CN118141520A - 一种三维介入器械电磁装置及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种三维介入器械电磁装置及系统，涉及医疗设备技术，包括：第一电磁线圈模块、第二电磁线圈模块以及第三电磁线圈模块，分别与第一双极程控电源、第二双极程控电源以及第三双极程控电源相连，并受控于控制指令产生指令大小的电流，以根据通入的电流分别在三维空间产生相应维度的磁场，所述第一电磁线圈模块，其线圈结构为跑道型中空线圈；所述第二电磁线圈模块，设置于所述第一电磁线圈模块线圈结构的中空部分；所述第三电磁线圈模块，采用圆角中空线圈，正对于手术床垂直方向上、朝向患者胸部心脏位置设置。本申请通过双极可编程电源控制模块，实现对正交三维磁场的控制，实现将介入器械导航到心腔内预定位置。

Description

一种三维介入器械电磁装置及系统

技术领域

本申请涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种三维介入器械电磁装置及系统。

背景技术

随着医疗技术的不断进步，心脏介入手术已经成为了许多心脏类疾病的重要治疗手段。心脏介入手术具有创伤小、恢复快、疗效好等优点。随着医疗技术的进步，心脏介入手术的适应症不断扩大，手术难度也不断提高，对于手术的精准度和安全性的要求也越来越高。这为心脏介入手术机器人的发展提供了重要的契机。

心脏介入手术机器人的发展已经成为心脏医疗领域的重要趋势，手术的精准度和安全性是评价医疗质量的重要指标之一，传统的心脏介入手术机器人通常以齿轮传动的方式控制硬质导管、鞘管等介入耗材进行轴向进退、周向旋转和打弯等手术动作；该类手术机器人只能够适配硬质耗材，无法控制柔性导管进行手术，手术过程中存在心脏穿孔风险。

中国专利202110154276.5公开了一种电磁导航机器人，电磁导航机器人用于体内手术过程中，驱动体内导管的运动，电磁导航机器人包括：机座、支撑臂和电磁头组件，机座可移动地设于承载面上，支撑臂与机座可活动连接，支撑臂呈弧形。电磁头组件包括两个分别设置于支撑臂的弧形两端端部的电磁头，电磁头用于产生工作磁场。通过机座和支撑臂控制电磁头组件相对患者的相对空间位置，实现患者心脏部位的磁场变化，以驱动心腔内的柔性导管运动。

如何在心脏介入手术时，以心脏为中心产生一个空间360度方向可变以及磁场强度可调的均匀磁场，从而对心脏腔内的导管或者鞘管做空间导航控制，通常的解决办法是在心脏介入手术时，在身体两侧放置机械臂，在机械臂上托起两块永磁体，通过改变永磁体相对患者的相对空间位置实现空间方向可变磁场，然而，因为绝大部分介入手术过程中都需要对患者心脏进行造影，医院现有导管室内手术床边都已装配有DSA造影仪，且在手术过程中需要围绕患者心脏部位转动造影机C形臂，进行多方位造影，由此，同样通过机械臂控制的永磁体在人体两侧的移动空间受到限制，从而在胸部产生的磁场无法达到各向均衡的场强，特别有以下问题：

在人体轴向位置（Y轴），心脏的Y轴方向为腿部位置，C形臂无法控制永磁体近距离贴近心脏部位，从而在Y轴方向磁场相应比较弱；

在人体垂直方向（Z轴），因为DSA造影仪的正向造影位置，也使得永磁体无法运动至人体垂直上下的位置，从而在Z轴方向上的磁场相应也会显得比较弱；

因为永磁体的磁场强度在距离固定情况下不会改变，所以使得心腔内的柔性介入器械的贴靠力无法改变，治疗效果受到影响。如果要实现空间场强的增加，永磁铁的体积需要同样增加，更大的设备空间和更强的机械臂强度，会带来更大的机械臂移动噪音。

发明内容

本申请实施例提供一种三维介入器械电磁装置及系统，提供一个强磁场发生装置，控制腔内柔性介入器械的空间按前进方向，通过双极可编程电源控制模块，分别调节产生正交三维磁场的电流大小和极性，实现对正交三维磁场的控制，实现将介入器械导航到心腔内预定位置。

本申请实施例提供一种三维介入器械电磁装置，包括：

第一电磁线圈模块、第二电磁线圈模块以及第三电磁线圈模块，分别与第一双极程控电源、第二双极程控电源以及第三双极程控电源相连，并受控于控制指令产生指令大小的电流，以根据通入的电流分别在三维空间产生相应维度的磁场，其中，

所述第一电磁线圈模块，其线圈结构为跑道型中空线圈，数量为两个，分别设置在手术床体的两侧、覆盖患者胸部心脏位置，且两个线圈结构中分别被通入方向相反的电流；

所述第二电磁线圈模块，数量为两组，分别设置于所述第一电磁线圈模块线圈结构的中空部分，其线圈中间设置有铁芯；

所述第三电磁线圈模块，采用圆角中空线圈，正对于手术床垂直方向上、朝向患者胸部心脏位置设置。

可选的，任一组所述第二电磁线圈模块包括成对的两个线圈，成对的两个线圈之间通过导铁相连。

可选的，所述第二电磁线圈模块，其同侧设置的成对的两个线圈中通入的电流方向相反。

可选的，所述第三电磁线圈模块，采用圆角中空方形线圈。

可选的，所述第三电磁线圈模块包括两个线圈，且两个线圈分别设置在患者胸部心脏位置的上方空间和下方空间。

本申请实施例还提出一种三维介入器械电磁导航控制系统，包括：

如前述的三维介入器械电磁装置；

工作站主机，与所述三维介入器械电磁装置的各双极程控电源相连，以根据需求输出相应的控制指令；

柔性介入器械，其内置有三维定位传感器，以通过所述三维定位传感器获取处于磁导管空间内的柔性介入器械的位置信息，并将位置信息发送至工作站计算机上；

工作站计算机，提供交互界面UI，用以发送控制指令，以及，呈现相关的导航信息。

本申请实施例提供了一个强磁场发生装置，控制腔内柔性介入器械的空间按前进方向，通过双极可编程电源控制模块，分别调节产生正交三维磁场的电流大小和极性，实现对正交三维磁场的控制，实现将介入器械导航到心腔内预定位置。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本申请实施例的三维介入器械电磁装置的第一电磁线圈模块(X轴)示意；

图2为本申请实施例的三维介入器械电磁装置的第二电磁线圈模块(Z轴)示意；

图3为本申请实施例的三维介入器械电磁装置的第三电磁线圈模块(Y轴)示意；

图4为本申请实施例的三维介入器械电磁装置的正交三维电磁线圈安装组合示例；

图5为本申请实施例的三维介入器械电磁装置的正交独立电磁通量分布组合示例；

图6为本申请实施例的三维介入器械电磁装置的Z轴方向线圈俯视磁通示意；

图7为本申请实施例的三维介入器械电磁装置的XY平面合成电磁场分布示意；

图8为本申请实施例的三维介入器械电磁装置的YZ平面合成电磁场分布示意；

图9为本申请实施例的三维介入器械电磁装置的XZ平面合成电磁场分布示意；

图10为本申请实施例的三维介入器械电磁装置的XYZ均向45°电磁场分布示意；

图11为本申请实施例的三维介入器械电磁导航控制系统架构示意。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本申请实施例提供一种三维介入器械电磁装置，如图1所示，包括：

第一电磁线圈模块、第二电磁线圈模块以及第三电磁线圈模块，分别与第一双极程控电源、第二双极程控电源以及第三双极程控电源相连，并受控于控制指令产生指令大小的电流，以根据通入的电流分别在三维空间产生相应维度的磁场。本申请实施例中，以第一电磁线圈模块、第二电磁线圈模块以及第三电磁线圈模块分别对应于X轴、Y轴、Z轴为例进行举例说明，X轴为患者躺下状态下，身体延伸方向，Z轴为为患者躺下状态下、与X轴同一平面内垂直于X轴的方向，Y轴为垂直于为患者躺下状态平面的方向。其中，

所述第一电磁线圈模块，其线圈结构为跑道型中空线圈，数量为两个，分别设置在手术床两侧、覆盖患者胸部心脏位置，且两组线圈结构中分别被通入方向相反的电流。如图1所示，在一些具体示例中，X轴方向线圈(也即第一电磁线圈模块)，采用跑道型中空线圈设计，中空部分用于容纳一组产生Z轴方向的线圈，在一些具体应用中，X轴线圈数量为两个，以患者胸部心脏位置为中心正对设置在手术床两侧，由X轴方向线圈生成患者侧向的X轴方向磁场，控制柔性介入器械X轴方向的位移。

所述第二电磁线圈模块，包括两组，一组第二电磁线圈模块包括一对第二电磁线圈，两组第二电磁线圈模块分别设置于所述第一电磁线圈模块线圈结构的中空部分，各第二电磁线圈中间均设置有铁芯。在一些实施例中，Z轴方向，也就是和患者人体平躺平行方向，第二电磁线圈模块分为两组成对设置于X轴线圈中空部分，第二电磁线圈模块的外径小于X轴线圈的内径半径。第二电磁线圈模块的立体图和三视图如图2所示。本实施中，X轴方向线圈作跑道型中空设计，Z轴线圈设置于X轴方向线圈中空部分，大幅减小了线圈模块整体的体积，同时将Z轴线圈最大限度的靠近患者体部，能够产生足够的磁场控制力。

所述第三电磁线圈模块，采用圆角中空线圈，正对于手术床垂直方向上、朝向患者胸部心脏位置设置。如图3所示，Y轴方向线圈(第三电磁线圈模块)，也即与人体平躺平面垂直的方向，本申请中Y轴线圈采用圆角中空方形线圈设置，线圈数量可以为两个，分别正对设置于手术床垂直方向上，一个线圈位于手术床下方空间，另一个线圈同轴设置于手术床上方，所述的Y轴线圈中空部分对准患者胸部心脏位置，上述设计的目的在于X光机在正向体位的空间，不需要移动电磁线圈的情况下，可以通过中空部分直视获取心脏造影图像；使得电磁线圈在不妨碍X光机造影前提下，尽可能的贴近心脏，增强在心脏部位的磁场强度，有利于心脏内柔性介入器械的控制。

在一些实施例中，任一组所述第二电磁线圈模块包括成对的两个线圈，成对的两个线圈之间通过导铁相连。Z轴方向线圈中间均带有铁芯，同侧线圈铁芯通过导铁相连，从而增强Z轴方向电磁线圈磁场强度，补偿因为线圈尺寸缩小带来的磁场强度降低。在一些实施例中，所述第二电磁线圈模块，其同侧设置的成对的两个线圈中通入的电流方向相反。在一些具体示例中，所述的第二电磁线圈模块，同侧两个线圈设计为相反方向电流，相对两个线圈设计为相同方向电流，由此，四个电磁线圈组合在患者心脏部位产生Z轴方向（患者首尾方向）磁场。

本申请实施例中，Z轴线圈模块设置为四线圈结构，通过将同侧线圈设置反向电流，相对线圈设置为同向电流，来产生Z轴方向（患者人体纵向）磁场，相较于在人体首尾方向设置线圈的方式，能够极大程度提高心脏位置的磁场控制力。Z轴线圈中间设置有铁芯，相邻两个线圈之间的铁芯通过导铁相连，铁芯相当于电磁铁磁路中的导磁体，能够导磁并集中磁感线，增加磁通量，进而提高磁场强度和稳定性，以补偿因为尺寸缩小带来的磁场强度降低的问题。

本申请实施例提供了一个强磁场发生装置，控制腔内柔性介入器械的空间按前进方向，通过双极可编程电源控制模块，分别调节产生正交三维磁场的电流大小和极性，实现对正交三维磁场的控制，实现将介入器械导航到心腔内预定位置。

在一些实施例中，所述第三电磁线圈模块，采用圆角中空方形线圈。在一些具体示例中，通过采用圆角中空方形线圈的方式，在于X光机在正向体位的空间，不需要移动电磁线圈的情况下，即可通过中空部分直视获取心脏造影图像。使得电磁线圈在不妨碍X光机造影前提下，尽可能的贴近心脏，增强在心脏部位的磁场强度，有利于心脏内柔性介入器械的控制。

在一些实施例中，所述第三电磁线圈模块包括两个线圈，且两个线圈分别设置在患者胸部心脏位置的上方空间和下方空间。

三对空间三维正交的电磁线圈X轴、Y轴、Z轴的电磁线圈模块安装组合，如图4所示的安装组合方式，最终的三维正交电磁线圈模块结构包括八线圈、四极柱（铁芯）、双轭结构（导铁），X轴，Y轴，Z轴三个正交垂直方向的磁场均可以独立控制、互不干涉，进而合成三维空间内任意指向的磁场。

三组电磁线圈分别在对应方向上的独立磁通分量示意如图5所示，三对空间三维正交的电磁线圈，在相同的电流作用下，在三维正交电磁线圈中心位置上，可产生分别在X轴，Y轴和Z轴三个方向上强度大致相同的三个磁通密度分量。

在一些具体实施中，X轴方向两个线圈的电流方向设置为相反方向，使其相对的两面相当于分别为磁铁的N极和S极，磁感线从N极流向S极，通过同时变换两个线圈的电流方向，来改变两个线圈端面的极性，从而切换X轴方向的磁场方向；Y轴线圈同理设置电流，两个Y轴线圈分别提供相反方向电流，使其相对的两面分别为N极和S极，由此提供Y轴方向的磁场。

Z轴方向四个线圈电流设置方式如下：同侧导铁相连的两个线圈电流方向相反，电磁极性相反，中心位置的磁感线方向为Z轴方向（手术床轴向方向），两侧相对的电磁线圈电流方向相同，电磁极性相同，磁场相互排斥在中心位置的磁场方向为Z轴方向，两种相反的通电模式下产生相反磁场方向的磁场，俯视磁感线分布情况如图6所示。

在三维电磁线圈模块中心位置可通过三组电磁铁的磁场叠加来形成任意空间方向的磁场，例如在XY平面内的磁场方向控制，可通过对X轴线圈和Y轴线圈同时按上述方式通电，如果电流强度一致，即可产生相对人体XY平面偏转约45度的磁场，如图7所示。

同理，如图8所示，电磁在Y和Z平面内的方向控制，可以通过对Y轴线以及Z轴线圈的磁场叠加来形成。如图8中，对Y轴线圈及Z线圈同时通电，取电流强度一致，即可产生相对人体YZ平面偏转约45度的磁场。

类似的，如图9所示，电磁在X和Z平面内的方向控制，可以通过对X轴线圈及Z线圈同时通电，取电流强度一致，即可产生相对人体XZ平面偏转约45度的磁场。

如图10所示，电磁在空间360度任意方向产生所需磁场，只需要通过X、Y和Z轴线圈上分别施加特定强度的电流，合成产生空间任意方向的磁场，可通过将目标磁场方向拆分成X、Y、Z三个磁场分量，根据X、Y、Z磁场的相对比例来确定X、Y、Z对应线圈的电流比例，根据所需磁场强度来确定电流的大小；图10所示为X线圈、Y线圈和Z线圈同时通电，以同样大小的电流强度，从而在中心位置产生一个在X、Y和Z三轴的夹角均为45度的磁场。

本申请实施例还提出一种三维介入器械电磁导航控制系统，如图11所示，包括：

如前述的三维介入器械电磁装置；

工作站主机，与所述三维介入器械电磁装置的各双极程控电源相连，以根据需求输出相应的控制指令；

柔性介入器械，其内置有三维定位传感器，以通过所述三维定位传感器获取处于磁导管空间内的柔性介入器械的位置信息，并将位置信息发送至工作站计算机上；

工作站计算机，包括所述工作站主机以及显示设备，提供交互界面UI，用以发送控制指令，以及，呈现相关的导航信息。

在一些具体应用中，例如在手术中，可以通过工作站计算机将接收到医生输入的空间控制指令转换为X、Y、Z三轴的电流控制信息，分别控制三组双极程控电源输出特定电流给电磁线圈模块的三轴线圈，由X、Y、Z三轴线圈输出对应的磁场，通过磁场来控制工作空间内的磁性耗材进行动作。

通过本申请的介入器械电磁导航控制系统，不仅能够更精准的控制磁场强度以及磁场方向变化，同时还减小了设备体积，且不需要通过物理位置变化来改变磁场方向及大小，不会占用额外的工作空间，更容易适配国内的导管室，不需要重新定制导管室，更易于产品的推广及应用。

需要说明的是，在本申各实施例中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质（如ROM/RAM、磁碟、光盘）中，包括若干指令用以使得一台终端（可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本申请的保护之内。

Claims (6)

1.一种三维介入器械电磁装置，其特征在于，包括：

第一电磁线圈模块、第二电磁线圈模块以及第三电磁线圈模块，分别与第一双极程控电源、第二双极程控电源以及第三双极程控电源相连，并受控于控制指令产生指令大小的电流，以根据通入的电流分别在三维空间产生相应维度的磁场，其中，

所述第一电磁线圈模块，其线圈结构为跑道型中空线圈，数量为两个，分别设置在手术床两侧、覆盖患者胸部心脏位置，且两个线圈结构中分别被通入方向相反的电流；

所述第二电磁线圈模块，数量为两组，分别设置于所述第一电磁线圈模块线圈结构的中空部分，其线圈中间设置有铁芯；

所述第三电磁线圈模块，采用圆角中空线圈，正对于手术床垂直方向上、朝向患者胸部心脏位置设置。

2.如权利要求1所述的三维介入器械电磁装置，其特征在于，任一组所述第二电磁线圈模块包括成对的两个线圈，成对的两个线圈之间通过导铁相连。

3.如权利要求2所述的三维介入器械电磁装置，其特征在于，所述第二电磁线圈模块，其同侧设置的成对的两个线圈中通入的电流方向相反。

4.如权利要求1所述的三维介入器械电磁装置，其特征在于，所述第三电磁线圈模块，采用圆角中空方形线圈。

5.如权利要求4所述的三维介入器械电磁装置，其特征在于，所述第三电磁线圈模块包括两个线圈，且两个线圈分别设置在患者胸部心脏位置的上方空间和下方空间。

6.一种三维介入器械电磁导航控制系统，其特征在于，包括：

如权利要求1-5任一项所述的三维介入器械电磁装置；

工作站主机，与所述三维介入器械电磁装置的各双极程控电源相连，以根据需求输出相应的控制指令；

柔性介入器械，其内置有三维定位传感器，以通过所述三维定位传感器获取处于磁导管空间内的柔性介入器械的位置信息，并将位置信息发送至工作站计算机上；

工作站计算机，提供交互界面UI，用以发送控制指令，以及，呈现相关的导航信息。