CN111445754B - 一种模拟激光外科手术的辅助训练*** - Google Patents

一种模拟激光外科手术的辅助训练*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种模拟激光外科手术的辅助训练***，包括：病灶仿体；正常组织仿体，位于病灶仿体的两侧；激光手柄，位于病灶仿体的上方；多模态传感器网络，用于实时采集病灶仿体受激光手柄照射后的温度变化数据及激光透过病灶仿体或正常组织仿体后的透过光能量；数据采集模块，用于采集温度变化数据和光能量；摄像头/红外热像头，用于实时探测病灶仿体的表面温度和图像变化情况；上位机，与数据采集模块和摄像头/红外热像头连接，用于接收温度变化数据、光能量及病灶仿体的表面温度和图像变化数据，并对温度变化数据、光能量及病灶仿体的表面温度和图像变化数据进行处理。本发明中的上述***可对激光手术进行智能辅助训练。

Description

一种模拟激光外科手术的辅助训练***
技术领域
本发明涉及激光外科手术领域，特别是涉及一种模拟激光外科手术的辅助训练***。
背景技术
利用强激光被生物组织吸收来所产生的热效应从而在组织上产生凝结、汽化、碳化、熔融等效应，是激光外科手术的理论基础。激光外科手术具有非接触、流血少、控制精度高等诸多优点，目前已在临床中获得了相当广泛的应用和普及。然而，在激光外科手术中，激光照射组织所产生的热效应也带来了热损伤等副作用，如激光波长、工作模式、功率密度、能量密度等参数选择不当，或在术中操作激光照射到非病灶区域或损伤病灶附近肌肉和神经等正常组织，均有可能造成热损伤等副作用乃至产生严重医疗事故。要最大限度的减小激光外科手术热损伤副作用，有两种解决方案：1.提升激光技术，在激光能量密度相同的情况下尽可能的使能量在病灶区域被高效吸收，产生蚀除等在极小区域上的瞬时热效应，不将热量传给病灶外组织；2.提高医生的施术经验，使之能够针对临床病灶选择更合理的激光参数，进行更合理的操作。针对前者，美国哈佛大学麻省总院的安德森教授等于1983年提出选择性光热解理论，指出针对机体的特定组织、细胞和细胞器上的生色团，采用波长合适(通常是在这些组织、细胞和细胞器上有较高吸收率)、能量密度和脉冲宽度合适的光可造成这些组织的选择性损伤，而对周边其他组织损伤较小。通过这种脉冲激光的选择性吸收可以进行精确的激光微手术。据此，系列针对组织内血红蛋白吸收峰的532nm和1064nm、针对组织内水吸收峰的CO2(10600nm，9340nm)、ErYAG(2940nm)、Er:HoYAG(2870nm)等激光器被迅速的应用于临床中对血管、皮肤、肿瘤、骨组织和牙体硬组织等的外科手术中。同时，脉冲宽度从微秒到飞秒的提升，使得激光可产生烧蚀等热效应极小，而对组织的精准***和切割作用表现优异的新效应。飞秒激光的技术开发者亚瑟·阿斯金由此获得了2018年的诺贝尔奖。然而，激光理论和技术上的提升固然对其临床应用产生了巨大的推动作用，但实际激光手术是由医生来进行操作的，临床医生激光手术操作经验是决定手术效果的重要因素。如临床医生激光手术操作经验不足，其激光手术发生热损伤等副作用乃至产生医疗事故的概率就会相对较大。这样有可能会进一步的使医生因畏惧医疗事故的产生从而选择其他手术技术。由此，这种临床操作经验的不足即有可能导致医疗事故的产生，又限制了激光手术的应用和推广。而针对医生施术经验的提升，目前主要通过有丰富使用经验的教授进行激光医学授课和培训，激光医学学术组织制定临床规范以及医生在动物的对应组织(如猪下颌骨模拟口腔、鸡冠组织模拟血管)中进行模拟实验来提升，尚无可将临床医生实际操作效果进行模拟和实时量化分析的技术解决方案。
为解决上述问题，本发明创造了一种基于多模态传感器网络的激光手术离体仿体光热动态参数检验技术，基于此技术，建立了一个由具有丰富临床操作经验的专家所组成的专家库，利用智能算法，可以实时的对临床医生在离体仿体上的每次操作进行分析，辅助医生迅速提升激光操作经验，从而减少乃至避免热损伤副作用的产生，助力激光手术临床推广和应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种模拟激光外科手术的辅助训练***，对激光手术进行智能辅助训练。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种模拟激光外科手术的辅助训练***，所述***包括：
病灶仿体；
正常组织仿体，位于所述病灶仿体的两侧和/或下方；
激光手柄，位于所述病灶仿体的上方；
多模态传感器网络，分布于所述病灶仿体和所述正常组织仿体之间，用于实时采集病灶仿体受所述激光手柄照射后的温度变化数据及激光透过所述病灶仿体和/或所述正常组织仿体后的透过光能量；
数据采集模块，与所述多模态传感器网络连接，用于采集所述温度变化数据和所述光能量；
摄像头/红外热像头，位于所述病灶仿体和所述正常组织仿体的斜上方，用于实时探测所述病灶仿体的表面温度和图像变化情况；
上位机，与所述数据采集模块和所述摄像头/红外热像头连接，用于接收所述温度变化数据、所述光能量及所述病灶仿体和/或所述正常组织仿体的表面温度和图像变化数据，并对所述温度变化数据、所述光能量及所述病灶仿体和/或所述正常组织仿体的表面温度和图像变化数据进行处理。
可选的，所述***还包括：
用于防止反射激光进入操作者眼部，造成模拟手术事故的遮光罩，所述遮光罩为上下开口的筒形，底部开口用于罩住所述病灶仿体和所述正常组织仿体，顶部开口用于所述激光手柄的伸入。
可选的，所述遮光罩的材质为透明玻璃。
可选的，所述透明玻璃采用镀膜技术实现对特定波长激光的吸收。
可选的，所述摄像头/红外热像头位于所述遮光罩外表面。
可选的，所述多模态传感器网络具体包括：多个微型温度传感器和能量/功率检测探头；
所述多个微型温度传感器被精确定位于病灶仿体和正常组织仿体的特定位置，被用于实时采集病灶和正常组织仿体受所述激光手柄照射后的温度变化时空数据；
所述能量/功率检测探头用于实时动态的检测激光透过所述病灶仿体和/或所述正常组织仿体后的透过光能量；
所述多个微型温度传感器和所述能量/功率检测探头均与所述数据采集模块连接。
可选的，对所述温度变化数据、所述光能量及所述病灶仿体和/或所述正常组织仿体的表面温度和图像变化数据进行处理具体包括：
将所述温度变化数据、所述光能量及所述病灶仿体和/或所述正常组织仿体的表面温度和图像变化数据与预先存储的标准数据进行比较，判断所述温度变化数据、所述光能量及所述病灶仿体和/或所述正常组织仿体的表面温度和图像变化数据是否存在异常，并给出评分。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明中的上述***可以实时的对临床医生在病灶仿体和/或所述正常组织仿体上的每次操作进行分析，辅助医生迅速提升激光操作经验，从而减少乃至避免热损伤副作用的产生，助力激光手术临床推广和应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例模拟激光外科手术的辅助训练***结构示意图。
符号说明：
病灶仿体1、正常组织仿体2、激光手柄3、微型温度传感器401、能量/功率检测探头402、数据采集模块5、摄像头/红外热像头6、上位机7以及遮光罩8。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种模拟激光外科手术的辅助训练***，对激光手术进行智能辅助训练。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例模拟激光外科手术的辅助训练***结构示意图，如图1所示，***包括：病灶仿体1、正常组织仿体2、激光手柄3、多模态传感器网络、数据采集模块5、摄像头/红外热像头6、上位机7以及遮光罩8。
其中，正常组织仿体2位于所述病灶仿体的两侧，在特定情况下也可位于病灶仿体下方。有时候病灶仿体下方还需要加一些正常组织仿体，有时候单纯的病灶组织仿体即可，根据具体使用情况，用户可对病灶仿体和正常组织仿体的位置进行调整。
激光手柄3位于所述病灶仿体的上方。
多模态传感器网络分布于所述病灶仿体和所述正常组织仿体之间，用于实时采集病灶仿体受所述激光手柄照射后的温度变化数据及激光透过所述病灶仿体或所述正常组织仿体后的透过光能量。
具体的，所述多模态传感器网络具体包括：多个微型温度传感器和能量/功率检测探头；
所述多个微型温度传感器被精确定位于病灶仿体和正常组织仿体的特定位置，被用于实时采集病灶和正常组织仿体受所述激光手柄照射后的温度变化时空数据；
具体的，根据具体操作的实验不同，传感器放置的位置也不同，根据需求，传感器可位于激光光束的正下方，或者是以激光光斑中心为原点，将传感器放置于合理范围内，例如：激光光斑直径的5mm，可将传感器放置于远离激光光斑10mm处。
例如第一种情况：了解病灶组织内的温度分布，以激光照射组织表面光斑中心点为原点，正下方(z轴)按0.1mm步长往下降；同时可以以激光照射组织表面光斑中心点为原点，在表面上以r为半径测量在表面的温度分布，r的取值为0-2倍光斑半径，这个同时适用于病灶组织仿体内温度分布检测和只使用正常组织的仿体；
第二种情况:了解激光照射对正常组织的光损伤，测温点选择病灶组织与正常组织的分界，是模拟临床测定组织损伤副作用的方法。
所述能量/功率检测探头用于实时动态的检测激光透过所述病灶仿体或所述正常组织仿体后的透过光能量；
所述多个微型温度传感器和所述能量/功率检测探头均与所述数据采集模块连接。
数据采集模块5与所述多模态传感器网络连接，用于采集所述温度变化数据和所述光能量；
摄像头/红外热像头6位于所述病灶仿体和所述正常组织仿体的斜上方，用于实时探测所述病灶仿体的表面温度和图像变化情况；
上位机7与所述数据采集模块和所述摄像头/红外热像头连接，用于接收所述温度变化数据、所述光能量及所述病灶仿体的表面温度和图像变化数据，并对所述温度变化数据、所述光能量及所述病灶仿体的表面温度和图像变化数据进行处理。
具体的，上位机会对每个激光脉冲透过光的光能量随时间变化曲线(光能量场时域变化)与数据库中记录的专家进行模拟手术被记录下来的光能量随时间变化数据曲线进行比较；同时微型测温传感器上传到上位机的温度随时间变化曲线(温度场时域变化)也将上传至上位机中，与专家进行模拟手术被记录下来的相同测量位点微型测温传感器记录的温度随时间变化曲线进行比较。假如激光操作者选择参数不当或操作手法生疏，透过光能量和温度随时间的变化将会出现异常，从而由上位机通过算法判断其不符合规范操作，同时根据与专家模拟手术结果的比较，给出量化的评分。
遮光罩8为上下开口的筒形，底部开口用于罩住所述病灶仿体和所述正常组织仿体，顶部开口用于所述激光手柄的伸入。
本发明中的遮光罩具体为一个顶部开口小于底部开口的锥形，不影响医生对病灶仿体的模拟照射，遮光罩的主体材料为透明玻璃，采用镀膜技术实现针对特定波长(如1064nm)激光的特异性吸收。摄像头/红外热像头被置于遮光罩上，其摄录区域为病灶仿体及周边。
在实际使用中，由激光操作者针对目标区域病灶仿体大小、形态等临床特性选择激光参数，此后手持激光器手柄进行照射操作。由多模态传感器网络实时记录其操作全过程的透过光情况及温度分布情况，通过数据采集模块发送至上位机中，利用上位机上针对同一典型病灶仿体实施治疗的专家库专家操作的透过光和温度分布情况利用智能算法进行比对，判断实际激光操作者激光参数选择和操作是否正确，是否达到治疗效果，是否产生不可逆热损伤，最终输出激光操作者实际操作评分。其摄像头或在线式红外热像头将模拟治疗全过程病灶表面的图像变化或温度分布记录下来，并实时的上传至上位机中。用于在模拟治疗中实时的显示表面治疗效果，以及给出评分后，与专家库专家操作时的表面的图像变化或温度分布同时展示，从而使医生能够更准确的发现自身不足，规范激光临床操作。选择性遮光罩可以起到激光安全防护的作用，可将从仿体表面折射、散射的杂散光吸收，从而防止其射入人眼。由于该遮光罩仅对激光特定波长进行吸收，因此可见光仍能正常传播，从而方便激光操作者和其他观察者对治疗效果的实时观察。
本***由一个透过光能量检测探头和数个在指定深度和位置的测温点组成，所用病灶仿体是采用3D打印技术制造的，能够批量生产的，大小和形状相同的模仿病灶的仿体(以血管瘤为例，3D打印血管空腔，灌注静脉血)。所谓专家库，是指选择在针对特定病灶进行激光治疗的领域内专家(国内或国际水准)，由这些专家对这个仿体进行实际操作，记录其操作全过程中的透过光信息，以及各点的温度信息作为评判标准。在激光选择性光热凝固领域，有热损伤阈值(43℃)，蛋白质温度变性阈值(60℃)、疼痛阈值(43℃，52℃)等可供参考。如实际操作者在操作全过程中，无论是透过光能量的异常变化，还是各个测温点的温度曲线是否突破损伤阈值，均可和上述专家操作相同仿体病灶的光热动态变化曲线进行对比，以及判断各测温点温度是否突破组织损伤等阈值，以做出可供量化的评分。其评价的智能评估算法，即可是简单的直接对比是否突破阈值，又可是使用多元线性回归分析模型进行的统计学分析，还可是基于人工智能的深度学习算法等。
本***的检测和智能算法基于临床治疗情况下激光照射组织所致光热凝固过程中的吸收系数的动态变化规律，对于血液和血管病灶，即为临床治疗情况下激光被组织吸收的“伞效应”：在开始激光照射时，表层光吸收率较低，就像遮阳伞没有打开，激光可以直接照射到组织深部，从而使表层和深层温度都有一个急剧上升。而此后，照射导致表层光吸收率增加，就像在被照射区域表层打开了一个遮阳伞，从而保护了深层组织不受激光照射的影响。当照射时间持续增加时，表层温度的进一步提高导致表层持续的碳化爆燃发生，带走激光热量，继续如保护伞般保护深层组织不受激光光照的影响。上述变化发生的转折点可以通过透过光强度的变化以及各测温点所测定的在光热凝固过程组织温度超过物理和化学变化如细胞变形、蛋白质变性、蒸发、沸腾、碳化、***等现象的温度阈值的时间测定。由此，可通过多模态传感器网络所反馈的仿体温度和透过光强的时空变化，判定模拟激光手术的质量和不可逆损伤程度。
该***不仅可以用于对激光手术进行智能辅助训练，还能够被用于检测激光器能量输出是否稳定以及进行激光与生物组织相互作用动态光热参数的检测，在临床和科研中均具有广泛应用价值。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种模拟激光外科手术的辅助训练***，其特征在于，所述***包括：
病灶仿体；
正常组织仿体，位于所述病灶仿体的两侧和/或下方；
激光手柄，位于所述病灶仿体的上方；
多模态传感器网络，分布于所述病灶仿体和所述正常组织仿体之间，用于实时采集病灶仿体受所述激光手柄照射后的温度变化数据及激光透过所述病灶仿体和/或所述正常组织仿体后的透过光能量；
所述多模态传感器网络具体包括：多个微型温度传感器和能量/功率检测探头；
所述能量/功率检测探头用于实时动态的检测激光透过所述病灶仿体和/或所述正常组织仿体后的透过光能量；
所述多个微型温度传感器和所述能量/功率检测探头均与数据采集模块连接；
数据采集模块，与所述多模态传感器网络连接，用于采集所述温度变化数据和所述光能量；
摄像头/红外热像头，位于所述病灶仿体和所述正常组织仿体的斜上方，用于实时探测所述病灶仿体和/或所述正常组织仿体的表面温度和图像变化情况；
摄像头或在线式红外热像头将模拟治疗全过程病灶表面的图像变化或温度分布记录下来，并实时的上传至上位机中；用于在模拟治疗中实时的显示表面治疗效果，以及给出评分后，与专家库专家操作时的表面的图像变化或温度分布同时展示；
上位机，与所述数据采集模块和所述摄像头/红外热像头连接，用于接收所述温度变化数据、所述光能量及所述病灶仿体和/或所述正常组织仿体的表面温度和图像变化数据，并对所述温度变化数据、所述光能量及所述病灶仿体的表面温度和图像变化数据进行处理；具体的，上位机会对每个激光脉冲透过光的光能量随时间变化曲线与数据库中记录的专家进行模拟手术被记录下来的光能量随时间变化数据曲线进行比较；同时微型测温传感器上传到上位机的温度随时间变化曲线也将上传至上位机中，与专家进行模拟手术被记录下来的相同测量位点微型测温传感器记录的温度随时间变化曲线进行比较；假如激光操作者选择参数不当或操作手法生疏，透过光能量和温度随时间的变化将会出现异常，从而由上位机通过算法判断其不符合规范操作，同时根据与专家模拟手术结果的比较，给出量化的评分；其评价的智能评估算法，采用简单的直接对比是否突破阈值；或使用多元线性回归分析模型进行的统计学分析；或基于人工智能的深度学习算法；
所述多个微型温度传感器被精确定位于病灶仿体和正常组织仿体的特定位置，被用于实时采集病灶和正常组织仿体受所述激光手柄照射后的温度变化时空数据；根据具体操作的实验不同，传感器放置的位置也不同；
第一种情况：了解病灶组织内的温度分布，测温点选择以激光照射组织表面光斑中心点为原点，正下方z轴方向按0.1mm步长往下降；同时可以以激光照射组织表面光斑中心点为原点，在表面上以r为半径测量在表面的温度分布，r的取值为0-2倍光斑半径；
第二种情况:了解激光照射对正常组织的光损伤，测温点选择病灶组织与正常组织的分界，是模拟临床测定组织损伤副作用的方法；
所述***还包括：遮光罩，所述遮光罩为上下开口的筒形，具体为顶部开口小于底部开口的锥形，底部开口用于罩住所述病灶仿体和所述正常组织仿体，顶部开口用于所述激光手柄的伸入；所述遮光罩的材质为透明玻璃；所述透明玻璃采用镀膜技术实现对特定波长激光的吸收。
2.根据权利要求1所述的模拟激光外科手术的辅助训练***，其特征在于，所述摄像头/红外热像头位于所述遮光罩外表面。
3.根据权利要求1所述的模拟激光外科手术的辅助训练***，其特征在于，对所述温度变化数据、所述光能量及所述病灶仿体的表面温度和图像变化数据进行处理具体包括：
将所述温度变化数据、所述光能量及所述病灶仿体的表面温度和图像变化数据与预先存储的标准数据进行比较，判断所述温度变化数据、所述光能量及所述病灶仿体的表面温度和图像变化数据是否存在异常，并给出评分。
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