CN115300750A - 智能pci手术导管、其控制系统及控制方法 - Google Patents

智能pci手术导管、其控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种智能PCI手术导管、其控制系统及控制方法。所述导管包括电磁信号发生器、FBG传感器阵列和模块分隔层；所述FBG传感器阵列被固定于所述导管内，平行于所述导管的轴向布置。所述控制系统包括基于FBG传感器的力觉信息感知模块、电磁传感系统、信息处理系统和信息反馈装置。所述控制方法包括手术前建立起患者胸腔部位的3D立体图像、手术开始后实时更新最新的血管内部图像、以及导管进入体内后实时力觉控制和定位控制等步骤。本发明可在导管的微小区域同时搜集力学信息和定位信息，导管的空间利用率高，抗干扰性强，运行稳定可靠；实时快速反馈，动态规划最优手术路径，提高手术效率。

Description

智能PCI手术导管、其控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及智能医疗器械技术领域，更具体地，涉及一种智能PCI手术导管、其控制系统及控制方法。
背景技术
经皮冠状动脉介入治疗(PCI)手术是从周围血管插入导管并送至心脏及大血管各处的技术，可以用来实现临床电生理检查、开展某些心脏疾病的微创手术。在心脏跳动的情况下进行微创导管术对医生的技术要求非常高。医生在进行体内导管递送操作时，导管前端的作用力和导管的形变通常不能被直接获取，这一状况非常容易导致医生的误操作，导致刺穿血管甚至损伤心脏组织。
手术过程中，医生需要通过影像学手段对导丝进行实时定位，传统的定位方式有X光、超声引导等，但由于病变部位特殊或体积较小，这些方法由于扫描准确度有限，常会出现误诊的情况。此外，在穿刺中需多次扫描来判断穿刺针尖是否准确穿刺到靶点，这会导致手术时间延长，易诱发并发症，X光甚至会增加医生与患者所受辐射剂量，对医生和患者的健康造成危害；而超声往往会因为设备或医师身体部位的无意遮挡而导致成像失败。
目前的介入导管尚不具备实现与外界进行实时交互的功能，而医生获取介入导管在患者体内的各类实时信息对手术操作非常重要。
因此，开发一种能够将导管的力觉信息和定位信息整合进行获取、处理和反馈的导管及其控制系统是一个亟待解决的技术问题。
发明内容
由于现有技术存在上述缺陷，本发明提供了一种智能PCI手术导管、其控制系统及控制方法，以解决目前导管末端力觉和定位信息获取、处理、反馈不足的问题。
为实现上述目的，一方面，本发明提供一种智能PCI手术导管，其特征在于，包括所述导管头部的电磁信号发生器、FBG传感器阵列和所述电磁信号发生器和FBG传感器之间的模块分隔层；所述FBG传感器阵列被固定于所述导管内，平行于所述导管的轴向布置。
所述导管中间有模块分隔层将电磁信号发生模块与FBG传感器模块相隔开，一方面能对FBG传感器的一端进行固定，同时也能够避免两个模块间在运动时可能会发生的相互碰撞与干扰，保证了导管运行的稳定性与可靠性。
进一步地，所述导管长度为15～20cm，直径为0.70～0.90mm。
进一步地，所述电磁信号发生器的边长为0.30～0.45mm。由于用于PCI手术的导管直径小之间，有限的尺寸与容积限制了导丝负载的硬件设备的数目与种类；所述信号发生器和FBG传感器的尺寸适于设置在导管上或导管内。
另一方面，本发明提供一种智能PCI手术导管的控制系统，用以对上述智能PCI手术导管进行力反馈和定位控制，包括基于FBG传感器的力觉信息感知模块、电磁传感系统、信息处理系统和信息反馈装置；
所述力觉信息感知模块从所述导管的侧壁感知导管的受力情况、弯曲程度和轴向扭转；
所述电磁传感系统包括所述电磁信号发生器、患者体表的若干个电磁信号接收装置、患者身体下方的电磁定位板和外加磁场；
所述信息处理系统包括FBG传感器信号解调与计算系统、电磁定位建模系统、姿态分析系统以及碰撞判断系统；
所述信息反馈装置包括触觉反馈操作手柄、导管运动装置激活与锁定控制器、显示器和提示设备。
进一步地，所述FBG传感器的信号解调与计算系统利用FBG传感器感知的光学信息结合数学模型，通过求解传感器阵列的方程组，推导导管的受力情况、弯曲程度、轴向扭转。
进一步地，所述电磁信号接收装置为磁极贴片形式。此特征便于操作和提高患者舒适度。
进一步地，所述显示器包括能够实时显示血管内影像的显示屏。
再一方面，本发明提供一种上述控制系统的智能PCI手术导管控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、手术前，所述外加磁场结合放置于所述电磁定位板，通过CT成像，建立起患者胸腔部位的3D立体图像；
步骤S2、手术开始后，所述外加磁场与电磁定位板会实时地对患者胸腔部位的3D立体图像进行修正，实时更新最新的血管内部图像；
步骤S3、导管进入体内后，所述力学信息感知模块将光学信息传递至信息处理系统，在FBG传感器信号解调与计算系统中进行解调，解调后通过对应数学模型，将光学信息转化为力觉信息，进而判断导管的形变程度；同时，体内电磁信号发生器发出的信号被电磁信号接收装置接收，信号传递至信息处理系统中的电磁定位建模系统，结合术前CT或超声扫描情况，进行实时建模，并且在空间模型中判断导管头部的位置；
步骤S4、所述信息处理系统的FBG传感器信号解调与计算系统和电磁定位建模系统将导管的形变程度和定位信息判断输出至所述姿态分析系统以及碰撞判断系统，进而指导所述信息反馈装置的动作。
进一步地，所述FBG传感器信号解调与计算系统设置导管的形变量阈值；当导管的形变量在阈值内，准许导管继续运动；当导管的形变量超出阈值，则所述信息处理系统提醒医生及时调整导管姿态或反馈导管运动控制系统自动调整姿态。
进一步地，当导管即将到达组织壁进行穿刺时，系统将会与术前获取的标记信息进行比较，判断是否要进行穿刺；当出现位置异常时，系统将及时制动，并通知手术医生及时采取措施。
与现有技术相比，上述发明具有如下优点或者有益效果：
1、可在导管的微小区域同时搜集力学信息和定位信息，导管的空间利用率高，抗干扰性强，运行稳定可靠；
2、控制系统集成控制FBG传感器信号和电磁定位信号的解调、计算、分析判断以及对反馈装置与运动装置的控制；实时快速反馈，动态规划最优手术路径，提高手术效率；
3、电磁定位导航有效地避免了X光成像所带来的对医生与患者的辐射伤害，也避免了超声成像容易在医生操作或机器人运作时发生遮挡情况从而导致成像失败的情况，能够安全、稳定地成像与定位；
4、器件成本低、可靠性高且对医生与患者均无负面作用。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明一实施例中的导管的结构示意图；
图2为本发明一实施例中的电磁定位系统的系统架构示意图；
图3为本发明一实施例中导管的控制方法流程图；
其中，1为导管，2为电磁信号发生器，3为FBG传感器阵列，4为模块分隔层，5为信息处理系统的流程，6为信息反馈装置的操作。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明中的结构作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。
实施例
参见图1，一种智能PCI手术导管，包括所述导管1头部的电磁信号发生器2、FBG传感器阵列3和所述电磁信号发生器2和FBG传感器3之间的模块分隔层4；所述FBG传感器阵列3被固定于所述导管1内，平行于所述导管1的轴向布置。
在导管弯曲时所述FBG传感器阵列3发生同步的弯曲，从而起到有效检测柔性导管形变程度的目的。
所述电磁信号发生器2设置在导管头部的表面或内部。在PCI手术中，通常是导管头部承担了穿刺操作的任务，发生误穿刺的风险也最大。
所述导管的长度优选为15～20cm；在本实施例中，导管的长度为20cm。所述导管的直径优选为0.70～0.90mm；在本实施例中，导管的直径为0.75mm。所述电磁信号发生器的边长优选为0.30～0.45mm；在本实施例中，微型信号发生器的边长为0.35mm。
上述智能PCI手术导管的控制系统，用以对上述导管进行力反馈和定位控制，包括基于FBG传感器的力觉信息感知模块、电磁传感系统、信息处理系统和信息反馈装置；
所述力觉信息感知模块从所述导管的侧壁感知导管的受力情况、弯曲程度和轴向扭转；所述力觉信息感知模块包括FBG传感器及其必要的信号传输线等。FBG传感器具有尺寸小、精度高、柔韧性强、零丢包率等特点，非常适合集成到体积小、精度要求高的介入导管中；同时，FBG传感器安全性好、受电磁噪声影响小与耐腐蚀的优异特性能够使其能够在射线环境和血管环境中均能正常稳定使用。
所述电磁传感系统包括所述电磁信号发生器、患者体表的若干个电磁信号接收装置、患者身体下方的电磁定位板和外加磁场；电磁传感系统可以通过获取导管头部信号发射器发出的实时信号来有效地对导管进行定位，以供信号处理系统进行建模、分析与判断。
所述信息处理系统包括FBG传感器信号解调与计算系统、电磁定位建模系统、姿态分析系统以及碰撞判断系统；所述信息处理系统采用快速处理器，优选为TI公司的DSP28335型高性能快速处理器，能够迅速、高效地完成信息的计算以及对反馈装置与运动装置的控制。
所述信息反馈装置包括触觉反馈操作手柄、导管运动装置激活与锁定控制器、显示器和提示设备。
本实施例中，所述FBG传感器的信号解调与计算系统利用FBG传感器感知的光学信息结合数学模型，通过求解传感器阵列的方程组，推导导管的受力情况、弯曲程度、轴向扭转。所述电磁信号接收装置为磁极贴片形式。所述显示器包括能够实时显示血管内影像的显示屏。
参见图2和图3，上述控制系统的智能PCI手术导管控制方法，包括以下步骤：
步骤S1、手术前，所述外加磁场结合放置于所述电磁定位板，通过CT成像，建立起患者胸腔部位的3D立体图像；
步骤S2、手术开始后，所述外加磁场与电磁定位板会实时地对患者胸腔部位的3D立体图像进行修正，实时更新最新的血管内部图像；
步骤S3、导管进入体内后，所述力学信息感知模块将光学信息传递至信息处理系统5，在FBG传感器信号解调与计算系统中进行解调，解调后通过对应数学模型，将光学信息转化为力觉信息，进而判断导管的形变程度；同时，体内电磁信号发生器发出的信号被电磁信号接收装置接收，信号传递至信息处理系统5中的电磁定位建模系统，结合术前CT或超声扫描情况，进行实时建模，并且在空间模型中判断导管头部的位置；
步骤S4、所述信息处理系统的FBG传感器信号解调与计算系统和电磁定位建模系统将导管的形变程度和定位信息判断输出至所述姿态分析系统以及碰撞判断系统，经过空间配准与系统建模，形成患者体内的实时“立体地图”，结合术前医学影像和医生的判断来确定最优的穿刺路径，并在导管头部到达血管壁进行穿刺行为前，进行智能比较和分析，判断是否需要穿刺，进而指导所述信息反馈装置6的动作。
本实施例中，所述FBG传感器信号解调与计算系统设置导管的形变量阈值；当导管的形变量在阈值内，准许导管继续运动；当导管的形变量超出阈值，则所述信息处理系统提醒医生及时调整导管姿态或反馈导管运动控制系统自动调整姿态。
当导管即将到达组织壁进行穿刺时，系统将会与术前获取的标记信息进行比较，判断是否要进行穿刺；当出现位置异常时，系统将及时制动，并通知手术医生及时采取措施。
综上所述，本发明提供了一种智能PCI手术导管、其控制系统及控制方法。所述导管包括电磁信号发生器、FBG传感器阵列和模块分隔层；所述FBG传感器阵列被固定于所述导管内，平行于所述导管的轴向布置。所述控制系统包括基于FBG传感器的力觉信息感知模块、电磁传感系统、信息处理系统和信息反馈装置。所述控制方法包括手术前建立起患者胸腔部位的3D立体图像、手术开始后实时更新最新的血管内部图像、以及导管进入体内后实时力觉控制和定位控制等步骤。本发明可在导管的微小区域同时搜集力学信息和定位信息，导管的空间利用率高，抗干扰性强，运行稳定可靠；实时快速反馈，动态规划最优手术路径，提高手术效率。
本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种智能PCI手术导管，其特征在于，包括所述导管(1)头部的电磁信号发生器(2)、FBG传感器阵列(3)和所述电磁信号发生器(2)和FBG传感器(3)之间的模块分隔层(4)；所述FBG传感器阵列(3)被固定于所述导管(1)内，平行于所述导管(1)的轴向布置。
2.根据权利要求1所述的一种智能PCI手术导管，其特征在于，所述导管长度为15～20cm，直径为0.70～0.90mm。
3.根据权利要求2所述的一种智能PCI手术导管，其特征在于，所述电磁信号发生器的边长为0.30～0.45mm。
4.一种智能PCI手术导管的控制系统，其特征在于，用以对权利要求1至3任一项所述的智能PCI手术导管进行力反馈和定位控制，包括基于FBG传感器的力觉信息感知模块、电磁传感系统、信息处理系统和信息反馈装置；
所述力觉信息感知模块从所述导管的侧壁感知导管的受力情况、弯曲程度和轴向扭转；
所述电磁传感系统包括所述电磁信号发生器、患者体表的若干个电磁信号接收装置、患者身体下方的电磁定位板和外加磁场；
所述信息处理系统包括FBG传感器信号解调与计算系统、电磁定位建模系统、姿态分析系统以及碰撞判断系统；
所述信息反馈装置包括触觉反馈操作手柄、导管运动装置激活与锁定控制器、显示器和提示设备。
5.根据权利要求4所述的一种智能PCI手术导管的控制系统，其特征在于，所述FBG传感器的信号解调与计算系统利用FBG传感器感知的光学信息结合数学模型，通过求解传感器阵列的方程组，推导导管的受力情况、弯曲程度、轴向扭转。
6.根据权利要求4所述的一种智能PCI手术导管的控制系统，其特征在于，所述电磁信号接收装置为磁极贴片形式。
7.根据权利要求4所述的一种智能PCI手术导管的控制系统，其特征在于，所述显示器包括能够实时显示血管内影像的显示屏。
8.一种权利要求4至7任一项所述的控制系统的智能PCI手术导管控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、手术前，所述外加磁场结合放置于所述电磁定位板，通过CT成像，建立起患者胸腔部位的3D立体图像；
步骤S2、手术开始后，所述外加磁场与电磁定位板会实时地对患者胸腔部位的3D立体图像进行修正，实时更新最新的血管内部图像；
步骤S3、导管进入体内后，所述力学信息感知模块将光学信息传递至信息处理系统，在FBG传感器信号解调与计算系统中进行解调，解调后通过对应数学模型，将光学信息转化为力觉信息，进而判断导管的形变程度；同时，体内电磁信号发生器发出的信号被电磁信号接收装置接收，信号传递至信息处理系统中的电磁定位建模系统，结合术前CT或超声扫描情况，进行实时建模，并且在空间模型中判断导管头部的位置；
步骤S4、所述信息处理系统的FBG传感器信号解调与计算系统和电磁定位建模系统将导管的形变程度和定位信息判断输出至所述姿态分析系统以及碰撞判断系统，进而指导所述信息反馈装置的动作。
9.根据权利要求8所述的一种智能PCI手术导管的控制方法，其特征在于，所述FBG传感器信号解调与计算系统设置导管的形变量阈值；当导管的形变量在阈值内，准许导管继续运动；当导管的形变量超出阈值，则所述信息处理系统提醒医生及时调整导管姿态或反馈导管运动控制系统自动调整姿态。
10.根据权利要求8所述的一种智能PCI手术导管的控制方法，其特征在于，当导管即将到达组织壁进行穿刺时，系统将会与术前获取的标记信息进行比较，判断是否要进行穿刺；当出现位置异常时，系统将及时制动，并通知手术医生及时采取措施。
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