心脏介入式磁导航系统的导管防颤控制方法
【专利摘要】一种心脏介入式磁导航系统的导管防颤控制方法，包括以下控制策略：根据导管(1)当前姿态和下一目标姿态之间的角差值，找到一条适合导管(1)改变姿态遵循的轨迹，使得导管(1)在姿态变换过程中始终处于姿态可控状态。在二维平面内，通过三维心脏标测系统测量导管(1)端部的当前姿态根据手术需要，确定导管(1)的下一位置姿态及跟随步长从而确定导管(1)从当前姿态到下一位置姿态之间任意时刻姿态在三维球面坐标空间内，通过三维心脏标测系统测量导管(1)端部的当前姿态根据手术需要，确定导管(1)的下一位置姿态及跟随步长和Δθ；便可以确定当前姿态和下一位置姿态之间任意时刻导管的姿态
【专利说明】心脏介入式磁导航系统的导管防颤控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种医疗器械的控制方法，特别涉及一种用于心脏介入式磁导航系统的控制方法。
【背景技术】
[0002]心脏介入手术因效果好、创伤小、康复快，目前在临床上已得到了广泛应用。目前能实施心脏介入手术的医院多采用手动式插管技术。其工作原理是医生站在病人身边在X光机成像的引导下手工操作导管实现的，在插管的过程中是通过回拉导丝使导管的头端实现一定的转向或弯曲而进入目标。采用手动插管式心脏介入手术可以诊治大部分心血管疾病，但是对于一些复杂病例，手动插管式心脏介入手术就难以解决。例如，在插管的过程中碰到一些形状复杂的血管，导管就很难到达目标区域。此外，由于心脏的搏动加之心脏内腔表面光滑，导管端部定位也会非常困难。由于介入医生位于导管床旁间断或者连续地在X线照射下工作，虽然有防辐射衣服，身体也难免受到小剂量X射线的损伤，加之防辐射服非常笨重，会使介入医生在手术过程中十分不适。
[0003]介入式心脏磁导航系统克服了手动式磁导航系统的弊端，可以实现远程控制。通过手柄实现导管的方向控制，使介入医生能在无X射线辐射条件下完成大部分心血管介入手术。其核心部件是布置在病人外围的可产生导航磁场的永磁铁或者电磁铁。导管端部内装有永磁铁块，介入医生通过改变病人心脏部位磁场的方向就可以调整导管端部的方向，通过推/拉导管，控制导管在心血管内位置。有源式心脏磁导航的磁场方向改变是通过改变电磁铁中电流来实现的，在导管换向的过程中导管的当前姿态和目标姿态是已知的，但是导管中间姿态是未知的，且姿态转化速度是不可控的，这在心脏介入式手术中是必须要避免的，否则导管姿态无序变换引起的导管颤动会降低导航定位精度，甚至可能会造成心脏损伤。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是克服有源式心脏磁导航在磁场换向过程中产生的导管颤动，提出一种用于有源式心脏磁导航的能严格控制导管姿态的控制方法。
[0005]本发明的技术方案如下:根据导管当前姿态和下一目标姿态之间的角差值，找到一条适合导管改变姿态遵循的轨迹，使得导管在姿态变换过程中始终处于可控状态。所述的控制方法包括二维平面导航控制方法和三维球面坐标空间内立体导航控制方法。
[0006]具体步骤如下:
[0007]一、二维平面导航控制方法
[0008](I)在二维平面坐标系内，定义导管端部的软管中心位置为原点0，导管端部方向与X轴的夹角f沿顺时针方向增大，与X轴方向平行方向的磁场方向角度为零度，方位角f的取值范围为[0,2 31)；
[0009](2)通过输送装置将导管送入到导航区域内，即心脏内部，通过三维心脏标测系统测量导管端部的当前姿态
[0010](3)根据手术需要，确定导管的下一位置姿态f2及方位角跟随步长Δφ;
[0011](4)计算所述的下一位置姿态f2和当前姿态物的角度差，根据角度差的范围，确定导管位置姿态在W和Φ2之间的各个时刻姿态Φ^，从而确定导管从物变换到f2之间的轨迹为ft W，ft (2)?…，Φι Ca)?...? f2，便可以通过控制电磁铁的磁场方向轨迹为恥 O' =fl> ?Pt 小，ft …，ft π-…，Ψ2?
[0012]二、三维立体导航控制方法
[0013](I)在球坐标系内，定义导管端部的软管中心位置为原点0，导管端部方向与X轴的夹角Φ沿顺时针方向增大，与X轴方向同向的磁场方向角度为零度，方位角f的取值范围为(0，2 31)，定义磁场方向与Z轴的夹角为0，与Z轴方向同向的磁场方向角度为零度，天顶角Θ的取值范围为[O, 31];
[0014](2)将导管送入到导航区域内，即心脏内部，通过三维心脏标测系统测量导管端部的当前姿态(φι，θι);
[0015](3)根据手术需要，确定导管的下一位置姿态(φ2，02)及方位角跟随步长Δφ和天顶角跟随步长Λ Θ ；
[0016](4)计算所述的下一位置姿态(φ2，θ2)和当前姿态(φ:，_)的角度差，根据角度差的范围，选择合适的角度步长，从而确定导管位置姿态在(fi，S1)和(φ2，θ2)之间的各个时刻姿态(φ^，丄从而确定导管从(φ!，％)变换到(φ2? θ2)之间的轨迹为Cft
? O' ? θ|_.() ? ) = ( φ j ； ΘI ) ? ( φι..1., θ[: I , ) ’ ( φι.2 > ? θ'—.- 2.) ，...f ( ψι ! π '， tti ■ m 1 ) ,.*.,
(ψ2> 02)，便可以通过控制电磁铁的磁场方向轨迹为(Φ? CO)，θι (O) ) = (<Pl，θι)， (ft CU ?.1.) f ( φι O 1，Bt' 2.〉,." , ( φι ‘ιν，θι < m; ) j..,， C φι，02 ) α
[0017]本发明的有益效果是:通过控制导管从当前姿态到下一位置姿态之间若干时刻的姿态，使得导管在换向过程中保持状态可控，降低由于导管姿态无序变换所造成的医疗损伤，也提高了导管的导航定位精度，进而也提高了心脏介入手术的成功率。本发明适用于二维平面导航控制方法和三维立体导航。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为导管在导航区域3内；
[0019]图2为二维平面导航示意图；
[0020]图3为三维立体导航示意图。
【具体实施方式】
[0021 ] 以下结合附图和【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0022]如图1所示，导管I的前端内装有三个永磁环2，永磁环2磁矩的方向与永磁环2中心轴平行，且指向导管I端部。导管I的端部装配有软管4，软管4方便导管I端部转向。永磁环2的在导航区域3内受到均匀磁场施加的扭矩，使得永磁环2的磁矩与均匀磁场平行，从而使得永磁环2与外磁场平行。永磁环2受到的扭矩为Tm = M.Β-Affl-Lffl *sin(0 )，其中:M为永磁环2的磁矩幅值，B为永磁环2所在位置的磁场强度幅值，Am为永磁环2的截面积，Lm为永磁环2的轴向长度，Θ为永磁环2的磁矩矢量M跟永磁环2所在位置的磁场强度B之间的夹角。这样通过调整导航区域3内均匀磁场的方向就可以控制导管I的端部方向。
[0023]所述的永磁环2材料为钕铁硼。
[0024]根据导管I当前姿态和下一目标姿态之间的角差值，找到一条适合导管I改变姿态遵循的轨迹，使得导管I在姿态变换过程中始终处于可控状态。
[0025]一种用于有源式心脏磁导航的导管I姿态控制方法，包括适用于二维平面导航控制方法和三维立体导航控制方法，分别包括以下步骤:
[0026]一、二维平面导航控制方法
[0027](I)如图2所示，在二维平面坐标系内，定义软管4的中心位置为原点，导管I端部方向与X轴的夹角f沿顺时针方向增大，与X轴方向平行方向的磁场方向角度为零度，方位角f的取值范围为[0，2π);
[0028](2)通过输送装置将导管I送入到导航区域3内，即心脏内部，通过三维心脏标测系统测量导管I端部的当前姿态fi;
[0029](3)根据手术需要，确定导管I的下一位置姿态物及方位角跟随步长Afl
[0030](4)计算所述的下一位置姿态f2和当前姿态_的角度差，根据角度差的范围，确定导管I位置姿态在和f2之间的各个时刻姿态从而确定导管I从啊变换到奶之间的轨迹为％ + φ^ι:..fi'2......n-…’ f2，便可以通过控制电磁铁的磁场方向轨迹为 ψ? 10 ■ =φ?，φι.1 φ!.2.，(Pm，…,φ2°
[0031]所述的根据角度差的范围，确定导管I位置姿态的方法具体如下:
[0032](一)如果丨f1-f2I ￡Δφ，其中Δ爭为方位角跟随步长,则％ (}.=φι, φι ? =φ2-
[0033]( 二 )如果Δφ< I φι-φ2 I < π,
,m ^ ,?φ<η) + Δφ,ifftms <φ2
[0034](I)如果牝>φ!，则(Pt ,(?.=φ丨，φ.+ι> =\
*
?φ,{η)-Δφ,Iffiw >φ2
[0035](2)如果 φ2〈φι，则φ_)=1
[φ, ,it φι(ι1) <φ2 ^
[0036](三)如果κ< I frf2 I <2λ?
φ_+2π ,if φ,(η) < O
[0037](I)如果 φ2>φι，则 φι(0,=φι_, 9--.丨,=Φ_ -八9 ^ ?,(--< iP2
If2.1
φ_-2π ,if φ,η? > 2π
[0038](2)如果牝<φ 丨，则奶.0，丨，(Ρ_ 卜 Δφ ,if O < φ((η( < φ2
φ2
、ο
[0039]二、三维立体导航控制方法
[0040](I)如图3所示，在球坐标系内，定义导管I端部的软管4中心位置为原点0，导管I端部方向与X轴的夹角Φ沿顺时针方向增大，与X轴方向同向的磁场方向角度为零度，方位角tP的取值范围为[O, 2 π )，定义磁场方向与Z轴的夹角为Θ ,与Z轴方向同向的磁场方向角度为零度，天顶角0的取值范围为[O, π];
[0041](2)将导管I送入到导航区域3内，即心脏内部，通过三维心脏标测系统测量导管I端部的当前姿态(fi，θ,)；
[0042](3)根据手术需要，确定导管I的下一位置姿态(f2，02)及方位角跟随步长Δφ和天顶角跟随步长Λ Θ ；
[0043](4)计算所述的下一位置姿态(φ2，θ2)和当前姿态(φι，θι)的角度差,根据角度差的范围，确定导管I位置姿态在(fl* θι)和Cf2, 02)之间的各个时刻姿态(φ?.、ν，θι ην>.从而确定导管I从(fl, θι)变换到(φ2，θ2)之间的轨迹为((J)t ? Θ, ,0.> = (fl，θ?),(cpi.j) j 0r ■.11 ) , (' 21，θι ".2 >〉，...， C ? ii j ? θ| ⑴ ? ) , ■.， C ， Θ2 )，
便可以通过控制电磁铁的磁场方向轨迹为
Cft cos > 0t<o) ) = (fi* θι) ? Ccpt (?) j θι ,,ο ) , (φ“2)，θ“2))，…，
(ftfn?.θι tin) ) * …，(tp2，%) ο
[0044]所述的根据角度差的范围，确定导管I位置姿态在(φ^ Θ!)和(φ2，θ2)之间的各个时刻姿态(ft <11、，θι..、)的具体方法如下:
[0045](一 )如果I φι-φ2 I <Δφ, Θ厂Θ 21彡Λ Θ ,其中，Δφ为方位角跟随步长，Δ θ为天顶角跟随步长；
[0046]WlJ(Cptco), θι C0) ) = (φ-- θι) * (φ"1>，Θ|<Γ? ) = Cf2? ife)；
[0047]( 二 )如果Δφ< I φι-φ2 I <π, | θ「θ 2| 彡 Λ θ，则 θ t(0) = θ 1； θ t⑴=θ 2，
[0048]( I ) 如果则 (φ_’ )= (φι, §ι>?
j(tptw + Acpse2)，ifcplw<(p2
?Ψ?η— I , Α、；f #f% ^ ^....[(φ,,θ,) ,ι?ψι(η)>ψ2 _
[0049]( 2 ) 如果贝Ij(φ^ο., θ?(0))= (fi* §!>*(φι( Π)— <
[(φ2,θ:)Ψ?(η)^Ψ?
O
[0050](三)如果E<I φι, I <2η, I θ「θ 21 彡 Λ θ，
[0051](I)如果 φ2>φι* 则(fw θι.?).) = (φι’ θι),
[0052]
(Ψχη) +2κ,Θ2) ,if φ[(η) < O
(Φ_ ? I >，^1<ηι 1,) = 1 (Φ,,η) — Afs?2) ,if 0<φ_ <φ2.(φ,,β,)，if.#
[0053](2)如果φ2〈<Ρι,贝丨J(tPt., 0ι.)=(物，⑩?),
[0054]
~(φ_-2π，θ2) ，if cp ^ 2 7Χ
(Φ?η -"為加."叫(φ_+Δφ，θ:} Jf 0<φ,(η1<φ,
(φ,,θ,)sif V:<(pl(lt!
[0055](四)如果丨CpHp2 ? <Δφ, Δ θ < θ「θ 2| ( π，
[0056]( I )如果 Q2Sei, 贝Ij (φι.ο,，θι.ο> )= Cfi* ΘΓ),
, Α.|(Φ2^+ 靖,if θ_, < θ2
(qW1;，軟η.1(φ2為) 方 Θ_2Θ2.?
[0057]( 2 )如果则 (((Voi’U= (φ〖，θι),f Ι(Φ2，θ_,-Δ_，--'θ_>θ2
<IWlP —,.1(φ'，θ，) Jf0t(m)<02
、-一'O
[0058](五)如果Δφ<I φ,-φ2 I <π, Δ θ < θ「θ 2 ( Ji ,
[0059](I)如果φ2>φι? θ 2 > O1，则則(φΗ," O1,0,) = Cfi, ij) ?
[0060]
(%m + Δ<Ρ* θ_ + Δθ>, if Φ_ < φ2，et_ < θ,
y Λ X _+ Αφ’ θι )iif Φ_ < 中2，?l(m) —
φφ—1,5 !ι)= (φ2,θ_ + Δ_ ’--'φ_》φ:’θ_ <θ2
(φ2β2)!?Γφι{η!>φ2,θι(ιη)>θ, ^
*
[0061](2)如果 φ2>φι, θ 2< θ 则(9t α?)，O1.ο ? ) = (φι，θι)，
[0062]
(%,υ + 師，θ_ — A&), if φ_ < φ2,θ_ > θ2
(、= ](Φ_+Δφ,θ2) Jffw <f2,0l(in) ^e2
I'1” ,(m,U — (φ2，θ細—Δθ)’if φ_ > φ2,θ_ > θ2
_(φ2,θ2)^lPmi^lhAm^Q2 t
*
[0063](3)如果 φ2<φι，θ 2 > θ 1；则则(《Pt <ο? , θ{ (0, ) = (φι，%)，
[0064]
— Δφ,β_ + Δθ),?'φΜιι) > φ:,θ_ < Q2
1?響 _?卜(φ2，θι(_ +靖 ，if φ_ 4為m, < θ2
_(φζ,θ2)
*
[0065](4)如果θ 2〈 θ π 则(<Pt ,.m，.,.φ ) = (φι，θι)，
[0066]
? Cf.? - Δ(Ρ> β_ - Δθ >，j f φ_ > φ2, θι?111 > θ:
(φ_—Δφ，θ2) ,--'φ_>φ2,θ_ <θ2
ImH } ^ J
w 丨,，ifU(p2’0_,>0:
(φ,,θ,)，?Γ<Ρ?,η^Φ?θ_<θ2
I " ，O
[0067](六)如果》<I f1-fa I <2π，Δ θ〈 I θ「θ 21 ( π ,
[0068](I)如果￠2)-1, θ 2> θ 则(spt , Qt φ) ) = (ψι, θι) ?
[0069]
^ftw + 2π，θ_ + Δθ)# if φ_ < (),θ_ < θ2
(f_ — ΔΨ>θ_ + Δθ),if 0<φ1(η) <φ,,θ_ <θ2.、= (ψ2，+ Δθ),if φ_ < φ2，e_ < Q2
Wl{niIP ?{ιη.I)) / , ? a \if gn.^AA *> A
(9i(n) +2π，θ2)“會 tPllnj〈 — ?2
(φ?(?1)-Δφ,θ2)，if 0< φ1(η| < φ2,θ1|?Β? > θ2
(φ Q )Φ1()1| ? Φ2>?ι(ιιι) ? ?2
[0070](2)如果φ2>φι，θ 2〈 θ 丨，贝丨J((pt <(h ? 0t,o> ) = (φι，?丨)，
[0071]
?(Ψ_) + 2π* θ_ — Δθ) , if φΒηι < O, θ?ηι1 > θ2
(φ,_ — Δφ,θ_ — Δθ) ,if 0< φ_ < φ2,θ_ > θ,.、= j ，θ_ — Δθ),if -?W ^ Φ2 ’ θ_ > θ2
?W紙⑴歲(y,if Φ_<0，θ_<θ2
(φ_ — Δφ，θ2)，if<%’Owmi ^Q2
[(φ, ,0,)cPt(B) ^ tPl ?^ θ:
%
[0072](3)如果φ2<φρ θ 2> θ i，贝IjGpl ,(ι> ? it,ο? ) = Cfi, %),
[0073]CN 104127243 A i^sdt7/7 矧
Fs I wamf + Δ3?φ§)Iv2π>=: Λ032
{φ! + ΔΦΦ,Ι + Δβ) Jf ΟΙΛBi Λ,fbi Λ Φω
J i,f>i,+As,if-ΘΙΛfbf Λ,?
f Γ.f t— ,-ι> k ζβ?β
f ? f-r.(φι —κθ匕 k ?1v2ntp(φ! +Δφ,ρ} -R OACPl Λ s%iIACD2
{?,ρ)t-f『^!Λ^η?Φι?πι?Α,ρ
l.0
【权利要求】
1.一种心脏介入式磁导航系统的导管防颤控制方法，其特征在于，所述的控制方法为:根据导管(I)当前姿态和下一目标姿态之间的角差值，找到一条适合导管(I)改变姿态遵循的轨迹，使得导管(I)在姿态变换过程中始终处于姿态可控状态；所述的控制方法包括二维平面导航控制方法和三维球面坐标空间内立体导航控制方法。
2.按照权利要求1所述的心脏介入式磁导航系统的导管防颤控制方法，其特征在于所述的二维平面导航控制方法，包括以下步骤: (1)定义软管(4)的中心位置为原点，导管(I)端部方向与X轴的夹角f沿顺时针方向增大，与X轴方向平行方向的磁场方向角度为零度，tP的取值范围为[O，2 Ir)； (2)通过输送装置将导管(I)送入到导航区域(3)内，即心脏内部，通过三维心脏标测系统测量导管(I)端部的当前姿态ΦΠ (3)根据需要，确定导管(I)的下一位置姿态Φ2及跟随步长Δφ; (4)计算所述的下一位置姿杏f和当前姿态物的角度差，根据角度差的范围，确定导管(I)位置姿态在f I和犯之间的各个时刻姿态奶W，从而确定导管(I)从啊变换到牝之间的轨迹为tPH1 =(Ρ?，Φι I ft..2”…，ft..!”，…，Φ2，便可以通过控制电磁铁的磁场方向轨为 ‘ U —φ?，φ? ■卜，ψ? - …Φ? ΣΙ '，..., φ2°
3.按照权利要求2所述的心脏介入式磁导航系统的导管防颤控制方法，其特征在于所述的根据角度差的范围，确定导管(I)位置姿态的方法如下: (一)如果丨 fi,2 I ΙΔφ,其中Δφ为方位角跟随步长，则(J)t
(二 )如果 Δφ< I φι-φ2 I <π, (1)如果奶>φι，则,?Γφι(η)>φ2 ,
*——fcp_—Δφ，?Γφ_>φ2
(2)如果φ2<φι，则Φ?.ο.=φ丨，
ItP2 ,u(pws(p2.*
(三)如果π< ! φ,-φ2 I <2π,
f t(n) + 2π ,if φ,(η) < O (1)如果，则恥咖==.<ρ?—η-丨广 Φ?η!—Δφ 把φ_<φ2
[φ,,if φ,{η)<φ2.?
|φ_-2π ,if φ_,>2π
(2)如果φ2<φι，贝丨Jtpl ? =fi，= I φ,(η,+Δφ ?if 0< φ({11) < φ2
卜P2,if Cp2 ^ Φι(η?
4.按照权利要求1所述的心脏介入式磁导航系统的导管防颤控制方法，其特征在于所述的三维球面坐标空间内的立体导航控制方法包括以下步骤: (I)定义导管⑴端部的软管⑷中心位置为原点O，导管⑴端部方向与X轴的夹角tP沿顺时针方向增大，与X轴方向同向的磁场方向角度为零度，Φ的取值范围为[0，2π)，定义磁场方向与Z轴的夹角为Θ,与Z轴方向同向的磁场方向角度为零度，Θ的取值范围为[O, 31 ]； (2)将导管(I)送入到导航区域3内，即心脏内部，通过三维心脏标测系统测量导管(I)端部的当前姿态(φ!，θι>； (3)根据手术需要，确定导管(I)的下一位置姿态θ2)及跟随步长Δφ和ΛΘ ； (4)计算下一位置姿态(φ2，θ2)和当前姿态(φι，S1)的角度差，根据角度差的范围，确定导管(I)位置姿态在(Cpl, 0,)和(中2，θ2)之间的各个时刻姿态(φιιη>，U，从而确定导管⑴从(fi，θι)变换到(φ2，02)之间的轨迹为(φι.ο>，θ-,.ο.> = (φ!，θι),(ψι (I) ? ?t < I) ) ? ( tPt '2., Bt (2) ) ? …，C φ? ' η1 ? 0t ^.…，(￠2,.便可以通过控制电磁铁的磁场方向轨迹为(ψι ■ O'，.0 j ) ( Cp I，θ I ) ， C Cpi ι ( i j ! I I ) t C Cpt , 2 , ， 0ι ' 2 -1 ) , * *.^(φ;..η ■ , θ| ηι.) ，.- ■, (φ2， θτ )。
5.按照权利要求4所述的心脏介入式磁导航系统的导管防颤控制方法，其特征在于所述的根据角度差的范围，确定导管(I)位置姿态在(φι，θι)和(φ2，θ2)之间的各个时刻姿态(φι.,:.，ft.m..)的具体方法如下: (一)如果I ΦΙ-Φ2 I <Δφ, I θ「θ2|彡Λ Θ，其中，Δφ为方位角跟随步长，Δ Θ为天顶角跟随步长；
贝lJ(cp"o" Bum ) = (cpi? θι) ， (cpt 中，θιcd ) = (ψ2> 02);
(~■)如果 Δφ< I ψι~ψι 1-j^' 9「9 21 A θ ,则 9 t(ci) = 9 11 9 t(i) = ? 2， ( I ) 如 果贝1J (ψ?φ>> θκθ))= Cfl? 0i) ?
?(φ? + Δφ,θ2),--φ1(1>)<φ2
輯){(φ2,θ2),--φ((η)>φ2 ? ( 2 ) 如 果贝Ij (φι.ο>，0tto))= Cf!? ii),f A 、 iC<pt(?i — Δφ，θ2 ), if φι?η) > φ2I"，1(φ”θ2) ，《>_%.*
(三)如果》< I φι-φ2 I <2π，I θ「θ 21 彡 Λ θ，
(1)如果φ?_〉φ.ι*则(φι<ο)?θ"0,) = (φ” θ〗)
(Φ? + 271 為),tf φ1{η) < ο
(ΦΗη ,Pθ.(?+ι,) =1 (<Ρ_ - Δφ為)?if 0< (Ptw < φ2
(φ2,92)View ^ Ψι.(2)如果φ2<φ?，贝丨KftW，β--Ο) ) = Ctpi，θι)，CN 104127243 > _0竺炯讲设_ _3/5 矧
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【文档编号】A61B19/00GK104127243SQ201410343189
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月18日 优先权日:2014年7月18日
【发明者】刘建华, 王厚生, 王秋良 申请人:中国科学院电工研究所