CN116407289B - 一种用于血管介入手术的导管弯曲控制系统及手术装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于导管弯曲控制技术领域，提出了一种用于血管介入手术的导管弯曲控制系统及手术装置，本发明通过在数字减影血管造影技术的获取血管图像中确定钢丝的当前长度，以及导管需要弯曲的弯曲角度和旋转角度等信息，然后根据不同位置处钢丝的当前长度，以及导管需要弯曲的弯曲角度和旋转角度，通过弧长计算确定不同位置处需要的钢丝长度变化，从而在满足弯曲控制要求的基础上实现对钢丝的精准控制，控制过程简单，提高了控制效率和精度，降低了对预弯导管结构上的要求。
Description
技术领域
本发明属于导管弯曲控制技术领域，尤其涉及一种用于血管介入手术的导管弯曲控制系统及手术装置。
背景技术
在传统的血管介入手术过程中，医生通过手动操纵导丝和导管进入人体血管，并根据数字减影血管造影(Digital subtraction angiography，DSA)等放射设备所提供影像，逐步控制导管和导丝到达病灶处，再进行下一步的治疗。
发明人发现，在医生控制导丝和导管运动到人体血管的分叉处或弯曲处时，因为医生只能通过人体体外的导丝和导管末端的操控来进行导丝和导管前端的动作，操控难度大，需要时间长，弯曲控制精度低。在血管介入手术过程中，比如心血管介入手术时，医生为确认心脏冠状血管中的具体病灶位置，往往需要对前降支、回旋支和右冠脉进行造影，因冠状动脉的构造，往往需要使用不同规格的预弯导管使得导管可以通过不同的弯曲形状支撑固定在前降支、回旋支和右冠脉的动脉口处，再进行下一步的造影或其余治疗，然而因为人体的差异性，使得预弯导管的种类繁多，并且需要医生有较为丰富的临床经验才能较为精准的选取合适的预弯导管，不利于血管介入手术的整体推广。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种用于血管介入手术的导管弯曲控制系统及手术装置，通过图像识别技术进行数字减影血管造影实现血管图像的识别，并结合医生通过UI等交互界面对导管弯曲形状的输入，控制器将导管弯曲形状下发至电机控制模块，通过多电机协同控制，实现导管的精准弯曲。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种用于血管介入手术的导管弯曲控制系统，采用如下技术方案：
一种用于血管介入手术的导管弯曲控制系统，包括：
坐标系建立模块，被配置为：根据导管的弯曲段，建立导管控制坐标系；
图像采集模块，被配置为：通过数字减影血管造影技术，获取血管图像；
图像采集模块，被配置为：根据血管图像，确定导管内不同位置处钢丝的当前长度，以及导管需要弯曲的弯曲角度和旋转角度；
计算模块，被配置为：导管控制坐标系中，根据不同位置处钢丝的当前长度，以及导管需要弯曲的弯曲角度和旋转角度，通过弧长计算确定不同位置处需要的钢丝长度变化；
控制模块，被配置为：根据需要的钢丝长度变化，对不同位置处的钢丝进行控制。
进一步的，以弯曲段一端截面上中心点和其中一根钢丝在截面上交点的连线为X轴，在截面上建立导管控制坐标系。
进一步的，与X轴相交的钢丝长度变化等于旋转角度与90度求差后的余弦值、弯曲角度与180度的比值、圆周率和导管半径的乘积；所述旋转角度为弯曲方向与导管控制坐标系中Y轴的夹角。
进一步的，其他位置处钢丝长度变化计算时，余弦值计算时，根据不同位置处钢丝之间在导管圆周上的夹角进行调整。
进一步的，弯曲段包括靠近控制端的第一弯曲段和靠近执行端的第二弯曲段。
进一步的，对第一弯曲段，与X轴相交的钢丝长度变化等于旋转角度与90度求差后的余弦值、弯曲角度与180度的比值、圆周率和导管半径的乘积；所述旋转角度为弯曲方向与导管控制坐标系中Y轴的夹角。
进一步的，对第二弯曲段，与X轴相交的钢丝长度变化等于针对第一弯曲段计算的钢丝长度变化与针对第二弯曲段计算的钢丝长度变化的和。
进一步的，获取不同成像位置的血管图像时，控制导管进行坐标重映射操作，使得导管控制坐标系与视觉坐标系一致。
为了实现上述目的，第二方面，本发明还提供了一种手术装置，采用如下技术方案：
一种手术装置，包括导管、设置在导管内的钢丝以及与钢丝连接的电机；所述电机连接有控制器，所述控制器采用如第一方面所述的用于血管介入手术的导管弯曲控制系统。
进一步的，在所述交互装置上通过拖动导管进行导管的弯曲设置、输入弯曲方向和弯曲度数进行导管弯曲设置或通过摇杆进行导管弯曲设置。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过在数字减影血管造影技术的获取血管图像中确定钢丝的当前长度，以及导管需要弯曲的弯曲角度和旋转角度等信息，然后根据不同位置处钢丝的当前长度，以及导管需要弯曲的弯曲角度和旋转角度，通过弧长计算确定不同位置处需要的钢丝长度变化，从而在满足弯曲控制要求的基础上实现对钢丝的精准控制，控制过程简单，提高了控制效率和精度，降低了对预弯导管结构上的要求。
附图说明
构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
图1为本发明实施例1的导管的弯曲段示意图；
图2为本发明实施例1的第一弯曲段截面图；
图3为本发明实施例1的第二弯曲段截面图；
图4为本发明实施例1的带有电机的导管驱动机构示意图；
图5为本发明实施例1的导管弯曲示意图；
图6为本发明实施例1的数字减影血管造影图像；
图7为本发明实施例1的血管轮廓与导管示意图；
其中，1、第一弯曲段；2、第一钢丝固定环；3、第二弯曲段；4、连接段；5、第二钢丝固定环；6、第一钢丝；7、第二钢丝；8、第三钢丝；9、第四钢丝；10、第五钢丝；11、第六钢丝；12、电机。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供了一种用于血管介入手术的导管弯曲控制系统，包括：
坐标系建立模块，被配置为：根据导管的弯曲段，建立导管控制坐标系；
图像采集模块，被配置为：通过数字减影血管造影技术，获取血管图像；
图像采集模块，被配置为：根据血管图像，确定导管内不同位置处钢丝的当前长度，以及导管需要弯曲的弯曲角度和旋转角度；
计算模块，被配置为：导管控制坐标系中，根据不同位置处钢丝的当前长度，以及导管需要弯曲的弯曲角度和旋转角度，通过弧长计算确定不同位置处需要的钢丝长度变化；
控制模块，被配置为：根据需要的钢丝长度变化，对不同位置处的钢丝进行控制。
本实施例中可以适用于可两段弯曲的导管，结合图像识别技术以及用户输入，在进行血管介入手术过程中任意配置导管弯曲形状。其中，导管结构可以如图1所示，导管的弯曲段可以包括靠近控制端的第一弯曲段1和靠近执行端的第二弯曲段3，所述控制端可以理解的为手术时位于人体外部的一端，所述执行端可以理解的为为手术时位于人体内部位于病灶的一端；所述第一弯曲段1和所述第二弯曲段3均设置为柔性可弯曲段，所述第一弯曲段1和所述第二弯曲段3的中间由弯曲刚度远大于弯曲段的连接段4连接，所述第一弯曲段1可以由六根钢丝穿过，分别为第一钢丝6、第二钢丝7、第三钢丝8、第四钢丝9、第五钢丝10和第六钢丝11，六根钢丝均匀分布，其中，如图2所述，所述第一钢丝6、所述第三钢丝和所述第五钢丝10通过所述第一弯曲段1后固定在第一钢丝固定环2处，所述第一钢丝6、所述第三钢丝8和所述第五钢丝10两两间隔120度；如图3所示，所述第二钢丝7、所述第四钢丝和所述第六钢丝11穿过所述连接段4经过所述第二弯曲段3后固定在第二钢丝固定环5处，所述第二钢丝7、所述第四钢丝和所述第六钢丝11两两间隔120度。
如图7所述，为本发明实施例1的导管驱动机构示意图
所述第一钢丝6、所述第二钢丝7、所述第三钢丝8、所述第四钢丝9、所述第五钢丝10和所述第六钢丝11六根钢丝可以与导管驱动机构中的六个电机连接，通过六个电机的输出轴进行拉动，通过拉动不同钢丝的长度来实现所述第一弯曲段1和所述第二弯曲段3不同方向的弯曲控制，所述第一弯曲段1和所述第二弯曲段3均具有弯曲自由度和旋转自由度两个自由度。
以弯曲段一端截面上中心点和其中一根钢丝在截面上交点的连线为X轴，在截面上建立导管控制坐标系，具体的，如图5所示，先取三根钢丝控制一段弯曲度进行分析，图中，A1、A2、B1、B2、C1和C2为钢丝通过的点其中，比如，B1B2为第二钢丝7在弯曲段中部分，B1B2为第四钢丝9在弯曲段中部分C1C2为第六钢丝11在弯曲段中部分；以O1A1为X轴，在截面上建立坐标系X1O1Y1，其中，O1为弯曲段一端截面上中心点；设弯曲段旋转角度为α，旋转角度为弯曲方向与Y1轴的夹角；弯曲角度为β，且通过钢丝产生的导管弯曲为固定曲率的圆弧。
与X轴相交的钢丝长度变化等于旋转角度与90度求差后的余弦值、弯曲角度与180度的比值、圆周率和导管半径的乘积，90度可以理解为π/2；所述旋转角度为弯曲方向与导管控制坐标系中Y轴的夹角。具体的，设弯曲段没有弯曲长度为l0，导管半径为r，发生如图5所示弯曲后，所述第一钢丝6的长度变化为△l1，所述第三钢丝8的长度变化为△l2，所述第五钢丝10的长度变化为△l3。当前所述第一钢丝6的长度为l1，所述第三钢丝8的长度为l2，所述第五钢丝10的长度为l3。过A1点向O1D2作垂线交于N点。
则所述第一钢丝6的长度变化为：
其中，△l1为第一钢丝6的长度变化；l0为弯曲段没有弯曲长度；l1为第一钢丝6的长度；β为弯曲角度；α为旋转角度；O1为导管截面上中心点；D2为弯曲角度所在的顶点；N为过A1点向O1D2作垂线交于N点，A1为钢丝在导管截面上的交点；r为导管截面。
其他位置处钢丝长度变化计算时，余弦值计算时，根据不同位置处钢丝之间在导管圆周上的夹角进行调整，具体的，由于所述第一钢丝6、所述第三钢丝8和所述第五钢丝10均匀的分布在导管圆周上，两两夹角为120度，所述第三钢丝8和所述第五钢丝10的长度变化分别为：
对于包括所述第一弯曲段1和所述第二弯曲段3两个弯曲段的导管来说，由于牵拉所述第二弯曲段3的钢丝从所述第一弯曲段1中穿过，所以所述第一弯曲段1的运动必将影响所述第二弯曲段3内钢丝长度的变化，而所述第二弯曲段3的运动不会影响所述第一弯曲段1内钢丝长度的变化；针对此问题，对所述第一弯曲段1，与X轴相交的钢丝长度变化等于旋转角度与90度求差后的余弦值、弯曲角度与180度的比值、圆周率和导管半径的乘积；所述旋转角度为弯曲方向与导管控制坐标系中Y轴的夹角；对所述第二弯曲段3，与X轴相交的钢丝长度变化等于针对第一弯曲段计算的钢丝长度变化与针对第二弯曲段计算的钢丝长度变化的和；具体的：
如图5示坐标系，由于牵引所述第一弯曲段1的钢丝的长度不会受所述第二弯曲段3影响，所以牵引所述第一弯曲段1的钢丝长度变化计算方式同公式(1)、公式(2)和公式(3)，比如所述第一钢丝6、所述第三钢丝8和所述第五钢丝10长度变化的计算过程。因牵引所述第二弯曲段3的钢丝长度受所述第一弯曲段1影响，以所述第一弯曲段1建立的导管控制坐标系为基础，所述第一钢丝6、所述第二钢丝7、所述第三钢丝8、所述第四钢丝9、所述第五钢丝10和所述第六钢丝11六根钢丝均布在导管圆周上，两两夹角为60度；设所述第一弯曲段1的旋转角度为α1，弯曲角度为β1，所述第二弯曲段3的旋转角度为α2，弯曲角度为β2，则牵引所述第二弯曲段3钢丝的变化长度如下：
其中，△l21、△l22和△l23分别为所述第二钢丝7、所述第四钢丝9和所述第六钢丝11的长度变化；由此可知，可以通过控制电机拉动不同长度的钢丝，实现导管上所述第一弯曲段1和所述第二弯曲段3的弯曲控制。
获取不同成像位置的血管图像时，控制导管进行坐标重映射操作，使得导管控制坐标系与视觉坐标系一致；如图6所示，在进行血管介入手术过程中，可通过数字减影血管造影(Digital subtraction angiography，DSA)设备结合造影剂对人体血管进行造影观察；在实际手术过程中，为更好的观测血管情况，会通过控制转动DSA设备来选取不同的成像位置，相应的在每次进行成像位置选择完成后，成像的视觉坐标系将会与导管控制坐标系产生一定的偏移，为实现导管控制坐标系与视觉坐标系一致，控制导管进行坐标重映射操作。
导管的弯曲段部分由显影材质制成，在未注射造影剂时，通过DSA设备成像可观测到弯曲段部分在血管中的所处位置与形状，通过图像滤波和边缘提取算法等技术获取导管形状。在每次移动完DSA设备后，控制导管向导管控制坐标系的X轴正方向弯曲60度，然后控制导管进行逆时针方向的旋转弯曲，比如，当前为向X轴正方向弯曲60，下一步向与X轴正方向夹角为1度处弯曲60度，然后再向与X轴正方向夹角为2度处弯曲60度；同时，不断获取DSA设备所拍摄的血管图像，并通过边缘提取算法不断检测导管的形状，当检测到获取平面影像中导管向右弯曲，度数为60时，获取此处位置与弯曲零点处的旋转偏差度数，将此时的旋转偏差度数作为偏移值进行坐标变换，使导管控制坐标系与当前影像平面对应；当检测到获取平面影像中导管向右弯曲，度数为60时，误差范围为正负3。
对于导管的弯曲实现可选的有三种模式，分别为通过触摸屏拖动导管进行导管的弯曲设置、手动输入弯曲方向和弯曲度数进行导管弯曲设置以及通过摇杆进行导管弯曲设置。
当采用通过触摸屏拖动导管进行导管的弯曲设置时，通过DSA设备获取血管图像后，通过图像滤波算法和边缘提取算法等，将血管图像进一步处理，获取如图7所示的带有血管轮廓的血管图像。导管的弯曲段部分由显影材质制成，在未注射造影剂时，通过DSA设备成像可观测到弯曲段在血管中的所处位置与形状，进行边缘提取后，并将弯曲段与带有血管轮廓的血管图像进行叠加，并显示在触摸屏上。通过拖动如图7中所示中的导管，检测对导管拖动的弯曲设置确定导管内不同位置处钢丝的当前长度，以及导管需要弯曲的弯曲角度和旋转角度，通过公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)、公式(5)和公式(6)等计算出满足弯曲要求需要的钢丝长度变化，并通过电机等控制钢丝长度变化，完成导管弯曲设置。触摸屏上对导管和血管的显示均为二维图像，只能实现对导管左右两个方向的设置。
当采用手动输入弯曲方向和弯曲度数进行导管弯曲设置时，可通过触摸屏输出期望的导管弯曲方向和弯曲度数即弯曲角度α和旋转角度β的值，可实现导管的弯曲控制。
当采用通过摇杆进行导管弯曲设置，可以通过实时观察DSA设备对导管的成像图像，通过两个全向摇杆，实时控制导管的弯曲。
通过触摸屏拖动导管进行导管的弯曲设置、手动输入弯曲方向和弯曲度数进行导管弯曲设置以及通过摇杆进行导管弯曲设置过程中，可以通过安装在电机输出轴上的力矩传感器，实时对钢丝进行力检测，即实时进行导管弯曲阻力检测，当阻力过大，比如阻力大于预设值时，判定为导管触碰到血管壁，此时立即控制导管停止弯曲并报警。
本实施例采用包括第一弯曲段1和第二弯曲段3的导管结构和相应的控制方法，使得导管在进入人体血管内部后可以实现导管的弯曲控制，可根据血管的实际情况控制导管弯曲以获取需要的导管弯度。
实施例2：
本实施例提供了一种手术装置，包括导管、设置在导管内的钢丝以及与钢丝连接的电机；所述电机连接有控制器，所述控制器采用如实施例1所述的用于血管介入手术的导管弯曲控制系统。
在所述交互装置上通过拖动导管进行导管的弯曲设置、输入弯曲方向和弯曲度数进行导管弯曲设置或通过摇杆进行导管弯曲设置。
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于血管介入手术的手术装置，其特征在于，包括导管、设置在导管内的钢丝以及与钢丝连接的电机；所述电机连接有控制器，导管包括弯曲段，弯曲段包括靠近控制端的第一弯曲段和靠近执行端的第二弯曲段，第一弯曲段和第二弯曲段的中间设有弯曲刚度远大于两弯曲段的连接段；
第一弯曲段由六根钢丝穿过，六根钢丝均匀分布，第一钢丝、第三钢丝和第五钢丝通过第一弯曲段后固定在第一钢丝固定环处，第二钢丝、第四钢丝和第六钢丝穿过连接段经过所述第二弯曲段后固定在第二钢丝固定环处；
第二弯曲段的钢丝从所述第一弯曲段中穿过；
通过拉动不同钢丝的长度来实现所述第一弯曲段和所述第二弯曲段不同方向的弯曲控制，所述第一弯曲段和所述第二弯曲段均具有弯曲自由度和旋转自由度两个自由度；
所述控制器采用导管弯曲控制系统，导管弯曲控制系统包括：
坐标系建立模块，被配置为：根据导管的弯曲段，建立导管控制坐标系；
图像采集模块，被配置为：通过数字减影血管造影技术，获取血管图像；根据血管图像，确定导管内不同位置处钢丝的当前长度，以及导管需要弯曲的弯曲角度和旋转角度；
计算模块，被配置为：导管控制坐标系中，根据不同位置处钢丝的当前长度，以及导管需要弯曲的弯曲角度和旋转角度，通过弧长计算确定不同位置处需要的钢丝长度变化；
控制模块，被配置为：根据需要的钢丝长度变化，对不同位置处的钢丝进行控制；
对第一弯曲段，与X轴相交的钢丝长度变化等于旋转角度与90度求差后的余弦值、弯曲角度与180度的比值、圆周率和导管半径的乘积；所述旋转角度为弯曲方向与导管控制坐标系中Y轴的夹角；
对第二弯曲段，与X轴相交的钢丝长度变化等于针对第一弯曲段计算的钢丝长度变化与针对第二弯曲段计算的钢丝长度变化的和；
获取不同成像位置的血管图像时，能够控制导管进行坐标重映射操作，使得导管控制坐标系与视觉坐标系一致。
2.如权利要求1所述的一种用于血管介入手术的手术装置，其特征在于，以弯曲段一端截面上中心点和其中一根钢丝在截面上交点的连线为X轴，在截面上建立导管控制坐标系。
3.如权利要求2所述的一种用于血管介入手术的手术装置，其特征在于，与X轴相交的钢丝长度变化等于旋转角度与90度求差后的余弦值、弯曲角度与180度的比值、圆周率和导管半径的乘积；所述旋转角度为弯曲方向与导管控制坐标系中Y轴的夹角。
4.如权利要求3所述的一种用于血管介入手术的手术装置，其特征在于，其他位置处钢丝长度变化计算时，余弦值计算时，根据不同位置处钢丝之间在导管圆周上的夹角进行调整。
5.如权利要求1所述的一种用于血管介入手术的手术装置，其特征在于，所述控制器连接有交互装置，在所述交互装置上通过拖动导管进行导管的弯曲设置、输入弯曲方向和弯曲度数进行导管弯曲设置或通过摇杆进行导管弯曲设置。
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