CN109330684A - 一种用于脑血管介入治疗的磁导航装置及磁导航方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于脑血管介入治疗的磁导航装置，包括：对称壳体；导航区，在壳体沿X轴开的通孔内；观察腔，在壳体沿Z轴开的通孔内；X射线管和X射线接收器，分别在观察腔的Z轴正方向上和负方向上；两个接线座，在壳体外部的Y轴正方向和负方向上；三个亥姆霍兹线圈，在壳体内部且正交分布；线圈电源，在壳体外部并连两个接线座，且与控制器连；三个磁场探测器，在导航区外且与控制器连；导管，在脑血管内部，前端分布三个同轴的永磁环；操控手柄，与导管和控制器连；控制器，在壳体外。本发明还公开了一种用于脑血管介入治疗的磁导航装置的磁导航方法。本发明的有益效果：操控方便、响应速度快、噪声低、无导航方向死角。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体而言，涉及一种用于脑血管介入治疗的磁导航装置及磁导航方法。
背景技术
脑血管介入治疗手术因损伤小、效果好、康复快，在临床上已得到了应用。目前能实施脑血管介入治疗手术的医院多采用手动式插管技术，其工作原理是：从大腿根腹股沟穿刺股动脉建立进入动脉的通道，在X光机成像的引导下通过手动控制专用的导管进入脑血管，带导管进入预定位置后再实施相应的治疗，如放置脑血管支架或弹簧圈等。但是对于一些复杂病例，手动控制的方式进行导管介入就比较困难，比如在插管的过程中碰到一些形状复杂的血管，导管就很难到达目标区域，特别是要进入小锐角分枝血管或者是血管结构变异较大的部位就更加困难。此外，由于手动控制的方式介入手术耗时较长，操作医师在导管床旁间断或者长时间地在X线照射下工作，身体会积累大剂量的X辐射量，会给操作医师带来极大的健康风险。
针对手动操控介入式手术的缺点，申请号为201410424738.0的中国发明专利《一种心脏磁导航手术系统的磁场发生装置》给出了一种基于磁导航的远程控制线圈装置，使得操作医师可以在操作间远程操控介入导管实现手术治疗的目的。其基本原理是通过操控手柄控制电磁铁的励磁电流来实现目标区域磁场的动态调整，通过磁场作用于导管端部的永磁环进而对导管头进行位置和姿态的控制。该磁场发生装置采用是四轴斜交布置的八个电磁线圈来产生导航用的磁场的，体积大，功耗高，控制算法解算复杂。文献[SabineErnst,et al.,Initial Experience With Remote Catheter Ablation Using a NovelMagnetic Navigation System:Magnetic Remote Catheter Ablation,Circulation,March 30,2004]给出了一种永磁式磁导航介入手术系统，其核心部件是两个永磁铁阵列形成的半球形磁体。当需要导航时，半球形磁体在病人心脏部位产生一个球形磁场区，通过计算机控制的伺服电机驱动旋转永磁铁阵列来实现磁场方向的改变。受旋转空间的限制，永磁式磁导航介入手术系统只能对大部分的心血管疾病实施诊治，对一些难以进入或者定位的病例还难以治疗。由于受到机械惯性的限制，导航系统的反应速度较慢。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于脑血管介入治疗手术的磁场发生装置及磁导航方法，结构紧凑、磁场强度高、导航速度快且导航无盲区。
本发明提供了一种用于脑血管介入治疗的磁导航装置，包括：
壳体，其为对称结构，以所述壳体的中心为原点，建立笛卡尔坐标系，Z轴为所述壳体的中心轴，根据右手定则设定X轴和Y轴，所述壳体中部沿X轴方向开设有一个用于头部进入的通孔；
导航区，其为以原点为中心的球形区域且位于所述壳体沿X轴开设的通孔内；
观察腔，其位于所述壳体中部沿Z轴方向开设的通孔内；
X射线管，其位于所述观察腔的Z轴正方向上，用于发射X射线；
X射线接收器，其位于所述观察腔的Z轴负方向上，用于接受X射线信号；
两个接线座，其对称位于所述壳体外部的Y轴正方向和Y轴负方向上，用于接入线圈电源；
三个亥姆霍兹线圈，其位于所述壳体内部且正交分布，中心轴分别为X轴、Y轴和Z轴，用于在所述导航区产生均匀的方向可调的磁场；
线圈电源，其位于所述壳体外部并连接至所述两个接线座，且与控制器相连，用于根据所述控制器输出的控制电压信号对三个亥姆霍兹线圈分别供电；
三个磁场探测器，其位于所述导航区外部且与所述控制器相连，用于分别检测三个亥姆霍兹线圈产生的磁场大小和方向，并将检测信号反馈至所述控制器；
导管，其为可移动部件且置于脑血管内部，前端分布有三个同轴布置的永磁环；
操控手柄，其与所述导管和所述控制器相连，用于控制所述导管的姿态，并将控制命令发送至所述控制器；
控制器，其位于所述壳体外部，用于接收来自所述操控手柄的控制命令，转换成相应的控制电压信号给所述线圈电源，并接收三个磁场探测器反馈的磁场信息输送至交互界面。
作为本发明进一步的改进，所述永磁环磁矩的方向与所述导管长度方向一致且指向所述导管的端部。
作为本发明进一步的改进，所述亥姆霍兹线圈由一对相同的、共轴的且彼此平行的密绕线圈组成。
作为本发明进一步的改进，线圈对中两个线圈的电流大小和方向相同。
作为本发明进一步的改进，所述壳体材料为非铁磁性物质。
作为本发明进一步的改进，所述壳体材料为非金属材料。
作为本发明进一步的改进，所述亥姆霍兹线圈由绝缘铜导线绕制而成。
作为本发明进一步的改进，所述永磁环材料为钕铁硼。
本发明还提供了一种用于脑血管介入治疗的磁导航装置的磁导航方法，包括：
步骤1，导管移动至导航区内，操控者通过操控手柄控制所述导管的姿态；
步骤2，控制器接收来自所述操控手柄的控制命令，并计算出相应的控制电压信号给线圈电源；
步骤3，所述线圈电源根据所述控制器输出的控制电压信号对三个亥姆霍兹线圈分别施加相应的电流进行供电；
步骤4，每个亥姆霍兹线圈中的两个线圈中的电流大小和方向相同，三个亥姆霍兹线圈在所述导航区内分别产生X轴、Y轴和Z轴方向的均匀磁场分量，此时，所述导管前端的永磁环在所述导航区内受到均匀磁场施加的扭矩，使得所述永磁环的磁矩与所述导航区磁场平行，所述导管的端部与外磁场平行，外磁场的方向即为所述导管的端部方向；
步骤5，三个磁场探测器分别检测三个亥姆霍兹线圈的磁场大小和方向，并将检测信号反馈至所述控制器，实现闭环控制；
步骤6，所述控制器同时将所述导航区内的磁场信息发送至交互界面，所述交互界面将所述导管的姿态显示给操控者。
作为本发明进一步的改进，当需要控制所述导管的端部方向时：所述线圈电源调整三个亥姆霍兹线圈上的电流大小，在所述导航区内产生一定强度的任意方向上的均匀稳定磁场，通过调整所述导航区内均匀磁场的方向，控制所述导管的端部方向。
本发明的有益效果为：
本发明的磁导航装置通过改变亥姆霍兹线圈中电流的大小可以方便、快捷和的改变导航区域的磁场方向和强度，具有操控方便、响应速度快、噪声低等优点。
本发明的磁导航装置无导航方向死角，可以方便地对锐角分枝血管或者是血管结构变异较大的部位进行导航控制，扩展了脑血管介入治疗手术的适用范围，也提高了手术成功率。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种用于脑血管介入治疗的磁导航装置的结构示意；
图2为本发明实施例所述的亥姆霍兹线圈的布置示意图；
图3为本发明实施例所述的一种用于脑血管介入治疗的磁导航装置的电气连接图；
图4为本发明实施例所述的导管的结构示意图。
图中，
1、壳体；2、导航区；3、接线座；4、观察腔；5、X射线管；6、X射线接收器；7、亥姆霍兹线圈；8、导管；9、永磁环；10、操控手柄；11、控制器；12、交互界面；13、线圈电源；14、磁场探测器。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例1，如图1-4所示，本发明第一实施例所述的一种用于脑血管介入治疗的磁导航装置，包括壳体1、导航区2、两个接线座3、观察腔4、X射线管5、X射线接收器6、三个亥姆霍兹线圈7、操控手柄10、控制器11、交互界面12、线圈电源13、三个磁场探测器14和导管8。
壳体1为对称结构，以壳体1的中心为原点，建立笛卡尔坐标系，Z轴为壳体1的中心轴，根据右手定则设定X轴和Y轴，壳体1中部沿X轴方向开设有一个用于头部进入的通孔。优选的，壳体1材料为非铁磁性物质。更为优选的，壳体1材料为非金属材料。选用这两种材料主要避免干扰亥姆霍兹线圈7产生的磁场。
导航区2是介入磁导航装置的工作区域，为以原点为中心的球形区域且位于壳体1沿X轴开设的通孔内。
观察腔4位于壳体1中部沿Z轴方向开设的通孔内。在观察腔4的Z轴正方向上布置有X射线管5，用以发射X射线进行观察。在观察腔4的Z轴负方向上布置有X射线接收器6，用以接受X射线信号。
以原点为中心，在壳体1内布置有正交分布的三个亥姆霍兹线圈7，三个亥姆霍兹线圈7的中心轴分别为X轴、Y轴和Z轴，用于在导航区2产生均匀的方向可调的磁场。亥姆霍兹线圈7是由一对相同的、共轴的、彼此平行的密绕线圈所组成，线圈对中两个线圈的电流大小和方向相同。亥姆霍兹线圈7由绝缘铜导线绕制而成，其结构简单且能产生均匀性较好的磁场。
在壳体1外部沿Y轴正方向和Y轴负方向上，分别布置两个接线座3，用于接入线圈电源13。线圈电源13位于壳体1外部并连接至两个接线座3，且与控制器11相连，用于根据控制器11输出的控制电压信号对三个亥姆霍兹线圈7分别供电。
三个磁场探测器14位于导航区2外部不影响头部和X射线观测的位置，并与控制器11相连，用于分别检测三个亥姆霍兹线圈7产生的磁场大小和方向，并将检测信号反馈至控制器11。
导管8为可移动部件且置于脑血管内部，前端分布有三个同轴布置的永磁环9，当导管8移动至导航区2内时，亥姆霍兹线圈7产生的磁场开始对导管8进行导航。永磁环9磁矩的方向与导管8长度方向一致且指向导管8的端部。永磁环9的在导航区2内受到均匀磁场施加的扭矩，使得永磁环9的磁矩与导航区2磁场平行，导管8端部就与外磁场平行。通过调整导航区2内均匀磁场的方向就可以控制导管8的端部方向。优选的，永磁环9材料为钕铁硼。
操控手柄10与导管8和控制器11相连，用于控制导管8的姿态，并将控制命令发送至控制器。
控制器11位于壳体1外部，用于接收来自操控手柄10的控制命令，转换成相应的控制电压信号给线圈电源13，并接收三个磁场探测器14反馈的磁场信息输送至交互界面12。
实施例2，本发明第二实施例所述的
9、一种用于脑血管介入治疗的磁导航装置的磁导航方法，包括：
步骤1，导管8移动至导航区2内，操控者通过操控手柄10控制导管8的姿态；
步骤2，控制器11接收来自操控手柄10的控制命令，并计算出相应的控制电压信号给线圈电源13；
步骤3，线圈电源13根据控制器11输出的控制电压信号对三个亥姆霍兹线圈7分别施加相应的电流进行供电；
步骤4，每个亥姆霍兹线圈7中的两个线圈中的电流大小和方向相同，三个亥姆霍兹线圈7在导航区2内分别产生X轴、Y轴和Z轴方向的均匀磁场分量，此时，导管8前端的永磁环9在导航区2内受到均匀磁场施加的扭矩，使得永磁环9的磁矩与导航区2磁场平行，导管8的端部与外磁场平行，外磁场的方向即为导管8的端部方向；
步骤5，三个磁场探测器14分别检测三个亥姆霍兹线圈7的磁场大小和方向，并将检测信号反馈至控制器11，实现闭环控制；
步骤6，控制器11同时将导航区2内的磁场信息发送至交互界面12，交互界面12将导管8的姿态显示给操控者。
进一步的，当需要控制导管8的端部方向时：线圈电源13调整三个亥姆霍兹线圈7上的电流大小，在导航区2内产生一定强度的任意方向上的均匀稳定磁场，通过调整导航区2内均匀磁场的方向，控制导管8的端部方向。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于脑血管介入治疗的磁导航装置，其特征在于，包括：
壳体(1)，其为对称结构，以所述壳体(1)的中心为原点，建立笛卡尔坐标系，Z轴为所述壳体(1)的中心轴，根据右手定则设定X轴和Y轴，所述壳体(1)中部沿X轴方向开设有一个用于头部进入的通孔；
导航区(2)，其为以原点为中心的球形区域且位于所述壳体(1)沿X轴开设的通孔内；
观察腔(4)，其位于所述壳体(1)中部沿Z轴方向开设的通孔内；
X射线管(5)，其位于所述观察腔(4)的Z轴正方向上，用于发射X射线；
X射线接收器(6)，其位于所述观察腔(4)的Z轴负方向上，用于接受X射线信号；
两个接线座(3)，其对称位于所述壳体(1)外部的Y轴正方向和Y轴负方向上，用于接入线圈电源(13)；
三个亥姆霍兹线圈(7)，其位于所述壳体(1)内部且正交分布，中心轴分别为X轴、Y轴和Z轴，用于在所述导航区(2)产生均匀的方向可调的磁场；
线圈电源(13)，其位于所述壳体(1)外部并连接至所述两个接线座(3)，且与控制器(11)相连，用于根据所述控制器(11)输出的控制电压信号对三个亥姆霍兹线圈(7)分别供电；
三个磁场探测器(14)，其位于所述导航区(2)外部且与所述控制器(11)相连，用于分别检测三个亥姆霍兹线圈(7)产生的磁场大小和方向，并将检测信号反馈至所述控制器(11)；
导管(8)，其为可移动部件且置于脑血管内部，前端分布有三个同轴布置的永磁环(9)；
操控手柄(10)，其与所述导管(8)和所述控制器(11)相连，用于控制所述导管(8)的姿态，并将控制命令发送至所述控制器；
控制器(11)，其位于所述壳体(1)外部，用于接收来自所述操控手柄(10)的控制命令，转换成相应的控制电压信号给所述线圈电源(13)，并接收三个磁场探测器(14)反馈的磁场信息输送至交互界面(12)。
2.根据权利要求1所述的磁导航装置，其特征在于，所述永磁环(9)磁矩的方向与所述导管(8)长度方向一致且指向所述导管(8)的端部。
3.根据权利要求1所述的磁导航装置，其特征在于，所述亥姆霍兹线圈(7)由一对相同的、共轴的且彼此平行的密绕线圈组成。
4.根据权利要求3所述的磁导航装置，其特征在于，线圈对中两个线圈的电流大小和方向相同。
5.根据权利要求1所述的磁导航装置，其特征在于，所述壳体(1)材料为非铁磁性物质。
6.根据权利要求1所述的磁导航装置，其特征在于，所述壳体(1)材料为非金属材料。
7.根据权利要求1所述的磁导航装置，其特征在于，所述亥姆霍兹线圈(7)由绝缘铜导线绕制而成。
8.根据权利要求1所述的磁导航装置，其特征在于，所述永磁环(9)材料为钕铁硼。
9.一种利用权利要求1所述的用于脑血管介入治疗的磁导航装置的磁导航方法，其特征在于，包括：
步骤1，导管(8)移动至导航区(2)内，操控者通过操控手柄(10)控制所述导管(8)的姿态；
步骤2，控制器(11)接收来自所述操控手柄(10)的控制命令，并计算出相应的控制电压信号给线圈电源(13)；
步骤3，所述线圈电源(13)根据所述控制器(11)输出的控制电压信号对三个亥姆霍兹线圈(7)分别施加相应的电流进行供电；
步骤4，每个亥姆霍兹线圈(7)中的两个线圈中的电流大小和方向相同，三个亥姆霍兹线圈(7)在所述导航区(2)内分别产生X轴、Y轴和Z轴方向的均匀磁场分量，此时，所述导管(8)前端的永磁环(9)在所述导航区(2)内受到均匀磁场施加的扭矩，使得所述永磁环(9)的磁矩与所述导航区(2)磁场平行，所述导管(8)的端部与外磁场平行，外磁场的方向即为所述导管(8)的端部方向；
步骤5，三个磁场探测器(14)分别检测三个亥姆霍兹线圈(7)的磁场大小和方向，并将检测信号反馈至所述控制器(11)，实现闭环控制；
步骤6，所述控制器(11)同时将所述导航区(2)内的磁场信息发送至交互界面(12)，所述交互界面(12)将所述导管(8)的姿态显示给操控者。
10.根据权利要求9所述的磁导航方法，其特征在于，当需要控制所述导管(8)的端部方向时：所述线圈电源(13)调整三个亥姆霍兹线圈(7)上的电流大小，在所述导航区(2)内产生一定强度的任意方向上的均匀稳定磁场，通过调整所述导航区(2)内均匀磁场的方向，控制所述导管(8)的端部方向。
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811202613.8A Pending CN109330684A (zh) | 2018-10-16 | 2018-10-16 | 一种用于脑血管介入治疗的磁导航装置及磁导航方法 |
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|---|---|
| CN (1) | CN109330684A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112837887A (zh) * | 2019-11-25 | 2021-05-25 | 北京华航无线电测量研究所 | 一种时分复用体制的局部交变磁场发生装置 |
| CN113100940A (zh) * | 2021-04-09 | 2021-07-13 | 哈尔滨工业大学（深圳） | 一种多点磁控导管导航系统及其使用方法 |
| CN114145845A (zh) * | 2021-12-03 | 2022-03-08 | 北京航空航天大学 | 一种用于黏小管成形术的磁导航方法及装置 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030125752A1 (en) * | 1997-08-29 | 2003-07-03 | Werp Peter R. | Method and apparatus for magnetically controlling motion direction of a mechanically pushed catheter |
| CN1973753A (zh) * | 2006-12-21 | 2007-06-06 | 中国科学院电工研究所 | 一种微型机器人及其体外导向系统 |
| CN102497811A (zh) * | 2009-09-14 | 2012-06-13 | 皇家飞利浦电子股份有限公司 | 用于控制导管移动以及用于导管定位的设备和方法 |
| CN102820118A (zh) * | 2012-08-29 | 2012-12-12 | 中国科学院电工研究所 | 一种旋转磁场发生系统及其旋转磁场实现方法 |
| CN104134510A (zh) * | 2014-07-18 | 2014-11-05 | 中国科学院电工研究所 | 介入式心脏磁导航系统的磁场发生装置 |
| CN106361259A (zh) * | 2016-09-13 | 2017-02-01 | 天津理工大学 | 一种医用球形微机器人远程控制系统及其工作方法 |
| CN206390884U (zh) * | 2016-09-13 | 2017-08-11 | 天津理工大学 | 一种医用球形微机器人远程控制系统 |
-
2018
- 2018-10-16 CN CN201811202613.8A patent/CN109330684A/zh active Pending
Patent Citations (7)
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