TW201817454A

TW201817454A - 導線訊號追蹤系統與方法

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Publication number: TW201817454A
Application number: TW105137124A
Authority: TW
Inventors: 陳銘輝; 鄭茗徽; 蘇子可
Original assignee: 財團法人金屬工業硏究發展中心
Priority date: 2016-11-14
Filing date: 2016-11-14
Publication date: 2018-05-16

Abstract

本發明提出一導線訊號追蹤系統，包括支架、訊號偵測器、定位模組與電腦系統，用以追蹤深入人體血管中的導線。支架圍繞有工作區。訊號偵測器用以接受導線所產生的訊號。定位模組設置在支架上，用以帶動訊號偵測器於工作區的任一二維平面位置往復移動。電腦系統電性連接至訊號偵測器與定位模組，用以接收訊號偵測器所接收的訊號，根據訊號產生位置資訊並發送至定位模組，使定位模組根據位置資訊移動訊號偵測器至其對應導線於人體血管中的位置。

Description

導線訊號追蹤系統與方法

本發明是有關於一種追蹤系統，且特別是有關於一種能追蹤置入於人體血管內之導線的導線訊號追蹤系統與方法。

世界衛生組織預測2030年前，全球每年因心血管疾病死亡之人數將超過2,300萬人。衛福部預測2020年前，台灣血管疾病患將超過50萬人/年。從醫療市場需求面而言，心血管疾病患者數一直高居世界第一，各種導管/導線產品需求每年持續成長，2014年全球市場達近286億美元，預計2019年將達$424億美元。驅動此導管市場的關鍵因素包括使用微創醫療的需求上升、全球的老年人口的增長，以及因為生活方式引起的疾病如肥胖症導致心血管疾病成長。

心導管介入之微創手術是目前心血管疾病主要的治療方式。以冠心病介入性治療為例，首先需穿刺腿腹股溝或手部動脈，置入動(靜)脈鞘(直徑約為2~3毫米)，以鋼絲導線沿血管進入至治療部位建立手術通道，結合於塑膠導管之器械沿著導線可順利進入血管以進行檢查與治療。因此，將導線沿血管進入到治療位置是進行心血管疾病手術首要的工具及步驟，其手術中常面臨的問題包括：單向操作，需不斷嘗試；因應使用情境，產品規格多；需大量使用X光及顯影劑；依賴醫生經驗，手術風險較高。其中大量使用X光及顯影劑的問題，更容易造成人體其他器官(例如腎臟)的損壞。因此，如何提供一種導線訊號追蹤方法，可以在手術過程中提供路徑導引並同時降低X光及顯影劑的使用量，為此領域技術人員所關心的議題。

本發明主要目的係提供一種導線訊號追蹤系統及其方法，其係能夠主動追蹤導線訊號位置，以建構導線於人體血管中的移動軌跡者。

本發明的實施例提出一種導線訊號追蹤系統，用以追蹤深入人體血管中的導線。此系統包括支架、訊號偵測器、定位模組與電腦系統。支架圍繞有工作區。訊號偵測器用以接受導線所產生的訊號。定位模組設置在支架上，用以帶動訊號偵測器於工作區的任一二維平面位置往復移動。電腦系統電性連接至訊號偵測器與定位模組，用以接收訊號偵測器所接收的訊號，根據訊號產生位置資訊並發送至定位模組，使定位模組根據位置資訊移動訊號偵測器至其對應導線於人體血管中的位置。

在一些實施例中，支架上形成有第一軌道，定位模組包括第一驅動元件、第一支撐結構與第二驅動元件。第一驅動元件是設置於第一軌道上。第一支撐結構垂直於第一軌道並連接至第一驅動元件。第二驅動元件設置於第一支撐結構上，其中訊號偵測器是連接至第二驅動元件。第一驅動元件帶動第一支撐結構沿著第一軌道移動，第二驅動元件沿著第一支撐結構移動。

在一些實施例中，支架上還形成有第二軌道，第二軌道是垂直於第一軌道，第一軌道與第二軌道圍繞工作區。定位模組還包括第二支撐結構，其設置於第二軌道並連接至第二驅動元件。

在一些實施例中，上述的訊號為超音波訊號，導線為光纖，用以發出光波至人體內的組織，藉此依照光聲效應產生超音波訊號。

在一些實施例中，上述的訊號為超音波訊號，導線上設置有至少一個超音波換能器，此超音波換能器用以發出超音波訊號。

在一些實施例中，上述電腦系統產生位置資訊的操作包括：電腦系統執行以下方程式(1)、(2)以計算出超音波換能器相對於訊號偵測器的位置。

其中R是超音波換能器與原點之間的距離，φ為超音波換能器相對於Z軸的角度，座標點為超音波換能器在X-Y平面上的投影，θ為座標點相對於X軸的角度，y為超音波訊號在空氣中傳播的距離，x_i為訊號偵測器中多個超音波換能器中第i個超音波換能器與原點之間的距離，c₁為超音波訊號在組織傳播的速度，而c₂為超音波訊號在空氣中傳播的速度，τ _i為超音波訊號從超音波換能器傳播到第i個超音波換能器的時間。

以另外一個角度來說，本發明的實施例提出一種導線訊號追蹤方法，適用於電腦系統。此導線訊號追蹤方法包括：透過訊號偵測器接收導線所產生的訊號；根據訊號產生位置資訊；以及將位置資訊並發送至支架上的定位模組，使得定位模組根據位置資訊移動訊號偵測器至其對應導線於人體血管中的位置。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧導線訊號追蹤系統

110‧‧‧導線

120‧‧‧支架

121‧‧‧工作區

130‧‧‧訊號偵測器

140‧‧‧電腦系統

141‧‧‧第一軌道

142‧‧‧第二軌道

151‧‧‧第一支撐結構

152‧‧‧第二支撐結構

161‧‧‧第一驅動單元

162‧‧‧第二驅動單元

201‧‧‧超音波換能器

211‧‧‧座標點

221~229‧‧‧超音波換能器

X、Y、Z‧‧‧軸

O‧‧‧原點

R、d、b‧‧‧距離

φ、θ‧‧‧角度

501~503‧‧‧步驟

[圖1]是根據一實施例繪示導線訊號追蹤系統的示意圖。

[圖2A]與[圖2B]是根據一實施例繪示定位模組移動訊號偵測器的示意圖。

[圖3]是根據一實施例繪示計算超音波換能器的位置的示意圖。

[圖4]是根據一實施例繪示訊號偵測器130追蹤導線的示意圖。

[圖5]是根據一實施例繪示導線訊號追蹤方法的流程圖。

關於本文中所使用之『第一』、『第二』、...等，並非特別指次序或順位的意思，其僅為了區別以相同技術用語描述的元件或操作。另外，關於本文中所使用之「耦接」，可指二個元件直接地或間接地作電性連接。也就是說，當以下描述「第一物件耦接至第二物件」時，第一物件與第二物件之間還可設置其他的物件。

本發明提出的導線訊號追蹤系統包括了支架、訊號偵測器、定位模組與電腦系統。導線是用以伸入人體內的血管中，而定位模組會移動訊號偵測器至對應於導線的位置。如此一來，醫護人員只要控制導線的位置，而不需要移動訊號偵測器。

圖1是根據一實施例繪示導線訊號追蹤系統的示意圖。請參照圖1，導線訊號追蹤系統100包括了導線110、支架120、訊號偵測器130與電腦系統140。支架120圍繞著工作區121，訊號偵測器130會在工作區121內的任一二維平面位置往復移動以追蹤導線110。具體來說，支架120上形成有第一軌道141與第二軌道142，第一軌道141與第二軌道142實質上為彼此垂直，並且第一軌道141與第二軌道圍繞工作區121。上述的定位模組包括了第一驅動元件161、第一支撐結構151、第二驅動元件162與第二支撐結構152。第二驅動元件162是連接至訊號偵測器130，為了簡化起見，圖1中是將第二驅動元件162與訊號偵測器130合併繪示。第一驅動元件161與第二驅動元件162例如為馬達，而第一支撐結構151與第二支撐結構152例如為任意材料的直桿，但本發明並不在此限。第一驅動元件161是設置在第一軌道141，第一支撐結構151的設置方向是垂直於第一軌道141並連接至第一驅動元件161。第一驅動元件161可以沿著第一軌道141移動，藉此帶動第一支撐結構151也會沿著第一軌道141移動。另一方面，第二驅動元件162是設置於第一支撐結構151上，第二支撐結構152是設置於第二軌道142並連接至第二驅動元件162。第二驅動元件162會沿著第一支撐結構151移動，藉此帶動第二支撐結構152在第二軌道142上移動。訊號偵測器130的移動方式如圖2A與圖2B所示，區域A-A與區域B-B分別是圖1中關於第一驅動元件161與第二驅動元件162的放大示意圖。藉此，訊號偵測器130可以移動到工作區121內二維平面上任意的位置。

在上述的實施例中，第一軌道141與第二軌道142為直線，但在其他實施例中支架上的軌道也可以有任意的軌跡，並且支架上可以設置更多或更少個驅動元件。舉例來說，第一驅動元件161可以省略，第二驅動元件162除了會沿著第一支撐結構151移動以外，也會沿著第二支撐結構152左右移動，以帶動第一支撐結構151在第一軌道141上移動。圖1中的支架120與定位模組僅為範例，本發明並不在此限。

在此實施例中，訊號偵測器130為超音波探頭，並且導線110會伸入人體內的血管中以產生超音波訊號。本領域具有通常知識者當可理解超音波為機械波，而透過訊號偵測器可將此機械波轉換為電子訊號，為了簡化起見，本文中提到超音波訊號時所指的可以是機械波或是電子訊號，以下不再贅述。產生超音波訊號的方式有兩種，第一種是透過光聲效應，光聲效應的原理是利用光波照射組織，組織因為接收到光波因而膨脹產生超音波訊號。因此，導線110可為光纖，用以發出光波至人體內的組織，藉此依照光聲效應產生超音波訊號。第二種方式為在導線110上設置至少一個超音波換能器，此超音波換能器用以發出超音波訊號。不論是哪一種方式，訊號偵測器130都會接收到超音波訊號，電腦系統140會接收此超音波訊號，並根據此超音波訊號計算出一個位置資訊，此位置資訊指出了導線110相對於訊號偵測器的位置。電腦系統140會將位置資訊傳送至定位模組(即上述的第一驅動元件161與第二驅動元件162)。在一些實施例中，導線110的直徑是小於2毫米。

以下舉例說明當導線上具有超音波換能器時如何計算導線的位置。圖3是根據一實施例繪示計算超音波換能器的位置的示意圖。圖4是根據一實施例繪示訊號偵測器130追蹤導線的示意圖。請參照圖3與圖4，在此假設導線110上具有超音波換能器201，而訊號偵測器130中具有多個超音波換能器221~229。在此以極座標來描述超音波換能器201的位置。R是超音波換能器201與原點O之間的距離。φ為超音波換能器201相對於Z軸的角度。座標點211為超音波換能器201在X-Y平面上的投影。θ為座標點211相對於X軸的角度。在X軸上具有超音波換能器221~229。在此以超音波換能器227為例，超音波換能器201與超音波換能器227之間的距離為d，距離d可以表示為以下方程式(1)。

其中b為座標點211與超音波換能器227之間的距離，x_i為超音波換能器227與原點O之間的距離。因此，超音波訊號從超音波換能器201到超音波換能器227的傳播時間t_i可表示為以下方程式(2)。

其中c為超音波訊號的速度。一般來說，超音波訊號在人體內不同組織的傳播速度是大致上相同的，因此上述的速度c可為常數。然而，超音換能器201與超音換能器227之間可能有空氣，而超音波訊號在空氣中的傳播速度不同於在人體內組織的傳播速度。因此，在考慮了空氣的因素以後，上述的方程式(2)可以改寫為以下方程式(3)。

其中y為超音波訊號在空氣中傳播的距離。距離y會大於等於0且小於距離d。c₁為超音波訊號在人體組織傳播的速度，而c₂為超音波訊號在空氣傳播的速度，這兩個速度c₁、c₂應為已知。值得注意的是，上述的距離R、角度φ、角度θ、距離y都是未知的。

另一方面，在超音波換能器221~229接收到超音波訊號以後，可以計算出超音波訊號實際傳播到超音波換能器221~229的時間，以下標記為τ₁...τ_N，N正整數，在圖3的實施例中N為9。接下來，可執行以下的最佳化演算法來求得上述方程式中未知的變數。

其中方程式(4)為目標函數，方程式(5)為限制條件。正整數i為1至N(對應至超音波換能器221~229)。換言之，方程式(4)所要計算的是，尋找最佳的距離R、角度φ、角度θ、距離y，使得上述估測出的時間ti與實際量測到的時間τ_i最接近。由於在方程式(4)中有4個變數，因此超音波換能器221~229的數目(即正整數N)必須大於等於4。在求得距離R、角度φ、角度θ以後，便可以得到超音波換能器201相對於訊號偵測器130的位置，藉此上述的第一驅動單元161與第二驅動單元162便可以移動訊號偵測器130至其對應導線110於人體血管中的位置。如此一來，醫護人員便只要控制導線110的方向，而不需要手動地控制訊號偵測器130。

在另一個實施例中，導線110為光纖。雷射光會從光纖的第一端射入，並從光纖的第二端射出至人體內的組織。雷射光的波長可以採用任何適當的範圍。然而，不同的人體組織對於不同波長的光線會有不同的吸收率，當吸收率越高時光聲成像的效果越好。例如，血液對於波長為520nm至532nm之間的雷射光吸收率較高，血管對於波長為約1064nm之間的雷射光吸收率較高，而脂肪對於波長為約1720nm之間的雷射光吸收率較高。本發明是要追蹤血管內導線的位置，而靠近導線的組織為血液或血管。因此在一些實施例中，上述雷射光的波長是介於520nm至532nm之間，或者是約1064nm。至於根據超音波訊號計算位置的演算法，則類似於上述圖3所描述的演算法，在此並不再贅述。或者，在其他實施例中也可以使用其他合適的演算法來根據超音波訊號計算出對應導線的位置，本發明並不在此限。

在一些實施例中，訊號偵測器130接收到超音波訊號以後電腦系統140據此可產生第一影像，此第一影像中顯示有導線110上超音波換能器的位置或者是血液的位置。另一方面，訊號偵測器130也可以再朝向人體發出超音波訊號，而反射回來的超音波訊號會再由訊號偵測器130所接收，藉此電腦系統140可產生第二影像，此第二影像中顯示有人體內的組織(即一般的超音波成像)。電腦系統140可以合成第一影像與第二影像以產生第三影像，第三影像中繪示有人體內的組織以及導線110上超音波換能器的位置。藉此，醫護人員可以從第三影像中清楚地看到導線110位於人體內的位置。

圖5是根據一實施例繪示導線訊號追蹤方法的流程圖。請參照圖5，在步驟501中，透過訊號偵測器接收導線所產生的訊號。在步驟502中，根據訊號產生位置資訊。在步驟503中，將位置資訊發送至支架上的定位模組，使得定位模組根據位置資訊移動訊號偵測器至其對應導線於人體血管中的位置。然而，圖5中各步驟已詳細說明如上，在此便不再贅述。值得注意的是，圖5中各步驟可以實作為多個程式碼或是電路，本發明並不在此限。此外，圖5的方法可以搭配以上實施例使用，也可以單獨使用，換言之，圖5的各步驟之間也可以加入其他的步驟。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種導線訊號追蹤系統，用以追蹤深入人體血管中的一導線，其包括：一支架，圍繞有一工作區；一訊號偵測器，用以接受該導線所產生的一訊號；一定位模組，設置在該支架上，用以帶動該訊號偵測器於該工作區的任一二維平面位置往復移動；以及一電腦系統，電性連接至該訊號偵測器與該定位模組，用以接收該訊號偵測器所接收的該訊號，根據該訊號產生一位置資訊並發送至該定位模組，使該定位模組根據該位置資訊移動該訊號偵測器至其對應該導線於人體血管中的位置。
如申請專利範圍第1項所述之導線訊號追蹤系統，其中該支架上形成有一第一軌道，該定位模組包括：一第一驅動元件，設置於該第一軌道上；一第一支撐結構，垂直於該第一軌道並連接至該第一驅動元件；一第二驅動元件，設置於該第一支撐結構上，其中該訊號偵測器是連接至該第二驅動元件，其中該第一驅動元件帶動該第一支撐結構沿著該第一軌道移動，該第二驅動元件沿著該第一支撐結構移動。
如申請專利範圍第2項所述之導線訊號追蹤系統，其中該支架上還形成有一第二軌道，該第二軌道是垂直於該第一軌道，該第一軌道與該第二軌道圍繞該工作區，該定位模組還包括：一第二支撐結構，設置於該第二軌道並連接至該第二驅動元件。
如申請專利範圍第1項所述之導線訊號追蹤系統，其中該訊號為超音波訊號，該導線為一光纖，用以發出光波至該人體內的一組織，藉此依照光聲效應產生該訊號。
如申請專利範圍第1項所述之導線訊號追蹤系統，其中該訊號為超音波訊號，該導線上設置有至少一超音波換能器，該至少一超音波換能器用以發出該訊號。
如申請專利範圍第5項所述之導線訊號追蹤系統，其中該電腦系統產生該位置資訊的操作包括：該電腦系統執行以下方程式(1)、(2)以計算出該至少一超音波換能器相對於該超音波探頭的位置，其中R是該至少一超音波換能器與一原點之間的距離， φ為該至少一超音波換能器相對於一Z軸的角度，一座標點為該至少一超音波換能器在一X-Y平面上的投影， θ為該座標點相對於一X軸的角度，y為該超音波訊號在空氣中傳播的距離，x _i為該訊號偵測器中多個超音波換能器中第i個超音波換能器與該原點之間的距離，c ₁為該超音波訊號在一組織傳播的速度，而c ₂為該超音波訊號在空氣中傳播的速度， τ _i為該超音波訊號從該至少一超音波換能器傳播到該第i個超音波換能器的時間。
一種導線訊號追蹤方法，適用於一電腦系統，用以追蹤深入人體血管中的一導線，該導線訊號追蹤方法包括：透過一訊號偵測器接收該導線所產生的一訊號；根據該訊號產生一位置資訊；以及將該位置資訊發送至一支架上的一定位模組，其中該支架圍繞有一工作區，該定位模組用以帶動該訊號偵測器於該工作區的任一二維平面位置往復移動，在該定位模組接收到該位置資訊後，該定位模組根據該位置資訊移動該訊號偵測器至其對應該導線於人體血管中的位置。
如申請專利範圍第7項所述之導線訊號追蹤方法，其中該訊號為超音波訊號，該導線上設置有至少一超音波換能器，該至少一超音波換能器用以發出該訊號，上述產生該位置資訊的步驟包括：執行以下方程式(1)、(2)以計算出該至少一超音波換能器相對於該訊號偵測器的位置，其中R是該至少一超音波換能器與一原點之間的距離， φ為該至少一超音波換能器相對於一Z軸的角度，一座標點為該至少一超音波換能器在一X-Y平面上的投影， θ為該座標點相對於一X軸的角度，y為該超音波訊號在空氣中傳播的距離，x _i為該訊號偵測器中多個超音波換能器中第i個超音波換能器與該原點之間的距離，c ₁為該超音波訊號在一組織傳播的速度，而c ₂為該超音波訊號在空氣中傳播的速度， τ _i為該超音波訊號從該至少一超音波換能器傳播到該第i個超音波換能器的時間。