專利名稱：內(nèi)窺鏡檢查輔導(dǎo)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在醫(yī)療過程方面教導(dǎo)和培訓(xùn)學(xué)生的系統(tǒng)和方法，而具體地涉及一種在內(nèi)窺鏡檢查方面培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)和方法。
內(nèi)窺鏡檢查，而特別是撓性胃部內(nèi)窺鏡檢查，是最低侵入醫(yī)療過程。撓性胃部內(nèi)窺鏡檢查在胃-腸系統(tǒng)中用于外科和診斷過程二者的一種重要的醫(yī)療器具?；旧?，胃部內(nèi)窺鏡檢查是通過把一只是撓性管筒的內(nèi)窺鏡或是通過主體的口腔或是直腸插入胃-腸系統(tǒng)而施行的。管筒由一經(jīng)過培訓(xùn)的醫(yī)生通過專門的控制裝置予以操作。插入主體的管筒端部裝有一攝像機(jī)和一或多個(gè)外科器具，諸如一用于從胃-腸系統(tǒng)取除組織樣本的尖口鉗。醫(yī)生必須按照從攝像機(jī)接收到和顯示在一視頻屏幕上的胃-腸系統(tǒng)圖像來操縱管筒。缺乏來自胃-腸系統(tǒng)的直接視覺反饋是使內(nèi)窺鏡檢查成為一種復(fù)雜而又難以掌握的過程的一項(xiàng)因素。反饋的這種缺乏還加大了手-眼協(xié)調(diào)和正確操作內(nèi)窺鏡檢查裝置的難度。因而，撓性胃部內(nèi)窺鏡檢查是一種既難以施行也難以學(xué)習(xí)的過程。
當(dāng)前，是按照用于醫(yī)學(xué)教育的傳統(tǒng)模型教導(dǎo)學(xué)生施行撓性胃部內(nèi)窺鏡檢查的，其中學(xué)生觀察和協(xié)助經(jīng)驗(yàn)較多的醫(yī)生。遺憾的是，這種觀察單獨(dú)不能提供針對這種復(fù)雜醫(yī)療過程的必要培訓(xùn)。學(xué)生也可能在動物和人尸上施行操作，各自都不能再現(xiàn)一真人患者的視覺和觸覺反饋。因而，傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)培訓(xùn)不適合于近代的技術(shù)上復(fù)雜的醫(yī)療過程。
在企圖為這種過程提供比較現(xiàn)實(shí)的醫(yī)學(xué)培訓(xùn)時(shí)，一直研制一些仿真裝置，試圖為這種過程再現(xiàn)觸覺感受和／或視覺反饋，以便提供經(jīng)過改進(jìn)的醫(yī)學(xué)培訓(xùn)而不危及真人患者。這樣一種仿真裝置的一項(xiàng)范例披露在美國專利第5，403，191號之中，其中所披露的裝置是一個(gè)裝有仿真人體器官的盒器。多種外科腹腔鏡檢查過程可以在仿真器官上施行。視覺反饋由一鏡具系統(tǒng)提供。不過，視覺和觸覺反饋二者的系統(tǒng)在此裝置中是很初步的，不能夠提供在一真人患者身上伴隨這種外科過程的視覺和觸覺感受的真正表現(xiàn)。其次，盒器本身不是一真人患者三維結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實(shí)表象。因而，所披露的裝置缺少許多重要的方面并無法滿足一醫(yī)療仿真裝置的需要。
在PCT專利申請第WO 96／16389和WO 95／02233號中披露了企圖從一種醫(yī)療仿真裝置中提供比較現(xiàn)實(shí)的經(jīng)驗(yàn)。這兩項(xiàng)申請都披露了一種用于提供腹腔鏡檢查外科過程的仿真的裝置。兩種裝置都包括一狀為一真人軀干的人體模型，在其不同部位處安放各仿真外科器械。不過，這些裝置局限于各仿真外科器械的位置都是預(yù)先確定的，這不是一種現(xiàn)實(shí)的方案。其次，視覺反饋基于取自真實(shí)外科過程的一連串的視頻圖像。不過，由于一些部分的視頻數(shù)據(jù)可能為了處理速度大一些而需要?jiǎng)h除，這種簡單地再現(xiàn)視頻圖像會導(dǎo)致不精確的或不現(xiàn)實(shí)的圖像。另外，視頻處理會耗費(fèi)如此大量的計(jì)算時(shí)間和資源，以致整個(gè)系統(tǒng)會不能在一實(shí)時(shí)的時(shí)期內(nèi)對學(xué)生的動作作出反應(yīng)。最低限度，會需要一個(gè)專用的圖形工作站，而不是一部個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)。因而，兩份參考文件都沒有教導(dǎo)或闡明用于仿真醫(yī)療過程實(shí)時(shí)視覺反饋的適當(dāng)?shù)囊曈X處理。
類似地，美國專利第4，907，973號披露一種用于仿真撓性胃部內(nèi)窺鏡檢查醫(yī)療過程的裝置。所披露的裝置也存在著以上提到的先前技術(shù)中各種裝置的一些不足之處，即視覺反饋系統(tǒng)基于再現(xiàn)取自真實(shí)內(nèi)窺鏡檢查過程的視頻數(shù)據(jù)。一如前所指出，顯示這種數(shù)據(jù)或是會需要大量的計(jì)算資源，或是會逕直地需要過多的時(shí)間，用于現(xiàn)實(shí)的視覺反饋響應(yīng)。因而，所披露的裝置也存在著先前技術(shù)中的一些不足之處。
一種真正有用和有效的用于諸如內(nèi)窺鏡檢查這樣的最少侵入治療過程的醫(yī)療仿真裝置會給出過程的實(shí)時(shí)、精確和現(xiàn)實(shí)的視覺反饋，并且也會給出現(xiàn)實(shí)的觸覺反饋，以致視覺和觸覺系統(tǒng)就會像對于一真實(shí)醫(yī)療過程那樣精確地聯(lián)系起來以便仿真。遺憾的是，先前技術(shù)當(dāng)前并未啟示或提供這樣一種裝置。
因此，存在一種需要，而且會很有用，就是獲得一種方法和一種系統(tǒng)以仿真一諸如內(nèi)窺鏡檢查這樣的最少侵入的醫(yī)療過程，它們會向?qū)W生提供精確的關(guān)聯(lián)的視覺和觸覺反饋并可用作針對過程所有方面的一種培訓(xùn)資源。
本發(fā)明包括一種方法和一種系統(tǒng)以仿真內(nèi)窺鏡檢查，特別是撓性胃部內(nèi)窺鏡檢查的最少侵入的醫(yī)療過程。此系統(tǒng)目的在于通過隨著仿真過程施行在仿真患者身上而既提供一仿真醫(yī)療器械也提供觸覺與視覺反饋來盡可能密切地仿真內(nèi)窺鏡檢查的真實(shí)醫(yī)療過程。
按照本發(fā)明，提供一種用于施行一仿真醫(yī)療過程的系統(tǒng)，包括(a)一仿真器官；(b)一仿真器械，用于在仿真器官上施行仿真醫(yī)療過程；(c)一定位器，用于確定仿真器官之內(nèi)仿真器械的某一位置；以及(d)一視覺顯示器，用于按照仿真器官之內(nèi)仿真器械的位置顯示圖像以便提供視覺反饋，以使圖像可仿真施行在一真實(shí)主體上的真實(shí)醫(yī)療過程期間所接收的真實(shí)視覺數(shù)據(jù)，此視覺顯示器包括(ⅰ)一數(shù)學(xué)模型，按照一相應(yīng)的真實(shí)器官模擬仿真器官，模型劃分為許多分段；(ⅱ)一加載器，用于選定至少一個(gè)分段以便顯示，至少一個(gè)分段按照仿真器官之內(nèi)仿真器械的位置予以選定；(ⅲ)一控制器，用于按照仿真器械的位置從分段中選定一仿真圖像；以及(ⅳ)一顯示器，用于顯示仿真圖像。
可取的是，視覺顯示器還包括(ⅴ)一紋理映射數(shù)據(jù)庫，用于儲存紋理映射數(shù)據(jù)；以及(ⅵ)一紋理映射引擎，用于大體上在仿真圖像由顯示器顯示之前把紋理映射數(shù)據(jù)覆蓋于仿真圖像。更為可取的是，紋理映射是仿真器械的隨機(jī)動作和仿真器官的隨機(jī)動作之動畫演示。
同樣可取的是，紋理映射包括從在真實(shí)主體上施行真實(shí)醫(yī)療過程中獲得的圖像。
更為可取的是，圖像是由首先在施行期間記錄視覺數(shù)據(jù)，而后從記錄的視覺數(shù)據(jù)中選定圖像而獲得的。
按照本發(fā)明的一項(xiàng)優(yōu)先實(shí)施例，數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)在于許多按照一樣條制成的多邊形，此樣條確定了數(shù)學(xué)模型在三維方向上的一種幾何形態(tài)?？扇〉氖?，數(shù)學(xué)模型中對應(yīng)于仿真器官中某一變形的變形是通過改變樣條而予以確定的。更為可取的是，仿真器官中的變形是一種局部變形，仿真器官的局部變形通過把一些多邊形添加于一部分?jǐn)?shù)學(xué)模型按照數(shù)學(xué)模型予以確定，以致數(shù)學(xué)模型的一部分被變形以生成局部變形。最為可取的是，數(shù)學(xué)模型是通過模擬仿真器官作為一條直線和改變樣條直至數(shù)學(xué)模型適合相應(yīng)的真實(shí)器官。同樣最為可取的是，控制器按照仿真器官之內(nèi)仿真器械的至少一次先前動作來選定仿真圖像。
按照本發(fā)明的另一優(yōu)先實(shí)施例，顯示器還顯示一圖形用戶界面。可取的是，圖形用戶界面可顯示用于協(xié)助施行醫(yī)療過程的輔導(dǎo)信息。
按照本發(fā)明的又一優(yōu)先實(shí)施例，仿真器官是一胃-腸系統(tǒng)。可取的是，胃-腸系統(tǒng)是由一種半撓性、光滑材料制成的。同樣可取的是，仿真器械是一內(nèi)窺鏡，內(nèi)窺鏡的特點(diǎn)在于一傳感器，用于確定傳感器在胃-腸系統(tǒng)中的某一位置，此系統(tǒng)還包括(e)一計(jì)算機(jī)，用于按照傳感器的位置確定視覺反饋。
可取的是，此系統(tǒng)的特點(diǎn)還在于，一觸覺反饋機(jī)構(gòu)，用于按照內(nèi)窺鏡所述端頭的位置形成仿真觸覺反饋。
按照觸覺反饋機(jī)構(gòu)的一項(xiàng)實(shí)施例，觸覺反饋機(jī)構(gòu)裝放在胃-腸系統(tǒng)之中，而胃-腸系統(tǒng)還包括(ⅰ)許多伺服電機(jī)；(ⅱ)一活塞，由許多伺服電機(jī)之一操縱，所述活塞接觸所述半撓性材料；(ⅲ)一控制器，用于控制所述多個(gè)伺服電機(jī)，使得活塞的位置由控制器決定，并使得活塞的位置提供觸覺反饋。
另外，觸覺反饋機(jī)構(gòu)位于內(nèi)窺鏡之中，而內(nèi)窺鏡還包括(ⅰ)一導(dǎo)引套筒，連接于內(nèi)窺鏡的端頭；(ⅱ)至少一個(gè)滾珠軸承，裝接于導(dǎo)引套筒，用于沿著胃-腸系統(tǒng)的內(nèi)部表面滾動；(ⅲ)至少一部直線電機(jī)，裝接于導(dǎo)引套筒；(ⅳ)一活塞，由直線電機(jī)操縱，活塞接觸胃-腸系統(tǒng)的內(nèi)部表面；以及(ⅴ)一控制器，用于控制直線電機(jī)，以致活塞的某一位置由控制器予以確定，而且以致活塞的位置形成觸覺反饋。
另外，觸覺反饋機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)在于(ⅰ)許多環(huán)圈，圍繞所述內(nèi)窺鏡，每一環(huán)圈具有一不同的半徑，至少一第一環(huán)圈的特點(diǎn)在于一半徑大于內(nèi)窺鏡的半徑和至少一第二環(huán)圈的特點(diǎn)在于一半徑小于內(nèi)窺鏡的半徑，每一許多環(huán)圈的半徑按照許多環(huán)圈中每一個(gè)的某一充氣程度被控制，各環(huán)圈的半徑確定內(nèi)窺鏡的動作；(ⅱ)一氣泵，用于把空氣泵入許多環(huán)圈；(ⅲ)至少一個(gè)管筒，用于把所述氣泵連接于所述許多環(huán)圈；以及(ⅳ)一氣泵控制器，用于通過控制所述氣泵來確定所述許多環(huán)圈的所述充氣程度。
可取的是，至少一部管筒是兩個(gè)管筒，一第一管筒，用于把空氣泵入許多環(huán)圈，以及一第二管筒，從許多環(huán)圈吸出空氣，而氣泵把空氣泵入許多環(huán)圈和從許多環(huán)圈中吸出空氣，以致許多環(huán)圈的充氣程度通過交替地把空氣泵入許多環(huán)圈和從中吸出空氣而予以確定。
同樣可取的是，胃-腸系統(tǒng)基本上是一根直管，以及觸覺反饋和視覺反饋基本上與胃-腸系統(tǒng)的某一幾何形狀無關(guān)?？扇〉氖牵|覺反饋機(jī)構(gòu)按照在一真實(shí)主體上施行醫(yī)療過程期間所獲得的觸覺反饋予以操作，觸覺反饋是通過虛擬現(xiàn)實(shí)手套來獲得的。
按照本發(fā)明系統(tǒng)的另一優(yōu)先實(shí)施例，內(nèi)窺鏡的特點(diǎn)還在于一用于握住內(nèi)窺鏡的手柄和一器具裝置，器具裝置包括(ⅰ)一仿真器具；(ⅱ)一槽道，用于容放實(shí)際器具的仿真品，槽道設(shè)置在手柄之中；(ⅲ)一器具控制裝置，用于檢測仿真器具的某一動作，器具控制裝置設(shè)置在槽道之中，而器具控制裝置連系于計(jì)算機(jī)，使得計(jì)算機(jī)按照仿真器具的動作確定視覺反饋和觸覺反饋。
可取的是，器具控制裝置可檢測胃-腸系統(tǒng)之內(nèi)仿真器具的某一位置用于形成視覺反饋。
更為可取的是，器具控制裝置另外可檢測一套仿真器具用于視覺反饋。
按照器具控制裝置的一項(xiàng)實(shí)施例，器具控制裝置還包括(1)一光源，用于產(chǎn)生光線，光源設(shè)置在槽道之內(nèi)；(2)一光輪，用于按照仿真器具的動作交替地?fù)踝『筒粨豕饩€；以及(3)一光線檢測器，用于檢測光線，以致計(jì)算機(jī)按照光線檢測器確定仿真器具的某一動作。
按照本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供一種用于施行一仿真的窺鏡檢查過程的方法，包括各步驟(a)配置一種用于施行仿真內(nèi)窺鏡檢查過程的系統(tǒng)，包括(ⅰ)一仿真胃-腸系統(tǒng)；(ⅱ)一仿真內(nèi)窺鏡，用于在仿真胃-腸系統(tǒng)之內(nèi)完成仿真內(nèi)窺鏡檢查過程；(ⅲ)一定位器，用于確定在仿真胃-腸系統(tǒng)之內(nèi)仿真內(nèi)窺鏡的某一位置；以及(ⅳ)一視覺顯示器，用于按照仿真胃-腸系統(tǒng)之內(nèi)仿真內(nèi)窺鏡來顯示圖像，以致圖像仿真在施行在一真實(shí)主體上的一真實(shí)醫(yī)療過程期間所接收的視覺數(shù)據(jù)，視覺顯示器包括(1)一仿真胃-腸系統(tǒng)的三維數(shù)學(xué)模型，其劃分為許多分段；(2)一加載器，用于選定至少一個(gè)分段以便顯示，至少一個(gè)分段是按照仿真胃-腸系統(tǒng)之內(nèi)仿真內(nèi)窺鏡的位置予以選定的；(3)一控制器，用于按照仿真器械的位置從分段選定一仿真圖像；以及(4)一顯示器，用于根據(jù)控制器顯示仿真圖像，以致仿真圖像是一顯示出來的圖像；(b)把仿真內(nèi)窺鏡插入仿真胃-腸系統(tǒng)；(c)按照顯示出來的圖像接收視覺反饋；以及(d)按照胃-腸系統(tǒng)之內(nèi)內(nèi)窺鏡的位置接收觸覺反饋。
可取的是，顯示出來的圖像是按照仿真胃-腸系統(tǒng)之內(nèi)仿真內(nèi)窺鏡的至少一個(gè)先前的動作予以確定的。
按照本發(fā)明的再一實(shí)施例，提供一種用于顯示以一真實(shí)醫(yī)療器械在一真人器官上施行的一醫(yī)療過程的仿真視覺數(shù)據(jù)的方法，此方法包括各步驟(a)在一患者的真實(shí)醫(yī)療過程的施行中記錄真實(shí)數(shù)據(jù)；(b)從真實(shí)數(shù)據(jù)中抽取許多個(gè)別圖像；(c)使許多個(gè)別圖像數(shù)字化以形成許多數(shù)字化的圖像；(d)選定至少一個(gè)數(shù)字化的圖像以形成一選定數(shù)字化圖像；(e)把選定的數(shù)字化的圖像作為紋理映射數(shù)據(jù)儲存在一紋理映射數(shù)據(jù)庫之中；(f)提供一真人器官的數(shù)學(xué)模型，模型劃分為許多分段；(g)從模型中選定許多分段之中的一個(gè)用于顯示；(h)把來自紋理映射數(shù)據(jù)庫的紋理映射數(shù)據(jù)覆蓋在模型的分段上面以形成至少一個(gè)最終圖像；以及(i)顯示最終圖像。
可取的是，來自真實(shí)醫(yī)療過程的施行中的真實(shí)數(shù)據(jù)選自由視頻數(shù)據(jù)、MRI(磁共振成象)數(shù)據(jù)和CAT(計(jì)算機(jī)輔助斷層X射線攝影術(shù))掃描數(shù)據(jù)。
更為可取的是，步驟(f)還包括各步驟(ⅰ)按照一樣條把真人器官模擬成許多多邊形；(ⅱ)按照三維坐標(biāo)把樣條映射成真人器官；(ⅲ)改變樣條，以致樣條適合真實(shí)數(shù)據(jù)。
最為可取的是，紋理映射數(shù)據(jù)還包括動畫。同樣最為可取的是，動畫包括真實(shí)醫(yī)療器械的隨機(jī)動作和真實(shí)人體器官的隨機(jī)動作。
按照本發(fā)明的又一實(shí)施例，提供一種用于向?qū)W生教授為施行一真實(shí)醫(yī)療過程所需的某一特定技藝的方法，此真實(shí)醫(yī)療過程是以一真實(shí)醫(yī)療器械在一真實(shí)器官上施行的，帶有視覺反饋，此方法包括各步驟(a)配置一仿真器械，用于仿真真實(shí)醫(yī)療器械；(b)配置一仿真器官，用于仿真真實(shí)器官；(c)抽取真實(shí)醫(yī)療過程的一部分視覺反饋；(d)提供一部分視覺反饋用于仿真視覺反饋；以及(e)由學(xué)生按照一部分視覺反饋操作仿真器官之內(nèi)的仿真器械，使得仿真器械的某一動作是教給學(xué)生的一種技巧。
可取的是，視覺反饋部分大體上包括少于真實(shí)醫(yī)療過程視覺反饋的視覺細(xì)節(jié)。
更為可取的是，仿真器官是一胃-腸系統(tǒng)的仿真；而仿真器械是一內(nèi)窺鏡的仿真。
最為可取的是，視覺反饋部分只包括胃-腸系統(tǒng)內(nèi)部的幾何形狀。
本發(fā)明的方法，用于制備一仿真器官模型并用于在仿真醫(yī)療過程期間再現(xiàn)仿真器官的視覺反饋，可以表述為由一數(shù)據(jù)處理器執(zhí)行的許多指令。如此，這些指令可以以硬件、軟件或固件，或者其某一組合，予以實(shí)施。作為軟件，本發(fā)明方法的各步驟可以容易地由本技術(shù)領(lǐng)域中具有一般水平的人基本上以任何適當(dāng)?shù)木幊陶Z言予以實(shí)施，包括但不限于C和C++。
此后，“仿真醫(yī)療過程”這一用語指的是通過本發(fā)明的系統(tǒng)和方法所施行的醫(yī)療過程仿真。此后，“真實(shí)醫(yī)療過程”這一用語指的是用一真實(shí)內(nèi)窺鏡在一真正的、活人患者身上施行醫(yī)療過程，以致醫(yī)療過程是“真正的”而不是“仿真”的。此后，“相應(yīng)的真實(shí)器官”這一用語指的是一個(gè)人的或哺乳動物的“真正的”器官，其由本發(fā)明的仿真器官予以仿真。
此后，“內(nèi)窺鏡檢查”這一用語包括，但不限于，前述的撓性胃部內(nèi)窺鏡檢查過程，以及一些醫(yī)學(xué)診斷和外科過程，其中一內(nèi)窺鏡插入主體的口腔或直腸以便在主體的胃-腸系統(tǒng)之內(nèi)操作。此后，“主體”這一用語指的是人或低等哺乳動物，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)在其上面施行或運(yùn)用。此后，“學(xué)生”這一用語指的是按照本發(fā)明被培訓(xùn)或按照本發(fā)明被教習(xí)的、使用本發(fā)明系統(tǒng)的任何人，包括但不限于醫(yī)學(xué)院校的學(xué)生、醫(yī)院大夫、經(jīng)受培訓(xùn)的胃-腸專業(yè)人員或其他經(jīng)受培訓(xùn)的專業(yè)醫(yī)療人員。
前述和其他一些目的、方面和優(yōu)點(diǎn)通過以下參照各圖所作的本發(fā)明一項(xiàng)最佳實(shí)施例的詳細(xì)說明會更好地予以理解，圖中

圖1是符合本發(fā)明的醫(yī)療仿真系統(tǒng)的一項(xiàng)示范圖例；圖2是符合本發(fā)明的一種屏幕顯示器的一項(xiàng)示范圖例；圖3A是符合本發(fā)明的、用于制備被仿真器官的視覺模型并提供視覺反饋的一種示范性方法的流程圖，以及圖3B是一符合本發(fā)明的示范性的視覺處理和顯示系統(tǒng)的示意方框圖；圖4是符合本發(fā)明的一種示范性輔導(dǎo)系統(tǒng)的示意方框圖；圖5A和5B表明符合本發(fā)明的一種示范性仿真的胃-腸系統(tǒng)；圖6A-C表明符合本發(fā)明的力度反饋系統(tǒng)一項(xiàng)實(shí)施例的各個(gè)方面；圖7A-7D表明符合本發(fā)明的力反饋系統(tǒng)的一第二實(shí)施例；圖8A-8E表明符合本發(fā)明的系統(tǒng)的另一實(shí)施例；以及圖9A-9E表明符合本發(fā)明的一器具組件的例證性實(shí)施例。
本發(fā)明包括仿真內(nèi)窺鏡檢查，特別是撓性胃部內(nèi)窺鏡檢查的醫(yī)療過程的一種方法和一種系統(tǒng)。此系統(tǒng)目的是要在被仿真的病人身上進(jìn)行被仿真過程時(shí)通過既提供一種仿真醫(yī)療器械，也提供觸覺和視覺反饋來盡可能真切地仿真真實(shí)的內(nèi)窺鏡檢查醫(yī)療過程。盡管所作討論是針對內(nèi)窺鏡檢查醫(yī)療過程的，但本發(fā)明也可用于仿真其他各種類型的最低侵入醫(yī)療過程。
本發(fā)明的系統(tǒng)的特征在于，為仿真內(nèi)窺鏡檢查醫(yī)療過程，既有一實(shí)際模型，也有一虛擬模型。實(shí)際模型包括一人體模型，仿真內(nèi)窺鏡插入其中。一仿真器官設(shè)置在人體模型之內(nèi)。比如，如果仿真器官是胃-腸系統(tǒng)，器官可以任由選擇地包括一仿真直腸和一仿真結(jié)腸，用于仿真撓性胃-內(nèi)窺鏡檢查過程。任由選擇并且優(yōu)先的是，仿真器官可以任由選擇地包括一仿真口腔和上部胃-腸系統(tǒng)。仿真內(nèi)窺鏡插入仿真胃-腸系統(tǒng)。仿真胃-腸系統(tǒng)包括一觸覺反饋系統(tǒng)，用于按照仿真器官之內(nèi)的仿真內(nèi)窺鏡的移動形成現(xiàn)實(shí)的觸覺反饋。
虛擬模型為來自內(nèi)窺鏡的各圖像的仿真提供一“虛擬現(xiàn)實(shí)”。在一真實(shí)的內(nèi)窺鏡檢查醫(yī)療過程中，在真實(shí)內(nèi)窺鏡的端頭處的一部相機(jī)回返來自真人患者胃-腸系統(tǒng)的各個(gè)圖像。這些圖像然后由實(shí)施內(nèi)窺鏡檢查過程的醫(yī)生觀看，從而向醫(yī)生提供視覺反饋。本發(fā)明的系統(tǒng)為這種視覺反饋的現(xiàn)實(shí)仿真提供一種“虛擬現(xiàn)實(shí)”。這種虛擬現(xiàn)實(shí)使得能夠最好是以一種觸覺和視覺反饋像是在一真人患者身上那樣被耦聯(lián)起來的方式按照仿真內(nèi)窺鏡的各種操作在一視頻監(jiān)視器上實(shí)時(shí)地顯示胃-腸系統(tǒng)的各現(xiàn)實(shí)圖像。
虛擬現(xiàn)實(shí)具有兩個(gè)主要部分一胃-腸系統(tǒng)或其一部分的三維、數(shù)學(xué)模型，以及從獲自真實(shí)內(nèi)窺鏡檢查過程的真實(shí)視覺圖像中導(dǎo)出的一增強(qiáng)的數(shù)字化圖像的數(shù)據(jù)庫。這兩個(gè)部分結(jié)合起來以通過增強(qiáng)的圖像作為紋理映射來覆蓋受仿真器官的數(shù)學(xué)模型而形成現(xiàn)實(shí)的視覺反饋，從而貼切地仿真獲自真實(shí)過程的圖像。
胃-腸系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)反饋對于仿真圖像是特別有利的，因?yàn)樗灰蕾囉谝曨l數(shù)據(jù)流，后者要求巨大的計(jì)算能力用于視覺反饋的實(shí)時(shí)顯示。此外，視頻數(shù)據(jù)流只提供一預(yù)定的圖像流量而不能以實(shí)時(shí)提供具有六個(gè)自由度的視覺數(shù)據(jù)。其次，本發(fā)明的虛擬現(xiàn)實(shí)不只依靠一胃-腸系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，后者不能從一真人患者處記錄一真實(shí)胃-腸系統(tǒng)的凹凸不平和細(xì)微的視覺特點(diǎn)。因而，胃-腸系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)反饋為視覺反饋以實(shí)時(shí)提供了現(xiàn)實(shí)圖像的最佳仿真。
本發(fā)明涉及一種方法和一種系統(tǒng)，以仿真內(nèi)窺鏡檢查，特別是撓性胃-腸內(nèi)窺鏡檢查。此系統(tǒng)包括一人體模型，仿真內(nèi)窺鏡插入其中。按照仿真內(nèi)窺鏡的操作，通過一以實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)實(shí)圖像的視頻監(jiān)示器提供視覺反饋。也可以提供現(xiàn)實(shí)觸覺反饋，方式最好是，觸覺和視覺反饋像是在一真人患者身上那樣被耦聯(lián)起來。最好是，本發(fā)明的特點(diǎn)還在于一輔導(dǎo)系統(tǒng)，用于培訓(xùn)學(xué)生和測試他們的成績。因而，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法提供了一種用于培訓(xùn)和測試學(xué)生的內(nèi)窺鏡檢查醫(yī)療過程的現(xiàn)實(shí)仿真。
符合本發(fā)明用于醫(yī)療仿真，特別是用于內(nèi)窺鏡檢查醫(yī)療過程仿真的一種方法和一種系統(tǒng)的原理和運(yùn)用，最好是包括把學(xué)生技能的輔導(dǎo)效果和測定結(jié)果通知給教師或醫(yī)務(wù)督導(dǎo)人員，參照附圖和所附說明會得到更好的了解，而可以理解的是，這些附圖的提出只是為了例證目的，并不意味著是限制性的，其次，雖然以下的說明旨在結(jié)腸的仿真，但應(yīng)當(dāng)指出，這只是為了明晰目的，無論如何不意味著是限制性的。
現(xiàn)在參看圖紙，圖1畫出符合本發(fā)明的一種示范的、例證性的醫(yī)療仿真系統(tǒng)。一系統(tǒng)10包括一人體模型12，表示有待施行醫(yī)療過程于其上的主體；一仿真內(nèi)窺鏡14；以及一計(jì)算機(jī)16，帶有一視頻監(jiān)視器18。圖示一學(xué)生20通過操作人體模型12之內(nèi)的仿真內(nèi)窺鏡14而與系統(tǒng)10互動。一如以下圖5A和5B所進(jìn)一步表明的那樣，人體模型12包括一仿真器官，其中插入仿真內(nèi)窺鏡14。隨著學(xué)生20操作仿真內(nèi)窺鏡14，觸覺和視覺反饋按照內(nèi)窺鏡14在仿真器官(未示出)之內(nèi)的位置予以確定。視覺反饋以在視頻監(jiān)視器18上的一種顯示的形式予以提供。必需的各種數(shù)據(jù)計(jì)算由計(jì)算機(jī)16施行，以向?qū)W生20提供現(xiàn)實(shí)的觸覺和視覺反饋。
圖2是監(jiān)視器18上的一屏幕顯示的一示范圖例。一屏幕顯示22包括一反饋圖像24。反饋圖像24表示仿佛內(nèi)窺鏡插入一活人患者體內(nèi)時(shí)所看到視覺圖像。反饋圖像24是本來會從活人患者胃-腸系統(tǒng)該部分處接收到的視覺數(shù)據(jù)的一種精確和現(xiàn)實(shí)的仿真。雖然反饋圖像24表現(xiàn)為一種靜態(tài)圖像，但可以理解，這只是為了例證目的，而真實(shí)的視覺反饋數(shù)據(jù)會是狀為基于獲自一真實(shí)內(nèi)窺鏡檢查過程的、真實(shí)視頻流數(shù)據(jù)的一基本上連續(xù)的仿真圖像流動。因而，由反饋圖像24表示的圖像流動給予學(xué)生(未示出)以現(xiàn)實(shí)的視覺反饋。
此外，屏幕顯示器22可取地包括許多GUI(圖形用戶界面)特征，相關(guān)于本發(fā)明的一些最佳的輔導(dǎo)功能。比如，一跟蹤顯示器26清楚地表明仿真內(nèi)窺鏡在仿真胃-腸系統(tǒng)之內(nèi)的部位。跟蹤顯示器26包括一示意胃-腸系統(tǒng)28，一示意內(nèi)窺鏡30已經(jīng)插入其中。可取的是，跟蹤顯示器26可以啟動和禁止，使得如果跟蹤功能被啟動，學(xué)生只能看到跟蹤顯示器26。
屏幕顯示器22的另外的、任由選擇然而可取的特征包括設(shè)置一“幫助”按鈕32，一當(dāng)啟動即可導(dǎo)致顯示諸如作為控制內(nèi)窺鏡的一種指導(dǎo)書那樣的有用信息。同樣，一可取的“提示”按鈕34會給予學(xué)生關(guān)于如何繼續(xù)施行醫(yī)療過程的一或多項(xiàng)建議。一可取的“患者病史”按鈕36會導(dǎo)致屏幕顯示器22現(xiàn)出與一組仿真的“患者病史”之中的一項(xiàng)有關(guān)的信息，可能有助于學(xué)生確定進(jìn)一步的行動。最后，一可取的“成績”38會導(dǎo)致屏幕顯示器22顯示對學(xué)生成績的檢查和評定。所有這些功能是一種用于在內(nèi)窺鏡檢查醫(yī)療過程中培訓(xùn)學(xué)生的輔導(dǎo)系統(tǒng)最佳實(shí)施例的一部分，一如圖4之中更為詳細(xì)所述。
圖3A和3B是符合本發(fā)明的一種示范的視覺處理和顯示系統(tǒng)和方法的示意方框圖。圖3A是符合本發(fā)明的視覺處理和顯示方法的流程圖，并且意欲作為圖3B中系統(tǒng)所用方法的概括。有關(guān)此方法各具體方面的其他細(xì)節(jié)以下將參照圖3B予以說明。
本發(fā)明的方法和系統(tǒng)提供了在醫(yī)療仿真技術(shù)中許多問題的一種解決辦法，特別適用于胃-腸內(nèi)窺鏡檢查過程的仿真。這一過程涉及胃腸系統(tǒng)的諸如結(jié)腸這樣的一個(gè)內(nèi)在部分的視覺顯示。結(jié)腸是帶有一彎曲構(gòu)造的撓性體部。結(jié)腸的內(nèi)表面一般是可變形的，以及具體地說，是局部可變形的。所有這些主體變形應(yīng)當(dāng)按照結(jié)腸的數(shù)學(xué)模型加以計(jì)算，而后以實(shí)時(shí)在視覺上予以再現(xiàn)，以便為使用者提供一種現(xiàn)實(shí)視覺反饋響應(yīng)。
圖3A表明本發(fā)明方法的一項(xiàng)最佳實(shí)施例，用于制備模型和再現(xiàn)視覺反饋，包括為制備結(jié)腸計(jì)算機(jī)化模型所需的各個(gè)步驟，以及為顯示結(jié)腸所需的各個(gè)步驟。
在本發(fā)明方法的步驟1中，在一真人患者身上施行內(nèi)窺鏡檢查的真實(shí)醫(yī)療過程期間，真實(shí)的視頻數(shù)據(jù)被記錄在錄相帶上。此外，這種數(shù)據(jù)還包括來自在真人患者身上施行的過程的MRI(磁共振成象)和CAT(計(jì)算機(jī)輔助斷層X射線攝影術(shù))掃描數(shù)據(jù)。
在步驟2中，比如使用一幀捕獲器抽取各個(gè)圖像，而后予以數(shù)字化。在步驟3中，這些數(shù)字化的圖像為清晰和因減少視覺偽影起見而予以優(yōu)選，而后儲存在一紋理映射數(shù)據(jù)庫之中。更為可取的是，這些數(shù)字化的圖像在儲存前進(jìn)行增強(qiáng)。更為可取的是，紋理映射也包括動畫。這種動畫可以仿真諸如結(jié)腸組織和內(nèi)窺鏡的隨機(jī)振動等效應(yīng)，以及諸如由于重力作用而造成的液體向下流動等現(xiàn)象。
在步驟4中，建造了人體結(jié)腸的一個(gè)三維數(shù)學(xué)模型。本發(fā)明中特別可取的結(jié)腸三維數(shù)學(xué)模型是一個(gè)諸如一樣條那樣的多邊形模型。這一教學(xué)函數(shù)把結(jié)腸表示成一系列曲線，以致結(jié)腸三維結(jié)構(gòu)中的各點(diǎn)都被映射于此樣條。比如，結(jié)腸可以模擬為一條直線，可以通過改變模型的樣條而使之變形，直至模型擬合數(shù)據(jù)為止。另外，樣條可以安置在結(jié)腸內(nèi)部并映射于結(jié)腸。最好是，采用多個(gè)樣條以模擬比如胃與小腸的接合處。
這種映射可以沿著x、y和z軸線按照三維坐標(biāo)予以施行。另外，映射可以按照時(shí)間、結(jié)腸之內(nèi)的角度和半徑這些坐標(biāo)予以施行。這兩種不同類型的各坐標(biāo)也可以任由選擇地予以混合使用，其中各坐標(biāo)比如是時(shí)間、x和y。樣條本身和從樣條映射到結(jié)腸二者都可以任由選擇地予以改變，以便形成新的和不同的結(jié)腸視覺表象，比如以便為學(xué)生形成供研習(xí)之用的許多理論上的“測試病例”。比如，這種改變是任由選擇地按照MRI(磁共振成象)數(shù)據(jù)予以作出的。此外，出自MRI和／或CAT掃描過程的數(shù)據(jù)任由選擇地和最好是按照數(shù)學(xué)模型予以凈化和重組，以便更為精確地確定仿真結(jié)腸的幾何形狀?；旧纤羞@些過程都可以按照這種數(shù)據(jù)自動地進(jìn)行，或者另外，這些過程也可以部分地或整體地以人工進(jìn)行。因而，本發(fā)明的最佳數(shù)學(xué)模型允許數(shù)據(jù)被迅速地在視覺上重現(xiàn)在結(jié)腸模型上。
按照本發(fā)明一特別優(yōu)先的實(shí)施例，模擬了內(nèi)窺鏡纜本身的一個(gè)“環(huán)圈”。這樣一個(gè)環(huán)圈出現(xiàn)在施用內(nèi)窺鏡檢查過程，無論“真實(shí)”或仿真的，無意地通過轉(zhuǎn)動內(nèi)窺鏡本身而在結(jié)腸之內(nèi)改變了方向的時(shí)候。這樣一個(gè)環(huán)圈對于患者可以是非常危險(xiǎn)的，并因而應(yīng)當(dāng)作為仿真的一部分予以檢測，以便警示學(xué)生，指出過程進(jìn)行得不正確，從而出現(xiàn)環(huán)圈。
最好是，環(huán)圈是由一種符合本發(fā)明的樣條構(gòu)成的并協(xié)調(diào)于力度反饋。必須確定已經(jīng)送入結(jié)腸的纜的長度，以及從直腸(內(nèi)窺鏡的進(jìn)入點(diǎn))到內(nèi)窺鏡的當(dāng)前位置的結(jié)腸長度。環(huán)圈的尺寸隨后從這兩個(gè)長度的差值中計(jì)算出來，而環(huán)圈按照樣條予以模擬。
按照本發(fā)明在視覺上重現(xiàn)結(jié)腸的方法包括下述的許多步驟，作為由一數(shù)據(jù)處理器操作的一些軟件指令而予以執(zhí)行。此方法可取地包括把結(jié)腸劃分為許多部分的步驟(一如圖3A之中步驟5所示)。由于仿真內(nèi)窺鏡的空間運(yùn)動是受限的，這一劃分以直線方式作出。換句話說，仿真內(nèi)窺鏡不能從結(jié)腸的一部分“跳”向另一部分，而必須代之以沿著仿真結(jié)腸以一直線方式行進(jìn)。此外，仿真內(nèi)窺鏡只能以一有限速度經(jīng)過仿真結(jié)腸而移動。因而，內(nèi)窺鏡必須以一已知的有限速度依序通過結(jié)腸三維模型的每一分段。
這樣一種劃分的后果是，只有一個(gè)分段需要在任何給定時(shí)刻予以處理，雖然如果計(jì)算資源允許時(shí)基本上可以同時(shí)處理許多這樣的分段。其次，這一劃分把視覺處理歸結(jié)為一種更加可以的任務(wù)，由于這一模型在最佳實(shí)施例中可以任由選擇地包括數(shù)以千計(jì)的多邊形，雖然每一分段具有少得多的多邊形。
此外，可取的是，只是那些處在攝像機(jī)視線上的部分，并因而或是當(dāng)即可見的或很快成為可見的部分，被選定用于視覺重現(xiàn)，以便減少為重現(xiàn)所需的計(jì)算。更為可取的是，被重現(xiàn)的部分之?dāng)?shù)量不是預(yù)先確定的，因?yàn)樵谀承┣闆r下，在視線上的部分之?dāng)?shù)量可以改變。比如，當(dāng)攝像機(jī)正在圍著結(jié)腸中的一彎曲段行走時(shí)，攝像機(jī)的視線是很短的，以致相對較少的部分，或者另外較小的這些部分，必須予以再現(xiàn)。
下面，在步驟6中，確定由攝像機(jī)掃描的結(jié)腸區(qū)域的各視覺特性?？扇〉氖?，這些視覺特性是按照許多因素予以確定的，包括托持?jǐn)z像機(jī)的內(nèi)窺鏡端頭的位置和攝像機(jī)本身所指的方向。其他重要的因素包括被模擬結(jié)腸的形狀和攝像機(jī)通過結(jié)腸的移動的歷史。關(guān)于后一因素，由學(xué)生的各種動作所確定的、內(nèi)窺鏡通過結(jié)腸的先前的各種移動對在任一給定時(shí)刻由攝像機(jī)觀察到的結(jié)腸區(qū)域具有相當(dāng)大的影響。比如，如果學(xué)生由于不正確地操作內(nèi)窺鏡而已經(jīng)導(dǎo)致造成一個(gè)“環(huán)圈”，如前所述，則此“環(huán)圈”只能通過把各種移動的歷史包含在內(nèi)以確定視覺反饋而正確地予以仿真。
在步驟7中，可取的是，分析一下至少這些部分之一的一局部變形以確定是否這一變形會影響樣條本身。經(jīng)過映射的各坐標(biāo)而后迅速地從時(shí)間、角度和半徑變換為x、y和z。接下來，在步驟8中?？扇〉氖牵Y(jié)腸組織的局部變形通過半徑內(nèi)插而予以確定，以便確定這一變形的程度。由于時(shí)間、角度和半徑可能不會給出充分的信息以從事計(jì)算，任由選擇地和可取的是，結(jié)腸的體積按照預(yù)先形成的數(shù)學(xué)模型另外予以改變。
對于在一非常局部規(guī)模上的變形，諸如在來自器械的低度力量下內(nèi)窺鏡檢查器械的端頭與結(jié)腸之間的接觸點(diǎn)，最好是此區(qū)域之內(nèi)的細(xì)分程度通過對于采用此模型進(jìn)行的計(jì)算添加更多的多邊形而予以增大，以便能夠全部或基本上無扭曲地展開密接區(qū)域之內(nèi)的各點(diǎn)。這種展開最好是按照一個(gè)最好是能使樣條模型局部地作出改變的預(yù)定函數(shù)來進(jìn)行。
這一用于模擬結(jié)腸“展開”的最佳方法也可以用以模擬諸如一息肉這樣的局部不規(guī)則區(qū)域。一些息肉可以一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)地映射到結(jié)腸模型上去，從而調(diào)節(jié)該組織的視覺表象以適應(yīng)息肉本身和在息肉底部處該組織的結(jié)構(gòu)上的各種變化。
接下來，在步驟9中，先前所述的多種類型的數(shù)據(jù)用來真實(shí)地把視頻數(shù)據(jù)再現(xiàn)到結(jié)腸上去。起初，這種數(shù)據(jù)之映射到模型上去會任由選擇地和最好的是包含某些調(diào)節(jié)，由一軟件編程員手工進(jìn)行。另外，這種映射可以完全自動進(jìn)行。
在步驟10中，出自數(shù)據(jù)庫的紋理映射覆蓋在模型的大部分上面。最好是，這種紋理映射包括數(shù)字化圖像和輔助動畫二者。在步驟11中，顯示最終的圖像。一如前所指出，各圖像是按照仿真胃-腸系統(tǒng)之內(nèi)仿真內(nèi)窺鏡的位置而以一種連續(xù)流的方式顯示出來的。同樣一如前所指出，各坐標(biāo)的這種映射最好是按照結(jié)腸的數(shù)學(xué)模型予以實(shí)現(xiàn)，后者最好是一樣條。
圖3B比較詳細(xì)地表明符合本發(fā)明的視覺處理和顯示系統(tǒng)。一視覺處理和顯示系統(tǒng)40包括屏幕顯示器22，用于顯示處理過的視覺數(shù)據(jù)。視覺數(shù)據(jù)構(gòu)成如下。首先，數(shù)據(jù)從真實(shí)胃內(nèi)窺鏡檢查過程中記錄到錄像帶上，一如記錄方框42之中所示。數(shù)據(jù)可取地貯存在Super-VHS錄象磁帶上，以便在真實(shí)內(nèi)窺鏡檢查過程期間獲得顯示在屏幕上的視覺圖像的最佳質(zhì)量，一如方框44之中所示。接下去，錄像帶的至少一部分畫面，而最好是基本上全部畫面，由一幀捕獲器46各個(gè)地抽取以形成數(shù)字化圖像。各個(gè)數(shù)字化圖像然后為清晰起見和因減少視覺偽影，諸如出自內(nèi)窺鏡器械本身的反射，而可予以挑選。在選定的各幀之中的圖像隨后最好是予以增強(qiáng)并添加于一紋理映射數(shù)據(jù)庫48。
最好是，兩種類型的紋理映射被貯存在數(shù)據(jù)庫中。第一類型的紋理映射目的在于比如通過消除視覺偽影來增強(qiáng)圖像的現(xiàn)實(shí)視覺狀況。第二類型的紋理映射目的在于仿真一活動器官和一真實(shí)內(nèi)窺鏡的性質(zhì)，如由方框50所示。在一真人患者身上的真實(shí)內(nèi)窺鏡檢查過程期間，結(jié)腸組織稍作移動而內(nèi)窺鏡本身振動而又搖擺。這一運(yùn)動在視覺上由于添加圖像的隨機(jī)活動，而且還由于添加諸如由于重力影響而造成的液體向下流動等效應(yīng)，而予以仿真。這種活動增強(qiáng)了結(jié)腸視覺表象的現(xiàn)實(shí)性質(zhì)。
為了經(jīng)過增強(qiáng)的圖像能正確地顯示出來，圖像必須相應(yīng)于仿真內(nèi)窺鏡在仿真結(jié)腸之內(nèi)的操作和位置。特別是，圖像的紋理映射應(yīng)當(dāng)相應(yīng)于內(nèi)窺鏡在結(jié)腸之內(nèi)的位置。內(nèi)窺鏡在結(jié)腸之內(nèi)的位置與紋理映射之間的這種相應(yīng)關(guān)系是由一紋理映射引擎52形成的。紋理映射數(shù)據(jù)然后很容易由視覺系統(tǒng)40的顯示部分予以取用，一如方框54所示。
不過，一如針對前述先前技術(shù)的裝置所指出，以一大量影像流的方式逕直地復(fù)制經(jīng)過挑選的增強(qiáng)幀會很快地超越計(jì)算資源和導(dǎo)致視覺顯示成為非同步于仿真內(nèi)窺鏡的實(shí)際位置。其次，這樣一種影像流不會使得圖像按照內(nèi)窺鏡的活動正確地顯示，這種活動可取的是具有六個(gè)自由度。因而，僅僅復(fù)制是不能充分地確保現(xiàn)實(shí)的圖像，即使在映射到一三維表面上之后。
可取的是，視覺處理和顯示系統(tǒng)40包括至少一部分胃-腸系統(tǒng)56的一個(gè)三維數(shù)學(xué)模型，更為可取的是，建造得一如圖3A之中所示。為了說明的目的，模型56在此描述為一三維的結(jié)腸模型，但應(yīng)當(dāng)理解，這無論如何并不意味著是限制性的。模型56可取地具有的特點(diǎn)是有多個(gè)分段58，更為可取地是有許多這樣的分段58。
當(dāng)仿真內(nèi)窺鏡沿著仿真結(jié)腸移動時(shí)，內(nèi)窺鏡的位置給予一定位器60，后者在下面要更為詳細(xì)地予以說明。定位器60隨后指令一目標(biāo)加載器62以加載相關(guān)的分段58，以便由視覺系統(tǒng)40取用，一和前述和方框54之中所示。在所示最佳實(shí)施例中，最好是在任一給定時(shí)刻準(zhǔn)備好三個(gè)分段58由目標(biāo)加載器62取用。內(nèi)窺鏡當(dāng)前位于其中的特定分段58可取地結(jié)合前述的紋理映射保存在DRAM或RAM之中。下一個(gè)分段58和前一個(gè)分段58也可取地貯存在易于取用的位置上，雖然不必在RAM或DRAM之中。
可取的是，來自仿真內(nèi)窺鏡已經(jīng)進(jìn)入其中的特定分段58的每一圖像的顯示由一分段優(yōu)化器64予以優(yōu)化。分段優(yōu)化器64從定位器60接收信息，以及由于把紋理映射覆蓋到相關(guān)分段58上面而獲得的系列圖像，而后把每一特定圖像饋給一顯示管理器66，用于顯示在屏幕顯示器22上。
此外，顯示管理器66由一實(shí)時(shí)觀察器68予以協(xié)助，最好是在Direct3DTM(微軟公司，西雅圖，華盛頓)中予以實(shí)施。實(shí)時(shí)觀察器68提供必要的軟件支持以連系于一圖形插卡70用于圖像在屏幕顯示器22上的真實(shí)顯示。雖然圖形卡70可以屬于任何適當(dāng)?shù)闹破罚扇〉氖菆D形卡70具有至少8，而更為可取的是16，Mb的VRAM以獲得最佳性能。一種適當(dāng)?shù)膱D形卡70的范例是3Dfx Voodoo RushTM卡。最好是，實(shí)時(shí)觀察器68的性能由一數(shù)學(xué)優(yōu)化器72予以增強(qiáng)，最好是在Visual C++之中予以實(shí)施。
分段優(yōu)化器64和顯示管理器66之間的相互作用在一方面，而定位器60在另一方面，通過一軟件界面74予以提供。軟件界面74使得定位器60可以連系于視覺系統(tǒng)40的其他一些部件，以便提供關(guān)于內(nèi)窺鏡在結(jié)腸之內(nèi)的位置的信息。
在本發(fā)明的各優(yōu)先實(shí)施例中，定位器60包括一傳感器76，其比如可從從赤經(jīng)技術(shù)公司(Ascension Technology Corp．)獲得。傳感器76從一仿真器官77之內(nèi)感測位置信息，此器官在此描述為一結(jié)腸用于說明目的而并不意味著是限制性的。傳感器76由一控制裝置82予以控制。位置信息隨后被轉(zhuǎn)發(fā)至一CPU控制器78，后者連接于一伺服電機(jī)80(Haydon Switch and InstrumentCo．)。隨著仿真內(nèi)窺鏡移動經(jīng)過結(jié)腸，內(nèi)窺鏡接觸結(jié)腸的不同部分(未示出，見下面圖5和6)。觸覺反饋由每一伺服電機(jī)80本身提供，它可以控制結(jié)腸的材料。
視覺系統(tǒng)40還包括一用戶界面84，最好是在Visual C++之中實(shí)施。用戶界面84包括先前為圖2所述的各GUI器件。此外，用戶界面84比如可使視覺系統(tǒng)40以一網(wǎng)絡(luò)界面86的最佳特性相互作用，使得其他一些學(xué)生可以經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)觀看屏幕顯示器22。用戶界面84還允許啟動至少一個(gè)，和最好是多個(gè)，輔導(dǎo)模塊88的輔導(dǎo)功能。輔導(dǎo)模塊88可以包括一特定的情況，諸如一帶有結(jié)腸癌癥的主題，以致可以向?qū)W生提出不同類型的診斷和醫(yī)治難題。學(xué)生可能隨后需要針對提出的情況正確地作出反應(yīng)。
輔導(dǎo)系統(tǒng)的一種范例較為詳細(xì)地示于圖4的方框圖之中。一輔導(dǎo)系統(tǒng)90如圖所示起始在方框92之中。接下去，使用者必須選定是否希望真實(shí)地與仿真內(nèi)窺鏡相互作用，或者是否使用者比較喜歡接受內(nèi)窺鏡檢查理論方面的輔導(dǎo)，一如在一方框94之中所示。下一個(gè)顯示詢問是否使用者是新手，一如在一方框96之中所示。如果回答是“是”，使用者被要求送入某種信息，一如方框98所示。如果回答是“否”，使用者被要求送入識別信息，諸如使用者姓名或識別編號，一如方框100所示。
接下來，使用者必須選定輔導(dǎo)的類型。比如，使用者可以選定按主題102輔導(dǎo)，按過程104輔導(dǎo)或按案例研討106輔導(dǎo)。按主題102輔導(dǎo)包括，但不局限于，諸如內(nèi)窺鏡操作、活組織檢查和息肉切除術(shù)的基本操作這樣的主題。按主題102輔導(dǎo)包括屏上支持，一如方框108之中所示。
按案例研討106輔導(dǎo)可以既按照案例編號也按照所需案例的水平，諸如初學(xué)者、中級人員和專家，來加以選定。最好是，通過綜合多種貯存案例的特點(diǎn)可以由一位教師或教授來制作各個(gè)案例研討。比如，一位教授可以制作一份案例病史，適合于一名20歲患結(jié)腸炎的男子，以致學(xué)生隨后能夠在這樣一位病人身上進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查。因而，輔導(dǎo)系統(tǒng)90最好是具有靈活性而使得許多不同類型的“病人”能夠得到研討。
如果需要，可以為按案例研討106輔導(dǎo)和按過程104輔導(dǎo)二者都提供屏上支持，一如在方框110之中所示。如果不需要屏上支持，使用者可以指明是否輔導(dǎo)過程實(shí)際上是一種正式測試，一如方框112之中所示。因而，輔導(dǎo)系統(tǒng)90包括既有教導(dǎo)學(xué)生的能力，也有測試學(xué)生的能力。
按照本發(fā)明的一項(xiàng)優(yōu)先實(shí)施例，輔導(dǎo)系統(tǒng)還包括一種仿真內(nèi)窺鏡檢查過程的簡化方案，用于按照視覺反饋教習(xí)內(nèi)窺鏡的正確操作，以及用于使得學(xué)生能夠理解視覺反饋與觸覺反饋之間的相應(yīng)關(guān)系。這種簡化方案將會強(qiáng)調(diào)一或多項(xiàng)特定任務(wù)的，諸如操作內(nèi)窺鏡通過結(jié)腸的執(zhí)行和掌握。
確實(shí)，這一優(yōu)先實(shí)施例可以推廣到一種方法，用于把一種為施行一真實(shí)醫(yī)療過程所需的具體技巧教給學(xué)生。這一方法可以包括抽取真實(shí)醫(yī)療過程的一部分視覺反饋，這最好是包括比在施行醫(yī)療過程期間所獲得的全部視覺反饋要少的視覺細(xì)節(jié)。這一部分視覺反饋可取地使得學(xué)生能夠作為必需的技巧而知悉器械的活動。
比如，簡化方案可以任由選擇地不以許多，甚至大多數(shù)，結(jié)腸的視覺細(xì)節(jié)作為視覺反饋。相反，結(jié)腸可取地是現(xiàn)為一光滑的、相對無特征的管筒，具有結(jié)腸的幾何形狀和各項(xiàng)尺寸，以便相關(guān)于仿真內(nèi)窺鏡經(jīng)過結(jié)腸內(nèi)部空間的運(yùn)動。更為可取地，簡化方案可以作為一項(xiàng)游戲而予以實(shí)施，其中學(xué)生們可因正確操作內(nèi)窺鏡而被獎(jiǎng)以分?jǐn)?shù)，并因不正確操作而被判罰。因而，學(xué)生會具有機(jī)會在某一低的心理壓力下和甚至“有趣”環(huán)境中來知悉為成功的內(nèi)窺鏡檢查所需的各項(xiàng)操作而沒有視覺細(xì)節(jié)分散精力。
圖5A和5B表明符合本發(fā)明的一示范性仿真胃-腸系統(tǒng)的各種機(jī)械狀況。人體模型114的一斷面視圖示于圖5A之中?？扇〉氖牵梭w模型114大約一米寬，在一真實(shí)的人體尺寸之內(nèi)。一仿真胃-腸系統(tǒng)116在人體模型114之內(nèi)。為明晰起見，仿真胃-腸系統(tǒng)116只包括結(jié)腸，應(yīng)當(dāng)理解，這絕不意味著是限制性的。仿真胃-腸系統(tǒng)116連接于一發(fā)射器118和一信號處理裝置120，也都安放在人體模型114之內(nèi)。如圖所示，一仿真內(nèi)窺鏡122可以通過一孔口124插進(jìn)入體模型114。在此情況下，由于仿真是針對主體結(jié)腸的內(nèi)窺鏡檢查的，所以孔口124可仿真主體的直腸。
仿真內(nèi)窺鏡122可以操縱其向上、向下、向左和向右。最好是，仿真內(nèi)窺鏡122是大約1800厘米長，類似于一真正內(nèi)窺鏡的長度。同樣最好是，仿真內(nèi)窺鏡122端頭的直徑是大約13．4mm，而內(nèi)窺鏡122其余部分具有大約10．2mm的直徑，又類似于一真正內(nèi)窺鏡的尺寸。
一旦仿真內(nèi)窺鏡122插進(jìn)仿真胃-腸系統(tǒng)116，仿真內(nèi)窺鏡122端頭上的傳感器76能夠檢測仿真內(nèi)窺鏡122的位置。傳感器76可取地具有三個(gè)自由度，更為可取地六個(gè)自由度，以便有效地仿真內(nèi)窺鏡122的操作。如果傳感器76具有六個(gè)自由度，檢測出來的取向包括狄卡兒坐標(biāo)x、y、z，以及傾斜角、仰角和方位角。此外，傳感器76可取地包括一傳感器發(fā)射器126，以致傳感器76的確切角度和位置可以相對于胃-腸系統(tǒng)116予以確定。傳感發(fā)射器126向信號處理裝置120發(fā)射數(shù)據(jù)，此裝置隨后分析和處理信號。經(jīng)過處理的信號而后給予發(fā)射器118，以便發(fā)射給一電子裝置128和一DC驅(qū)動裝置130。信號由DC驅(qū)動裝置130予以變換并傳遞給電子裝置128。電子裝置128然后把傳感器76的位置和方位傳送給軟件界面74，以致顯示系統(tǒng)的其余部分能夠利用此信息在顯示屏幕22上顯示正確的圖像用于視覺反饋。
本發(fā)明既提供視覺反饋也提供觸覺反饋。觸覺反饋可以通過由仿真胃-腸系統(tǒng)116施加力量在仿真內(nèi)窺鏡122上而予以提供，一如圖6A-6C之中所示。另外，觸覺反饋可以由仿真內(nèi)窺鏡122的機(jī)械動作予以提供，一如圖7A-7D之中所示。對于第一實(shí)施例來說，最好的是，仿真胃-腸系統(tǒng)116是由半撓性材料制成的，令人感覺是一種光滑和濕潤的材料。當(dāng)然，就像在第二實(shí)施例之中那樣，沿著一種半撓性的、光滑的、濕潤的材料滑移的真實(shí)感覺也可以通過內(nèi)窺鏡122本身的機(jī)構(gòu)予以提供。
胃-腸系統(tǒng)116的另外一項(xiàng)實(shí)施例，其中系統(tǒng)116安放在一盒器132而不是人體模型114之內(nèi)，一如圖5B之中所示。盒器132的優(yōu)點(diǎn)是，盒器132能夠用來包容任何無線電波，以致比如胃-腸系統(tǒng)116的機(jī)構(gòu)可以通過發(fā)射無線電波而予以控制。由于某種醫(yī)療設(shè)備對于這些無線電波是高度敏感的，它們需要留在人體模型114之內(nèi)。盒器132因此起到把胃-腸系統(tǒng)116與人體模型之外的外部環(huán)境隔絕開來的作用。胃-腸系統(tǒng)116的細(xì)節(jié)在圖6A之中比較容易看清，應(yīng)當(dāng)理解，圖5A、5B和6A表明同一胃-腸系統(tǒng)116。
圖6A表明符合第一實(shí)施例的胃-腸系統(tǒng)116，其中觸覺反饋是由一裝放在胃-腸系統(tǒng)116本身之內(nèi)的機(jī)構(gòu)通過作用在仿真內(nèi)窺鏡122上的力量而予以提供的。仿真胃-腸系統(tǒng)116是由一種半撓性材料制成的。許多動作盒器134沿著胃-腸系統(tǒng)116的外部表面間隔開來設(shè)置。為說明目的，畫出七個(gè)動作盒器134。每一動作盒器134，較為詳細(xì)地示于圖6B之中，具有至少一部，而最好是多部，伺服電機(jī)80，最好是直線電機(jī)。
每一伺服電機(jī)80連接于一活塞136?；钊?36的細(xì)節(jié)放大地畫在圖6B之中。每一活塞136連接于一臺座138，后者接觸胃-腸系統(tǒng)116外部表面的一部分材料?？扇〉氖?，臺座138實(shí)際上粘附于外部表面的這部分材料，以便較為容易地操縱此材料。
最好是，有兩種不同類型的活塞136。第一類型，為說明目的畫出其中兩個(gè)，是一種垂直力活塞140，用于造成胃-腸系統(tǒng)116一部分外部表面的垂直運(yùn)動。第二類型，為說明目的畫出其中一個(gè)，是一種水平力活塞142，用于造成胃-腸系統(tǒng)116一部分外部表面的水平運(yùn)動。在圖示的優(yōu)先實(shí)施例中，伺服電機(jī)80是一直接頂靠胃-腸系統(tǒng)116材料安放的振蕩電機(jī)，以致水平力活塞142只包括電機(jī)，不具有類似于垂直力活塞140的結(jié)構(gòu)。由于每一活塞136具有一相關(guān)的伺服電機(jī)80，胃-腸系統(tǒng)116外部表面的必需垂直和水平運(yùn)動可以通過伺服電機(jī)80的活動精確地予以確定。
每一活塞136，或者最好是附著的臺座138，接觸胃-腸系統(tǒng)116的材料，以便操縱此材料而施加力量頂靠內(nèi)窺鏡(未示出)。比如，一如圖6B之中所示，一第一垂直力活塞144可以移動接近伺服電機(jī)80，而一第二垂直力活塞146移動遠(yuǎn)離伺服電機(jī)80。這些移動可改變胃-腸系統(tǒng)116材料的位置，導(dǎo)致對仿真內(nèi)窺鏡施加類似于或等同于在一真實(shí)內(nèi)窺鏡檢查過程期間所感到的那些力量。此外，水平力活塞142，如圖所示最好是單獨(dú)一部振蕩伺服電機(jī)，水平移動以形成觸覺反饋感覺的更為纖細(xì)的細(xì)調(diào)。由各伺服電機(jī)80設(shè)置得遍及胃-腸系統(tǒng)116的三維表面，可以在三個(gè)方向上施加力量在內(nèi)窺鏡上。
伺服電機(jī)80的活動本身又由數(shù)字控制器82予以控制。數(shù)字控制器82可以是一個(gè)插進(jìn)PC計(jì)算機(jī)的插卡，此計(jì)算機(jī)將要進(jìn)行為仿真醫(yī)療過程所需的必要計(jì)算。由PC操作的軟件地把來自傳感器76的位置和方位信息使用在仿真內(nèi)窺鏡122上以確定仿真內(nèi)窺鏡122的位置。接下來，軟件按照應(yīng)當(dāng)由仿真內(nèi)窺鏡122操作者在仿真胃-腸系統(tǒng)116之內(nèi)該特定位置處感覺到的所需觸覺指令數(shù)字控制器82，數(shù)字控制器82然后在必要時(shí)使得至少一部伺服電機(jī)80推動相關(guān)的活塞136以形成觸覺反饋感覺。
數(shù)字控制器82可以通過某種類型的輻射，諸如紅外光線，連接于伺服電機(jī)80。不過，在醫(yī)院或醫(yī)療環(huán)境之內(nèi)對于某些波長諸如無線電波輻射的限制使得一條從數(shù)字控制器82伸向每一伺服電機(jī)80的導(dǎo)線所形成的連接甚為可取。在示于圖6B之中的示范實(shí)施例之中，每一伺服電機(jī)80由一條導(dǎo)線連接于一動作盒器控制器144。動作盒器控制器144然后最好是由單獨(dú)一條導(dǎo)線(未示出)連接于數(shù)字控制器82。這種結(jié)構(gòu)為了效率較高而限制了向數(shù)字控制器82所作各個(gè)連接的數(shù)量。
圖6C表明伺服電機(jī)80的一放大的斷面視圖，此伺服電機(jī)一如前述最好是一直線電機(jī)。最好是，伺服電機(jī)80大約是100mm寬和45mm高。
圖7A-7D表明用于形成觸覺反饋的機(jī)構(gòu)的一第二實(shí)施例。在此實(shí)施例中，機(jī)構(gòu)裝放在仿真內(nèi)窺鏡本身之內(nèi)，而不是仿真胃-腸系統(tǒng)之內(nèi)。類似于前一實(shí)施例，仿真胃-腸系統(tǒng)可以裝放在一基本上真人尺寸的人體模型之內(nèi)，后者帶有一孔口用于仿真直腸。其次，從學(xué)生或另一操作仿真內(nèi)窺鏡的個(gè)人的角度來看，兩項(xiàng)實(shí)施例都應(yīng)當(dāng)給出醫(yī)療過程的適當(dāng)仿真。不過，一如下面所述，形成仿真的觸覺部分的真實(shí)機(jī)構(gòu)是不同的。
圖7A表明一仿真內(nèi)窺鏡146的第二實(shí)施例。仿真內(nèi)窺鏡146的運(yùn)動和動作通過一組控制器148予以控制。仿真內(nèi)窺鏡146的端頭裝放在一導(dǎo)引套管150之內(nèi)。導(dǎo)引套筒150，較為詳細(xì)地示于圖7B之中，最好是留在仿真胃-腸系統(tǒng)(未示出；見圖7C)之內(nèi)，以便在插入人體模型(未示出)之前保持仿真內(nèi)窺鏡146的一種現(xiàn)實(shí)視覺外觀。最好是，內(nèi)窺鏡146的端頭具有一裝接上的金屬支架152，可以作出帶有“試樣”字眼的標(biāo)記或帶有另一標(biāo)記，以便澄清一下內(nèi)窺鏡146只是一種仿真而不是一種真實(shí)的醫(yī)療器械。導(dǎo)引套筒150的內(nèi)部最好是經(jīng)過磁化的，比如用電流。因而，當(dāng)內(nèi)窺鏡146的端頭被插入人體模型時(shí)，金屬支架152被吸向?qū)б淄?50，以致導(dǎo)引套筒150保持為裝接于內(nèi)窺鏡146的端頭。
導(dǎo)引套筒150具有至少一個(gè)，而最好是多個(gè)，滾珠軸承154，裝接于導(dǎo)引套筒150的外部表面。此外，導(dǎo)引套筒150具有至少一個(gè)，而最好是多個(gè)，附著的插棒156。一如圖7B之中詳細(xì)視圖所示，導(dǎo)引套筒150的一端最好是以一段撓性材料158為特征。如圖所示，內(nèi)窺鏡146的端頭最好是插穿導(dǎo)引套筒150。內(nèi)窺鏡146端頭以傳感器76為特征，類似仿真內(nèi)窺鏡的前一圖7C表明插入一仿真胃-腸系統(tǒng)160第二實(shí)施例之內(nèi)以后的仿真內(nèi)窺鏡146。仿真胃腸系統(tǒng)160最好是由一種剛性材料。此外，仿真胃-腸系統(tǒng)160最好是具有一般的解剖形狀和一真實(shí)胃-腸系統(tǒng)的各種特性，這出于兩種原因。第一，由于其彎曲和回轉(zhuǎn)，一般的解剖形狀可以比較容易地裝放在人體模型之內(nèi)。第二，一般的解剖形狀可以形成重大的觸覺反饋。比如，隨著任一內(nèi)窺鏡較深地插進(jìn)結(jié)腸，結(jié)腸的形狀會使觸覺感受由于內(nèi)窺鏡圍繞結(jié)腸之中的一彎段移動而被改變。因而，一般的解剖形狀對于有效的仿真是比較有用的。
隨著內(nèi)窺鏡146移動在仿真胃-腸系統(tǒng)160之內(nèi)，導(dǎo)引套筒150使得操作者以如下方式接收觸覺反饋。各滾珠軸承154沿著胃-腸系統(tǒng)160的內(nèi)部表面滾動。每一滾珠軸承154具有5個(gè)運(yùn)動自由度。每一插棒156連接于一直線電機(jī)162，一如圖7D之中橫截面上所示。直線電機(jī)162以類似于前一實(shí)施例伺服電機(jī)的方式受到控制。一當(dāng)收到來自計(jì)算機(jī)的信號，直線電機(jī)162導(dǎo)致插棒156垂直移動，從而導(dǎo)致仿真內(nèi)窺鏡146的操作者接收觸覺反饋感受。因而，導(dǎo)引套筒150可導(dǎo)致觸覺反饋通過內(nèi)窺鏡146被傳送回來。
此外，一如上述，導(dǎo)引套筒150最好是具有撓性材料段158。撓性材料段158導(dǎo)致內(nèi)窺鏡146端頭在某些情況下會遭遇某種阻力，諸如在端頭向自身回彎的時(shí)候。因而，撓性材料段158會限制端頭的運(yùn)動不致達(dá)到某些角度。
這一第二實(shí)施例的具體優(yōu)點(diǎn)是，大部分觸覺感受是由內(nèi)窺鏡自身確定的，以致這些感受比較容易自PC計(jì)算機(jī)得到控制。其次，可以按照來自計(jì)算機(jī)的指令來添加比如一種瘺管的解剖特點(diǎn)，而不必改變仿真胃-腸系統(tǒng)的實(shí)際模型。此外，在某些情況下，真實(shí)結(jié)腸的組織會迫使內(nèi)窺鏡向后，這是在第二實(shí)施例中可以比較容易予以再現(xiàn)的一種情況。因而，仿真胃-腸系統(tǒng)和內(nèi)窺鏡的第二實(shí)施例在再現(xiàn)較為多樣的解剖特點(diǎn)和狀況方面是比較靈活的。
圖8A-8E表明符合本發(fā)明的仿真內(nèi)窺鏡和結(jié)腸的又一特別優(yōu)先實(shí)施例。圖8A表明符合本發(fā)明的一種優(yōu)先醫(yī)療仿真系統(tǒng)。一系統(tǒng)164包括一人體模型166，代表過程有待施行于其上的主體，一仿真內(nèi)窺鏡(未示出，見圖8D)和一帶有視頻監(jiān)視器170的計(jì)算機(jī)168。人體模型166最好是包括一觸知區(qū)域172，用于通過觸摸人體模型166的腹部區(qū)域來確定仿真內(nèi)窺鏡的位置。觸知區(qū)域172最好是以具有一燈具(未示出)為特征，以致當(dāng)學(xué)生已經(jīng)確定仿真內(nèi)窺鏡的位置之后，燈具點(diǎn)亮以顯出仿真內(nèi)窺鏡的真實(shí)位置。
人體模型166還包括一仿真器官174，仿真內(nèi)窺鏡插入其中?？扇〉氖?，仿真器官174是一結(jié)腸，更為可取的是，它做成為一根直筒，通過一力量反饋機(jī)構(gòu)176形成為在結(jié)腸中彎曲處所需的力量反饋。更為可取的是，仿真醫(yī)療過程的視覺反饋不取決于仿真器官174本身的幾何形狀，以致視覺反饋和觸覺反饋二者都基本上完全與仿真器官174的結(jié)構(gòu)無關(guān)。
力量反饋機(jī)構(gòu)176可取的是包括一氣動力量反饋裝置178(較為詳細(xì)地示于圖8B、8D和8E)。更為可取的是，設(shè)置兩部這樣的氣動力量反饋裝置178，一個(gè)靠近人體模型166的口腔180，而另一靠近人體模型166的直腸182。一氣管184把每一氣動力量反饋裝置178連接于一氣泵186。最好是，氣泵186還包括一氣泵控制裝置188，連接于計(jì)算機(jī)168用于控制泵入氣動力量反饋裝置178的氣量。
計(jì)算機(jī)168也最好是包括一調(diào)制解調(diào)器190，用于連系于其他計(jì)算機(jī)。比如，調(diào)制解調(diào)器190可以使得計(jì)算機(jī)168連接于因特網(wǎng)或用于施行遠(yuǎn)程醫(yī)療的互聯(lián)網(wǎng)，或者連接于用于修理或故障排除的廠商的互聯(lián)網(wǎng)／計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。
圖8B和8C較為詳細(xì)地表明氣動力量反饋裝置178的各組成部分。一如圖8B之中所示，一部分仿真內(nèi)窺鏡192與氣動力量反饋裝置178相互作用以提供力量反饋給學(xué)生。力量反饋裝置178以具有許多可充氣的環(huán)圈194(在圖8C之中較為詳細(xì)地表明在已充氣位置上)為特征。每一可充氣環(huán)圈194可取地具有各異的半徑。更為可取地，有四個(gè)這樣的環(huán)圈194，至少其中之一具有的半徑大于內(nèi)窺鏡192和至少其中之一具有的半徑小于內(nèi)窺鏡192。給入各環(huán)圈194的氣量可取地分別確定了每一環(huán)圈194的充氣程度，從而確定了施加在內(nèi)窺鏡192上的力量大小。
可取的是，每一環(huán)圈194需要一秒或更為可取的是小于一秒來達(dá)到完全充氣的位置。氣流速率最好是高達(dá)100立升每分，而壓力高達(dá)3大氣壓。各環(huán)圈194最好是既用于被動力量反饋，諸如來自直腸收縮，也用于主動力量反饋，比如當(dāng)空氣按照仿真內(nèi)窺鏡192的一功能特點(diǎn)被泵入仿真器官174的時(shí)候(見圖8E)。
圖8D較為詳細(xì)地表明力量反饋機(jī)構(gòu)176。可取的是，各環(huán)圈194通過管筒184連接于氣泵186，管筒184更為可取的是分成為兩根管筒196，一第一管筒196，用于把空氣泵入各環(huán)圈194，和一第二管筒196，用于從各環(huán)圈194泵出空氣。由氣泵186泵送的氣量由氣泵控制器188予以控制。氣泵控制器188的動作最好是由計(jì)算機(jī)168通過一I／O(模擬至數(shù)字)插卡198予以控制。
圖8E較為詳細(xì)地表明仿真內(nèi)窺鏡192。仿真內(nèi)窺鏡192以具有多種控制器的一手柄200為特征，包括一第一控制器202，用于把空氣泵入仿真器官174，以及一第二控制器204，用于把空氣吸出仿真器官174。仿真內(nèi)窺鏡192最好是以具有一外科器具控制裝置206為特征，多種外科器具任由選擇地和可取地插入其中(見圖9A-9E)。仿真內(nèi)窺鏡192還最好是以具有一接收器208為特征，比如一“minibird”傳感器(Ascension LtdBurlington，Vermo nt，USA)。接收器208設(shè)置在仿真內(nèi)窺鏡192的端頭處。接收器208用于接收來自位于人體模型166之內(nèi)的一發(fā)射器210的傳送信息(見圖8A)，從而確定仿真內(nèi)窺鏡192端頭在仿真器官174之內(nèi)的位置。發(fā)射器210最好是一“minibird”發(fā)射器(Acension Ltd．)。接收器208然后把這些信號傳送給計(jì)算機(jī)168，后者利用這些信號用于確定有待在監(jiān)視器178上顯示給學(xué)生的力量反饋和視覺反饋的多少。
AAAA一如前述，圖9A-9E表明外科器具控制裝置206的一優(yōu)先實(shí)施例，多種外科器具任由選擇地和可取地插入此裝置。外科器具控制裝置最好是以具有一插入一器具套筒214的鑷子212為特征，從而仿真一內(nèi)窺鏡的真實(shí)鑷子。真實(shí)的鑷子用于施行息肉切除術(shù)，并以一環(huán)套為特征，此環(huán)套在操作裝置時(shí)從鑷子的端頭露出。此環(huán)套圍繞息肉安放并收緊。然后通過環(huán)套送電，以便切除息肉并燒灼此區(qū)域。
類似于真實(shí)鑷子，鑷子212在學(xué)生握住一鑷子手柄216時(shí)被插入，最好是包括一個(gè)按鈕或另一控制器，用于仿真通過“環(huán)套”起動“電”流的效應(yīng)。器具套筒214以一器具控制裝置218等特征，此裝置用于檢測鑷子212的各種動作，并把這些動作轉(zhuǎn)換為力量反饋和視覺反饋。視覺反饋包括比如適當(dāng)?shù)蔫囎印碍h(huán)套”的視覺顯示，以及“息肉切除術(shù)”之前和之后息肉的顯示。此外，環(huán)套的位置必須予以跟蹤，最好是包括在內(nèi)窺鏡之內(nèi)的上下運(yùn)動，以及環(huán)套的“滾”動。器具控制裝置218連接于計(jì)算機(jī)之內(nèi)的一I／O插卡(未示出)，用于從事多種類型反饋的必需計(jì)算。
圖9B和9C表明與218器具套筒214之內(nèi)器具控制裝置218與鑷子212相互作用時(shí)的鑷子212的兩個(gè)視圖。器具控制218以一導(dǎo)輪220和用于檢測鑷子212各種動作的一光輪222(圖9B)為特征。光輪222以許多切口為特征，光線可以穿過這些切口。器具控制裝置218的特征還在于一第一燈具224和一第一燈光傳感器226，以及一第二燈具228和一第一燈光傳感器230(圖9C)。當(dāng)光輪222隨著鑷子212的動作而轉(zhuǎn)動時(shí)，從第一燈具224和第二燈具228傳來的光線交替地被阻擋和解除阻擋，以致光線可由第一燈光傳感器226和第二燈光傳感器230交替地予以檢測和不予檢測。
圖9C表明器具控制裝置的一第二實(shí)施例。在此實(shí)施例中，一器具控制裝置232的特點(diǎn)在于兩個(gè)導(dǎo)輪234。兩個(gè)導(dǎo)輪234有助于導(dǎo)引器具套筒214之內(nèi)鑷子212的動作。一光輪236的特點(diǎn)也在于各個(gè)切口，通過這些切口，光線隨著鑷子212轉(zhuǎn)動在器具套筒214之內(nèi)而交替地被阻擋和解除阻擋。一光源(未示出)可生成如果穿過光輪236即由一光電眼238予以檢測的光線。光電眼238隨后把信號送給一連接于計(jì)算機(jī)(未示出)的PCB(印刷電路板)240，以致信號可以由計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換為所需的視覺反饋和力量反饋。
一腳踏板242示于圖9E，用于施行一仿真息肉切除術(shù)。腳踏板242的特點(diǎn)在于一油驅(qū)活塞和一微動開關(guān)246。微動開關(guān)246連接于計(jì)算機(jī)上的一I／O卡(未示出)，再次用于把腳踏板242的動作轉(zhuǎn)換成為所需的視覺反饋和力量反饋。
為了精確地再現(xiàn)在一醫(yī)療過程期間一真實(shí)內(nèi)窺鏡的觸覺感受，這些感受必須在一真實(shí)的真人患者身上的內(nèi)窺鏡檢查過程期間精確地予以取得。比如，這種觸覺感受可以從一位戴著諸如Data GlovesTMTracking VRSystem(Greenleaf Medical Systems)這樣的虛擬現(xiàn)實(shí)手套施行內(nèi)窺鏡檢查過程的醫(yī)生那里收集起來，這種手套已知能夠記錄有關(guān)在真實(shí)內(nèi)窺鏡檢查過程期間由醫(yī)生經(jīng)歷的觸覺感受和反饋的數(shù)據(jù)。這種真實(shí)數(shù)據(jù)是很重要的，因?yàn)橛|覺感受在過程進(jìn)行期間是變化的。比如，內(nèi)窺鏡動作與視覺顯示之間相關(guān)關(guān)系是隨著內(nèi)窺鏡更深地插入胃-腸系統(tǒng)而逐漸減小。因而，真實(shí)數(shù)據(jù)的收集在提供一精確的、現(xiàn)實(shí)的內(nèi)窺鏡仿真器時(shí)是一項(xiàng)重要的步驟。
最后，按照本發(fā)明的另一優(yōu)先實(shí)施例，提供一種仿真活組織檢查裝置(未示出)。這一活組織檢查裝置會仿真在內(nèi)窺鏡檢查期間用以從胃-腸系統(tǒng)那里截取組織樣本的真實(shí)活組織檢查裝置。真實(shí)的活組織檢查裝置裝放在內(nèi)窺鏡之內(nèi)。當(dāng)內(nèi)窺鏡的操作者想要取用一樣本時(shí)，活組織檢查裝置從內(nèi)窺鏡的端頭處露出，在這一部位處它在顯示屏幕上是可以看到的?；罱M織檢查裝置的各顎板隨后被張開并被推壓到組織上。各顎板然后被關(guān)閉，而活組織檢查裝置被撤回。組織的去除導(dǎo)致由于余留組織流血而出現(xiàn)血坑。
類似地，仿真活組織檢查裝置，當(dāng)仿真內(nèi)窺鏡的操作者使得仿真活組織檢查裝置露出時(shí)，將只出現(xiàn)在本發(fā)明的顯示屏幕上?；罱M織檢查的多顎板可取地表現(xiàn)為動畫形式，更為可取地具有較高的分辨率，因?yàn)轭€板是很小的，以致高分辨率不會對于PC計(jì)算機(jī)顯得是過分繁重的。組織的流血和造成的血坑也將以動畫表現(xiàn)。
將會理解，以上說明目的只是用作范例，而在本發(fā)明的精神和范疇之內(nèi)的許多其他一些實(shí)施例都是可能的。
權(quán)利要求
1．一種用于施行一仿真醫(yī)療過程的系統(tǒng)，包括(a)一仿真器官；(b)一仿真器械，用于在所述仿真器官上施行仿真醫(yī)療過程；(c)一定位器，用于確定所述仿真器械在所述仿真器官之內(nèi)的某一位置；以及(d)一視覺顯示器，用于按照所述仿真器官之內(nèi)所述仿真器械的所述位置顯示圖像以便提供視覺反饋，以致所述圖像可仿真在一施行在一真實(shí)主體上的真實(shí)醫(yī)療過程期間所接收的真實(shí)視覺數(shù)據(jù)，所述視覺顯示器包括(ⅰ)一數(shù)學(xué)模型，按照一相應(yīng)的真實(shí)器官模擬所述仿真器官，所述模型劃分為許多分段；(ⅱ)一加載器，用于選定至少一個(gè)所述許多分段以便顯示，所述至少一個(gè)所述許多分段按照所述仿真器官之內(nèi)所述仿真器械的所述位置予以選定；(ⅲ)一控制器，用于按照所述仿真器械的所述位置從所述分段中選定一仿真圖像；以及(ⅳ)一顯示器，用于顯示所述仿真圖像。
2．按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述視覺顯示器還包括(ⅴ)一紋理映射數(shù)據(jù)庫，用于儲存紋理映射數(shù)據(jù)；以及(ⅵ)一紋理映射引擎，用于基本上在所述仿真圖像由所述顯示器顯示之前把所述紋理映射數(shù)據(jù)覆蓋于所述仿真圖像。
3．按照權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述紋理映射是所述仿真器械的隨機(jī)動作和所述仿真器官的隨機(jī)動作的動畫。
4．按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述紋理映射包括從在所述真實(shí)主體上施行所述真實(shí)醫(yī)療過程中獲得的圖像。
5．按照權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述圖像是由首先在所述施行期間記錄所述視覺數(shù)據(jù)，而后從所述記錄的視覺數(shù)據(jù)中選定所述圖像而獲得的。
6．按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)在于許多按照一樣條制成的多邊形，所述樣條確定了所述數(shù)學(xué)模型在三個(gè)方向上的一種幾何形態(tài)。
7．按照權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述數(shù)學(xué)模型中對應(yīng)于所述仿真器官中某一變形的變形是通過改變所述樣條而予以確定的。
8．按照權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述仿真器官中所述變形是一種局部變形，所述仿真器官的所述局部變形是按照所述數(shù)學(xué)模型通過把一些多邊形添加于一部分所述數(shù)學(xué)模型，使得所述數(shù)學(xué)模型的所述部分被變形而生成的。
9．按照權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述數(shù)學(xué)模型是通過作為一條直線模擬所述仿真器官和改變所述樣條直至所述數(shù)學(xué)模型適合所述相應(yīng)的真實(shí)器官而從所述樣條生成。
10．按照權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述控制器按照所述仿真器官之內(nèi)所述仿真器械的至少一次先前動作來選定仿真圖像。
11．按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述顯示器還顯示一圖形用戶界面。
12．按照權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述圖形用戶界面可顯示用于協(xié)助施行醫(yī)療過程的輔導(dǎo)信息。
13．按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述仿真器官是一胃-腸系統(tǒng)。
14．按照權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述胃-腸系統(tǒng)是由一種半撓性、光滑材料制成的。
15．按照權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述仿真器械是一內(nèi)窺鏡，所述內(nèi)窺鏡的特點(diǎn)在于一傳感器，用于確定所述傳感器在所述胃-腸系統(tǒng)中的某一位置，此系統(tǒng)還包括(e)一計(jì)算機(jī)，用于按照所述傳感器的所述位置確定所述視覺反饋。
16．按照權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，還包括一觸覺反饋機(jī)構(gòu)，用于按照所述內(nèi)窺鏡所述端頭的所述位置形成仿真觸覺反饋。
17．按照權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述觸覺反饋機(jī)構(gòu)裝放在所述胃-腸系統(tǒng)之中，而所述胃-腸系統(tǒng)還包括(ⅰ)許多伺服電機(jī)；(ⅱ)一活塞，由所述許多伺服電機(jī)中的每一個(gè)操作，所述活塞接觸所述半撓性材料；以及(ⅲ)一控制器，用于控制所述許多伺服電機(jī)，以致所述活塞的某一位置由所述控制器予以確定，而且以致所述活塞的所述位置可形成所述觸覺反饋。
18．按照權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述觸覺反饋機(jī)構(gòu)位于內(nèi)窺鏡之中，而所述內(nèi)窺鏡還包括(ⅰ)一導(dǎo)引套筒，連接于所述內(nèi)窺鏡的所述端頭；(ⅱ)至少一個(gè)滾珠軸承，裝接于所述導(dǎo)引套筒，用于沿著所述胃-腸系統(tǒng)的內(nèi)部表面滾動；(ⅲ)至少一部直線電機(jī)，裝接于所述導(dǎo)引套筒；(ⅳ)一活塞，由所述直線電機(jī)操縱，所述活塞接觸所述胃-腸系統(tǒng)的所述內(nèi)部表面；以及(ⅴ)一控制器，用于控制所述直線電機(jī)，以致所述活塞的某一位置由所述控制器予以確定，而且以致所述活塞的所述位置形成所述觸覺反饋。
19．按照權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述觸覺反饋機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)在于(ⅰ)許多環(huán)圈，圍繞所述內(nèi)窺鏡，每一環(huán)圈具有不同的一半徑，至少一第一環(huán)圈的特點(diǎn)在于一半徑大于所述內(nèi)窺鏡的半徑和至少一第二環(huán)圈的特點(diǎn)在于一半徑小于所述內(nèi)窺鏡的所述半徑，每一所述許多環(huán)圈的所述半徑按照每一所述許多環(huán)圈的某一充氣程度而被控制，所述各環(huán)圈的所述半徑確定所述內(nèi)窺鏡的動作；(ⅱ)一氣泵，用于把空氣泵入所述許多環(huán)圈；(ⅲ)至少一個(gè)管筒，用于把所述氣泵連接于所述許多環(huán)圈；以及(ⅳ)一氣泵控制器，用于通過控制所述氣泵來確定所述許多環(huán)圈的所述充氣程度。
20．按照權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述至少一部管筒是兩個(gè)管筒，一第一管筒，用于把空氣泵入所述許多環(huán)圈，以及一第二管筒，從所述許多環(huán)圈吸出空氣，而所述氣泵把空氣泵入所述許多環(huán)圈和從所述許多環(huán)圈中吸出空氣，以致所述許多環(huán)圈的充氣程度通過交替地把空氣泵入所述許多環(huán)圈和從中吸出空氣而予以確定。
21．按照權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述胃-腸系統(tǒng)基本上是一根直管，以及所述觸覺反饋和所述視覺反饋基本上與所述胃-腸系統(tǒng)的某一幾何形狀無關(guān)。
22．按照權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述觸覺反饋機(jī)構(gòu)按照在一真實(shí)主體上所述施行醫(yī)療過程期間所獲得的觸覺反饋予以操作，所述觸覺反饋是通過虛擬現(xiàn)實(shí)手套來獲得的。
23．按照權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述內(nèi)窺鏡的特點(diǎn)還在于一用于握住所述內(nèi)窺鏡的手柄和一器具裝置，所述器具裝置包括(ⅰ)一仿真鑷子；(ⅱ)一槽道，用于容放所述仿真鑷子，所述槽道設(shè)置在所述手柄之中；(ⅲ)一器具控制裝置，用于檢測所述仿真鑷子的某一動作，所述器具控制裝置設(shè)置在所述槽道之中，而所述器具控制裝置連系于所述計(jì)算機(jī)，以致所述計(jì)算機(jī)按照所述仿真鑷子的所述動作確定所述視覺反饋和所述觸覺反饋。
24．按照權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述器具控制裝置檢測所述胃-腸系統(tǒng)之內(nèi)所述仿真鑷子的某一位置用于形成視覺反饋。
25．按照權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述器具控制裝置另外檢測一套所述仿真鑷子用于視覺反饋。
26．按照權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述視覺反饋包括所述仿真鑷子的用于施行息肉切除術(shù)的一仿真環(huán)套的顯示。
27．按照權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述器具控制裝置還包括(1)一光源，用于生成光線，所述光源設(shè)置在所述槽道之內(nèi)；(2)一光輪，用于按照所述仿真鑷子的動作交替地?fù)踝『筒粨跛龉饩€；以及(3)一光線檢測器，用于檢測所述光線，以致所述計(jì)算機(jī)按照所述光線檢測器確定所述仿真鑷子的某一動作。
28．一種用于施行一仿真內(nèi)窺鏡檢查過程的方法，包括各步驟(a)配置一種用于施行仿真內(nèi)窺鏡檢查過程的系統(tǒng)，包括(ⅰ)一仿真胃-腸系統(tǒng)；(ⅱ)一仿真內(nèi)窺鏡，用于在所述仿真胃-腸系統(tǒng)之內(nèi)施行仿真內(nèi)窺鏡檢查過程；以及(ⅲ)一定位器，用于確定在所述仿真胃-腸系統(tǒng)之內(nèi)所述仿真內(nèi)窺鏡的某一位置；以及(ⅳ)一視覺顯示器，用于按照所述仿真胃-腸系統(tǒng)之內(nèi)所述仿真內(nèi)窺鏡來顯示圖像，使得所述圖像仿真在施行在一真實(shí)主體上的一真實(shí)醫(yī)療過程期間所接收的視覺數(shù)據(jù)，所述視覺顯示器包括(1)一所述仿真胃-腸系統(tǒng)的三維數(shù)學(xué)模型，所述模型劃分為許多分段；(2)一加載器，用于選定至少一個(gè)所述許多分段以便顯示，所述至少一個(gè)所述分段是按照所述仿真胃-腸系統(tǒng)之內(nèi)所述仿真內(nèi)窺鏡的所述位置予以選定的；(3)一控制器，用于按照所述仿真器械的所述位置從所述分段選定一仿真圖像；以及(4)一顯示器，用于顯示按照所述控制器顯示所述仿真圖像，使得所述仿真圖像是一顯示出來的圖像；(b)把仿真內(nèi)窺鏡插入所述仿真胃-腸系統(tǒng)；(c)按照所述顯示出來的圖像接收視覺反饋；以及(d)按照所述胃-腸系統(tǒng)之內(nèi)所述內(nèi)窺鏡的所述位置接收觸覺反饋。
29．按照權(quán)利要求28所述的方法，其中所述顯示出來的圖像是按照所述仿真胃-腸系統(tǒng)之內(nèi)所述仿真內(nèi)窺鏡的至少一個(gè)先前的動作予以確定的。
30．一種用于顯示以一真實(shí)醫(yī)療器械在一真人器官上施行的一醫(yī)療過程的仿真視覺數(shù)據(jù)的方法，此方法包括各步驟(a)從在一真人患者身上施行一真實(shí)醫(yī)療過程之中記錄真實(shí)數(shù)據(jù)；(b)從所述真實(shí)數(shù)據(jù)中抽取許多各別圖像；(c)使所述許多個(gè)別圖像數(shù)字化以形成許多數(shù)字化的圖像；(d)選定至少一個(gè)所述數(shù)字化的圖像以形成一選定數(shù)字化圖像；(e)把所述選定的數(shù)字化的圖像作為紋理映射數(shù)據(jù)儲存在一紋理映射數(shù)據(jù)庫之中；(f)提供一真人器官的數(shù)學(xué)模型，所述模型劃分為許多分段；(g)從所述模型中選定所述許多分段之中的一個(gè)用于顯示；(h)把來自所述紋理映射數(shù)據(jù)庫的所述紋理映射數(shù)據(jù)覆蓋在所述模型的所述分段上面以形成至少一個(gè)最終圖像；以及(i)顯示所述最終圖像。
31．按照權(quán)利要求30所述的方法，其中來自所述真實(shí)醫(yī)療過程的所述施行的所述真實(shí)數(shù)據(jù)選自由視頻數(shù)據(jù)、MRI(磁共振成象)數(shù)據(jù)和CAT(計(jì)算機(jī)輔助斷層X射線攝影術(shù))掃描數(shù)據(jù)。
32．按照權(quán)利要求31所述的方法，其中步驟(f)還包括各步驟(ⅰ)按照一樣條把真人器官模擬成許多多邊形；(ⅱ)按照三維坐標(biāo)把所述樣條映射成真人器官；(ⅲ)改變樣條，以致樣條適合所述真實(shí)數(shù)據(jù)。
33．按照權(quán)利要求22所述的方法，其中所述紋理映射數(shù)據(jù)還包括動畫。
34．按照權(quán)利要求33所述的方法，其中所述動畫包括真實(shí)醫(yī)療器械的隨機(jī)動作和真實(shí)人體器官的隨機(jī)動作。
35．一種用于向?qū)W生教授為施行一真實(shí)醫(yī)療過程所需的某一特定技藝的方法，此真實(shí)醫(yī)療過程是以一真實(shí)醫(yī)療器械在一真實(shí)器官上施行的，帶有視覺反饋，此方法包括各步驟(a)配置一仿真器械，用于仿真所述真實(shí)醫(yī)療器械；(b)配置一仿真器官，用于仿真所述真實(shí)器官；(c)抽取真實(shí)醫(yī)療過程的一部分視覺反饋；(d)提供所述一部分視覺反饋用于仿真視覺反饋；以及(e)由學(xué)生按照所述一部分視覺反饋操作所述仿真器官之內(nèi)的所述仿真器械，以致所述仿真器械的某一動作是教給學(xué)生的一種技巧。
36．按照權(quán)利要求35所述的方法，其中所述一部分視覺反饋包括基本上少于真實(shí)醫(yī)療過程視覺反饋的視覺細(xì)節(jié)。
37．按照權(quán)利要求36所述的方法，其中所述仿真器官是一胃-腸系統(tǒng)的仿真，而所述仿真器械是一內(nèi)窺鏡的仿真。
38．按照權(quán)利要求37所述的方法，其中所述一部分視覺反饋只包括所述胃-腸系統(tǒng)內(nèi)部的幾何形狀。
全文摘要
一種用于仿真在一主體上施行的一醫(yī)療過程的系統(tǒng),特點(diǎn)在于:(a)一仿真器官;(b)一仿真器械,用于在仿真器官上施行醫(yī)療過程;(C)一定位器,用于確定所述仿真器官之內(nèi)仿真器械的某一位置;以及(d)一視覺顯示器,用于顯示出自醫(yī)療過程的圖像,使得圖像仿真在一真實(shí)主體施行的醫(yī)療過程期間接收的視覺數(shù)據(jù),視覺顯示器包括:(i)仿真器官的一三維模型,模型劃分為許多分段;(ii)一加載器,用于選定至少一個(gè)許多分段以便顯示,此至少一個(gè)許多分段是按照仿真器官之內(nèi)仿真器械的位置予以選定的;(iii)一控制器,用于按照仿真器械的位置從選定出來的分段中選定每一圖像;以及(iv)一顯示器,用于按照控制器顯示圖像。
文檔編號A61B1/00GK1293801SQ99804174
公開日2001年5月2日 申請日期1999年1月15日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月26日
發(fā)明者埃德娜·肖薩克, 戴維·巴凱, 蘭·布朗斯坦 申請人:西姆博尼克斯有限公司