腹腔鏡模擬手術訓練評價系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及腹腔鏡模擬手術訓練評價系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002] 微創(chuàng)傷或者無創(chuàng)傷是人們對手術永無止境的追求，其經(jīng)歷了從傳統(tǒng)形式的開腹大 創(chuàng)傷手術到如今的微創(chuàng)傷手術的發(fā)展歷程，如今又在朝著創(chuàng)傷更小的單孔腹腔鏡手術方向 發(fā)展。單孔腹腔鏡手術因其創(chuàng)傷極其微小、并發(fā)癥概率低、病床利用率高、不會留下較大的 疤痕等特點，成為當今醫(yī)學科技最前沿的發(fā)展方向。
[0003] 腹腔鏡手術區(qū)別于傳統(tǒng)手術的特點有：①二維的空間觀念感；②熟練掌握腹腔鏡 器械；③腹腔鏡下解剖的識別能力；④雙手的協(xié)調(diào)性。由此可見其技術難度大，學習曲線 長，培養(yǎng)方式與傳統(tǒng)外科醫(yī)師的培養(yǎng)也有所不同。研宄發(fā)現(xiàn)，腹腔鏡醫(yī)生手術的訓練效果、 手術經(jīng)驗與腹腔鏡手術并發(fā)癥的發(fā)生有著密切的關系。對初學者而言，技術熟練程度和經(jīng) 驗可以說是決定性因素，處于學習曲線不同時期的術者，選擇適應癥的范圍（標準）應該是 有差異的，如何有效的避免醫(yī)源性傷害，提高手術成功率是當前腹腔鏡外科面臨的重要課 題。在國外腹腔鏡醫(yī)師需經(jīng)過嚴格的訓練，通過模擬器訓練或計算機模擬訓練后，才可在有 經(jīng)驗的腹腔鏡醫(yī)師指導下進行人體操作。而目前在國內(nèi)，初學者通常是通過視頻觀看后在 有經(jīng)驗的上級醫(yī)師指導下開展腹腔鏡手術。所以，腹腔鏡外科發(fā)展面臨的嚴峻問題是如何 對腹腔鏡醫(yī)師進行訓練。國內(nèi)的腹腔鏡外科醫(yī)師訓練方式主要有短期訓練、自主訓練、專家 指導和進修學習，訓練內(nèi)容包括理論授課和技能訓練兩個方面。在婦科腹腔鏡訓練時，也有 采取三人小組式訓練，鍛煉團隊合作能力和個人的手眼腳配合、立體定位等技能。但訓練效 果如何，卻無法得知。在國內(nèi)，如何對受訓者的受訓效果進行評估尚無統(tǒng)一標準，相關報道 也較少。
[0004] 傳統(tǒng)的腹腔鏡模擬訓練器主要由監(jiān)視器、訓練箱、攝像頭、照明裝置組成。在培訓 過程中，培訓者通過監(jiān)視器（即顯示器）可以實時觀察到器械在訓練箱中的任務完成過程， 是一種常見的腹腔鏡手術培訓裝置。目前的模擬訓練系統(tǒng)支持多種訓練模式，可以提高培 訓者的三維空間感知能力、雙手協(xié)調(diào)能力、縫合打結等精細操作能力。通過觀察二維監(jiān)視器 完成三維空間的模擬訓練常用于初學者訓練，利用腹腔鏡手術訓練箱，模擬人體腹腔，訓練 初學者手眼協(xié)調(diào)能力、三維空間感知能力。腹腔鏡模擬訓練任務主要包括以下內(nèi)容：
[0005] ①手眼協(xié)調(diào)訓練
[0006] 主要為了提高培訓者的手眼協(xié)調(diào)能力。在訓練箱中放入畫有兩個大小相同區(qū)域的 任務紙片，其中一塊區(qū)域內(nèi)放置由不同顏色的小物塊，另外一個則是空的，培訓者被要求將 物塊逐一夾取并移動移動到另外一個區(qū)域。操作過程應盡量做到快、穩(wěn)、準，不要碰到周圍 的物體。培訓者可以隨時調(diào)整鏡頭，使物塊始終清晰的保持在手術視野中。
[0007] ②定向適應訓練
[0008] 主要為了提高培訓者的三維空間感知能力。在訓練箱內(nèi)放入裝有柱子的任務板， 柱子上面有大小適中的孔，培訓者被要求操作器械夾取縫合線完成穿針操作。通過多次反 復訓練，培訓者的腹腔鏡操作定向能力可以得到提高。
[0009] ③組織分離訓練
[0010] 主要為了提高培訓者的雙手配合能力。在訓練箱內(nèi)放模擬皮膚或者橡膠之類的物 體，用腹腔鏡抓鉗、剪刀、電刀等手術器械進行分離訓練。
[0011] ④精確定位訓練
[0012] 主要為了提高培訓者的精確操作能力。相較于傳統(tǒng)手術器械，腹腔鏡手術器械長 度較大，初次操作過程中不易實現(xiàn)精確定位。在訓練箱中放入安裝有柱子的培訓板，這些小 柱子頂面有大小適中的凹坑，訓練板旁邊放置由塑料柱子，培訓者被要求操作器械將柱子 放置到凹坑中，在整個訓練過程中要保持動作的快速和準確。
[0013] ⑤縫合打結訓練
[0014] 主要為了提高培訓者的縫合打結操作能力。在腹腔鏡手術實際操作由于空間狹 小，對操作者的雙手協(xié)調(diào)配合能力提出了更高的要求，打結和縫合需要更多的培訓。在訓練 箱內(nèi)放入安裝有仿真皮膚的訓練板，仿真皮膚上面畫有切口和縫合點。培訓者被要求按照 縫合點位置完成縫合和打結任務。反復練習，可以提高縫合打結操作能力。
[0015] 然而傳統(tǒng)系統(tǒng)在測量精度、評估準確性方面存在不足。本發(fā)明提供的腹腔鏡模擬 手術訓練評價系統(tǒng)及方法，能夠?qū)δM手術訓練提供高精度的測量和準確的評價，提升訓 練效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 為了克服上述問題，本發(fā)明提供了一種腹腔鏡手術訓練評價系統(tǒng)和方法，給出客 觀參數(shù)指標對訓練過程中手術技能進行客觀評定。
[0017] 為實現(xiàn)本發(fā)明之目的，采用以下技術方案予以實現(xiàn)：
[0018] -種腹腔鏡模擬手術訓練評價系統(tǒng)，包括視覺系統(tǒng)，加速度傳感器模塊和評測系 統(tǒng)，
[0019] 其中：
[0020] 視覺系統(tǒng)用于獲得器械三維坐標數(shù)據(jù)；
[0021] 加速度傳感器模塊用于獲得器械的速度和運動平穩(wěn)度數(shù)據(jù)；
[0022] 評測系統(tǒng)對視覺系統(tǒng)和加速度傳感器模塊所測量得到的數(shù)據(jù)進行計算和數(shù)據(jù)保 存，并導出訓練完成情況報告。
[0023] 如上所述的腹腔鏡模擬手術訓練評價系統(tǒng)，其中：
[0024] 視覺系統(tǒng)的追蹤點夾具為六邊形模塊，保證任務過程中追蹤點能夠盡可能多的被 采集到。
[0025] 如上所述的腹腔鏡模擬手術訓練評價系統(tǒng)，其中：
[0026] 加速度傳感器模塊中輸出的信號，經(jīng)過卡爾曼濾波算法對輸出數(shù)據(jù)進行時域濾 波，提高數(shù)據(jù)精度，并采用歐拉角算法通過實時計算傳感器的位姿，消除固有的重力加速度 在各軸上的分量，從而消除其干擾。
[0027] 如上所述的腹腔鏡模擬手術訓練評價系統(tǒng)，
[0028] 評測系統(tǒng)包括操作時間模塊、路徑長度模塊、平均速度模塊、運動平滑性模塊和空 閑率模塊；其中：
[0029] 操作時間模塊：通過下式計算器械操作過程的總時間，不論任務完成與否：
[0030]
【主權項】
1. 一種腹腔鏡模擬手術訓練評價系統(tǒng)，包括視覺系統(tǒng)，加速度傳感器模塊和評測系統(tǒng)， 其中： 視覺系統(tǒng)用于獲得器械三維坐標數(shù)據(jù)； 加速度傳感器模塊用于獲得器械的速度和運動平穩(wěn)度數(shù)據(jù)； 評測系統(tǒng)對視覺系統(tǒng)和加速度傳感器模塊所測量得到的數(shù)據(jù)進行計算和數(shù)據(jù)保存，并 導出訓練完成情況報告。
2. 如權利要求1所述的腹腔鏡模擬手術訓練評價系統(tǒng)，其中： 視覺系統(tǒng)的追蹤點夾具為六邊形模塊，保證任務過程中追蹤點能夠盡可能多的被采集 到。
3. 如權利要求1所述的腹腔鏡模擬手術訓練評價系統(tǒng)，其中： 加速度傳感器模塊中輸出的信號，經(jīng)過卡爾曼濾波算法對輸出數(shù)據(jù)進行時域濾波，提 高數(shù)據(jù)精度，并采用歐拉角算法通過實時計算傳感器的位姿，消除固有的重力加速度在各 軸上的分量，從而消除其干擾。
4. 如權利要求1所述的腹腔鏡模擬手術訓練評價系統(tǒng)， 評測系統(tǒng)包括操作時間模塊、路徑長度模塊、平均速度模塊、運動平滑性模塊和空閑率 模塊；其中： 操作時間模塊：通過下式計算器械操作過程的總時間，不論任務完成與否：
其中t表示單位時間；T為每個手術模擬動作從開始到動作完成的總時間； 路徑長度模塊：通過下式計算器械尖端在整個操作過程中所移動的總長度：
其中X、y、z分別表示視覺系統(tǒng)采集到的追蹤點沿三個軸的位移增量； 平均速度模塊：通過下式計算器械尖端在操作過程中的平均速度： 其中ax、ay、az分別表
不加速度傳感器模塊測得的器械沿傳感器三個敏感軸的加速度 值； 運動平滑性模塊：通過下式計算加速度的變化率以描述操作過程器械運動的平穩(wěn)程 度：
空閑率模塊：通過下式計算任務過程中器械無運動時間與操作時間的比例：
其中1^表示器械運動增量小于5mm的時間。
5. 如權利要求1所述的腹腔鏡模擬手術訓練評價系統(tǒng)，其中評測系統(tǒng)用于計算操作時 間、左右手移動長度、左右手平均速度、左右手空閑率和左右手平穩(wěn)度并顯示。
6. -種腹腔鏡模擬手術訓練評價方法，包括： 視覺系統(tǒng)獲得器械三維坐標數(shù)據(jù)； 加速度傳感器模塊獲得器械的速度和運動平穩(wěn)度數(shù)據(jù)； 評測系統(tǒng)對視覺系統(tǒng)和加速度傳感器模塊所測量得到的數(shù)據(jù)進行計算和數(shù)據(jù)保存，并 導出訓練完成情況報告。
7. 如權利要求6所述的腹腔鏡模擬手術訓練評價方法，其中： 視覺系統(tǒng)的追蹤點夾具為六邊形模塊，保證任務過程中追蹤點能夠盡可能多的被采集 到。
8. 如權利要求6所述的腹腔鏡模擬手術訓練評價方法，其中： 加速度傳感器模塊中輸出的信號，經(jīng)過卡爾曼濾波算法對輸出數(shù)據(jù)進行時域濾波，提 高數(shù)據(jù)精度，并采用歐拉角算法通過實時計算傳感器的位姿，消除固有的重力加速度在各 軸上的分量，從而消除其干擾。
9. 如權利要求6所述的腹腔鏡模擬手術訓練評價方法， 評測系統(tǒng)包括操作時間模塊、路徑長度模塊、平均速度模塊、運動平滑性模塊和空閑率 模塊；其中： 操作時間模塊通過下式計算器械操作過程的總時間，不論任務完成與否：
其中t表示單位時間；T為每個手術模擬動作從開始到動作完成的總時間； 路徑長度模塊通過下式計算器械尖端在整個操作過程中所移動的總長度：
其中X、y、z分別表示視覺系統(tǒng)采集到的Marker點沿三個軸的位移增量； 平均速度模塊通過下式計算器械尖端在操作過程中的平均速度：
其中ax、ay、&2分別表示MEMS加速度傳感器模塊測得的器械沿傳感器三個敏感軸的加 速度值； 運動平滑性模塊通過下式計算加速度的變化率以描述操作過程器械運動的平穩(wěn)程 度：
空閑率模塊通過下式計算任務過程中器械無運動時間與操作時間的比例：
其中1^表示器械運動增量小于5mm的時間。
10.如權利要求6所述的腹腔鏡模擬手術訓練評價方法，其中評測系統(tǒng)計算操作時間、 左右手移動長度、左右手平均速度、左右手空閑率和左右手平穩(wěn)度并顯示。
【專利摘要】腹腔鏡模擬手術訓練評價系統(tǒng)，包括視覺系統(tǒng)，加速度傳感器模塊和評測系統(tǒng)，其中：視覺系統(tǒng)用于獲得器械三維坐標數(shù)據(jù)；加速度傳感器模塊用于獲得器械的速度和運動平穩(wěn)度數(shù)據(jù)；評測系統(tǒng)對視覺系統(tǒng)和加速度傳感器模塊所測量得到的數(shù)據(jù)進行計算和數(shù)據(jù)保存，并導出訓練完成情況報告。
【IPC分類】G09B23-28
【公開號】CN104658393
【申請?zhí)枴緾N201510070098
【發(fā)明人】王殊軼, 徐明哲, 劉云, 張燕群, 葉莎莎, 孫昌英, 于成龍
【申請人】上海理工大學
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年2月10日