分娩模拟器的制作方法
专利名称：分娩模拟器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于模拟分娩操作方法和仿真分娩过程各种情况的模拟器。
助产士和妇产科医生的培养是非常昂贵的，因为用于技巧练习或使用的医疗器械(例如吸婴器)由于种种原因只能非常有限地在孕妇身上使用。恰恰是在复杂的紧急情况下不可能或道德上不允许让不熟练的人来助产。而且各种问题的发生经常是不可预料的。这样，助产士和妇产科医生必须长时期在分娩现场见习。只有当见习培训长期进行之后，才能开始实习培训。而且所有操作都必须在有经验的医学本领域技术人员的监视下，以减小母亲和胎儿的风险。
为支持妇产科培训，至今使用的是人体模型、影片和计算机动画。存在可组装在一起的硬塑模型，它可以立体展现解剖学的、生理学的或病理学上的关系。此外还已公开了软塑模型，它应尽可能好地模拟人类触觉特性，即在一个符合解剖学的子宫中安置一个能变形的胎儿模型。
接受培训的助产士或妇产科医生可以接触这些模型并练习某些基本操作和记住空间上的关系，例如胎儿位置。
因为现有技术中已知的人体模型、影片和计算机动画不能充分满足实际培训的要求，本发明的目的在于给出一种用于模拟分娩操作方法和仿真分娩过程各种情况的装置，从而使得所需的操作可有效地学习和训练。此装置在下面被称为分娩模拟器。
上述任务由权利要求1所述的分娩模拟器和权利要求8所述的胎儿模型完成。
一个最好由软塑料或具有与其相同性能的材料构成的子宫体(它具有自然人体的形状、硬度和触觉)具有一个由橡胶材料制成的子宫腔。子宫腔这样来设计使得在其中可以放入一个由软塑料构成的胎儿模型，并且子宫腔和胎儿模型在形状、大小和位置上符合自然的比例关系。按照本发明，胎儿模型通过一个连接装置机械连接到一个电机驱动装置。此外，还设置了一个用于控制机械驱动装置的可编程控制装置，这样胎儿模型可按一个可自由编程的运动轨迹在子宫腔中运动或通过产道从子宫腔出来。
本发明的优点在于提供了以下的可能性在一个可触摸和运动的人体模型上模拟分娩前和分娩时各种医学状况，即随时间进行的过程。模型可以用手触摸，以感觉例如胎儿如何从产道中被挤压出来。同样可以练习正确使用器械，例如使用产钳或吸婴器。特别有意义的是通过改变程序，即通过“按动按钮”可以设置其它的医学状况。
按照权利要求2，胎儿模型与多个可控制的机械驱动装置相连接，使得复杂的胎儿运动也可被模拟，这些运动更符合自然的胎儿运动。不同的驱动装置最好也可以组合成为一个多关节机器人。
按照权利要求3还附带地设置了用于检测力和运动的传感器系统和用于模拟力反馈和运动反馈的仿真程序。当例如一位检查人员用手压在子宫体上或直接用手接触胎儿模型或用医疗器械抓住胎儿模型时，形成的力被传感器系统的传感器测量。本领域技术人员知道，同时也可直接或间接地确定这些力的方向。传感器被设置在连接装置上和/或驱动单元上。在控制装置的计算机上完成仿真程序，此程序将传感器系统提供的测量信号换算成力反馈和运动反馈信号。这些力反馈和运动反馈信号被送至控制装置，控制装置如此调节驱动单元，使得胎儿模型在一个施加的特征力作用下由人借助于驱动单元如此运动，使得由胎儿模型引起一个相应的反应运动，此运动符合在所出现的医学状况下胎儿的自然运动行为。助产士或受培训人员从而得到一个“活生生的”胎儿的感觉。这样，使得在孕妇护理和助产领域首次得到全新的培训方法。而且，仅仅通过程序变动，即通过按动按钮，可以仿真自然胎儿的各种临床状况和运动反应类型。
按照权利要求4还附带地设置了一个光学显示装置，它与控制装置的计算机进行信号连接。此显示装置可以是监视器或数据眼镜。在仿真时可显示各种视觉信息。例如当仿真分娩的一个特殊状况时，同步地放映一部影片，该影片例如展示一次自然分娩中的相同状况。然而也可选用其它的表示方式，例如选择X光片显示方式。
按照权利要求5，光学显示装置也显示提示和附加信息。如果例如关于危险状态的附加提示被插入显示，对培训是特别有帮助的。
按照权利要求6还附带地设置了一个用于形成典型声音的声发生器。声发生器不仅可发出胎儿哭叫声，也可发出母亲的声响。声音可以合成产生，或者也可是自然的原声，即在相应的自然情况下录制的录音带重放。通过这个措施，例如在强烈的疼痛时放出分娩者的呻吟声对于受培训人员将产生非常接近真实的感觉。
按照权利要求7，声发生器被集成在子宫体内。这样尤其可以非常真实地模拟由胎儿发出的声响。
按照权利要求8，提供了一个胎儿模型，此胎儿模型最好应用在权利要求1至7所述的分娩模拟器中。此胎儿模型在颈部区域和/或头顶区域(它由可变形的部分构成)中具有运动传感器和/或力传感器和/或压力传感器，它们与控制装置的计算机进行信号连接。
在应用权利要求1至7所述的分娩模拟器时，此胎儿模型使得可以获取附加的信息，这些信息改善了培训效果。例如在一个接受培训的人员在分娩模拟器上模拟分娩过程时可以记录胎儿上的力传导。接受培训的人员同样感受到力。接着，这两个力的变化过程可以被比较和评估。
安放力传感器和/或力矩传感器的最佳位置是胎儿模型的颈部。应用路径记录或压力传感器的最佳位置是胎儿模型的头部。如果提供了路径记录，头部可以模拟自然胎儿的头部变形并具有可移动的头部部分，其移动通过路径记录进行测量。
当胎儿模型用于权利要求3所述的分娩模拟器时，胎儿模型的传感器信息被用来提供更多和更精确的力信息和/或力矩信息，这些信息用于计算反作用力和相应的反作用运动。还应说明，如果需要在进行具体的运动仿真时获取信号，本领域技术人员在需要时也可在胎儿或子宫体的合适的位置处设置其它传感器，例如可在子宫体的凸起部分设置压力传感器。
下面借助简要附图所示实施例详细说明本发明。
图1示出本发明第一个有效实施方式。
图2示出本发明第二个有效实施方式。
图3示出本发明第三个有效实施方式。
图4示出本发明第四个有效实施方式。
图5示出本发明第五个有效实施方式。
图6示出本发明第六个有效实施方式。
图7示出第二项发明的第一个实施方式。
图8示出第二项发明的第二个实施方式。
图9示出本发明的一个交互实施方式。
图10示出用于本发明的一个交互实施方式的第一个调节算法。
图11示出用于本发明的一个交互实施方式的第二个调节算法。
图1以一个带有胎儿模型2的孕妇子宫体1的形状和大小示出一个分娩模拟器的剖面。子宫体1在部位3固定设置在一个支座上，例如一张桌子上。胎儿模型2位于一个腔4中，此腔模拟子宫。子宫体1和胎儿模型2由软弹性塑料制成。一个线性驱动装置5通过一个力传感器6连接在胎儿模型2边上。线性驱动装置5具有一个长度测量系统形式的内部位置识别装置，线性驱动装置可以在箭头5a的方向来回运动。力传感器6通过球关节7a与胎儿模型2连接。当线性驱动装置5将胎儿模型2从产道挤压出去时，接受培训的人员必须像真正分娩时那样把持和引导胎儿模型2。分娩时作用的力被力传感器6获取，作为力测量信号被一个分析电路处理，并作为力测量数据存储在一个存储装置中。在模拟分娩时可跟踪的力和运动的变化过程与存储的标准的力和运动变化过程相比较。由跟踪的力和运动变化过程与存储的标准的力和运动变化过程之间的偏差可以在接受培训的人员的训练结果中加以考虑。
图2示出一个原理上与图1相同的设置，其中线性驱动装置5除了来回运动5a外还可以做旋转运动5b。与图1不同，在胎儿模型2与力传感器6之间的连接点被设计为一个扭转刚性的弹性件7b。
图3示出一个原理上与图2相同的设置，其中线性驱动装置5除了运动5a和5b外还可以做摆动运动5c。与图1或图2不同，在胎儿模型2与力传感器6之间的连接点被设计成刚性的。
图4示出一个原理上与图3相同的设置，其中线性驱动装置5除了运动5a，5b和5c外还可以做附加运动5d，该运动垂直于运动5a的方向。在胎儿模型2与力传感器6之间的连接点被设计成刚性的。
图5示出一个由三个单个的驱动装置51，52和53构成的线性驱动装置5，这些单个驱动装置的端部可摇动地安装在支座8和平板9上。平板9通过力传感器6与一个两点支撑支架10刚性地连接。两点支撑支架10在点11和12上固定连接胎儿模型2。
图6示出一个线性驱动装置5，它参考图5所示那样也由3个单个的驱动装置51，52和53组成，它们的端部可摇动地分别安装在一个支座81，82和83上。它们在伸向胎儿模型2的方向上的端部可摇动地在不同点21，22和23连接于胎儿模型。
本领域技术人员借助于附图和上述说明可以了解，如何借助于不同的驱动装置以各种自由度实现胎儿模型的运动。
图7示出一个胎儿模型2，其头部通过一个力和旋转矩传感器13与躯体连接。在分娩模拟器中尤为重要的是练习在胎儿模型2头部的操作技巧。这时胎儿的颈部受到特别的应力。因此在监控分娩仿真时特别有意义的是控制头部操作，这可以用胎儿模型的这个实施方式实现。为了传输电测量信号，本领域技术人员可用有线或无线的传输方法。
图8示出一个胎儿模型2，相对于图7，在其头部颅骨区域中还附带地设置了路径和压力传感器14。此外胎儿模型2的颅顶的各个部分设计成可移动的。例如模拟分娩时颅顶的部分像在自然分娩过程中那样移位，并且在训练时注意移位不超过医学上规定的界限。借助于路径和压力传感器可在模拟分娩时获取位移和压力，并由获得的数据判断受训人员是否正确把持和引导胎儿模型的头部。本领域技术人员知道选择和使用合适的路径和压力传感器及适合的信号处理技术。
图9示意地以一个带有胎儿模型2的孕妇腹部模型1的形式示出分娩模拟器的剖面。腹部模型1在部位3处固定设置在一个支座上，例如一张桌子上。胎儿模型2位于一个腔4内，此腔模拟子宫。腹部模型1和胎儿模型2由软弹性塑料制成。一个具有串联运动结构的六关节机器人5通过一个六元件-力-力矩-传感器6连接到胎儿模型2上。
当机器人5在仿真分娩时将胎儿模型2从产道挤压出来时，连受培训的人员必须像真实分娩时那样把持和引导胎儿模型2。此时传导的力和力矩被六元件-力-力矩-传感器6获取，转换为电信号并送至一个控制和调节装置。
机器人具有串联运动结构，即多个机器人部分通过主动驱动的转轴相互串联连接。转轴的方向如此选择，使得机器人的末端受动器与连接在六元件-力-力矩-传感器6上的胎儿模型一起可在六个自由度(三个位置和三个方向)上运动。机器人的角度位置通过内部关节角度传感器获取并送至控制和调节装置。由关节角度数据确定胎儿模型2在空间上的位置。
如果一个人用手间接地通过弹性覆盖层6或者直接地接触胎儿模型2，由人通过手或借助于医疗器械施加到胎儿模型2上的力引起运动。胎儿模型2按照一种运动类型做出反应，此运动类型对应真实胎儿的实际反应运动。
胎儿模型的运动反应原理上可按两种方法进行第一种方法是图10所示1导纳调节，按此方法，接触胎儿模型2时产生的力被六元件-力-力矩-传感器6获取，并传送给具有仿真程序的计算机。在那里计算出所引起的胎儿模型2的运动并作为额定值进一步传送给机器人调节装置。机器人调节装置将计算出的额定运动与测量的机器人运动进行比较，并如此向机器人馈送电动机电流，使得测得的和计算出的运动之间的误差最小。
第二种方法是图11所示的阻抗调节，按此方法，由力和力矩的作用所导致的位置和方向变化被获取，并传送给具有仿真程序的计算机，在计算机中计算出对应的力和力矩，并作为额定值进一步传送给机器人调节装置。机器人调节装置将计算出的额定力和力矩与实际出现的力和力矩进行比较，并如此移动机器人，使出现的误差最小。
用于分娩仿真计算的仿真程序包含一个计算机模型，它包含母亲的骨盆、子宫、脐带、腱、表皮和肌肉结构与胎儿模型的身体之间的生物力学关系。该模型描述了一个人-例如接受培训的助产士-施加到胎儿模型上的力和力矩，以及胎儿相对于母体的空间位置/方向及其变化(即速度和加速度)的位置和运动之间的静态和动态关系。这样不仅可由测得的力和力矩计算出所引起的胎儿模型2的运动(导纳调节法)，也可由测得的胎儿运动计算出相应传递给操作人员的力和力矩(阻抗调节法)。
通过调节机械的力作用装置5，操作人员获得对实际反应的觉感受。通过在分娩仿真计算中相应地选择参数，不仅可模拟正常的分娩过程或胎儿运动，而且也可描绘和生动地表示出偶然的情况和有问题的状态。
在图9所示的本发明实施方式中，还可由在分娩模拟中出现的运动信息在运动计算中求出解剖学部位(例如母亲和胎儿的骨盆、子宫、脐带、腱、表皮和肌肉)的运动和变形，并实时显示在监视器7上。可以选择不同的表示方式，例如所示的X射线显示或超声图方式的显示，并且例如特别易受损的部位或损伤可用彩色突出显示。同时也可在不同的显示方式之间切换。因为视觉信息在时间上与操作人员的触觉信息同时传送，因此获得了非常真实的整体印象。
在图9所示本发明实施方式中还由生物机械学计算求出疼痛界限值，在超过这些值时给出一个命令用以播放一段声音样本。此声音样本存储在一个存储器中，并在需要时被调用并通过立体扬声器系统8播放。若例如在错误的操作时响起疼痛叫声，对操作人员起到持久的心理学记忆作用。
下面给出对执行器及其控制的实现的进一步说明。
执行器可用一个六轴的Stubli工业机器人RX90验证。机器人原来的控制计算机需要超过16毫秒的长周期。为了分娩模拟器的稳定运行和生物机械力学性能的无干扰和接近真实的描述，在一定条件下要求在实时操作时有千赫兹(KHz)范围内的更高采样率，并实现基于模型的调节方法的高计算能力。由于这个原因，并行地构造一个基于PC的控制装置。通过切换可以将角度传感器、力传感器和力矩传感器以及用于电子关节放大器的模拟信号从Stubli计算机切换到PC，在PC中由相应的PCI卡实现信号采集/输出。通过在电流调节器上设置电子关节放大器可以在PC上实现上述基于关节力矩交叉点的调节。由于PC具有明显更高的计算能力，采样时间可缩短到250微秒，这比原有结构得到了明显优化的结果。这样处理的优点在于，所有其它的原有部件，如关节放大器、用于制动的安全电路和紧急保持电路以及供电系统，都可保留和继续使用。
下面给出对生物机械力学模型的实现的进一步说明。
为了进行本发明中的转换，必须开发作为基础的生物机械力学模型。在生物机械力学模型中描述从外部(操作者)施加到胎儿上的负荷之间的关系，即力和力矩(原因)与导致的运动或位置(效果)之间的关系。数学描述中说明是原因-效果关系还是效果-原因关系取决于调节的方式。在导纳调节法中需要一个逆模型，即计算原因(力，力矩)作为效果(位置，速度)的函数。反之，在阻抗调节法中以直接的动态模型(也称前向模型)从原因计算出效果。计算方式(即逆向还是直接方式)对于建模方式只有次要意义。下面在直接方向上描述一个建模的例子。
胎儿具有确定的、由解剖学规定的形状/几何尺寸，在最简单的情况下这可视为固定不变的和刚性的。然而有意义的是假设胎儿的形状在力的作用下(力是由操作者或者由子宫部位的接触施加到胎儿上的)被动地发生粘弹性形变。同样由子宫、腹部、产道、骨盆等组成的生殖系统具有确定的几何形状和弹性特性。
如果现在操作者在胎儿上施加了力和/或力矩，此负荷通过胎儿传递到胎儿与母体的接触位置处(例如在子宫中或在产道中)。在这些位置处发生由变形和摩擦所引起的相对运动。根据相应(即求解的)胎儿和母亲的身体部位的几何形状和弹性特性的设计，出现或多或少明显的运动(这里“明显”意味着迅速或者以显著的尺寸)。胎儿的位置还受到从外部施加的负荷(通过阴道或腹部表层)的影响。这里应注意，只要不出现较大的机械力学上或肌肉的障碍，胎儿也可以不需从外部做什么，只通过子宫收缩从母体出来。然而如果产道狭窄，或者胎儿的头由于产道中不利的倾斜情况而“歪斜”，则操作者必须施加力和力矩，他增加“驱出力”(例如通过在母亲腹部表面上向下按压)或者通过胎儿头的转动(从外部伸入产道)消除“歪斜”。
生物机械力学模型不一定显式包含所有的解剖学部位和形状。对施加的力与导致的运动之间的数学关系具有一定的“抽象”描述。这就是说，一个数学函数描述了当一个力和一个力矩在一个特定方向上作用在胎儿的某个特定位置时的位置、方向和速度。其中考察的是多维问题。也就是说，施加的力和力矩在三维方向上作用，并且可以在胎儿表面的任意位置上作用。同样，得到的位置、方向和速度也以三维形式的给出。力/力矩与位置/运动之间的关系还取决于胎儿当时在子宫或产道中的位置。这个数学关系可基于线性的或非线性的抽象等式容易地写出。然而困难在于正确的参数确定。参数的选择决定了正常的或有病变的分娩过程可被模拟得多么接近真实情况。参数可以基于理论基础估计出或者通过实验/测量获得。
下面进一步给出关于实现图形显示的说明。用监视器可以观看内部的解剖学部位，如盆骨、子宫、胎盘、阴唇、血管以及胎儿。而且监视器也可以与偏光眼镜一起在立体模式下工作。运动动画与分娩模拟器的运动同时进行。这样操作者可以在胎儿运动的同时学习体内的、解剖学和生物机械学上的关系。可视化基于分部位的和三维重建的CT和MRT成像来实现。重建的解剖图描述了附加的信息，它在医学教学中具有高的教学价值，然而在真实的分娩时此信息是不可能显现的。在临床中通常只用超声技术观察和判断分娩过程。这些超声成像可以在合成单幅图像(它们与分娩过程同步进行)的基础上在运动动画中被模拟。
在图形动画中考虑同步运动的身体部位位置变化、血管或脐带的变化、以及肌肉、子宫、胎盘等的变化。可视化使得这些运动过程的所谓“运动学CT和MRT成像”成为可能。然而这里仅涉及电影摄制技术，它不能提供多于一个的自由度的交互服务，并因此仅有限地适用于VR领域(Dupuy等1997；Witoski和Goraj 1999)。一种替代方法是基于模型的动画。其中所有部件被模型化为它们的相关几何形状和弹性特性以及它们机械力学上的相互配合。然而对于接近真实的仿真，必须采用FE计算和复杂的多体接触模型，它们明显增加了仿真技术费用并从而损害了系统的实时性。
因此推荐一种组合的方法，其中图像数据与解剖学模型考察同样被采用。附加工作在于内插和外插几何数据(这些数据由足够多的离散分娩力矩来重建)，使得每个任意的胎儿位置在每个重要的自由度上可以被描述。内插和外插这里可在模型支撑下完成，其中例如考虑某些身体部位的体积守恒或长度恒定。因为这可以用相对较低的计算开销来完成，可以实现在任意方向上实时的和平滑的运动轨迹。
下面进一步给出有关实现声音播放的说明。在分娩时出现一系列不同的声学信号，它们由扬声器产生。这些声音包括母亲的疼痛咕叫，婴儿出生时的声音，声学表示信号，如母亲的痛苦程度和婴儿的EKG。扬声器可置于人造身体部位附近或植入身体部位中，使得从外部看不见扬声器。
分娩声音可以在分娩时录在多个磁带上。为了播放声音必须找出模型，它符合声响类型与基础状况和引起运动的操作者动作之间的关系。基于妇科大夫足够的经验可以首先借助于语言学变量定性地描述上述关系，然后采用模糊逻辑的方法可以由语言学描述推导出定量的关系。
权利要求
1.分娩模拟器，具有以下特征-一个由弹性材料制成的子宫体(1)，-一个由弹性材料制成的胎儿模型(2)，它被设置在子宫体(1)中，其中最好符合自然的形状和大小关系以及触觉，其特征在于，-胎儿模型(2)通过连接装置(7)与一个可控制的驱动装置(5)相连接，以使胎儿模型(2)在子宫体(1)中运动，或者将胎儿模型通过产道从子宫体(1)挤压出来，以及-设置了一个用于控制驱动装置(5)的可编程控制装置，其中这样进行控制，以模仿胎儿在子宫中的自然运动。
2.如权利要求1所述的分娩模拟器，其特征在于，为了使胎儿模型(2)运动，设置了多个连接装置(7)和多个可控制的驱动装置(5)。
3.如权利要求1或2所述的分娩模拟器，其特征在于，设置了一个用于检测力和运动的传感器系统，这些力和运动是由试验人员用手或医疗器械施加到子宫体(1)或胎儿模型(2)上的，其中传感器系统的传感器被设置在连接装置(7)和/或驱动装置单元(5)上，并且-设置了一个用于控制驱动装置(5)的可编程的、具有一台计算机的控制装置，其中控制装置如此被设计，使得由传感器系统提供的测量信号被送至计算机，在计算机中运行一个仿真程序，此程序与控制装置一起作用，使得在外力作用下胎儿模型(2)借助于驱动装置单元(8)这样来运动使得胎儿模型(2)实现相应的反应运动，这些反应运动符合在相关研究或相关分娩阶段中胎儿在子宫内的自然运动行为。
4.如以上权利要求中任一项所述的分娩模拟器，其特征在于，设置了一个与控制装置进行信号连接的光学显示装置，它实时地显示胎儿的运动。
5.如权利要求4所述的分娩模拟器，其特征在于，光学显示装置显示提示和附加信息。
6.如以上权利要求中任一项所述的分娩模拟器，其特征在于，设置了一个用于产生典型声音和响声、与控制装置进行信号连接的声发生器，这些声音和响声是在实际研究或自然分娩时可能出现的。
7.如权利要求6所述的分娩模拟器，其特征在于，声发生器集成在子宫体(1)内。
8.胎儿模型，最好用于以上权利要求中任一项所述的分娩模拟器中，其特征在于，在胎儿模型(2)的颈部区域中和/或由可变形的部分组成的颅顶区域中设置路径传感器和/或力传感器和/或压力传感器(13，14)，这些传感器与控制装置进行信号连接。
全文摘要
本发明涉及一种主动的和一种互动的分娩模拟器，它用于模拟人类怀孕和分娩过程，其中分娩模拟器具有以下特征一个子宫体(1)，一个设置在子宫体(1)中的胎儿模型(2)，其中最好符合自然的形状、大小和位置关系，并且胎儿模型(2)通过连杆装置(7)与一个可控制的驱动装置(5)连接，以使胎儿模型(2)在子宫体中运动或者将胎儿模型通过分娩通道从子宫体(1)挤压出来，并且设置了一个用于控制驱动装置(5)的可编程控制装置。
文档编号G09B23/28GK1541381SQ02814229
公开日2004年10月27日 申请日期2002年6月25日 优先权日2001年6月25日
发明者罗伯特·里纳, 赖纳·布克卡特, 布克卡特, 罗伯特 里纳 申请人:罗伯特·里纳, 赖纳·布克卡特, 罗伯特 里纳
技术领域：
本发明涉及一种用于模拟分娩操作方法和仿真分娩过程各种情况的模拟器。
助产士和妇产科医生的培养是非常昂贵的，因为用于技巧练习或使用的医疗器械(例如吸婴器)由于种种原因只能非常有限地在孕妇身上使用。恰恰是在复杂的紧急情况下不可能或道德上不允许让不熟练的人来助产。而且各种问题的发生经常是不可预料的。这样，助产士和妇产科医生必须长时期在分娩现场见习。只有当见习培训长期进行之后，才能开始实习培训。而且所有操作都必须在有经验的医学本领域技术人员的监视下，以减小母亲和胎儿的风险。
为支持妇产科培训，至今使用的是人体模型、影片和计算机动画。存在可组装在一起的硬塑模型，它可以立体展现解剖学的、生理学的或病理学上的关系。此外还已公开了软塑模型，它应尽可能好地模拟人类触觉特性，即在一个符合解剖学的子宫中安置一个能变形的胎儿模型。
接受培训的助产士或妇产科医生可以接触这些模型并练习某些基本操作和记住空间上的关系，例如胎儿位置。
因为现有技术中已知的人体模型、影片和计算机动画不能充分满足实际培训的要求，本发明的目的在于给出一种用于模拟分娩操作方法和仿真分娩过程各种情况的装置，从而使得所需的操作可有效地学习和训练。此装置在下面被称为分娩模拟器。
上述任务由权利要求1所述的分娩模拟器和权利要求8所述的胎儿模型完成。
一个最好由软塑料或具有与其相同性能的材料构成的子宫体(它具有自然人体的形状、硬度和触觉)具有一个由橡胶材料制成的子宫腔。子宫腔这样来设计使得在其中可以放入一个由软塑料构成的胎儿模型，并且子宫腔和胎儿模型在形状、大小和位置上符合自然的比例关系。按照本发明，胎儿模型通过一个连接装置机械连接到一个电机驱动装置。此外，还设置了一个用于控制机械驱动装置的可编程控制装置，这样胎儿模型可按一个可自由编程的运动轨迹在子宫腔中运动或通过产道从子宫腔出来。
本发明的优点在于提供了以下的可能性在一个可触摸和运动的人体模型上模拟分娩前和分娩时各种医学状况，即随时间进行的过程。模型可以用手触摸，以感觉例如胎儿如何从产道中被挤压出来。同样可以练习正确使用器械，例如使用产钳或吸婴器。特别有意义的是通过改变程序，即通过“按动按钮”可以设置其它的医学状况。
按照权利要求2，胎儿模型与多个可控制的机械驱动装置相连接，使得复杂的胎儿运动也可被模拟，这些运动更符合自然的胎儿运动。不同的驱动装置最好也可以组合成为一个多关节机器人。
按照权利要求3还附带地设置了用于检测力和运动的传感器系统和用于模拟力反馈和运动反馈的仿真程序。当例如一位检查人员用手压在子宫体上或直接用手接触胎儿模型或用医疗器械抓住胎儿模型时，形成的力被传感器系统的传感器测量。本领域技术人员知道，同时也可直接或间接地确定这些力的方向。传感器被设置在连接装置上和/或驱动单元上。在控制装置的计算机上完成仿真程序，此程序将传感器系统提供的测量信号换算成力反馈和运动反馈信号。这些力反馈和运动反馈信号被送至控制装置，控制装置如此调节驱动单元，使得胎儿模型在一个施加的特征力作用下由人借助于驱动单元如此运动，使得由胎儿模型引起一个相应的反应运动，此运动符合在所出现的医学状况下胎儿的自然运动行为。助产士或受培训人员从而得到一个“活生生的”胎儿的感觉。这样，使得在孕妇护理和助产领域首次得到全新的培训方法。而且，仅仅通过程序变动，即通过按动按钮，可以仿真自然胎儿的各种临床状况和运动反应类型。
按照权利要求4还附带地设置了一个光学显示装置，它与控制装置的计算机进行信号连接。此显示装置可以是监视器或数据眼镜。在仿真时可显示各种视觉信息。例如当仿真分娩的一个特殊状况时，同步地放映一部影片，该影片例如展示一次自然分娩中的相同状况。然而也可选用其它的表示方式，例如选择X光片显示方式。
按照权利要求5，光学显示装置也显示提示和附加信息。如果例如关于危险状态的附加提示被插入显示，对培训是特别有帮助的。
按照权利要求6还附带地设置了一个用于形成典型声音的声发生器。声发生器不仅可发出胎儿哭叫声，也可发出母亲的声响。声音可以合成产生，或者也可是自然的原声，即在相应的自然情况下录制的录音带重放。通过这个措施，例如在强烈的疼痛时放出分娩者的呻吟声对于受培训人员将产生非常接近真实的感觉。
按照权利要求7，声发生器被集成在子宫体内。这样尤其可以非常真实地模拟由胎儿发出的声响。
按照权利要求8，提供了一个胎儿模型，此胎儿模型最好应用在权利要求1至7所述的分娩模拟器中。此胎儿模型在颈部区域和/或头顶区域(它由可变形的部分构成)中具有运动传感器和/或力传感器和/或压力传感器，它们与控制装置的计算机进行信号连接。
在应用权利要求1至7所述的分娩模拟器时，此胎儿模型使得可以获取附加的信息，这些信息改善了培训效果。例如在一个接受培训的人员在分娩模拟器上模拟分娩过程时可以记录胎儿上的力传导。接受培训的人员同样感受到力。接着，这两个力的变化过程可以被比较和评估。
安放力传感器和/或力矩传感器的最佳位置是胎儿模型的颈部。应用路径记录或压力传感器的最佳位置是胎儿模型的头部。如果提供了路径记录，头部可以模拟自然胎儿的头部变形并具有可移动的头部部分，其移动通过路径记录进行测量。
当胎儿模型用于权利要求3所述的分娩模拟器时，胎儿模型的传感器信息被用来提供更多和更精确的力信息和/或力矩信息，这些信息用于计算反作用力和相应的反作用运动。还应说明，如果需要在进行具体的运动仿真时获取信号，本领域技术人员在需要时也可在胎儿或子宫体的合适的位置处设置其它传感器，例如可在子宫体的凸起部分设置压力传感器。
下面借助简要附图所示实施例详细说明本发明。
图1示出本发明第一个有效实施方式。
图2示出本发明第二个有效实施方式。
图3示出本发明第三个有效实施方式。
图4示出本发明第四个有效实施方式。
图5示出本发明第五个有效实施方式。
图6示出本发明第六个有效实施方式。
图7示出第二项发明的第一个实施方式。
图8示出第二项发明的第二个实施方式。
图9示出本发明的一个交互实施方式。
图10示出用于本发明的一个交互实施方式的第一个调节算法。
图11示出用于本发明的一个交互实施方式的第二个调节算法。
图1以一个带有胎儿模型2的孕妇子宫体1的形状和大小示出一个分娩模拟器的剖面。子宫体1在部位3固定设置在一个支座上，例如一张桌子上。胎儿模型2位于一个腔4中，此腔模拟子宫。子宫体1和胎儿模型2由软弹性塑料制成。一个线性驱动装置5通过一个力传感器6连接在胎儿模型2边上。线性驱动装置5具有一个长度测量系统形式的内部位置识别装置，线性驱动装置可以在箭头5a的方向来回运动。力传感器6通过球关节7a与胎儿模型2连接。当线性驱动装置5将胎儿模型2从产道挤压出去时，接受培训的人员必须像真正分娩时那样把持和引导胎儿模型2。分娩时作用的力被力传感器6获取，作为力测量信号被一个分析电路处理，并作为力测量数据存储在一个存储装置中。在模拟分娩时可跟踪的力和运动的变化过程与存储的标准的力和运动变化过程相比较。由跟踪的力和运动变化过程与存储的标准的力和运动变化过程之间的偏差可以在接受培训的人员的训练结果中加以考虑。
图2示出一个原理上与图1相同的设置，其中线性驱动装置5除了来回运动5a外还可以做旋转运动5b。与图1不同，在胎儿模型2与力传感器6之间的连接点被设计为一个扭转刚性的弹性件7b。
图3示出一个原理上与图2相同的设置，其中线性驱动装置5除了运动5a和5b外还可以做摆动运动5c。与图1或图2不同，在胎儿模型2与力传感器6之间的连接点被设计成刚性的。
图4示出一个原理上与图3相同的设置，其中线性驱动装置5除了运动5a，5b和5c外还可以做附加运动5d，该运动垂直于运动5a的方向。在胎儿模型2与力传感器6之间的连接点被设计成刚性的。
图5示出一个由三个单个的驱动装置51，52和53构成的线性驱动装置5，这些单个驱动装置的端部可摇动地安装在支座8和平板9上。平板9通过力传感器6与一个两点支撑支架10刚性地连接。两点支撑支架10在点11和12上固定连接胎儿模型2。
图6示出一个线性驱动装置5，它参考图5所示那样也由3个单个的驱动装置51，52和53组成，它们的端部可摇动地分别安装在一个支座81，82和83上。它们在伸向胎儿模型2的方向上的端部可摇动地在不同点21，22和23连接于胎儿模型。
本领域技术人员借助于附图和上述说明可以了解，如何借助于不同的驱动装置以各种自由度实现胎儿模型的运动。
图7示出一个胎儿模型2，其头部通过一个力和旋转矩传感器13与躯体连接。在分娩模拟器中尤为重要的是练习在胎儿模型2头部的操作技巧。这时胎儿的颈部受到特别的应力。因此在监控分娩仿真时特别有意义的是控制头部操作，这可以用胎儿模型的这个实施方式实现。为了传输电测量信号，本领域技术人员可用有线或无线的传输方法。
图8示出一个胎儿模型2，相对于图7，在其头部颅骨区域中还附带地设置了路径和压力传感器14。此外胎儿模型2的颅顶的各个部分设计成可移动的。例如模拟分娩时颅顶的部分像在自然分娩过程中那样移位，并且在训练时注意移位不超过医学上规定的界限。借助于路径和压力传感器可在模拟分娩时获取位移和压力，并由获得的数据判断受训人员是否正确把持和引导胎儿模型的头部。本领域技术人员知道选择和使用合适的路径和压力传感器及适合的信号处理技术。
图9示意地以一个带有胎儿模型2的孕妇腹部模型1的形式示出分娩模拟器的剖面。腹部模型1在部位3处固定设置在一个支座上，例如一张桌子上。胎儿模型2位于一个腔4内，此腔模拟子宫。腹部模型1和胎儿模型2由软弹性塑料制成。一个具有串联运动结构的六关节机器人5通过一个六元件-力-力矩-传感器6连接到胎儿模型2上。
当机器人5在仿真分娩时将胎儿模型2从产道挤压出来时，连受培训的人员必须像真实分娩时那样把持和引导胎儿模型2。此时传导的力和力矩被六元件-力-力矩-传感器6获取，转换为电信号并送至一个控制和调节装置。
机器人具有串联运动结构，即多个机器人部分通过主动驱动的转轴相互串联连接。转轴的方向如此选择，使得机器人的末端受动器与连接在六元件-力-力矩-传感器6上的胎儿模型一起可在六个自由度(三个位置和三个方向)上运动。机器人的角度位置通过内部关节角度传感器获取并送至控制和调节装置。由关节角度数据确定胎儿模型2在空间上的位置。
如果一个人用手间接地通过弹性覆盖层6或者直接地接触胎儿模型2，由人通过手或借助于医疗器械施加到胎儿模型2上的力引起运动。胎儿模型2按照一种运动类型做出反应，此运动类型对应真实胎儿的实际反应运动。
胎儿模型的运动反应原理上可按两种方法进行第一种方法是图10所示1导纳调节，按此方法，接触胎儿模型2时产生的力被六元件-力-力矩-传感器6获取，并传送给具有仿真程序的计算机。在那里计算出所引起的胎儿模型2的运动并作为额定值进一步传送给机器人调节装置。机器人调节装置将计算出的额定运动与测量的机器人运动进行比较，并如此向机器人馈送电动机电流，使得测得的和计算出的运动之间的误差最小。
第二种方法是图11所示的阻抗调节，按此方法，由力和力矩的作用所导致的位置和方向变化被获取，并传送给具有仿真程序的计算机，在计算机中计算出对应的力和力矩，并作为额定值进一步传送给机器人调节装置。机器人调节装置将计算出的额定力和力矩与实际出现的力和力矩进行比较，并如此移动机器人，使出现的误差最小。
用于分娩仿真计算的仿真程序包含一个计算机模型，它包含母亲的骨盆、子宫、脐带、腱、表皮和肌肉结构与胎儿模型的身体之间的生物力学关系。该模型描述了一个人-例如接受培训的助产士-施加到胎儿模型上的力和力矩，以及胎儿相对于母体的空间位置/方向及其变化(即速度和加速度)的位置和运动之间的静态和动态关系。这样不仅可由测得的力和力矩计算出所引起的胎儿模型2的运动(导纳调节法)，也可由测得的胎儿运动计算出相应传递给操作人员的力和力矩(阻抗调节法)。
通过调节机械的力作用装置5，操作人员获得对实际反应的觉感受。通过在分娩仿真计算中相应地选择参数，不仅可模拟正常的分娩过程或胎儿运动，而且也可描绘和生动地表示出偶然的情况和有问题的状态。
在图9所示的本发明实施方式中，还可由在分娩模拟中出现的运动信息在运动计算中求出解剖学部位(例如母亲和胎儿的骨盆、子宫、脐带、腱、表皮和肌肉)的运动和变形，并实时显示在监视器7上。可以选择不同的表示方式，例如所示的X射线显示或超声图方式的显示，并且例如特别易受损的部位或损伤可用彩色突出显示。同时也可在不同的显示方式之间切换。因为视觉信息在时间上与操作人员的触觉信息同时传送，因此获得了非常真实的整体印象。
在图9所示本发明实施方式中还由生物机械学计算求出疼痛界限值，在超过这些值时给出一个命令用以播放一段声音样本。此声音样本存储在一个存储器中，并在需要时被调用并通过立体扬声器系统8播放。若例如在错误的操作时响起疼痛叫声，对操作人员起到持久的心理学记忆作用。
下面给出对执行器及其控制的实现的进一步说明。
执行器可用一个六轴的Stubli工业机器人RX90验证。机器人原来的控制计算机需要超过16毫秒的长周期。为了分娩模拟器的稳定运行和生物机械力学性能的无干扰和接近真实的描述，在一定条件下要求在实时操作时有千赫兹(KHz)范围内的更高采样率，并实现基于模型的调节方法的高计算能力。由于这个原因，并行地构造一个基于PC的控制装置。通过切换可以将角度传感器、力传感器和力矩传感器以及用于电子关节放大器的模拟信号从Stubli计算机切换到PC，在PC中由相应的PCI卡实现信号采集/输出。通过在电流调节器上设置电子关节放大器可以在PC上实现上述基于关节力矩交叉点的调节。由于PC具有明显更高的计算能力，采样时间可缩短到250微秒，这比原有结构得到了明显优化的结果。这样处理的优点在于，所有其它的原有部件，如关节放大器、用于制动的安全电路和紧急保持电路以及供电系统，都可保留和继续使用。
下面给出对生物机械力学模型的实现的进一步说明。
为了进行本发明中的转换，必须开发作为基础的生物机械力学模型。在生物机械力学模型中描述从外部(操作者)施加到胎儿上的负荷之间的关系，即力和力矩(原因)与导致的运动或位置(效果)之间的关系。数学描述中说明是原因-效果关系还是效果-原因关系取决于调节的方式。在导纳调节法中需要一个逆模型，即计算原因(力，力矩)作为效果(位置，速度)的函数。反之，在阻抗调节法中以直接的动态模型(也称前向模型)从原因计算出效果。计算方式(即逆向还是直接方式)对于建模方式只有次要意义。下面在直接方向上描述一个建模的例子。
胎儿具有确定的、由解剖学规定的形状/几何尺寸，在最简单的情况下这可视为固定不变的和刚性的。然而有意义的是假设胎儿的形状在力的作用下(力是由操作者或者由子宫部位的接触施加到胎儿上的)被动地发生粘弹性形变。同样由子宫、腹部、产道、骨盆等组成的生殖系统具有确定的几何形状和弹性特性。
如果现在操作者在胎儿上施加了力和/或力矩，此负荷通过胎儿传递到胎儿与母体的接触位置处(例如在子宫中或在产道中)。在这些位置处发生由变形和摩擦所引起的相对运动。根据相应(即求解的)胎儿和母亲的身体部位的几何形状和弹性特性的设计，出现或多或少明显的运动(这里“明显”意味着迅速或者以显著的尺寸)。胎儿的位置还受到从外部施加的负荷(通过阴道或腹部表层)的影响。这里应注意，只要不出现较大的机械力学上或肌肉的障碍，胎儿也可以不需从外部做什么，只通过子宫收缩从母体出来。然而如果产道狭窄，或者胎儿的头由于产道中不利的倾斜情况而“歪斜”，则操作者必须施加力和力矩，他增加“驱出力”(例如通过在母亲腹部表面上向下按压)或者通过胎儿头的转动(从外部伸入产道)消除“歪斜”。
生物机械力学模型不一定显式包含所有的解剖学部位和形状。对施加的力与导致的运动之间的数学关系具有一定的“抽象”描述。这就是说，一个数学函数描述了当一个力和一个力矩在一个特定方向上作用在胎儿的某个特定位置时的位置、方向和速度。其中考察的是多维问题。也就是说，施加的力和力矩在三维方向上作用，并且可以在胎儿表面的任意位置上作用。同样，得到的位置、方向和速度也以三维形式的给出。力/力矩与位置/运动之间的关系还取决于胎儿当时在子宫或产道中的位置。这个数学关系可基于线性的或非线性的抽象等式容易地写出。然而困难在于正确的参数确定。参数的选择决定了正常的或有病变的分娩过程可被模拟得多么接近真实情况。参数可以基于理论基础估计出或者通过实验/测量获得。
下面进一步给出关于实现图形显示的说明。用监视器可以观看内部的解剖学部位，如盆骨、子宫、胎盘、阴唇、血管以及胎儿。而且监视器也可以与偏光眼镜一起在立体模式下工作。运动动画与分娩模拟器的运动同时进行。这样操作者可以在胎儿运动的同时学习体内的、解剖学和生物机械学上的关系。可视化基于分部位的和三维重建的CT和MRT成像来实现。重建的解剖图描述了附加的信息，它在医学教学中具有高的教学价值，然而在真实的分娩时此信息是不可能显现的。在临床中通常只用超声技术观察和判断分娩过程。这些超声成像可以在合成单幅图像(它们与分娩过程同步进行)的基础上在运动动画中被模拟。
在图形动画中考虑同步运动的身体部位位置变化、血管或脐带的变化、以及肌肉、子宫、胎盘等的变化。可视化使得这些运动过程的所谓“运动学CT和MRT成像”成为可能。然而这里仅涉及电影摄制技术，它不能提供多于一个的自由度的交互服务，并因此仅有限地适用于VR领域(Dupuy等1997；Witoski和Goraj 1999)。一种替代方法是基于模型的动画。其中所有部件被模型化为它们的相关几何形状和弹性特性以及它们机械力学上的相互配合。然而对于接近真实的仿真，必须采用FE计算和复杂的多体接触模型，它们明显增加了仿真技术费用并从而损害了系统的实时性。
因此推荐一种组合的方法，其中图像数据与解剖学模型考察同样被采用。附加工作在于内插和外插几何数据(这些数据由足够多的离散分娩力矩来重建)，使得每个任意的胎儿位置在每个重要的自由度上可以被描述。内插和外插这里可在模型支撑下完成，其中例如考虑某些身体部位的体积守恒或长度恒定。因为这可以用相对较低的计算开销来完成，可以实现在任意方向上实时的和平滑的运动轨迹。
下面进一步给出有关实现声音播放的说明。在分娩时出现一系列不同的声学信号，它们由扬声器产生。这些声音包括母亲的疼痛咕叫，婴儿出生时的声音，声学表示信号，如母亲的痛苦程度和婴儿的EKG。扬声器可置于人造身体部位附近或植入身体部位中，使得从外部看不见扬声器。
分娩声音可以在分娩时录在多个磁带上。为了播放声音必须找出模型，它符合声响类型与基础状况和引起运动的操作者动作之间的关系。基于妇科大夫足够的经验可以首先借助于语言学变量定性地描述上述关系，然后采用模糊逻辑的方法可以由语言学描述推导出定量的关系。
权利要求
1.分娩模拟器，具有以下特征-一个由弹性材料制成的子宫体(1)，-一个由弹性材料制成的胎儿模型(2)，它被设置在子宫体(1)中，其中最好符合自然的形状和大小关系以及触觉，其特征在于，-胎儿模型(2)通过连接装置(7)与一个可控制的驱动装置(5)相连接，以使胎儿模型(2)在子宫体(1)中运动，或者将胎儿模型通过产道从子宫体(1)挤压出来，以及-设置了一个用于控制驱动装置(5)的可编程控制装置，其中这样进行控制，以模仿胎儿在子宫中的自然运动。
2.如权利要求1所述的分娩模拟器，其特征在于，为了使胎儿模型(2)运动，设置了多个连接装置(7)和多个可控制的驱动装置(5)。
3.如权利要求1或2所述的分娩模拟器，其特征在于，设置了一个用于检测力和运动的传感器系统，这些力和运动是由试验人员用手或医疗器械施加到子宫体(1)或胎儿模型(2)上的，其中传感器系统的传感器被设置在连接装置(7)和/或驱动装置单元(5)上，并且-设置了一个用于控制驱动装置(5)的可编程的、具有一台计算机的控制装置，其中控制装置如此被设计，使得由传感器系统提供的测量信号被送至计算机，在计算机中运行一个仿真程序，此程序与控制装置一起作用，使得在外力作用下胎儿模型(2)借助于驱动装置单元(8)这样来运动使得胎儿模型(2)实现相应的反应运动，这些反应运动符合在相关研究或相关分娩阶段中胎儿在子宫内的自然运动行为。
4.如以上权利要求中任一项所述的分娩模拟器，其特征在于，设置了一个与控制装置进行信号连接的光学显示装置，它实时地显示胎儿的运动。
5.如权利要求4所述的分娩模拟器，其特征在于，光学显示装置显示提示和附加信息。
6.如以上权利要求中任一项所述的分娩模拟器，其特征在于，设置了一个用于产生典型声音和响声、与控制装置进行信号连接的声发生器，这些声音和响声是在实际研究或自然分娩时可能出现的。
7.如权利要求6所述的分娩模拟器，其特征在于，声发生器集成在子宫体(1)内。
8.胎儿模型，最好用于以上权利要求中任一项所述的分娩模拟器中，其特征在于，在胎儿模型(2)的颈部区域中和/或由可变形的部分组成的颅顶区域中设置路径传感器和/或力传感器和/或压力传感器(13，14)，这些传感器与控制装置进行信号连接。
全文摘要
本发明涉及一种主动的和一种互动的分娩模拟器，它用于模拟人类怀孕和分娩过程，其中分娩模拟器具有以下特征一个子宫体(1)，一个设置在子宫体(1)中的胎儿模型(2)，其中最好符合自然的形状、大小和位置关系，并且胎儿模型(2)通过连杆装置(7)与一个可控制的驱动装置(5)连接，以使胎儿模型(2)在子宫体中运动或者将胎儿模型通过分娩通道从子宫体(1)挤压出来，并且设置了一个用于控制驱动装置(5)的可编程控制装置。
文档编号G09B23/28GK1541381SQ02814229
公开日2004年10月27日 申请日期2002年6月25日 优先权日2001年6月25日
发明者罗伯特·里纳, 赖纳·布克卡特, 布克卡特, 罗伯特 里纳 申请人:罗伯特·里纳, 赖纳·布克卡特, 罗伯特 里纳
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