué)侵入過程，即將針插入人體部位的血管中進(jìn) 行模擬中使用的測試對象。在所述實(shí)施例中，體模1模仿人體的具有淺靜脈的肘內(nèi)區(qū)域，其 中靜脈穿剌通常在那里進(jìn)行。本發(fā)明尤其應(yīng)用于靜脈穿剌，但更通常地應(yīng)用于針到人體部 位的血管中的任何插入。 皮膚模仿層2由第一材料形成，該材料在此實(shí)施例中為乳膠，特別是流體乳膠；皮 膚模仿層2的厚度大致上等于人體肘部區(qū)域皮膚的厚度。組織模仿層3在這里模仿脂肪層 且由第二材料形成，該第二材料在此實(shí)施例中為含水的凝膠(或水凝膠)；組織模仿層3還 包含衰減粉末用于調(diào)節(jié)其超聲屬性。每個(gè)人造血管4a、4b、4c通過包含管狀壁的撓性管狀構(gòu)件形成；人造血管4a、4b、4c的壁由一材料形成，在所述實(shí)施例中該材料與形成皮膚模仿 層2的材料相同，即流體乳膠；實(shí)際上，在肘部區(qū)域，血管的壁呈現(xiàn)與皮膚層相似的力學(xué)和 超聲屬性。 對于表述"由具體材料形成"，應(yīng)理解為，相應(yīng)部分主要包含這種材料，這種材料是 此相應(yīng)部分的主要成份，但是此相應(yīng)部分可包含其它材料或者成份。例如，組織模仿層3由 水凝膠形成，但還包含衰減粉末。 本發(fā)明的體模1適于再現(xiàn)其所模仿的人體部位的力學(xué)屬性以及超聲屬性。通過再
現(xiàn)力學(xué)屬性，應(yīng)理解，其再現(xiàn)了當(dāng)針插入血管中時(shí)身體部位(皮膚、脂肪層和血管)的力學(xué)
行為。具體而言，其應(yīng)模擬在插入針期間血管的特殊變形行為，尤其是血管及其周圍的塌陷
和/或散開(實(shí)際上是被推開)。此外，本發(fā)明的體模1允許多次將針插入體模1內(nèi)，這是
因?yàn)轶w模1的材料在插入后恢復(fù)其初始形狀；再者，體模1可被存儲和重新使用。 體模1還再現(xiàn)其所模仿的人體部位的超聲屬性；對于超聲屬性，尤其應(yīng)理解的是
聲音在該材料內(nèi)的衰減和速度。超聲屬性是相關(guān)的，這是因?yàn)閺某晥D像獲得的信息，例如
目標(biāo)血管的尺寸和深度以及對針插入的實(shí)時(shí)監(jiān)測，被用于進(jìn)行針插入；超聲提供對血管的
變形行為的深入了解且因此可以幫助將針引導(dǎo)到目標(biāo)血管內(nèi)。 由于再現(xiàn)了力學(xué)以及超聲屬性，針插入本發(fā)明的體模1很好地模擬了針插入實(shí)際 人體部位。 再次，由于本發(fā)明的體模1再現(xiàn)了人體部位的力學(xué)和超聲屬性，其在單一體模內(nèi) 組合地再現(xiàn)了人體部位的解剖特征、力學(xué)和幾何變形行為和超聲屬性。簡言之，本發(fā)明的體 模1為具有皮膚層2和脂肪層3的雙層模型，并具有可塌陷的血管4a、4b、4c嵌在脂肪層3 內(nèi)。為了再現(xiàn)人體部位的力學(xué)以及超聲屬性，如同實(shí)際人體部位中那樣，本發(fā)明的體模l包 含由不同材料形成的不同要素，這些材料再現(xiàn)人體部位的相應(yīng)部分的力學(xué)和超聲屬性皮 膚模仿層2再現(xiàn)皮膚的力學(xué)和超聲屬性，組織模仿層再現(xiàn)組織(即脂肪)的力學(xué)和超聲屬 性，人造血管4a、4b、4c再現(xiàn)血管的力學(xué)屬性。人體部位的要素由體模l的不同(或離散) 部分模仿人造血管4a、4b、4c形成與脂肪模仿層3不同的要素，脂肪模仿層3隨后又不同 于皮膚模仿層2。 人造血管4a、4b、4c包圍人造血，該人造血可以是本領(lǐng)域已知的任何標(biāo)準(zhǔn)人造血。 該人造血優(yōu)選地再現(xiàn)實(shí)際血的力學(xué)和超聲屬性。然而，這對于血而言較不重要，這是因?yàn)橐?旦針已經(jīng)進(jìn)入血管中，則插入已經(jīng)完成；如果這不影響血管的力學(xué)屬性，則人造血因此不必 要再現(xiàn)實(shí)際血的力學(xué)屬性，而是僅僅再現(xiàn)實(shí)際血的超聲屬性。 人造血管4a、4b、4c可連接到用于模擬血流的泵。血流因此可以被容易地改變。
本發(fā)明的體模1可被調(diào)節(jié)為模擬任何人體部位皮膚層2、皮下脂肪模仿層3和人 造血管4a、4b、4c的解剖尺寸和硬度可以變化。人造血管4a、4b、4c可模仿靜脈或動脈。其 它解剖要素比如骨骼可以容易地并入體模1中。用于將體模1調(diào)節(jié)為具體身體部位的主要 參數(shù)為體模1中的不同要素的幾何、厚度和材料選擇。
現(xiàn)在更詳細(xì)地描述用于制作本發(fā)明的體模1的工藝。 皮膚層2在模具內(nèi)由流體乳膠形成，其厚度類似于人皮膚的厚度，例如約1. 2mm。 也形成血管；血管具有撓性管狀構(gòu)件的形式，并具有由流體乳膠制成的管狀壁，管狀壁厚度 為血管內(nèi)徑的約10%。為了獲得其最終形狀，對流體乳膠進(jìn)行成形且隨后進(jìn)行硬化。
提供了模具以用于制作體模l，其尺寸為12X6X6cm3。該模具包含設(shè)有孔的壁， 人造血管穿過該孔從而置于模具的體積內(nèi)(因此置于形成體模l的體積內(nèi))。為了制作圖 1的體模，可以在模具的相對壁上提供孔。根據(jù)其它實(shí)施例，可以在例如具有拐彎血管的連 貫側(cè)壁上提供孔；可考慮任何幾何結(jié)構(gòu)。 隨后制備脂肪模仿層3。在下文，濃度使用的單位為％ w/v，也就是說％重量/體 積；l^w/v是指lg每100ml。脂肪層3由水凝膠形成，該水凝膠是通過將瓊脂糖與0.88% w/v的具有0. 3 ii m直徑的顆粒的氧化鋁(A1203)粉末、0. 94% w/v的具有3. 0 y m直徑的顆 粒的A1203粉末、0. 54% w/v的碳化硅(SiC)(具有例如400目粒度)和0. 43%的苯扎氯銨 (BC)(其為粘性流體)在純水中混合來制備。該混合物被密封并加熱到99t:，隨后緩慢冷 卻。該混合物隨后傾倒在含有人造血管4a、4b、4c的模具內(nèi)從而在人造血管4a、4b、4c周圍 形成脂肪層3，其中人造血管4a、4b、4c被保持在模具壁的孔之間的位置中。 一旦此傾倒結(jié) 束且脂肪層3形成了，將已經(jīng)制備的皮膚層2沉積在脂肪層3的頂部上。
采用這種制作工藝以及這種材料組成的選擇，體模1再現(xiàn)人體部位在針插入其中 時(shí)的超聲和力學(xué)屬性。 如果脂肪模仿層3相對較硬，例如基于1. 5% w/v瓊脂糖濃度，且嵌入了直徑至少 為4mm的人造血管，則體模1主要適用于模擬靜脈的塌陷性。通過降低瓊脂糖濃度至1. 0% w/v以及嵌入直徑約2mm的細(xì)小人造血管，體模1主要適用于模擬在針插入時(shí)散開的靜脈。
體模1的各種要素的上述濃度可以變化，特別是如果被模仿的身體部位不同時(shí)更 是如此。根據(jù)一實(shí)施例，出于制造原因，濃度應(yīng)受到如下的約束 無論模仿哪個(gè)人體部位，直徑為0. 3 ii m的A1203顆粒和直徑為3. 0 y m的A1203顆 粒之間的比例可以恒定，且大致上等于0. 88/0. 94，這允許獲得良好的超聲屬性；
類似地，SiC濃度可以關(guān)聯(lián)到A1203濃度，例如SiC濃度和直徑為3. 0 ii m的A1203 顆粒的濃度之間的比例可以大致上等于0. 54/0. 94 ; 瓊脂糖濃度可以低于1%，從而得到穩(wěn)定的水凝膠，但可以增大直到2%用于模仿 硬的人體部位； BC濃度可以低于1X;這種情況下，BC對體模1的力學(xué)屬性的影響視為可忽略；對 于BC濃度高于1 %的情況，由于BC非常粘稠，其可能影響體模1的力學(xué)屬性；按照通常方 式，BC保護(hù)該材料以免感染且無需為了有效而高濃度存在。 瓊脂糖和A1203的濃度影響組織層的力學(xué)屬性如果這些濃度之一增加，則體模1 的硬度也增加。 根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，用于模仿脂肪層的水凝膠為藻酸鹽基水凝膠。 本發(fā)明的體模1可用于手動或自動的針插入模擬。對于手動插入，由實(shí)踐該插入
的人員握持的探頭置于本發(fā)明的體模1的皮膚模仿層2的表面上；該探頭連接到屏幕，該屏
幕允許檢查針到體模1中的插入，以便監(jiān)測其插入具體血管4a、4b、4c內(nèi)。對于自動插入，
使用一設(shè)備，該設(shè)備包含用于插入針的驅(qū)動部件、超聲成像部件和圖像處理部件。該圖像處
理部件分析由超聲成像部件獲取的、針在皮膚內(nèi)的圖像，所獲得的關(guān)于針位置的信息用于
自動地驅(qū)動該針。 本發(fā)明的體模1的超聲屬性對于進(jìn)行多普勒模式超聲監(jiān)測也是有用的。多普勒模 式允許得到關(guān)于血流的信息。
6
雖然本發(fā)明已經(jīng)在附圖和前述描述中詳細(xì)地予以說明和描述，這些說明和描述被 認(rèn)為是闡述性或示例性而非限制性的；本發(fā)明不限于所公開的實(shí)施例。 通過研究附圖、公開內(nèi)容和所附權(quán)利要求，本領(lǐng)域技術(shù)人員在實(shí)踐所要求保護(hù)的 本發(fā)明時(shí)可以理解和實(shí)現(xiàn)對所公開實(shí)施例的其它變動。在權(quán)利要求中， 〃 包含〃 一詞并不 排除其它要素或步驟，不定冠詞〃 一〃 或〃 一個(gè)〃 不排除多個(gè)。單個(gè)處理器或其它單元可 實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求中列出的多項(xiàng)的功能。在互不相同的從屬權(quán)利要求中列舉了某些措施的簡單 事實(shí)并不表示不能有利地使用這些措施的組合。計(jì)算機(jī)程序可以存儲/分布在諸如與其它 硬件一起或者作為其一部分被供應(yīng)的光學(xué)存儲介質(zhì)或固態(tài)介質(zhì)之類的合適介質(zhì)上，不過也 可以以其它形式分布，例如經(jīng)由國際互聯(lián)網(wǎng)或者其它有線或無線通信系統(tǒng)。權(quán)利要求中的 任何參考符號不應(yīng)被解讀為限制范圍。
權(quán)利要求
一種用于模擬針到人體部位的血管中的超聲引導(dǎo)的插入的體模，該體模包含皮膚模仿層(2)，由第一材料形成；組織模仿層(3)，由第二材料形成；以及至少一個(gè)人造血管(4a，4b，4c)，由第三材料形成，該第一、第二和第三材料設(shè)置成再現(xiàn)該人體部位的相應(yīng)部分的力學(xué)和超聲屬性二者。
2. 如權(quán)利要求l所述的體模，其中該人造血管(4a，4b，4c)包含由該第三材料形成的管狀壁。
3. 如權(quán)利要求1所述的體模，其中該第二和第三材料不同。
4. 如權(quán)利要求1所述的體模，其中該第一和第三材料相似或相同。
5. 如權(quán)利要求4所述的體模，其中該第一和第三材料為乳膠，特別是流體乳膠。
6. 如權(quán)利要求1所述的體模，其中該第二材料為含水的凝膠，特別是大致上包含1%w/v和1. 5% w/v之間的瓊脂糖、以及0. 88% w/v的具有0. 3 ii m直徑的顆粒的A1203粉末、0. 94Xw/v的具有3. 0iim直徑的顆粒的Al203粉末、0. 54%w/v of SiC和0.43^of BC在純水中的凝膠。
7. 如權(quán)利要求1所述的體模，其中該第二材料為藻酸鹽基水凝膠。
8. —種用于制作如權(quán)利要求1所述的體模的工藝，包含制備皮膚模仿層(2)，制備用于形成組織模仿層(3)的混合物，制備至少一個(gè)人造血管(4a，4b，4c)，將該人造血管(4a，4b，4c)布置在模具內(nèi)，該模具包含用于保持該人造血管(4a，4b，4c)的部件，將該混合物傾倒在該人造血管(4a，4b，4c)周圍以便形成該組織模仿層(3)，以及沉積該皮膚模仿層(2)在該組織模仿層(3)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于模擬針到人體部位的血管中的超聲引導(dǎo)的插入的體模。該體模包含皮膚模仿層(2)，由第一材料形成；組織模仿層(3)，由第二材料形成；以及至少一個(gè)人造血管(4a，4b，4c)，由第三材料形成，該第一、第二和第三材料布置成再現(xiàn)該人體部位的相應(yīng)部分的力學(xué)和超聲屬性二者。由于本發(fā)明，該體模允許對人體部位行為的逼真模擬。
文檔編號G09B23/00GK101743578SQ200880024613
公開日2010年6月16日 申請日期2008年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月13日
發(fā)明者M·吉爾利格斯, R·A·貝澤默, R·赫肯伯格, S·尼爾肯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司