CN111513847A - 磁场系统、磁导航系统及导管运动的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种磁场系统、磁导航系统及导管运动的控制方法，磁场系统包括：两个并排设置的磁场发生器，每个磁场发生器包括：电磁矩阵和控制系统，电磁矩阵包括多个按照预设规则排列的电磁单元，控制系统包括与多个电磁单元一一对应设置的多个控制单元，控制单元控制对应的电磁单元的工作状态，以控制电磁矩阵产生满足预设条件的工作磁场。根据本发明的磁场系统，可以通过每个控制单元调节对应的电磁单元的电流大小和方向，从而可以调整每个电磁单元产生的磁场大小和方向，进而可以控制两个磁场发生器产生满足预设条件的工作磁场。克服了相关技术中采用永磁体导致设备体积大、重量中的问题，而且，工作磁场的调节控制更加快速、灵活。

Description

磁场系统、磁导航系统及导管运动的控制方法

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种磁场系统、磁导航系统及导管运动的控制方法。

背景技术

相关技术中，磁导航治疗手术中采用永磁导航技术，原理是：采用经过设计和实际测定的不同长度、大小和形状的多个永磁体，排列粘结成半球形工作磁体，磁体的梯级排列面指向工作区。将半球形工作磁体按照8向工作模式固定住10个高速马达基座上。两个相对安放的半球形工作磁体共同构建工作磁场和工作区。通过数控马达的运动，使单个工作磁体完成前后、上下、左右上旋、左右下旋、正反向旋转。通过两组工作磁体的同步运动，达到改变工作区柔性磁导管快速变化方向的目的。通过驱动器驱动磁导管前进和后退，结合磁场方向的变化，完成对柔性磁导管的空间导航和定位。

上述永磁导航技术存在如下缺陷：为了达到800高斯的场强，磁体大而重，对导管室面积和地面结构强度要求高，限制了使用范围。由于使用永磁体，所以无论是否处于工作状态，磁场都持续存在，限制了磁体周围物品的摆放和使用，影响导管室的整体功能发挥。由于是通过控制磁体运动来改变磁场方向，所以在多轴向运行的马达有速率上限，影响磁场使用效率。而且噪声大。由于磁体质量决定磁场强度，所以其磁场是固定场强，不能随使用需要随时改变场强。由于磁体质量大，运输、安装、维护和修理很不方便。由于工作磁体体积庞大，所以只能适配专用影像设备，限制了其通用性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：解决现有永磁体导航技术存在的磁体体积大、质量重，而且工作磁场调节不便的问题。为此，本发明提出了一种磁场系统、磁导航系统及导管运动的控制方法。

根据本发明实施例的磁场系统，包括：两个并排设置的磁场发生器，每个所述磁场发生器包括：

电磁矩阵，所述电磁矩阵包括多个按照预设规则排列的电磁单元；

控制系统，所述控制系统包括与多个所述电磁单元一一对应设置的多个控制单元，所述控制单元控制对应的所述电磁单元的工作状态，以控制所述电磁矩阵产生满足预设条件的工作磁场。

根据本发明实施例的磁场系统，控制系统可以通过每个控制单元调节对应的电磁单元的电流大小和方向，从而可以调整每个电磁单元产生的磁场大小和方向，进而可以控制两个磁场发生器产生满足预设条件的工作磁场。克服了相关技术中采用永磁体导致设备体积大、重量中的问题，而且，可以通过控制系统对工作磁场进行灵活、快速、精确地控制。

根据本发明的一些实施例，每个所述电磁矩阵的多个所述电磁单元呈多行多列排布，且所述电磁矩阵的横截面为轴对称图形。

在本发明的一些实施例中，位于所述电磁矩阵的对称轴两侧的，相邻的两行所述电磁单元交错排布。

根据本发明的一些实施例，所述磁场发生器还包括：壳体，所述电磁矩阵设于所述壳体内，所述壳体的位于所述电磁矩阵的对称轴的轴线上设有用于放置手臂的容纳槽。

在本发明的一些实施例中，所述控制系统包括：控制电路和多组控制走线，每行所述电磁单元连接一组所述控制走线。

根据本发明的一些实施例，两个所述磁场发生器彼此相对的端面为内凹的弧形面。

在本发明的一些实施例中，两个所述磁场发生器彼此相对的端面之间的最小距离不小于40cm。

根据本发明实施例的磁导航系统，所述磁导航系统用于磁导航手术中对伸入人体内的导管的运动进行控制，所述磁导航系统包括：

磁场系统，所述磁场系统为上述所述的磁场系统，所述的磁场系统中所包含的两个磁场发生器并排设置于病灶部位的两侧且用于产生工作磁场；

导管，所述导管至少部分插入人体内，所述导管包括磁性件，所述磁性件在所述工作磁场的作用下带动所述导管进行相应运动。

根据本发明实施例的磁导航系统，控制系统可以根据获取的预设路径，控制两个磁场发生器产生满足预设条件的工作磁场，使导管在工作磁场的作用下准确、可靠地达到目标点，克服了相关技术中采用永磁体导致导管的移动控制困难、精确度差的问题。

根据本发明实施例的导管运动的控制方法，所述方法应用于磁导航手术中对伸入人体内的导管的运动进行控制，所述控制方法采用如上述所述的磁场系统对所述导管的运动进行控制，所述方法包括：

所述控制系统获取所述导管达到目标点的预设路径；

所述控制系统调节所述电磁矩阵，产生驱动所述导管按照所述预设路径移动所需的工作磁场，以驱动所述导管到达所述目标点。

根据本发明的一些实施例，在所述工作磁场驱动所述导管移动的过程中，所述控制系统实时获取所述导管的当前位置，当所述导管的当前位置偏离所述预设路径时，调整所述电磁矩阵的工作磁场以驱动所述导管的移动至所述预设路径。

附图说明

图1为根据本发明实施例的磁场系统的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的磁场发生器的结构示意图；

图3为根据本发明实施例的磁场发生器的剖视图；

图4为根据本发明实施例的磁场发生器的电磁矩阵和控制走线布局示意图；

图5为根据本发明实施例的磁场系统的结构示意图；

图6为根据本发明实施例的磁导航系统的结构示意图；

图7为根据本发明实施例的导管运动的控制方法流程图。

附图标记：

磁场系统100；

磁场发生器10，电磁矩阵110，电磁单元111；

控制电路210，控制走线220；

壳体30，容纳槽310；

磁导航系统500，承载台510，调节组件520，伸缩臂521，基座522。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

如图1所示，根据本发明实施例的磁场系统100，包括：两个并排设置的磁场发生器10。

其中，结合图2和图3所示，每个磁场发生器10包括：电磁矩阵110和控制系统（图中未示出）。电磁矩阵110包括多个按照预设规则排列的电磁单元111，控制系统包括与多个电磁单元111一一对应设置的多个控制单元，控制单元控制对应的电磁单元111的工作状态，以控制电磁矩阵110产生满足预设条件的工作磁场。

需要说明的是，如图3所示，每个磁场发生器10包括多个按照预设规则排列的电磁单元111构成电磁矩阵110，每个电磁单元111都连接有控制单元，控制单元可以控制电磁单元111的电流大小和方向，从而控制每个电磁单元111产生的磁场大小和磁场方向。可以理解的是，通过调节电磁单元111电流来调节工作磁场的方式，相较于相关技术中采用机械调整永磁体方向来调节工作磁场的方式更加快速、灵活。

结合图5所示，控制系统20通过控制单元调节对应的电磁单元111的磁场，在两个磁场发生器10相对的端面之间可以形成满足预设工作条件耦合的工作磁场，从而可以驱动位于两个磁场发生器10之间的医疗器件进行相应的运动。

例如，磁场系统100可以应用于磁导航手术中对伸入人体内的导管的运动进行控制。由于电磁单元111的电流方向可以正向或者反向，从而产生的磁场方向可以从-180度变化到180度。多个电磁单元111叠加得到的总的磁场就可以在空间任意一点产生任意方向的磁场，从而利用磁场方向的变化可以控制心脏腔体中的磁性导管沿着特定轨迹运动。

根据本发明实施例的磁场系统100，控制系统20可以通过每个控制单元调节对应的电磁单元111的电流大小和方向，从而可以调整每个电磁单元111产生的磁场大小和方向，进而可以控制两个磁场发生器10产生满足预设条件的工作磁场。克服了相关技术中采用永磁体导致设备体积大、重量中的问题，而且，可以通过控制系统20对工作磁场进行灵活、精确地控制。

根据本发明的一些实施例，如图3所示，每个电磁矩阵110的多个电磁单元111呈多行多列排布，且电磁矩阵110的横截面为轴对称图形。需要说明的是，通过将多个电磁单元111排布为多行多列的轴对称形状，便于电磁单元111的排布装配，而且，可以增强磁场发生器10产生的磁场的均匀性和稳定性。

如图3所示，每个电磁矩阵110可以包括五行轴对称排布的电磁单元111。其中，位于中间一行的电磁单元111的中心位于对称轴A-A上。

在本发明的一些实施例中，位于电磁矩阵110的对称轴两侧的，相邻的两行电磁单元111交错排布。如图3所示，位于对称轴A-A上方的两行电磁单元111呈交错排布，即该两行电磁单元111的中心沿图3中所示的上下方向不在同一直线上。同样地，位于对称轴A-A下方的两行电磁单元111也呈交错排布。

可以理解的是，通过将相邻的两行电磁单元111交错排布，可以有效减小相邻两行电磁单元111沿图3中所示的上下方向的长度，从而可以减小磁场发生器10的体积，使磁场发生器10的结构更加紧凑，进而可以进一步减小磁场系统100的整体体积。

根据本发明的一些实施例，如图2和图3所示，磁场发生器10还包括：壳体30，电磁矩阵110设于壳体30内。可以理解的是，通过设置壳体30，可以对设于壳体30内的电磁矩阵110起到良好的隔离保护作用，从而可以提高磁场发生器10的使用寿命。而且，通过设置壳体30，可以提高磁场发生器10的外观美观度。

如图2和图3所示，壳体30的位于电磁矩阵110的对称轴的轴线上设有用于放置手臂的容纳槽310。如图3所示，位于对称轴A-A上设置有容纳槽310。由此，在进行手术时，患者可以将手臂穿过容纳槽310，从而可以有效避免手臂在手术过程中造成干涉影响。而且，可以使两个磁场发生器10更加靠近患者的病灶部位，提高磁场发生器10对导管驱动的可靠性。而且，可以减少电磁矩阵110的数量，降低电磁矩阵110的线圈材料用量，降低生产成本。

在本发明的一些实施例中，如图4所示，控制系统20包括：控制电路210和多组控制走线220，每行电磁单元111连接一组控制走线220。需要说明的是，由于每个电磁单元111均具有控制走线220，为避免走线混乱，本发明中，将每行的电磁单元111的控制走线220设置为一组，从而每行电磁单元111对应于一组控制走线220。由此，可以使磁场发生器10内部的走线布局合理、规整，而且，便于线路及器件单元的维护和维修。

根据本发明的一些实施例，如图5所示，两个磁场发生器10彼此相对的端面为内凹的弧形面。需要说明的是，两个磁场发生器10彼此相对的端面由为磁场发生器10的工作面。将工作面设置为内凹的弧形面，可以增大磁场发生器10的工作面的面积，从而可以增大磁场范围和磁场强度。

在本发明的一些实施例中，两个磁场发生器10彼此相对的端面之间的最小距离不小于40cm。需要说明的是，在进行手术时，需将患者的病灶部位置于两个磁场发生器10之间。因此，将两个磁场发生器10彼此相对的端面之间的最小距离（如图5中所示的L1）不小于40cm，可以方便患者将病灶部位置于两个磁场发生器10之间。由于，两个磁场的彼此相对的端面为内凹的弧形面。因此，两个磁场发生器10的彼此相对的端面不同位置处的距离也不相同。如图5所示，两个磁场发生器10的彼此相对的端面的中心之间的距离L2可以设置为不小于45cm。

其中，单侧电磁矩阵110在中心位置产生在任意方向至少0.04特斯拉的磁场场强，两侧电磁矩阵110在中心位置任意方向的合成场强至少为0.1特斯拉。

根据本发明实施例的磁导航系统500，如图6所示，磁导航系统500用于磁导航手术中对伸入人体内的导管的运动进行控制，磁导航系统500包括：磁场系统100和导管（图中未示出）。

其中，磁场系统100为上述所述的磁场系统100，磁场系统100中所包含的两个磁场发生器10并排设置于病灶部位的两侧且用于产生工作磁场。导管至少部分插入人体内，导管包括磁性件，磁性件在工作磁场的作用下带动导管进行相应运动。

根据本发明实施例的磁导航系统500，磁场发生器10可以通过控制系统20调整每个电磁单元111产生的磁场大小和方向，进而可以控制两个磁场发生器10产生满足预设条件的工作磁场。克服了相关技术中采用永磁体导致设备体积大、重量中的问题，而且，磁场发生器10可以通过控制系统20对工作磁场进行灵活、精确地控制，从而可以对导管的移动进行准确、可靠地控制。

根据本发明实施例的导管运动的控制方法，方法应用于磁导航手术中对伸入人体内的导管的运动进行控制，控制方法采用如上述所述的磁场系统100对导管的运动进行控制，方法包括：

控制系统20获取导管达到目标点的预设路径；

控制系统20调节电磁矩阵110，产生驱动导管按照预设路径移动所需的工作磁场，以驱动导管到达目标点。

根据本发明实施例的导管运动的控制方法，控制系统20可以根据获取的预设路径，控制两个磁场发生器10产生满足预设条件的工作磁场，使导管在工作磁场的作用下准确、可靠地达到目标点，克服了相关技术中采用永磁体导致导管的移动控制困难、精确度差的问题。

根据本发明的一些实施例，在工作磁场驱动导管移动的过程中，控制系统20实时获取导管的当前位置，当导管的当前位置偏离预设路径时，调整电磁矩阵110的工作磁场以驱动导管的移动至预设路径。由此，磁导航系统500可以对导管的移动进行实时监控调节，从而进一步提高了导管运动控制的稳定性和可靠性。

在进行手术时，磁性导管放置于心脏心腔内，同时控制系统20获取磁性导管的初始位置，并设计移动轨迹，然后改变电磁矩阵110的通电情况来改变叠加磁场。这个过程循环重复，直到磁性导管到达预定手术目标点，导管的移动过程的具体流程如图7所示。

下面以一个具体的实施例详细描述根据本发明的磁导航系统500。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不能理解为对本发明的具体限制。

本发明提出的磁导航系统500可以用于磁导航手术系统中对心脏腔体空间中柔性导管的位置和动作进行准确、可靠地控制。

如图6所示，磁导航系统500，包括：磁场发生器10、控制系统20、调节组件520、冷却组件、承载台510、计算主机和人机界面（图中未示出）。

其中，如图6所示，磁导航系统500处于工作状态时，病人可以躺于承载台510上，将两个磁场发生器10移动至病人的两侧并使其并排设置。每个磁场发生器10的朝向病人头部的一端各设有放置手臂的容纳槽310，其长度不小于10cm，宽度不小于6cm，磁导航系统500工作状态时插入病人腋下，用于容纳病人肩部。

两个磁场发生器10所构建的可变工作磁场的场强不小于800高斯，工作磁场的磁场强度可多级调节，递增和递减梯级不少于1高斯、3高斯、5高斯、10高斯、50高斯、100高斯。每个磁场发生器10的长度不大于70cm，高度不大于70cm，厚度不大于20cm。每个磁场发生器10上的电磁单元111的数量不少于30个，每个电磁单元111的直径不大于10cm，高度不大于10cm。

如图3-图4所示，磁场发生器10包括壳体30和设于壳体30内的多个按照预设规则排列的电磁单元111，多个电磁单元111可以排列为多行多列的矩阵形式，多行电磁单元111可以沿图3中所示的轴线A-A呈轴对称分布。其中，位于轴线A-A同一侧的不同行上的电磁单元111可以位于不同的平面上，从而使多个电磁矩阵110整体构成向内凹陷的排列形式。

如图5所示，两个磁场发生器10相对的工作面形成一个内凹的微小弧度，从而使得两侧电磁矩阵110可以更好的形成中心点磁场。电磁矩阵110的控制电路210决定每个电磁单元111的电流大小，从而在在中心点形成一个独立磁场，当单侧所有电磁单元111产生的磁场相叠加后，可以产生一个综合磁场。另一侧同样产生一个综合磁场，两个综合磁场相叠加，产生最终的心脏为中心的均匀工作磁场。

如图3所示，位于对称轴A-A上方的两行电磁单元111呈交错排布，即该两行电磁单元111的中心沿图3中所示的上下方向不在同一直线上。同样地，位于对称轴A-A下方的两行电磁单元111也呈交错排布。

冷却组件靠近或设于磁场发生器10内，用于对电磁单元111进行冷却降温，冷却方式为水冷与风冷混合。

控制系统20与电磁矩阵110连接，控制系统20控制多个电磁单元111中的至少部分电磁单元111的工作状态，以产生满足预设条件的工作磁场。如图4所示，控制系统20包括：控制电路210和多组控制走线220，每行电磁单元111连接一组控制走线220。

控制系统20可以按功能模块分为：场强大小控制模块和磁场方向控制模块，场强大小控制模块通过控制多个电磁单元111中的至少部分电磁单元111的电流实现场强大小多级调节，场强方向控制模块通过控制多个电磁单元111中的至少部分电磁单元111的电流实现磁场场强方向的控制。

如图6所示，调节组件520包括：基座522和伸缩臂521。

基座522可移动地设于承载面，承载面设有导轨，两组导轨对称设置于DSA（数字剪影血管照影机）检查床两侧并与检查床的长度方向垂直，每组导轨的长度不短于2米，基座522与导轨可滑动配合，用于在工作区和存放区之间移动电磁矩阵110对。

基座522可以为可升降基座522，以用于支撑、移动和升降磁场发生器10，基座522的移动距离适配单侧导轨的长度，水平移动速度不低于2cm/s，基座522的高度不大于50cm，升降范围不小于20cm，升降速度不低于1cm/s。基座522的升降和水平运动均可由高速马达驱动。

伸缩臂521的一端与基座522连接，伸缩臂521的另一端与磁场发生器10连接。磁导航系统500的主机和电源可以设于基座522或伸缩臂521内，或者主机和电源也可以设于设备间，通过线缆与基座522相连，主机采用风扇散热。伸缩臂521的升降范围不小于20cm，升降速度不小于1cm/s。

计算机和人机界面，用于综合处理系统参数、发出指令、显示操控过程和结果等。

另外，磁导航系统500还可以配合磁场定位电极、体表传感器以及三维标测仪等部件使用，实现预设个体化基础磁场场强和快速变化磁场方向。

预设个体化基础磁场步骤如下：

S100，实时测定经胸阻抗。

S200，基础实验取得经验常数。

S300，制作个体化基础磁场场强与计算积分对照表。

S400，计算积分公式：个体积分=经验常数×（年龄+身高+体重+经胸阻抗）/100。

S500，计算个体积分，查个体化基础磁场场强与计算积分对照表取得基础场强值。

其中，磁场定位电极由4个体表电极组成，分别粘贴在病人后胸壁指定部位，用于指示有效磁场部位和范围，磁场定位电极通过导线连接到主机。

体表传感器粘贴于病人右前胸壁第四肋间与锁骨中线的交点，用于检测经胸阻抗，体表传感器通过导线与主机相连，结合计算公式设置个体化基础磁场场强。

快速变化磁场方向步骤如下：

A100，构建目标心腔标准三维模型。

A200，显示磁场矢量标志。

A300，鼠标选定目标磁场方向。

A400，磁场方向和矢量标志同步变化到位，角度变化精度为1度以下，磁场方向变化速度为10mm/s以上。

其中，与三维标测仪配合可实现磁场内部的磁导管在不规则球体内表面精确定位和快速变化标测点，通过与三维标测仪配合，准确测算磁场内磁导管与不规则球体内表面的接触质量和压力，根据指令智能控制接触压力范围5-20克单位。接触力计算公式：导管心内膜接触力=基础场强接触力（1+接触角度校正参数）。由此，可以在真实个体心腔三维模型上完成柔性磁导管精准定位和心内膜接触压力显示。

另外，磁导航系统500可以与驱动器配合能够引导磁场内部磁导管在磁场内任意两点间快速精确移动，通过快速计算优选磁导管的最佳方向、角度、路径和速度，完成快速精确移动指令。

综上所述，本发明提出的上述磁导航系统500具有如下有益效果：

采用经过精细布局的电磁矩阵110形成工作磁场，克服永磁体体积大、质量重、搬运安装维护困难的缺点；通过智能控制和调节电磁矩阵110的电流，控制和调整瞬间工作磁场强度，达到根据个体化需求快速改变工作场强的目的；通过目标算法智能驱动电磁矩阵110组合运行，精细高速控制磁场方向变化；由于电流控制速度明显快于马达响应和运行速度，因此明显提高了本设备的工作速率和效率；通过对电磁矩阵110的人体工学设计，使磁体外形适配不同人体参数和配套影像设备，解决本磁导航设备的通用化问题。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (10)

1.一种磁场系统，其特征在于，包括：两个并排设置的磁场发生器，每个所述磁场发生器包括：

电磁矩阵，所述电磁矩阵包括多个按照预设规则排列的电磁单元；

控制系统，所述控制系统包括与多个所述电磁单元一一对应设置的多个控制单元，所述控制单元控制对应的所述电磁单元的工作状态，以控制所述电磁矩阵产生满足预设条件的工作磁场。

2.根据权利要求1所述的磁场系统，其特征在于，每个所述电磁矩阵的多个所述电磁单元呈多行多列排布，且所述电磁矩阵的横截面为轴对称图形。

3.根据权利要求2所述的磁场系统，其特征在于，位于所述电磁矩阵的对称轴两侧的，相邻的两行所述电磁单元交错排布。

4.根据权利要求2所述的磁场系统，其特征在于，所述磁场发生器还包括：壳体，所述电磁矩阵设于所述壳体内，所述壳体的位于所述电磁矩阵的对称轴的轴线上设有用于放置手臂的容纳槽。

5.根据权利要求1所述的磁场系统，其特征在于，所述控制系统包括：控制电路和多组控制走线，每行所述电磁单元连接一组所述控制走线。

6.根据权利要求1所述的磁场系统，其特征在于，两个所述磁场发生器彼此相对的端面为内凹的弧形面。

7.根据权利要求6所述的磁场系统，其特征在于，两个所述磁场发生器彼此相对的端面之间的最小距离不小于40cm。

8.一种磁导航系统，其特征在于，所述磁导航系统用于磁导航手术中对伸入人体内的导管的运动进行控制，所述磁导航系统包括：

磁场系统，所述磁场系统为根据权利要求1-7中任一项所述的磁场系统，所述的磁场系统中所包含的两个磁场发生器并排设置于病灶部位的两侧且用于产生工作磁场；

导管，所述导管至少部分插入人体内，所述导管包括磁性件，所述磁性件在所述工作磁场的作用下带动所述导管进行相应运动。

9.一种导管运动的控制方法，其特征在于，所述方法应用于磁导航手术中对伸入人体内的导管的运动进行控制，所述控制方法采用如权利要求1-7中任一项中所述的磁场系统对所述导管的运动进行控制，所述方法包括：

所述控制系统获取所述导管达到目标点的预设路径；

所述控制系统调节所述电磁矩阵，产生驱动所述导管按照所述预设路径移动所需的工作磁场，以驱动所述导管到达所述目标点。

10.根据权利要求9所述的导管运动的控制方法，其特征在于，在所述工作磁场驱动所述导管移动的过程中，所述控制系统实时获取所述导管的当前位置，当所述导管的当前位置偏离所述预设路径时，调整所述电磁矩阵的工作磁场以驱动所述导管的移动至所述预设路径。

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