CN111345778B - 使用动态弹簧模型的导管表示法 - Google Patents

使用动态弹簧模型的导管表示法 Download PDF

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Abstract

本发明题为“使用动态弹簧模型的导管表示法”。本发明公开了一种方法，该方法包括接收针对患者的器官的腔体内的探头测量的时变边界条件值。该探头的时间相关的形状按如下方式计算：(a)将该探头的节段表示为第一弹簧；(b)将作用在节段上的外力表示为第二弹簧；以及(c)对第一弹簧和第二弹簧求解耦合运动方程组，以满足时变边界条件值。向用户呈现形状。

Description

使用动态弹簧模型的导管表示法
技术领域
本发明整体涉及至少部分地为柔性的侵入式医疗装置，并且具体地涉及心脏探头。
背景技术
专利文献中提出对侵入式医疗探头诸如导管的形状建模。例如，美国专利申请公开2008/0243063描述了一种包括张力或挠曲元件诸如不锈钢线或拉线的导向导管。致动器诸如伺服马达可操作地联接到控制器。控制器被配置成基于控制模型的执行来控制伺服马达的致动，该控制模型包括考虑了导向仪器上的力的力学模型。控制模型也可利用运动学模型和力学模型两者，其中实施方案可以类似于包括串联弹簧组的弹簧模型来表达，这得到概念性的操纵器或导管。控制器被配置成基于包括力学模型的控制模型来控制致动器的致动，使得当致动器移动挠曲构件时导向导管弯曲。
又如，美国专利8,671,817描述了一种用于导管的编织装置，其中该导管具有经致动变化的拉线。该编织器用于将线编织到包括具有堆叠的虹膜板的虹膜组件的管中。每个虹膜板包括中心开口、从该中心开口径向向外布置的线孔以及弓形通道。该编织器包括进料器组件，该进料器组件被配置成使管前进通过中心开口并且使线前进通过相应的线孔。该编织器还包括编织组件，该编织组件被配置成当多根细丝进料通过虹膜组件时围绕管和多根线编织多根细丝，从而形成编织管组件。然后使用导管的一系列弹簧模型计算将产生所需力矩的远侧拉线距离。
美国专利8,478,379描述了一种可视化探头的方法，该方法包括接收指示沿受检者体内探头的长度设置的多个点的各自表观坐标的输入，以及将该探头的已知力学性能的模型应用于该表观坐标以计算关于该探头在体内可采取的形状的代价函数。选择响应该代价函数的形状，并基于该形状产生沿该探头长度的该点的校正坐标。然后利用该校正坐标显示该探头的图像。
美国专利7,850,456描述了一种用于模拟腹腔镜式手术尤其是出于指导和/或演示目的的装置系统和方法。该系统包括一个或多个要执行手术的虚拟器官。该器官包括：多个元素，每个元素具有相邻的元素；以及多个张紧的连接部，其用于连接该器官上的相邻元素，使得施加在该元素中的一个上的力经由相应的相邻元素传播，从而在该器官上提供分布的反应。此外，存在由用户操纵的物理操纵装置；以及跟踪布置结构，该跟踪布置结构用于跟踪该物理操纵装置并且将该物理操纵装置的运动转换成将力施加到该虚拟器官上。该系统能够模拟器官移动、切割、缝合、凝结以及其它外科和外科手术相关的操作。
美国专利9,636,483描述了一种被配置成用于导管的关节运动的机器人外科系统，该系统包括输入装置、控制计算机和器械驱动器，其中该器械驱动器具有至少一个使可操纵导管的拉线发生位移的马达，其中该控制计算机被配置成基于用户对输入装置的操纵来确定期望的马达扭矩或导管拉线的张力。本实施方案还设想一种用于可操纵导管的关节运动的机器人外科方法，其中操纵输入装置以将期望的导管位置传送到控制计算机并且将马达扭矩命令输出到器械驱动器。该机器人系统还可包括扭矩传感器。
发明内容
本文描述的本发明的实施方案提供了一种方法，该方法包括接收针对患者的器官的腔体内的探头测量的时变边界条件值。该探头的时间相关的形状按如下方式计算：(a)将该探头的节段表示为第一弹簧；(b)将作用在节段上的外力表示为第二弹簧；以及(c)对第一弹簧和第二弹簧求解耦合运动方程组，以满足时变边界条件值。向用户呈现形状。
在一些实施方案中，向用户呈现形状包括呈现覆盖在腔体的至少一部分的解剖标测图上的形状。
在一个实施方案中，边界条件值包括探头上的多个点的测量位置。在另一个实施方案中，边界条件值包括沿着探头以给定间隔施加到探头的外力。
在一些实施方案中，求解耦合运动方程组包括：(i)将探头分成节段；(ii)为每个节段提供相应的一阶运动方程；以及(iii)求解所得的耦合一阶运动方程组。
在一些实施方案中，器官是心脏。
根据本发明的实施方案，还提供了一种包括接口和处理器的系统。该接口被配置成用于接收针对患者的器官的腔体内的探头测量的时变边界条件值。该处理器被配置成通过以下方式计算探头的时间相关的形状：(a)将探头的节段表示为第一弹簧；(b)将作用在节段上的外力表示为第二弹簧；以及(c)对第一弹簧和第二弹簧求解耦合运动方程组，以满足时变边界条件值。该处理器被进一步配置成向用户呈现形状。
结合附图，通过以下对本发明的实施方案的详细描述，将更全面地理解本发明，其中：
附图说明
图1是根据本发明的实施方案的基于导管的位置跟踪系统的示意性图解；
图2A和图2B是根据本发明的实施方案的偏离其自由形状的导管的远侧端部的示意性侧视图；
图3A和图3B是根据本发明的实施方案的分别施加到图2A和图2B的远侧端部的弹簧模型的边界条件的示意性侧视图；并且
图4是示意性地示出了根据本发明的实施方案用于计算图2A和图2B的远侧端部中的一个的形状的方法和算法的流程图。
具体实施方式
概述
下文中描述的本发明的实施方案基于对探头的力学性能建模来使器官的腔体内的侵入式探头可视化，诸如心脏内的心脏导管。本发明所公开的技术使探头的形状可视化并呈现给用户，原因是其由于医疗规程和跳动心脏的运动而随时间变化。为了计算包括粘性(即阻尼)效应在内的变化形状，本发明所公开的方法应用了计算效率高的一阶动态质量弹簧模型(以下称为“DMS模型”)，其中处理器使用随时间变化的边界条件进行求解。
本发明所公开的探头的DMS模型包括以下所述的一阶动态耦合微分方程组，该方程组将探头表示为耦合弹性节段(即，第一弹簧)的“链”。此类链可如实地描述位于例如运动的心脏内的探头的弹性远侧端部的变化弯曲形状，在运动的心脏中，通常总是存在远侧端部的一些运动。
为了导出DMS模型，基本假设是施加在远侧端部上的外力可由具有矢量弹簧常数的外部弹性元件(即，第二弹簧)来描述。从数学角度讲，此假设将二阶微分方程(例如牛顿方程)组简化为本发明所公开的简化模型，如下所述。
使用DMS模型，处理器可通过求解耦合方程来确定远侧端部的形状，以在任何给定时间找到形成远侧端部的所有节段的形状。
当探头的远侧端部在器官的静态区域中时，耦合的弹性节段的移动最终收敛于最小能量状态(即，达到其中在所有力平衡之后运动减弱的力学平衡)。
在一些实施方案中，DMS模型使用由设置在远侧端部上的位置传感器测量的位置矢量作为边界条件。在其它实施方案中，DMS模型使用由设置在远侧端部上的接触力传感器测量的力矢量作为边界条件。通常，DMS模型可利用可用于求解动态模型的测量的任何集合，包括例如测量加速度以及测量力与至少一个测量位置的组合。
当边界条件包括外力时，DMS模型可将力建模为沿远侧端部以给定间隔(即，在接触力传感器测量外力的位置处)作用在远侧端部的弹簧。探头的至少一个测量位置也用于提供形状的参考位置。作用在远侧端部上的外力例如通过搏动的内腔或围绕远侧端部的心脏腔室施加。诸如来自血液中的远侧端部运动的粘度起到抑制远侧端部运动的作用。由于心脏的运动，外力和内力通常会变化，这由时间相关的边界条件反映。
由于DMS模型随时间推移而运行，建模的弹簧可以被允许作用在探头的相应节段上，使得这些节段移动和松弛。求解这些类型的方程所涉及的计算比使用其它技术执行计算(诸如导出最小化探头总能量的形状)明显更容易。
通常，处理器利用包含特定算法的软件进行编程，该算法使得处理器能够执行上文列出的处理器相关步骤和功能中的每个。
由于更容易通过计算实现，本发明所公开的用于对患者体内的探头的形状进行实时建模的技术可允许更广泛地部署基于诊断导管的系统以及可利用本发明所公开的方法的其它侵入式装置。
系统描述
图1是根据本发明的实施方案的基于导管的位置跟踪系统10的示意性图解。系统10用于确定插入患者28的器官的腔体诸如心脏26的腔室内的柔性探头22诸如导管的位置。通常，探头22用于诊断或治疗处理，例如标测心脏26中的电势或执行心脏组织的消融。探头22的远侧端部30(以心脏26内的插入物25示出)包括一个或多个感测电极50。这些电极通过穿过探头22的线(未示出)连接到控制台18中的驱动器电路20，如下文所述。电接口电路24使得控制台18能够与探头22进行交互，例如以从感测电极50接收位置指示信号。
控制台18中的电接口电路24通过穿过电缆30的线连接到体表电极，体表电极通常包括粘性皮肤贴片32、34和36。可将贴片32、34和36放置在邻近远侧端部32的体表上的任何方便位置。例如，对于心脏应用，通常将贴片32、34和36放置在患者28的胸部周围。医师27通过一组输入装置29控制控制台18的操作。
在一些实施方案中，控制台18中的处理器41基于在探头22与贴片32、34和36之间测量的阻抗(即，基于由感测电极50产生的位置指示信号)来确定心脏26内的感测电极50的位置坐标。使用电极50的实时导出位置作为本发明所公开的动态质量弹簧模型的实时边界条件，处理器41确定跳动的心脏26内的远侧端部30的变化(即，时间相关的)形状。
在一个实施方案中，控制台18还包括磁感测子系统。将患者28放置在由包含磁场发生器线圈42的垫产生的磁场中，该磁场发生器线圈由单元45驱动。由线圈42产生的磁场在磁传感器60中产生位置信号，以插入物25所示，该位置信号进一步作为对应的电输入提供给处理器41，该处理器使用磁性位置信号来计算远侧端部30的参考位置，如下文所述。
用于磁跟踪的方法和系统在美国专利5,391,199、6,690,963、6,484,118、6,239,724、6,618,612和6,332,089、PCT国际公布WO1996/005768、以及美国专利申请公布2002/0065455A1、2003/0120150A1和2004/0068178A1中有所描述，这些专利的公开内容以引用方式全文并入本文。除此之外或另选地，可使用任何其它合适的技术。
控制台18驱动显示器38，显示器显示远侧端部30在心脏26内的位置。探头22可用于生成心脏的标测图40。远侧端部30的位置可叠加在标测图40或心脏的另一图像上。
处理器41通常是通用计算机，其利用软件进行编程以执行本文描述的功能。该软件可通过网络以电子形式被下载到计算机，例如或者其可另选地或另外地设置和/或存储在非临时性有形介质(诸如磁学、光学或电子存储器)上。具体地讲，处理器41运行如本文所公开的包括在图4中的专用算法，该专用算法使得处理器41能够执行本发明所公开的步骤，如下文所述。
在一个另选的实施方案中，附加地或另选地对电极50使用接触力传感器(如图2B所示)，以感测作用在远侧端部30上的力，处理器41将该力用作实时边界条件来求解本发明所公开的动态质量弹簧模型，以便确定跳动的心脏26内的远侧端部30的变化形状。在一个实施方案中，可使用单个位置传感器给出远侧端部30的位置。接触力传感器之间以及接触传感器与位置传感器之间的已知距离足以使处理器41确定远侧端部30的时间相关的形状和位置。
使用动态弹簧模型的导管表示法
图2A和图2B是根据本发明的实施方案的偏离其自由形状的导管的远侧端部的示意性侧视图。
图2A示出了心脏26中的导管的远侧端部30A的实际曲率的表示，其中远侧端部30A包括电极52、54、56和58，这些电极统称为“电极50”，在此实施方案中用作位置传感器。
图2B示出了心脏26中的导管的远侧端部30B的实际曲率的表示，其中远侧端部30B包括(i)磁性位置传感器60以及(ii)接触力传感器62、64、66和68。接触力传感器沿远侧端部30彼此间隔开已知长度65。位置传感器60和接触力62沿远侧端部30间隔开长度63。箭头69示出有外力施加在远侧端部30上，从而导致远侧端部弯曲。在一个实施方案中，接触力指示信号由传感器62、64、66和68感测。
美国专利申请公布2007/0100332和2009/0093806描述了使用嵌入导管的力传感器来感测导管的远侧端部与体腔中的组织之间的接触力的方法，这些专利的公开内容以引用方式并入本文。除此之外或另选地，可使用任何其它合适的技术。
图2中的图解以举例的方式给出。例如包括沿远侧端部30设置的多个磁性位置传感器的其它配置是可能的。
图3A和图3B是根据本发明的实施方案的分别施加到图2A和图2B的远侧端部的弹簧模型的边界条件的示意性侧视图。
如图3A和图3B所示，本发明所公开的DMS模型将远侧端部30分成弹性节段70a、70b和70c，其中一般来讲，远侧端部可由N个弹性节段70来建模。每个节段70被建模为具有矢量弹簧常数k和阻尼系数γ(例如，沿着三个相互正交的空间方向)的弹簧。
因此，可使用由耦合的弹性节段组成的整个“链”的矩阵表示法对远侧端部30的动态变形特性建模，其中控制每个弹性节段的运动的二阶方程组为：
方程1其中m是第i”个节段的质量，r0i是第i”个节段的静止位置，并且kT是k的矢量转置。εij是相邻节段{i,j}之间的给定弹性耦合系数，i，j＝1,2，...N，其对相邻节段施加在第i”个节段上的弹性力建模，其中εij由以下方程给出：
方程2
其中l0是处于静止位置的节段间距离。弹性力抵抗相邻节段相对于另一节段的弯曲和/或拉伸/收缩。例如Tuan等人在“A hybrid contact model for cannulationsimulation of ERCP”(Studies in health technology and informatics，第196期，2014年4月，第304页-306页)中建议使用二阶质量弹簧模型对施加在导管上的力建模。
本发明所公开的技术假设例如从搏动的内腔77施加在远侧端部30上的外力可被描述为具有矢量弹簧常数K的外部弹性元件100a、100b和100c。通常，可通过N个弹性节段100对远侧端部建模，并且因此通过以下方程来控制远侧端部30的运动：
方程3
结合方程1和3得到一阶方程组，这即是本发明所公开的DMS模型：
方程4
图3A示出了远侧端部30A的DMS计算几何模型。提供矩阵方程所需的边界条件，作为分别基于由控制台18接收的信号测量的感测电极52、54、56和58的位置P52、P54、P56和P58的矢量。
图3B示出了远侧端部30B的DMS计算几何模型。提供矩阵方程所需的边界条件，作为分别基于由控制台18接收的信号测量的接触力传感器62、64、66和68的力F62、F64、F66和F68的矢量。然后相对于由位置传感器60提供的参考位置60P计算远侧端部30B的形状。
图4是示意性地示出了根据本发明的实施方案用于计算图2A和图2B的远侧端部中的一个的形状的方法和算法的流程图，其驱动一个流程，该流程开始于在接收边界条件步骤80，处理器41实时接收新测量的边界条件值，以用于计算远侧端部30的形状。远侧端部30位于跳动的心脏26内，因此，如上所述，新值反映了导管形状的“快照”。新值可以是位置、力或它们的组合。接下来，在形状建模步骤82，处理器41使用接收到的边界条件求解本发明所公开的DMS模型，以获得心脏26内的远侧端部30的瞬时形状。最后，在导管形状呈现步骤84，处理器41经由显示器40例如向医师27更新呈现的形状，该形状例如覆盖在心脏26的至少一部分的解剖标测图上。处理器随后准备接收一组新的边界条件，并且流程循环回到步骤80。
图4中所示的示例算法完全是为了概念清晰而选择的。本发明还包括该算法的附加步骤，诸如呈现导致图像从系列中滤出的估计的心律失常图案的类型，其为了提供更简化的流程图而有意地从本文的公开内容中省略。
虽然本文描述的实施方案主要针对心脏探头，但本文描述的方法和系统也可用于插入患者的器官的腔体的其它医疗装置。
因此应当理解，上面描述的实施方案以举例的方式被引用，并且本发明不限于上文特定示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文描述的各种特征的组合和子组合以及它们的变型和修改，本领域的技术人员在阅读上述描述时将会想到该变型和修改，并且该变型和修改并未在现有技术中公开。以引用方式并入本专利申请的文献被视为本申请的整体部分，不同的是如果这些并入的文献中限定的任何术语与本说明书中明确或隐含地给出的定义相冲突，则应仅考虑本说明书中的定义。

Claims (4)

1.一种医疗系统，包括：
接口，所述接口被配置成接收针对患者的器官的腔体内的探头测量的时变边界条件值；和
处理器，所述处理器被配置成：
通过以下方式计算所述探头的时间相关的形状：
将所述探头的节段表示为第一弹簧；
将作用在所述节段上的外力表示为第二弹簧；以及
对所述第一弹簧和所述第二弹簧求解耦合运动方程组，以满足所述时变边界条件值；以及
向用户呈现所述形状,
其中所述处理器被配置成通过将所述形状覆盖在所述腔体的至少一部分的解剖标测图上来向所述用户呈现所述形状。
2.根据权利要求1所述的医疗系统，其中，所述接口被配置成通过接收位置指示信号和接触力指示信号中的至少一者来接收所述边界条件值。
3.根据权利要求1所述的医疗系统，其中，所述处理器被配置成通过以下方式求解所述耦合运动方程组：
将所述探头分成节段；
为每个节段提供相应的一阶运动方程；以及
求解所得的耦合一阶运动方程组。
4.根据权利要求1所述的医疗系统，其中，所述器官是心脏。
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