CN102789732B - 用于教学及临床技能培训的经食管超声可视化仿真***与方法 - Google Patents

Abstract

一种用于教学及临床技能培训的经食管超声可视化仿真***，包括智能体模、TEE仿真探头、探头姿态装置和计算机。所述探头姿态装置由测距仪、角度测量器、勾摆模拟器和超声扇面旋转模拟器组成。一种经食管超声可视化仿真方法，包括以下步骤：第一步，将从医院临床超声检查仪数据库获取的超声心动图数据，以及临床超声检查仪定位的探头姿态数据与经食道超声心动图之间的对应关系数据存入上述经食管超声可视化仿真***的计算机中；第二步，构建虚拟三维动态心脏模型，并将其存入上述经食管超声可视化仿真***的计算机中；第三步，在进行模拟训练时，使用上述经食管超声可视化仿真***。

Description

用于教学及临床技能培训的经食管超声可视化仿真***与方法

技术领域

本发明本发明属于医学图像分析处理、虚拟仿真技术领域，涉及一种用于教学及临床技能培训的经食管超声可视化仿真***及方法。

背景技术

心脏病是人类健康的头号杀手，全世界1/3的人口死亡是因心脏病引起的，而我国每年有几十万人死于心脏病。心脏疾病的超声诊断一直是超声诊断领域的重点和难点，经食道超声心动图是心血管疾病诊断、监测领域的新进展，为多种心脏病和大血管疾病的诊断提供了新的手段。心脏结构和运动非常复杂，对检查者的空间思维能力和临床思维能力提出了更高的要求，研究新的计算机辅助工具用以提取医学超声图像中客观、定量和有临床意义的信息，并且用更加直观、真实地进行心脏器官的三维可视化便成为必要的医学需求。因此，如何经过高质量的培训认证，让医生能够迅速掌握超声心动图和超声诊断技术是非常重要的。国内外有很多医生和学生们亟待培训，因此开发适用于用于教学及临床技能培训的经食管超声可视化仿真***及方法十分必要。

目前，国外已经开发出了经胸超声心动图的简易模拟教学设备，其中在专利号为US2009/0130642的发明专利中，主要是对经胸方式获取超声图像进行培训，该模拟器通过传感器获取数据的方式能够获取模拟探头的空间位置，与事先采集的经胸超声切面图像进行匹配，显示三维心脏切面与对应的经胸超声图像，实现了对医生进行经胸超声图像采集的模拟训练，但只有当培训人员使用探头力度适当时，才会显示清晰的经胸超声心动图。

ZL200710090595.4的发明专利公开了一种虚拟经食道超声心动图***及实现方法，在临床教学和实际工作中，用于解决大量经食道超声心动图图像无法识别，经食道超声心动图难于普及和掌握的问题。但是该***和方法利用计算机三维重建技术建立的人体心脏三维可视化数字模型比较简单且对心脏内部细微结构的分割不精细，再者心脏及内部器官不能根据实际参数调整需求进行灵活变动，不能再现一个逼真的复合型心脏。另外是，***的虚拟探头为鼠标，临床医师和医学生操作使用时，跟真实的临床超声心脏检测截然不同。

英国伦敦大学医学院三位麻醉学家在2008年研发除了经食道超声模拟教学产品，该产品包括解剖学心脏模型、经食道超声模拟器（模拟软件）、仿真人体模型。但由于所述产品属于封闭的教学***，临床经验不容易被积累，扩充，因而不利于教学和临床之间的数据共享，不易于把临床经验随时补充到教学***中去。

日本的经食道超声模拟教学设备是由日本ＨＲＳ Medical Systems Inc在2008年成功研发，该产品包括了模拟探头、模拟人、图像数据库，但是没有实现三维可视化切面，而TEE学习的关键是二维超声切面在三维可视化心脏上的体现，由于没有实现开放式建模，因此很难进一步提升到临床手术辅助。

ZL 201010251812.5的发明专利“经食道心脏超声可视化仿真***及方法”实现了采集经食道超声切面时的姿态数据与三维可视化心脏切面一一匹配，提出了对心脏疾病的病理挖掘，并给出对应的超声切面与虚拟三维心脏模型的空间位置关系，但是该产品重建的三维心脏模型缺少对医学组织的生物力学等特性进行分析,不能充分表现心脏真实质感。另外,该产品采用的磁联动传感器由于物理接触及通讯线路接触不稳定，在进行位移距离的测量时，会出现接触不上以及打滑现象，从而导致某些超声心动图所对应的探头姿态参数（尤其是位移距离参数）并不准确，从而大大降低了模拟的真实感和准确度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于教学及临床技能培训的的经食管超声可视化仿真***与方法，以便实现真实模拟临床超声心脏检测诊断的环境和操作，进一步提高模拟的真实感和准确度。

本发明所述用于教学及临床技能培训的经食管超声可视化仿真***，包括智能体模、TEE仿真探头（TEE为“Transesophageal echocardiography”的缩写，其含义为“经食管超声心动图”）、探头姿态装置和计算机，所述智能体模由模体及设置在模体内的三维仿真模拟心脏和模拟食道及胃构成，所述探头姿态装置由测距仪、角度测量器、勾摆模拟器和超声扇面旋转模拟器组成，测距仪设置在智能体模的食道部位，TEE仿真探头经智能体模咽喉***测距仪，角度测量器安装在TEE仿真探头上，且为同轴线安装，勾摆模拟器和超声扇面旋转模拟器安装在TEE仿真探头的手柄上；所述测距仪用于采集TEE仿真探头***食道的深度数据，其信号输出端与计算机连接，将所采集到的数据传送给计算机，所述角度测量器用于采集TEE仿真探头的旋转角度数据，其信号输出端与计算机连接，将所采集到的数据传送给计算机，所述勾摆模拟器用于产生TEE仿真探头的勾摆角度变化数据，其信号输出端与计算机连接，将其所产生的数据传送给计算机，所述超声扇面旋转模拟器用于产生TEE仿真探头的超声波扇面旋转角度变化数据，其信号输出端与计算机连接，将其所产生的数据传送给计算机；所述计算机将接收到的TEE仿真探头的姿态数据与已储存在计算机内的TEE探头姿态数据进行关联匹配，并调出已储存在计算机内的与TEE探头姿态相对应的经食道心脏超声图像予以分析处理和可视化显示。

本发明所述用于教学及临床技能培训的经食管超声可视化仿真***，其探头姿态装置中的测距仪用于获取TEE仿真探头***食道深度的数据，其构件包括磁环、敏感头、电子盒和连接器，所述磁环和敏感头安装在用于插TEE仿真探头的空心轴上，所述电子盒的信号输入端通过电缆与敏感头的信号输出端连接，所述连接器的信号输入端与电子盒的信号输出端连接，其信号输出端与计算机连接。所述空心轴用于插装TEE仿真探头，当TEE仿真探头的***深度发生变化时，磁环产生的电磁波强度将发生变化，敏感头用于接收磁环产生的磁场信息数据并将磁场信号转变为模拟电信号，以及将模拟电信号传输给电子盒，电子盒将接收到的模拟电信号转换为数字电信号传输给连接器，连接器将接收到的电信号输送至计算机中。

本发明所述用于教学及临床技能培训的经食管超声可视化仿真***，其探头姿态装置中的角度测量器用于获取TEE仿真探头旋转角度的数据，其结构为电位器结构，包括第一电阻体、第一转轴、第一接触刷、第一正极触点、第一输出触点和第一负极触点；所述第一电阻体为环带体，安装在圆形底座上，所述第一转轴安装在圆形底座的中心部位，所述第一接触刷的一端与第一转轴连接，其另一端与第一电阻体接触，所述第一正极触点、第一负极触点分别安装在与第一电阻体两端连接的两导电片上，所述第一输出触点安装在与第一接触刷相接的导电片上，通过导线与计算机连接。

本发明所述用于教学及临床技能培训的经食管超声可视化仿真***，其探头姿态装置中的勾摆模拟器用于产生TEE仿真探头勾摆状态发生变化的数据（在教学与临床技能培训培训时，不对TEE仿真探头进行勾摆操作），所述勾摆模拟器由复合电位器、第一旋钮和第二旋钮组成；所述复合电位器包括第二电阻体、第三电阻体、第二转轴、第三转轴、第二接触刷、第三接触刷、第二正极触点、第二输出触点和第二负极触点；所述第二电阻体和第三电阻体为同圆心的环带体，安装在圆形底座上，第二电阻体的半径大于第三电阻体的半径；所述第三转轴安装在圆形底座的中心部位，所述第二转轴为空心轴，套装在第三转轴上；所述第二接触刷的一端与第二转轴连接，其另一端与第二电阻体接触，所述第三接触刷的一端与第三转轴连接，其另一端与第三电阻体接触；所述第二正极触点、第二负极触点分别安装在与第二电阻体和第三电阻体两端连接的两导电片上，所述第二输出触点安装在与第二接触刷和第三接触刷相接的导电片上，通过导线与计算机连接；所述第一旋钮固连在第二转轴上，所述第二旋钮固连在第三转轴上。

本发明所述用于教学及临床技能培训的经食管超声可视化仿真***，其探头姿态装置中的超声扇面旋转模拟器用于产生TEE仿真探头超声扇面旋转的数据（在教学与临床技能培训培训时，不对TEE仿真探头进行超声扇面旋转操作），所述超声扇面旋转模拟器为设置有两个按键的薄膜开关，其中一个按键用于产生TEE仿真探头顺时针超声扇面旋转的数据，另一个按键用于产生TEE仿真探头反时针超声扇面旋转的数据。

本发明所述用于教学及临床技能培训的经食管超声可视化仿真方法，包括以下步骤：

第一步，将从医院临床超声检查仪数据库获取的超声心动图数据，以及临床超声检查仪定位的探头姿态数据与经食道超声心动图之间的对应关系数据存入上述经食管超声可视化仿真***的计算机中；

第二步，构建虚拟三维动态心脏模型，并将其存入上述经食管超声可视化仿真***的计算机中，所述虚拟三维动态心脏模型采用树形结构对心脏及心脏各个子结构进行分级，体现心脏及心脏各个子结构之间的层级结构；

第三步，在进行模拟训练时，使用上述经食管超声可视化仿真***，将测距仪设置在智能体模的食道位置，将TEE仿真探头经智能体模咽喉***测距仪，操作TEE仿真探头、勾摆模拟器和超声扇面旋转模拟器，测距仪、角度测量器、勾摆模拟器和超声扇面旋转模拟器分别将各种TEE仿真探头姿态数据送入计算机中，计算机根据实时获取的TEE仿真探头姿态数据和已储存在计算机内的TEE探头姿态数据进行关联匹配，并与已储存在计算机内的经食道心脏超声心动图之间建立一一对应关系，调出与TEE仿真探头姿态数据相对应的真实超声心动图，同时在三维动态心脏模型上显示虚拟的切面和探头位置，然后再利用计算机对经食道超声心动图进行处理，对二维或三维超声图像进行数据测量，分析心脏的物理特性，采用有限元分析和细胞自动机的方法对心脏模型赋予心脏跳动所具有的动力学特性，重现人体心脏运动的全过程，同时结合心脏疾病专家知识库，构建典型心脏疾病病理挖掘模型，实现对心脏疾病的病理挖掘，并给出对应的超声切面与三维动态心脏模型的空间位置关系，结合对应的相关知识和病情资料进行计算机辅助教学中的临床诊疗决策，并进行可视化显示。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述用于教学及临床技能培训的的经食管超声可视化仿真***的计算机中所存储的超声心动图数据资源是从医院临床超声检查仪数据库获取的，在进行模拟培训时，TEE仿真探头的姿态数据通过测距仪、角度测量器、勾摆模拟器和超声扇面旋转模拟器组成的探头姿态装置获取，与ZL 201010251812.5相比，不仅能获得更加准确的TEE仿真探头姿态数据，大大提高了教学及临床技能培训中所调出的超声心动图的准确度，而且可延长使用寿命。

2、本发明所述用于教学及临床技能培训的的经食管超声可视化仿真***的计算机中所存储的虚拟三维动态心脏模型采用树形结构对心脏及心脏各个子结构进行分级，体现心脏及心脏各个子结构之间的层级结构，通过对心脏及心脏各个子结构进行三维仿真模型的构建，根据列表可以显示整个三维动态心脏模型，以及单独显示心脏各个子结构的静态三维仿真模型，并体现出仿真血管、肌肉和脂肪的一些细节，真实表现心脏及心脏各个子结构的外在质感，更加直观地对心脏及心脏各个子结构的解剖结构进行可视化展示，并使学员更加形象地理解心脏及心脏各个子结构。

3、本发明所述用于教学及临床技能培训的的经食管超声可视化仿真方法通过模拟教学软件***展现临床真实场景，可考查学员使用真实设备时的动作规范程度和临床反应，从而达到锻炼空间想象和手眼协调能力，达到视觉和行为的统一，提高教学和培训效果。

附图说明

图1是本发明所述用于教学及临床技能培训的的经食管超声可视化仿真***的结构示意图；

图2是本发明所述用于教学及临床技能培训的的经食管超声可视化仿真***中的测距仪的结构示意图；

图3是本发明所述用于教学及临床技能培训的的经食管超声可视化仿真***中的角度测量器、勾摆模拟器和超声扇面旋转模拟器在TEE仿真探头手柄上的安装位置示意图；

图4是本发明所述用于教学及临床技能培训的的经食管超声可视化仿真***中的角度测量器的结构示意图；

图5是本发明所述用于教学及临床技能培训的经食管超声可视化仿真***中组成勾摆模拟器的复合电位器的结构示意图；

图6是虚拟三维动态心脏模型的构建流程图。

图中，1-智能体模，2-测距仪，3-TEE仿真探头，4-TEE仿真探头的手柄，5-模拟心脏，6—模拟食道及胃，7—计算机，8—角度测量器（8-1第一电阻体、8-2第一转轴、8-3第一接触刷、8-4第一正极触点、8-5第一输出触点、8-6第一负极触点），9-磁环，10-空心轴，11—敏感头，12—电缆，13—电子盒，14—连接器，15—第一旋钮，16—复合电位器（16-1第二电阻体、16-2第三电阻体、16-3第三转轴、16-4第三接触刷、16-5第二接触刷、16-6第二正极触点、16-7第二输出触点、16-8第二负极触点、16-9第二转轴），17-第二旋钮，18-薄膜开关（18-1第一按键、18-2第二按键）。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述经食道心脏超声可视化仿真***及方法作进一步说明。

实施例1

本实施例中，用于教学及临床技能培训的的经食管超声可视化仿真***的结构如图1、图2所示，由智能体模1、TEE仿真探头3、探头姿态装置和计算机7组成。

所述智能体模1主要由模体及模体内设置的三维仿真模拟心脏5、模拟食道及胃6构成，智能体模的模体使用肉色软塑料制作仿真皮肤，头部的口腔可以活动，可张开关闭，头部和颈部可分开，以便使测距仪能方便地置入智能体模的食道部位。

所述探头姿态装置由测距仪2、角度测量器8、勾摆模拟器和超声扇面旋转模拟器组成。

测距仪2的结构如图2所示，包括磁环9、敏感头11（型号：SEM001，生产企业：泰普联合科技开发(北京)有限公司）、电子盒13（型号：SCM02，生产企业：泰普联合科技开发(北京)有限公司）和连接器14（型号：SC05，生产企业：泰普联合科技开发(北京)有限公司），所述磁环9和敏感头11安装在用于插TEE仿真探头3的空心轴10上，所述电子盒13的信号输入端通过电缆12与敏感头11的信号输出端连接，所述连接器14的信号输入端与电子盒13的信号输出端连接，其信号输出端与计算机7连接。使用时，将测距仪2设置在智能体模1的食道部位，TEE仿真探头3经智能体模咽喉***测距仪中安装磁环的空心轴的中心孔内，TEE仿真探头3***智能体模食道的深度其中L为智能体模口腔入口处至空心轴中心孔底端的长度，为TEE仿真探头顶端距空心轴中心孔底端的距离，为磁信号往返待测距离（TEE仿真探头顶端距空心轴中心孔底端的距离）一次产生的总的相位变化，ω为周期性电磁波的角频率，c为光速。

角度测量器8的结构如图4所示，其结构为电位器结构，包括第一电阻体8-1、第一转轴8-2、第一接触刷8-3、第一正极触点8-4、第一输出触点8-5和第一负极触点8-6；所述第一电阻体8-1为环带体，安装在圆形底座上，所述第一转轴8-2安装在圆形底座的中心部位，所述第一接触刷8-3的一端与第一转轴8-2连接，其另一端与第一电阻体8-1接触，所述第一正极触点8-4安装在与第一电阻体8-1右端连接的导电片上，所述第一负极触点8-6安装在与第一电阻体8-1左端连接的导电片上，所述第一输出触点8-5安装在与第一接触刷8-3相接的导电片上，通过导线与计算机7连接。角度测量器8安装在TEE仿真探头的手柄下端部段（如图3所示），其第一转轴8-2插装在TEE仿真探头内腔，与TEE仿真探头同轴线安装。TEE仿真探头的旋转带动第一转轴旋转，使第一接触刷也随着旋转，因而从第一输出触点输出的电压也随着改变，计算机对角度测量器输出的电信号进行处理，即可得到TEE仿真探头的选转角度。

勾摆模拟器由复合电位器16、第一旋钮15和第二旋钮17组成；所述复合电位器16包括第二电阻体16-1、第三电阻体16-2、第二转轴16-9、第三转轴16-3、第二接触刷16-5、第三接触刷16-4、第二正极触点16-6、第二输出触点16-7和第二负极触点16-8；所述第二电阻体16-1和第三电阻体16-2为同圆心的环带体，安装在圆形底座上，第二电阻体的半径大于第三电阻体16-2的半径；所述第三转轴16-3安装在圆形底座的中心部位，所述第二转轴16-9为空心轴，套装在第三转轴16-3上；所述第二接触刷16-5的一端与第二转轴16-9连接，其另一端与第二电阻体16-1接触，所述第三接触刷16-4的一端与第三转轴16-3连接，其另一端与第三电阻体16-2接触；所述第二正极触点16-6安装在与第二电阻体16-1和第三电阻体16-2右端连接的导电片上，所述第二负极触点16-8安装在与第二电阻体16-1和第三电阻体16-2左端连接的导电片上，所述第二输出触点16-7安装在与第二接触刷16-5和第三接触刷16-4相接的导电片上，通过导线与计算机7连接；所述第一旋钮15固连在第二转轴16-9上，所述第二旋钮17固连在第三转轴16-3上。勾摆模拟器安装在TEE仿真探头的手柄上（如图3所示），操作第一旋钮15或/和第二旋钮17使其旋转，即可带动第二转轴16-9或/和第三转轴16-3旋转，并使第二接触刷16-5或/和第三接触刷16-4随着旋转，因而从第二输出触点16-7输出的电压也随着改变，该电压信号输入计算机7后，经计算机处理即为TEE仿真探头发生勾摆的数据；第二接触刷16-5的旋转产生TEE仿真探头向左或向右摆动的信息，第三接触刷16-4的旋转产生TEE仿真探头前曲或者后伸的信息。

超声扇面旋转模拟器为设置有两个按键的薄膜开关18（型号：MD-230，生产企业：北京美博瑞电子薄膜开关有限公司），安装在TEE仿真探头的手柄上（如图3所示）。操作薄膜开关的第一按键18-1，所产生的信号输入计算机并经计算机处理即为TEE仿真探头顺时针超声扇面旋转的数据；操作薄膜开关的第二按键18-2，所产生的信号输入计算机并经计算机处理即为TEE仿真探头反时针超声扇面旋转的数据。

所述计算机7安装有经食管超声可视化仿真***软件，所述软件主要用于经食管超声可视化仿真教学及临床技能培训，主界面包括两个模式：实时交互模式以及20标准切面独立模式。实时交互模式中，***设备使用双屏显示，左屏窗口提供右屏三维模型扇面所处位置的超声心动图，可实现屏幕自由手画、屏幕标注注释、超声心动图帧浏览以及讲解存图功能；右屏窗口完成三维心脏模型显示，可实现3D心脏自由触摸旋转、缩放、平移、归位，同时可以显示超声切面处3D心脏切剖，实现超声切面透明度调节和3D心脏场景存图。20标准切面独立模式则提供了常见病变检查所需的20个标准切面，选择某一标准切面，可以在3D心脏上看到该切面的相对位置、该位置的心脏解剖结构以及对应的超声心动图，可通过按键进行彩超和黑白超声切换，同时***将提示该切面的获得方式、可以辨认的结构以及通常可以诊断的病例。

所述TEE仿真探头由探头体和安装在探头体上的手柄4构成，探头体用塑料制作。

实施例2

本实施例用于教学及临床技能培训的经食管超声可视化仿真方法使用实施例1所述经食管超声可视化仿真***，步骤如下：

第一步，将从医院临床超声检查仪数据库获取的超声心动图数据，以及临床超声检查仪定位的探头姿态数据与经食道超声心动图之间的对应关系数据存入实施例1所述经食管超声可视化仿真***的计算机7中。

第二步，构建虚拟三维动态心脏模型，并将其存入实施例1所述经食管超声可视化仿真***的计算机7中，所述虚拟三维动态心脏模型采用树形结构对心脏及心脏各个子结构进行分级，体现心脏及心脏各个子结构之间的层级结构。

构建虚拟三维动态心脏模型采用以下步骤实现：

1、采用基于解剖学的分层建模算法，应用专业建模软件(3d max，maya，mitk等)对人体心脏进行三维建模，构建流程（见图6）如下：

（1）采用树形结构对心脏及其各个子结构进行分级，形成树形列表；

依据医学基本理论知识，对心脏各个结构划分层级，采用Visual C++通过编程将该层级关系以界面列表的形式展现出来。

（2）依次对心脏及心脏各个子结构进行虚拟三维模型构建；

采用专业建模软件(3d max，maya，mitk等)对心脏各个子结构进行三维建模，使得模型更具有真实性和直观性。

（3）对心脏及心脏各个子结构的虚拟三维模型与树形列表进行融合匹配；

对心脏及各个子结构进行逻辑坐标定位，通过树形列表标签进行三维模型数据库调用，完成三维模型与树形列表的融合匹配。

（4）实现树形列表与心脏及心脏各个子结构三维模型之间的交互显示。

通过以上步骤，采用Visual C++编程实现树形列表与心脏及心脏各个子结构三维模型之间的交互显示。

2、提取压力、容积、时间和心电兴奋序列作为力学分析数据来源，分析心脏的物理特性；

心脏的形状和压力、容积有关，根据压力随时间的变化曲线和容积随时间的变化曲线可以得到压力和容积的关系曲线图，把压力和容积的变化曲线反应到心脏模型中，同时在心脏模型中加入心电兴奋力，根据血流动力学知识以及压力、容积、时间参数来分析心脏的物理特性。

3、采用有限元分析和细胞自动机的方法对心脏模型赋予心脏跳动所具有的动力学特性，重现人体心脏运动的全过程。

采用细胞自动机的方法模拟单细胞及多细胞的兴奋及繁衍，利用八节点等参元有限元方法，在具有各向同性的心室弹性体几何模型中加入心电兴奋力，建立了复合心脏模型，并仿真了心室的运动和变形，重现了人体心脏运动的全过程。

第三步，在进行模拟训练时，使用实施例1所述经食管超声可视化仿真***，将测距仪2设置在智能体模1的食道位置，将TEE仿真探头3经智能体模咽喉***测距仪，操作TEE仿真探头3、勾摆模拟器和超声扇面旋转模拟器，测距仪2、角度测量器8、勾摆模拟器和超声扇面旋转模拟器分别将各种TEE仿真探头姿态数据送入计算机7中，计算机7根据实时获取的TEE仿真探头姿态数据和已储存在计算机内的临床超声检查仪的探头姿态数据进行关联匹配，并与已储存在计算机内的经食道心脏超声心动图之间建立一一对应关系，调出与TEE仿真探头姿态数据相对应的超声心动图，同时在三维动态心脏模型上显示虚拟的切面和探头位置，然后再利用计算机（7）对经食道超声心动图进行处理，对二维或三维超声图像进行数据测量，分析心脏的物理特性，采用有限元分析和细胞自动机的方法对心脏模型赋予心脏跳动所具有的动力学特性，重现人体心脏运动的全过程，同时结合心脏疾病专家知识库，构建典型心脏疾病病理挖掘模型，实现对心脏疾病的病理挖掘，并给出对应的超声切面与三维动态心脏模型的空间位置关系，结合对应的相关知识和病情资料进行计算机辅助教学中的临床诊疗决策，并进行可视化显示。

本发明中，对于二维图像的识别包括了图像预处理、图像轮廓提取以及图像测量、可视化显示四个步骤来实现。

①图像预处理包括了图像增强、二值化处理等预处理过程。

②图像轮廓提取，用于对提取心房、心室的轮廓，采用基于最优几何模型的心脏超声图像分割方法实现。

③图像测量实时计算出心房、心室收缩和舒张数据。

④图像识别获取超声切面旋转角度。

本发明提出的基于最优几何模型的心脏超声图像分割方法分为五个步骤，描述如下：

①选择一种经典分割方法来分割图像，同时定义该方法所需使用参数的变化范围。

②在参数范围中选择一数值，使用该值利用所选分割方法分割图像，致使原始图像被分割成两个以上的区域。

③遍历所有分割出的区域，并将每个区域二值化处理。

④提取每个二值化区域的边界像素坐标集合，利用该集合数据，可判定该区域与先验几何特征的匹配程度；最终，每个分割后的区域都可算得一个与先验几何特征关联的“几何模型符合度”。

⑤如果①中所定义的分割方法参数范围还有未使用的参数，则选取它重新执行②步到④步。否则，选取一个具有最大“几何模型符合度”的区域作为最终的分割结果。

上述②步到④步可用如下公式描述：

$\left\{\begin{array}{c}F(f\left(p_i\right),G)=\{(R_{i1},g_{i1}),(R_{i2},g_{i2}),...,(R_{\mathrm{iN}},g_{\mathrm{iN}})\}\\ p_i\∈P,(i=\mathrm{1,2},...,M)\end{array}\right.$

F为基于最优几何模型的图像分割整体过程；f是所选择的经典图像分割方法；p_i是f的所选取的某个参数值；P是预先定义的分割参数值变化范围，其中包含M个可选值；G为分割目标区域的粗略估计先验几何模型。

经过选定p_i的一次处理，产生的结果是包含N个元素的二维向量集合，每个元素表示为：(R_i，j，g_i，j)，其中N的数值随着所选取的f和p_i变化。R_i,j是f(p_i)所分割出的第j个区域；g_i，j是R_i,j的“几何模型符合度”。

第⑤步骤同样可描述为如下公式，其中R为所求的最终分割结果：

$\left\{\begin{array}{c}(I,J)=\arg \left\{\max g_{\mathrm{ij}}\right\}\\ R=R_{\mathrm{IJ}}\end{array}\right.$

在上述介绍中，计算g_i，j是一个关键环节。如果某些边界像素值没有“贡献于”该区域的预定义几何模型，对于该区域的“几何模型符合度”来说，这些边界像素可视为错误数据。

在经食道心脏超声可视化教学***方面，该教学***可在3D场景中反映出当前3D心脏模型及心脏各个子结构3D模型、3D食道模型及3D超声探头模型的真实姿态。除展示经食道心脏超声诊断病理的20个常用超声切面影像外，还有对应超声方向的3D切面模型及对应的相关知识介绍。

***设备使用双屏显示，采用实时交互模式，左屏窗口提供右屏三维模型扇面所处位置的超声心动图，可实现屏幕自由手画、屏幕标注注释、超声心动图帧浏览以及讲解存图功能。右屏窗口完成三维心脏模型显示，可实现3D心脏自由触摸旋转、缩放、平移、归位，同时可以显示超声切面处3D心脏切剖，实现超声切面透明度调节和3D心脏场景存图。

在显示屏的右上窗口展示该处切面的超声影像，具体分为黑白超声、彩色超声及黑白彩色对比超声。超声影像切面与3D模型探头扇状标识有颜色对应匹配关系。

在显示屏的下窗口为讲解窗口，具体分为“教学说明”，“获取该超声图像的方式”，“该超声图像中可辨认的结构”及“该超声图像可诊断的病例”。

软件基于WPF(Windows Presentation Foundation)平台开发，WPF用于为不同用户界面提供统一的显示***，为所有的这些用户界面提供一致的技术基础，同时，WPF采用更为先进的方法，支持视频、动画、二维或三维图形以及各种类型的文档，还为桌面客户端和浏览器客户端提供了通用基础。

所有的3D模型为标准的3D模型文件格式--OBJ格式，适合用于3D模型之间的互导，支持多边形、直线、表面及自由形态曲线。

WPF 3D显示及相关操作使用System.Windows.Media.Media3D名字空间，模型为GeometryModel3D类对象，解析OBJ顶点坐标、纹理坐标及法向到该对象的MeshGeometry3D属性，再设置其纹理及光照及视角，即可显示模型。

3D模型的动画操作使用System.Windows.Media.Animation.AnimationTimeline名字空间。随着超声图像的心脏运动频率，设置Timeline对象的Duration属性；随着超声图像的心脏结构空间变化范围，设置3D模型关键节点坐标的关键帧位置Point3D属性。

超声图像功能使用WPF中MediaElement控件，可控制播放。超声图像添加注释编辑，使用了图层技术，将Canvas置于MediaElement之上，Canvas添置各类Geometry对象即可。探头相关位置，海量超声影像图，20处心脏切面的相关文字说明。

该软件***设计的目的是配合智能体模，在实际培训操作中产生真实、直观、生动及便利的教学效果。

Claims (6)

1.一种用于教学及临床技能培训的经食管超声可视化仿真***，包括智能体模（1）、计算机（7），所述智能体模主要由模体及设置在模体内的三维仿真模拟心脏（5）和模拟食道及胃（6）构成，其特征在于还包括TEE仿真探头（3）和探头姿态装置；所述探头姿态装置由测距仪（2）、角度测量器（8）、勾摆模拟器和超声扇面旋转模拟器组成，测距仪（2）设置在智能体模（1）的食道部位，TEE仿真探头（3）经智能体模咽喉***测距仪，角度测量器（8）安装在TEE仿真探头（3）上，且为同轴线安装，勾摆模拟器和超声扇面旋转模拟器安装在TEE仿真探头的手柄（4）上；

所述测距仪（2）用于采集TEE仿真探头（3）***食道的深度数据，测距仪包括磁环（9）、敏感头（11）、电子盒（13）和连接器（14），所述磁环（9）安装在用于插TEE仿真探头（3）的空心轴（10）上，所述敏感头（11）位于磁环（9）与电子盒（13）之间，所述电子盒（13）的信号输入端通过电缆（12）与敏感头（11）的信号输出端连接，所述连接器（14）的信号输入端与电子盒（13）的信号输出端连接，其信号输出端与计算机连接，将所采集到的数据传送给计算机（7）；所述角度测量器（8）用于采集TEE仿真探头的旋转角度数据，其信号输出端与计算机（7）连接，将所采集到的数据传送给计算机（7）；所述勾摆模拟器用于产生TEE仿真探头（3）的勾摆角度变化数据，其信号输出端与计算机（7）连接，将其所产生的数据传送给计算机（7）；所述超声扇面旋转模拟器用于产生TEE仿真探头（3）的超声波扇面旋转角度变化数据，其信号输出端与计算机（7）连接，将其所产生的数据传送给计算机（7）；

所述计算机（7）将接收到的TEE仿真探头（3）的姿态数据与已储存在计算机内的TEE探头姿态数据进行关联匹配，并调出已储存在计算机内的与TEE探头姿态相对应的经食道心脏超声图像予以分析处理和可视化显示。

2.根据权利要求1所述用于教学及临床技能培训的经食管超声可视化仿真***，其特征在于角度测量器（8）为电位器结构，包括第一电阻体（8-1）、第一转轴（8-2）、第一接触刷（8-3）、第一正极触点（8-4）、第一输出触点（8-5）和第一负极触点（8-6）；

所述第一电阻体（8-1）为环带体，安装在圆形底座上，所述第一转轴（8-2）安装在圆形底座的中心部位，所述第一接触刷（8-3）的一端与第一转轴（8-2）连接，其另一端与第一电阻体（8-1）接触，所述第一正极触点（8-4）、第一负极触点（8-6）分别安装在与第一电阻体（8-1）两端连接的两导电片上，所述第一输出触点（8-5）安装在与第一接触刷（8-3）相接的导电片上，通过导线与计算机连接。

3.根据权利要求1或2所述用于教学及临床技能培训的经食管超声可视化仿真***，其特征在于勾摆模拟器由复合电位器（16）、第一旋钮（15）和第二旋钮（17）组成；

所述复合电位器（16）包括第二电阻体（16-1）、第三电阻体（16-2）、第二转轴（16-9）、第三转轴（16-3）、第二接触刷（16-5）、第三接触刷（16-4）、第二正极触点（16-6）、第二输出触点（16-7）和第二负极触点（16-8）；

所述第二电阻体（16-1）和第三电阻体（16-2）为同圆心的环带体，安装在圆形底座上，第二电阻体的半径大于第三电阻体（16-2）的半径；所述第三转轴（16-3）安装在圆形底座的中心部位，所述第二转轴（16-9）为空心轴，套装在第三转轴（16-3）上；所述第二接触刷（16-5）的一端与第二转轴（16-9）连接，其另一端与第二电阻体（16-1）接触，所述第三接触刷（16-4）的一端与第三转轴（16-3）连接，其另一端与第三电阻体（16-2）接触；所述第二正极触点（16-6）、第二负极触点（16-8）分别安装在与第二电阻体（16-1）和第三电阻体（16-2）两端连接的两导电片上，所述第二输出触点（16-7）安装在与第二接触刷（16-5）和第三接触刷（16-4）相接的导电片上，通过导线与计算机连接；

所述第一旋钮（15）固连在第二转轴（16-9）上，所述第二旋钮（17）固连在第三转轴（16-3）上。

4.根据权利要求1或2所述用于教学及临床技能培训的经食管超声可视化仿真***，其特征在于超声扇面旋转模拟器为设置有两个按键的薄膜开关（18）。

5.根据权利要求3所述用于教学及临床技能培训的经食管超声可视化仿真***，其特征在于超声扇面旋转模拟器为设置有两个按键的薄膜开关（18）。

6.一种用于教学及临床技能培训的经食管超声可视化仿真方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，将从医院临床超声检查仪数据库获取的超声心动图数据，以及临床超声检查仪定位的探头姿态数据与经食道超声心动图之间的对应关系数据存入权利要求1所述***的计算机（7）中；

第二步，构建虚拟三维动态心脏模型，并将其存入权利要求1所述***的计算机（7）中，所述虚拟三维动态心脏模型采用树形结构对心脏及心脏各个子结构进行分级，体现心脏及心脏各个子结构之间的层级结构；

第三步，在进行模拟训练时，使用权利要求1所述***，将测距仪（2）设置在智能体模（1）的食道位置，将TEE仿真探头（3）经智能体模咽喉***测距仪，操作TEE仿真探头（3）、勾摆模拟器和超声扇面旋转模拟器，测距仪（2）、角度测量器（8）、勾摆模拟器和超声扇面旋转模拟器分别将各种TEE仿真探头姿态数据送入计算机（7）中，计算机（7）根据实时获取的TEE仿真探头姿态数据和已储存在计算机内的临床超声检查仪的探头姿态数据进行关联匹配，并与已储存在计算机内的经食道心脏超声心动图之间建立一一对应关系，调出与TEE仿真探头姿态数据相对应的超声心动图，同时在三维动态心脏模型上显示虚拟的切面和探头位置，然后再利用计算机（7）对经食道超声心动图进行处理，对二维或三维超声图像进行数据测量，分析心脏的物理特性，采用有限元分析和细胞自动机的方法对心脏模型赋予心脏跳动所具有的动力学特性，重现人体心脏运动的全过程，同时结合心脏疾病专家知识库，构建典型心脏疾病病理挖掘模型，实现对心脏疾病的病理挖掘，并给出对应的超声切面与三维动态心脏模型的空间位置关系，结合对应的相关知识和病情资料进行计算机辅助教学中的临床诊疗决策，并进行可视化显示。