CN111588465A

CN111588465A - 一种磁性治疗移植物操纵和导航磁系统与方法

Info

Publication number: CN111588465A
Application number: CN202010294678.0A
Authority: CN
Inventors: 宋霜; 袁思申; 万悦; 孟庆虎
Original assignee: Harbin Institute Of Technology shenzhen Shenzhen Institute Of Science And Technology Innovation Harbin Institute Of Technology
Current assignee: Harbin Institute Of Technology shenzhen Shenzhen Institute Of Science And Technology Innovation Harbin Institute Of Technology
Priority date: 2020-04-15
Filing date: 2020-04-15
Publication date: 2020-08-28

Abstract

本发明提供了一种磁性治疗移植物操纵和导航磁系统与方法，该系统包括用于支撑患者的床，一组可单独通电的电磁体，其布置成在患者的治疗区域中产生不同方向的磁场，以及处理器，用于控制电磁体中的电流以产生选定的用于引导或移动植入物的磁场和/或梯度，磁体被配置为允许使用医学成像设备来提供使用磁性引导的操作过程的实时显示。本发明的有益效果是：可以较为精确的引导磁性治疗植入物在身体的治疗区域中的运动，并且，可以允许在磁引导操作期间使用复杂且有用的医学成像系统，可以较好的对磁性治疗植入物进行指导或推进。

Description

一种磁性治疗移植物操纵和导航磁系统与方法

技术领域

本发明涉及医疗装备，尤其涉及一种磁性治疗移植物操纵和导航磁系统与方法。

背景技术

当前磁性操纵医疗装备系统都提供了固定的或手动移动的永磁体或电磁体，它们能够对磁性治疗植入物施加磁场和力以移动或引导植入物通过治疗区域。但是，由于这些系统的磁体或电磁体很大，因此很难或不可能提供可以与磁导系统协同工作的复杂成像系统。另外，由于移动磁体或电磁体的能力有限，因此难以将磁场和力精确地指向精确已知的位置。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种磁性治疗移植物操纵和导航磁系统与方法。

本发明提供了一种磁性治疗移植物操纵和导航磁系统，包括用于支撑患者的床，一组可单独通电的电磁体，其布置成在患者的治疗区域中产生不同方向的磁场，以及处理器，用于控制电磁体中的电流以产生选定的用于引导或移动植入物的磁场和/或梯度。磁体被配置为允许使用医学成像设备来提供使用磁性引导的操作过程的实时显示。引导植入物的方法包括将身体放置在床上（可以通过伺服控制），将磁性引导的植入物插入治疗区域，将磁体布置在身体周围，以便它们可以提供必要的磁场和通过适当地给磁体的子集通电和/或对磁体的子集施加电流或快门控制，以为植入物提供引导磁场，该梯度可以通过在过程的实时医学成像发生时发生。床可以在伺服控制下移动，以进一步控制影响植入物的磁场的方向和大小。

本发明提供了一种磁性治疗移植物操纵和导航磁系统，包括：

可移动的床，其构造成可支撑患者；

至少一个医学成像系统，其构造成提供患者的医学图像；

电磁体组，每个电磁体构造成在为患者的治疗区域提供具有不同取向的磁场；

伺服控制器，其配置为移动床或电磁体组中的至少一个；

被配置为向所述电磁体组的子集选择性地提供选定量的电流量的电源，所述电流量和所述电磁体组的子集是时间的函数。

作为本发明的进一步改进，所述电磁体组包括个体之间相对固定的八个电磁体，分别为四个位于中心的电磁体和四个位于四周的电磁体，四个位于中心的电磁体的中轴线互相平行并且无间隙紧密排列，并且，截面中轴点分布在平面椭圆边线上，四个位于四周的电磁体的中轴线与四个位于中心的电磁体的中轴线的夹角为45度，四个位于中心的电磁体和四个位于四周的电磁体的中轴线汇聚在同一目标区域。

本发明还提供了一种磁性治疗移植物操纵和导航磁系统，包括：

用以支撑患者的床；

由多个可单独激励的电磁体构成的电磁体组，每个电磁体用于在患者的治疗区域中产生不同方向的磁场；

被配置为控制多个可单独激励的电磁体中的子集中的电流以产生磁场的处理器；

至少一个为患者提供医学图像的医学成像系统。

作为本发明的进一步改进，提供一个或多个透视或其他医学成像设备（可以固定或可以不固定），医学成像系统包括医学成像屏幕和医学成像照明器，该医学成像照明器可以将其指向多个电磁体的线圈中的间隙之间，以提供有用，有效且可能是立体定向的显示指导患者手术的外科医生。

作为本发明的进一步改进，所述磁场具有至少近似选定的方向和场强。

作为本发明的进一步改进，所述处理器被配置为在通电的电磁体的子集中以及在通电的电磁体的子集中流动的电流中提供渐进的波状变化。

作为本发明的进一步改进，所述床连接有驱动其移动的伺服控制器。

作为本发明的进一步改进，所述床是可移动的并且是伺服控制的。

作为本发明的进一步改进，所述床沿至少纵向方向是可移动的。

作为本发明的进一步改进，所述床至少可以在横向方向上移动。

作为本发明的进一步改进，所述床具有用于支撑患者的上表面，并且所述多个电磁体仅布置在由所述床的上表面限定的平面下方。

作为本发明的进一步改进，所述床具有用于支撑患者的上表面，并且所述多个电磁体布置在由所述床的上表面限定的平面的上方和下方。所述床具有用于支撑患者的上表面，并且所述多个电磁体布置在由所述床的上表面限定的平面的上方和下方。

作为本发明的进一步改进，磁场提供至少约0.1 特斯拉。

本发明还提供了一种磁性治疗移植物操纵和导航磁方法，包括以下步骤：

（a）将人体放在伺服控制的可移动的床上；

（b）将磁性引导的磁性治疗植入物插入治疗区域；

（c）在治疗区域周围布置多个电磁体，以便可以通过选择性地给电磁体的一个子集供电，移动床和/或电磁体来近似估计在磁性治疗植入物位置处的磁场的选定取向；

（d）向多个电磁体的选定子集施加电流，以在磁性引导磁性治疗植入物的位置处提供至少近似于选定幅度和方向的磁场，该磁场足以将磁性引导磁性治疗植入物定向为选定方向。

作为本发明的进一步改进，还包括步骤(e)在医学成像系统上显示治疗部位的医学图像。

作为本发明的进一步改进，步骤（d）包括施加连续变化的电流，该电流被提供给电磁体，以向所述磁性治疗植入物提供连续变化的磁场。

作为本发明的进一步改进，医学成像系统包括医学成像屏幕和医学成像照明器。

作为本发明的进一步改进，将医学成像照明器引导通过所述医学成像屏幕处的多个电磁体的布置中的间隙；在当前应用步骤中，在医学成像屏幕上显示治疗部位的医学图像。

作为本发明的进一步改进，还包括在所述电流施加步骤期间操作所述伺服控制床。

作为本发明的进一步改进，还包括施加连续变化的电流，该电流被提供给所述电磁子组和被施加电流的所述电磁子组，以向所述磁导治疗植入物提供连续变化的磁场。

本发明的有益效果是：通过上述方案，可以较为精确的引导磁性治疗植入物在身体的治疗区域中的运动，并且，可以允许在磁引导操作期间使用复杂且有用的医学成像系统，可以较好的对磁性治疗植入物进行指导或推进。

附图说明

图1是根据本发明的用于数字磁驱动医疗手术实施例的局部剖视图.

图2是图1实施例的侧视图。

图3是电磁体的空间分布的一种实施例。

图4是图3的剖面图A-A。

图5是图3的剖面图B-B。

图6是本发明的电磁体组的实施例整体图。

图7是图6的实施例纵向剖视图。

图8是图6的实施例的装配体爆炸图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

为了方便起见，在下面的详细描述中描述了CT系统。然而，医学成像和医学成像设备的其他类似形式通常可以被替代，其相对于本文所述的患者或电磁体可以固定或可以不固定。还应该理解，术语“引导”的使用并不意味着排除施加了拉力或推力以及引导力的情况。

在图1中部分地标出了根据本发明的设备1。如图1、2所示，本发明的设备1部分地包括CT装置101（即医学成像系统），该CT装置101的X线管1011向平板探测器1012投射锥形X线束1014。可移动床102设置在X线管1011和平板探测器1012之间。患者2（以头部201示意性表示，其纵向轴线沿页面外方向延伸）如图所示，其在床102上处于仰卧位置。因此，锥形X线束1014穿过患者2体内的治疗区域202投射，因此该区域的透视图出现在屏幕1013上。为了说明而不失一般性，假定治疗区域202位于患者的中段，尽管这将根据所执行的手术程序而有所不同。对于本领域技术人员显而易见的是，该设备可以关于身体其他地方的治疗区域202来描述。

在本发明设备的典型构造中，床102的表面是矩形的，并且具有较短和较长的尺寸。较长的尺寸足以容纳患者从头到脚的身体长度。通常，当本发明的设备用于沿尾颅方向创建参考轴时，患者将以这种姿势躺在床上。然而，应理解，除本文所述的方向外，患者或床形的方向可由手术要求决定。

提供由计算机或其他伺服机构（未在图1中示出）控制的移动设备（图1中未示出），使得床102可沿至少纵轴并且最好也可沿横轴移动。伺服控制床被控制为将治疗区域放置在X线管1011（如果提供了多个，则为X线管1011）和平板探测器1012（或多个平板探测器1012，如果为治疗区域的多个视图提供一个以上）之间。提供了电磁体的阵列（在图1中示出了其中的五个，即3A-3E）。以足够数量和方向提供由电磁体3A-3E表示的电磁体行阵列，从而通过给电磁体的适当子集通电，可以至少近似地在身体的治疗区域中以任何方向提供磁场。最好将电磁体3A、3B、3C、3D、3E并列放置，以便可以在患者腹腔，胸腔，头部和动脉的区域内或从该区域的任何点提供至少0.10 特斯拉，更优选0.3 特斯拉的磁场,取决于床102的位置,施加到电磁体的空间移动（如果有）以及施加到电磁体的电流和电流的选择。电磁体可以是正常导电的（即，电阻丝电磁体）或超导，后者最好包括高温超导体。

应当认识到，尽管将用于电磁体3的安装装置（和3A-3E，为了进行讨论而应包括在提及电磁体3时应包括在内）描述为非导磁性金属支架4，但实际上并不一定使用非导磁性金属支架4。可以使用用于以类似的布置支撑阵列电磁体的任何合适的装置。

电磁体3A-3E（以及未示出的其他电磁体）排列成在适当的方向上具有其各自的轴，以通过对电磁体的适当子集通电来提供在治疗区域中的任何位置所需的，指向任何所需方向的磁场。在图1所示的实施例中，如图1所示，磁体3A-3E（以及未示出的其他磁体）被定向成提供从下方覆盖治疗区域的一半的力的阵列。通过反向电流，可以使磁场提供相反的引导方向，以作用在圆柱形永磁体植入物上。即，可以根据需要使各线圈的磁场B反转。

图2以示意图的形式示出了图1所示的设备的侧视图。可以根据需要对由一个或多个电磁体3通电，以在每个位置上提供所需的引导磁场或力，以在磁性治疗植入物5移动穿过身体时对其进行引导。来自每个通电线圈的磁场作为矢量和相加，并且由于提供了多个方向不同的线圈，因此实际上只需要激励一个或几个线圈即可产生所需的磁场方向和大小。可以与引导床102的移动的计算机相同的控制器/计算机7（如果床不是手动移动的）用于控制对电磁体3以及CT装置101的功率施加。在治疗区域202的治疗区域中产生的场可以被调制，通过根据需要逐步激活电磁体的子集，以引导或移动磁性治疗植入物5和/或通过通电的电磁体的电流逐渐变化。（这种电磁体子集的逐渐变化和电磁体中电流的逐渐变化应称为“波状”变化，因为它是根据手术要求在特定方向上逐渐“传播”通过附近的线圈，并且在一段时间内是连续的或近似连续的。应该理解的是，该术语本身并未用于表示电磁辐射。）

当磁性治疗植入物5移动时，被激活的一个或多个电磁体3的线圈中的电流量将改变，通常与该组线圈相邻的线圈也逐渐被通电或断电，因此激活本身可以被认为是平稳的穿过一组线圈。为了将治疗区域保持在可以通过设置的电磁体3的数量而在大小和方向上精确地产生所需磁场的范围内，随着磁性治疗植入物5的移动，床102，非导磁性金属支架4或两者可以通过伺服机构移动。该动作可以由控制器/计算机7控制。伺服系统的示例如图2所示。床102由支架103，104支撑。支架104包含伺服机构（未示出），该伺服机构控制承载床102的杆105的纵向或横向运动。支架103包括允许杆105移动的耦合机构，使得伺服机构能够相对于非导磁性金属支架4平滑地移动床102。伺服系统的该示例仅作为示例提供，如本领域技术人员能够做到的那样。提供许多其他合适的配置。

电流由电源供给6提供给电磁体3，电源供给6实际上可以包括多个电源，用于独立地向各个磁体提供单独的电流。电源供给6由控制器/计算机7控制（或实际的独立电源由计算机控制）。如果必须使磁场的方向反向，则可以根据需要使每个通电线圈中的电流反向。可选地，CT装置101也可以由控制器/计算机7控制。

图3、4、5示出了本发明设备中电磁体的空间分布的一种实施例。示例图分为俯视图与两张侧视图（A-A和B-B）。根据图3、4、5的实施方式：具体而言，电磁体组包括个体之间相对固定的八个电磁体。通常，电磁体被附接到固定框架，并且患者，即身体相对于该框架被定位。其中，四个电磁体3C,3B,3D,3G的中轴线互相平行并且无间隙紧密排列，截面中轴点分布在平面椭圆边线上，如图3所示，位于患者人体治疗区域的正下方。此外，另外四个电磁体3A，3E，3F，3H相当于四个电磁体3C,3B,3D,3G的轴线成45度角定向。附加的四个电磁体3A，3E，3F，3H分别具有中轴线301，并在区域302处汇聚以使得在治疗区域202在低能量消耗的状态下获得高的磁场辐射。

图6是一种电磁体模组实施例整体图，图7是图6的实施例纵向剖视图；图8是图6的实施例的装配体爆炸图。本发明提出的一种电磁体，包括支撑尾座303，后挡板304，铜线线圈绕组305，软磁芯骨架306，软磁芯模组307（其中包含若干标准件软磁芯3071，依据制造商的标准尺寸进行适配），前挡板308。需要说明的是，本实施例仅为电磁模组制备方案中的一种，其他适配电磁模组依据具体的结构和材料互异也可作为替代品。

迄今为止所描述的本发明的设备的许多进一步的修改是可能的。例如，电磁体3可以被放置成更靠近身体，以使得在没有更大功率的磁体的情况下难以到达的位置进行手术。为了将电磁体3定位成更靠近身体，可以使它们的位置沿着其各自的轴线可调。CT（X射线）可以由3维超声代替，对于可调节电磁体，可以对其进行更优化地调节。在极端情况下，电磁体3可能是向右推向患者身体的“骨盆带”的一部分。可以在磁体之间挤压超薄超声波探头，以提供与患者皮肤的必要接触。

本发明的装置有许多应用，可用于磁场引导，磁场控制，磁力施加以及组合的引导和力施加。如本领域普通技术人员已知的，可能需要不同的计算机软件来实现这些或其他预期目的。

实用的线圈阵列及其控制器作为磁场引导设备运行，将在直径几厘米的区域上施加具有规定大小的精确定向的均匀磁场。磁场将在磁性植入物上施加扭矩，以使其沿所需方向（即沿磁场方向）对齐。

当作为磁控制装置操作时，系统将在给定时间在一个或多个区域上施加精确定向且均匀的磁场，以对该区域中的植入物提供某种控制。本发明系统的一种这样的用途是当轨迹移动以使金属丝趋于以不希望的弯曲的方式弯曲时，其他柔性的可渗透的导丝的硬化，这些可导丝推动内窥镜，导管或其他治疗装置。

当用作磁力施加器时，根据本发明的系统将在小区域上提供均匀的梯度，该小区域的直径有时为一或两厘米，其可以作用在永磁体植入物上以在该植入物上提供平移力在理想的方向上。

当作为组合的引导和力施加器操作时，根据本发明的系统将提供最可行的近似，以同时具有横向均匀的取向场和纵向场梯度两者，以沿期望的方向扭矩和牵拉植入物。

根据本发明的操作系统的外科医生可以借助于CT装置101提供的成像，通过诸如操纵杆的输入向计算机提供引导方向。然后，计算机将计算在植入物位置提供引导场所需的电流。然后，随着植入物沿着路径前进，外科医生将根据需要提供新的方向。床的位置可以通过计算机平滑地更改，以将植入物保持在成像处理区域，或者在需要时提供更精确的定向磁场和更强的磁场。X射线或其他医学成像系统可用于自由查看进近和程序区域。外科医生可以在术前或实时使用X射线，并且可以立体定向地连接到磁体系统。

在使用中，患者将被放置在床上，并且磁引导的治疗植入物将被植入治疗区域中。磁性治疗植入物可以是多种类型的植入物中的任何一种。仅作为示例，并且无意限制可以使用的植入物的类型，磁性治疗植入物可以是具有附接的磁性植入物的内窥镜，具有附着的磁性植入物的内窥镜。内窥镜中包含的磁性植入物，包含在内窥镜中或与其连接的具有磁性植入物的导管，具有一个或多个要通过施加的磁场变硬的磁性部分的导管或内窥镜等。同样仅作为示例，磁场可以用于操纵导管或内窥镜的前缘的方向。

然后，将设备的电磁体布置在患者周围（例如，通过将患者放在其上的床移动到设备中），以使包括磁性治疗植入物的治疗区域位于磁场方向和强度都很大的位置可以根据需要通过选择性地给电磁体的一个子集供电，移动床或两者兼有来近似选择外科医生选择的位置。

然后将电流施加到电磁体，以近似该磁场。通过引导医学成像照明器穿过电磁体排列中的间隙，穿过治疗区域并朝向成像屏幕，可以在这段时间内激活设备中的医学显示器，以提供程序的实时显示。电磁体中的电流以及通电的电磁体可以连续变化，以提供随时间变化的磁场来引导磁性治疗植入物。同样，电磁体的位置和床的位置可以移动

如由设备提供的那样，在伺服控制下或手动地单独或组合地使用，以随着磁性治疗植入物的移动在治疗区域中更准确地产生所需的视野。

磁性电路和机械设备领域的技术人员可以看出，还有许多其他机制可以在调节向患者投射的磁场时实现相同或相似的效果。还将认识到，本发明的装置与本文公开的发明的方法相比，具有优于手动移动的永磁体或电磁体的优点，在于可以施加精确指向精确已知位置的场和力。还提供了相对于本发明中的磁性立体定向系统以及其他磁性制导和推进系统的优点。在某些应用中，立体定位系统以更有效的方式使用时，它们的应用程序更加灵活，可以使用更复杂和有用的成像系统。

本发明提供的一种磁性治疗移植物操纵和导航磁系统与方法，用于引导治疗植入物在身体的治疗区域中的运动；允许在磁引导操作期间使用复杂且有用的成像系统；允许在磁引导操作期间立体定向地且有效地使用补全和有用的成像系统。

本发明提供了一种用于对治疗植入物进行磁性引导或推进的技术方案，同时允许使用复杂且有用的成像系统来帮助指导对治疗植入物进行指导或推进的方法。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种磁性治疗移植物操纵和导航磁系统，其特征在于，包括：

可移动的床，其构造成可支撑患者；

至少一个医学成像系统，其构造成提供患者的医学图像；

伺服控制器，其配置为移动床或电磁体组中的至少一个；

2.根据权利要求1所述的磁性治疗移植物操纵和导航磁系统，其特征在于：所述电磁体组包括个体之间相对固定的八个电磁体，分别为四个位于中心的电磁体和四个位于四周的电磁体，四个位于中心的电磁体的中轴线互相平行并且无间隙紧密排列，并且，截面中轴点分布在平面椭圆边线上，四个位于四周的电磁体的中轴线与四个位于中心的电磁体的中轴线的夹角为45度，四个位于中心的电磁体和四个位于四周的电磁体的中轴线汇聚在同一目标区域。

3.一种磁性治疗移植物操纵和导航磁系统，其特征在于，包括：

用以支撑患者的床；

至少一个为患者提供医学图像的医学成像系统。

4.根据权利要求3所述的磁性治疗移植物操纵和导航磁系统，其特征在于：所述电磁体组包括个体之间相对固定的八个电磁体，分别为四个位于中心的电磁体和四个位于四周的电磁体，四个位于中心的电磁体的中轴线互相平行并且无间隙紧密排列，并且，截面中轴点分布在平面椭圆边线上，四个位于四周的电磁体的中轴线与四个位于中心的电磁体的中轴线的夹角为45度，四个位于中心的电磁体和四个位于四周的电磁体的中轴线汇聚在同一目标区域。

5.根据权利要求3所述的磁性治疗移植物操纵和导航磁系统，其特征在于：所述磁场具有至少近似选定的方向和场强。

6.根据权利要求3所述的磁性治疗移植物操纵和导航磁系统，其特征在于：所述处理器被配置为在通电的电磁体的子集中以及在通电的电磁体的子集中流动的电流中提供渐进的波状变化。

7.根据权利要求3所述的磁性治疗移植物操纵和导航磁系统，其特征在于：所述床连接有驱动其移动的伺服控制器。

8.一种磁性治疗移植物操纵和导航磁方法，其特征在于，包括以下步骤：

（a）将人体放在伺服控制的可移动的床上；

（b）将磁性引导的磁性治疗植入物插入治疗区域；

9.根据权利要求8所述的磁性治疗移植物操纵和导航磁方法，其特征在于：还包括步骤(e)在医学成像系统上显示治疗部位的医学图像。

10.根据权利要求8所述的磁性治疗移植物操纵和导航磁方法，其特征在于：步骤（d）包括施加连续变化的电流，该电流被提供给电磁体，以向所述磁性治疗植入物提供连续变化的磁场。