专利名称：一种模拟导管弯曲形态的方法及磁感应导管的制作方法
技术领域：
本发明涉及医疗器械领域，特别是涉及一种模拟导管弯曲形态的方法及磁 感应导管。
背景技术：
射频消融电极导管主要用于对心脏进行心律失常的电生理标测、临时起 搏、以及射频消融等。参阅图l,为现有射频消融电极导管示意图，电极导管
10包括导管控制手把11、导管主体12、头电极13、连接器14、及延长电缆 15等部分。
在传统的导管射频消融治疗中，利用电极导管IO将可以发射射频能量的 头电极13经静脉或动脉插入人体，在X线电视监控下，送入心脏部位，对病 灶进行消融治疗。在治疗房颤及房朴等复杂心律失常时，还需要将消融点连接 成线，通过完全隔离异常电生理病灶，达到治疗目的。
在上述线形消融治疗过程中，手术者需要了解头电极13的位置，并记录 消融灶位置，以便于手术的进行。目前较多采用三维标测设备绘制的三维解剖 图像，来显示头电极13位置和消融灶位置。三维解剖图像一旦建立，就不必 在X线下操作，大大减少X线的曝光量。同时，在建立三维解剖图像的情况下， 可以减少放电次数，降低误伤房室结的危险，对放置导管、准确判断异位兴奋 点和导管的位置具有很大的帮助。因此，通过三维标测设备绘制的三维解剖图 像比先前的双平面X线定位更准确可靠。
利用三维标测设备绘制三维解剖图像，在临床应用的主要有电场感应和磁 场感应两种感应标测方式，磁场感应因定位准确，重复性好而得到广泛应用。 但目前的利用磁感应技术绘制的三维解剖图像有较大局限性，只能够显示头电 极13的位置，而不能显示电极导管10的导管主体12的弯度形态。手术者在 手术过程中，不能直观看到电极导管10在心脏内的弯曲形态，给手术操作带 来4艮大不便，手术的安全性和可控性也明显降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种模拟电极导管弯曲形态的方法，该 方法能够显示电极导管在工作过程中的弯曲形态，给手术操作带来方便，提高手术的安全性和可控性。
本发明的另一个目的是提供一种-兹感应电极导管，该电极导管能够显示自 身在工作过程中的弯曲形态，给手术才喿作带来方便，提高手术的安全性和可控性。
本发明 一种模拟导管弯曲形态的方法，在所述导管上设置至少两个传感元
件，该方法包括所述传感元件切割^t力线生成感应电流；在上述感应电流信 息中提取所述传感元件的空间信息；依据上述空间信息，结合所述导管的特性 信息，计算所述导管的弯曲形态。
优选的，计算所述导管的弯曲形态具体为设立导管弯形的曲线函数，采 用最小能量样条逼近法求解导管该曲线函数，得到所述导管的弯曲形态。
优选的，计算所述导管的弯曲形态具体为针对每相邻两个传感元件之间 的导管段，设立导管弯形的曲线函数，分别采用最小能量样条逼近方法求解其 弯形曲线函数，得到各导管段的弯曲形态，进而得到导管整体的弯曲形态。
优选的，所述最小能量样条逼近法进一步包括将相邻两个传感元件之间 的导管弯形曲线正则化；以曲线弧长r为变量，建立曲线函数
= w3+6/2+ " + d，其中，,的取值范围设为
, a、 b、 c、 d为四个未知数; 根据上述空间信息和特性信息，计算P。)，^)和,(0)、 ；/(l)的值；将^(o)，^)值 和P'(O)、 ；/(l)值代入曲线函数P(0求解。
优选的，釆用最小能量曲线方法求解;Z(O)、 y(l)的值。
优选的，采用最小能量曲线方法求解y(O)、 ；/(l)的值具体为设;/(0) = "。^， ;/(l) = aiVi，其中，a。,^为曲线两端切线向量模长，v。,^为曲线两端方向；设 /("。,ai) = ￡-;u:，其中E表示曲线的内能，L表示曲线的长度，入为系数，求
解得到a。,q;将fl。,^和v。,^代入乂(0^a。i;。; ;/(l),iv获得；/(0)、 ；/(l)的值。 优选的，曲线长度L为曲线内能E取得最小值时的约束条件。 优选的，还包括将导管的弯曲形态进行显示。
优选的，还包括所述导管的内侧和外侧使用不同的颜色进行显示。 优选的，还包括根据所述导管的实际直径，设置显示导管的宽度。 优选的，所述至少两个传感元件中的一个传感元件设置在所述导管的末端。
优选的，所述空间信息包括传感元件的三维位置信息和方向信息。 优选的，所述导管的特性信息包括导管本身的材料、长度和\或两个传感 元件之间的间3巨。
优选的，所述传感元件为磁场传感器。
优选的，所述磁场传感器包括5自由度磁场传感器和/或6自由度磁场传 感器。
本发明一种磁感应导管，包括导管主体，还包括至少两个传感元件，分 别设置在所述导管上，用于切割磁力线生成感应电流；信号提取设备，用于在 上述感应电流信息中提取所述感应元件的空间信息；模拟处理设备，用于依据 上述空间信息，结合所述导管的特性信息，计算所述导管的弯曲形态。
优选的，模拟处理设备还包括运算模块，用于设立导管弯形的曲线函数， 采用最小能量样条逼近法求解导管该曲线函数，得到所述导管的弯曲形态。
优选的，所述至少两个传感元件中的一个传感元件设置在所述导管的末端。
优选的，所述传感元件为磁场传感器。
优选的，所述磁场传感器包括5自由度磁场传感器和/或6自由度磁场传 感器。
优选的，所述磁场传感器的线缆上包绕银线编制网。 与现有^R术相比，本发明具有以下优点
本发明在导管的头电极附近设置磁场传感器，磁场传感器切割磁力线生成 感应电流，根据该感应电流信息提取磁场传感器的位置信息和空间信息，再结 合该导管本身的特性信息，计算导管的弯度形态，并在相关显示设备上显示该 导管的弯曲形态。这样，手术者在手术过程中可以直观看到导管在心脏内的弯 曲形态。相对于现有技术只显示导管头电极的位置，本发明提供给手术者丰富 的导管使用状态信息，提高手术的安全性和有效性。
图1为现有射频消融导管示意图2为本发明导管示意图3为本发明头电极的剖面示意图4为本发明导管整体示意图； 图5本发明为导管在心脏中的工作状态图； 图6为本发明安装有3个磁场传感器的导管纵向剖面图； 图7为本发明计算导管弯度形态原理图； 图8为本发明计算导管弯度形态原理图。
具体实施例方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。
本发明在射频消融电极导管的头电极附近设置磁场传感器，磁场传感器切 割磁力线生成感应电流，根据该感应电流信息提取磁场传感器的位置信息和方 向信息，再结合该导管本身的特性信息，计算导管的弯度形态，并在相关显示 设备上显示该导管的弯曲形态。这样，手术者在手术过程中可以直观看到导管 在心脏内的弯曲形态，给手术操作带来方便，提高手术的安全性和可控性。
参阅图2，为本发明导管示意图。导管20包括导管控制手^巴21、导管主 体22、头电极23、》兹场传感器24、磁场传感器25、连接器26、及延长电缆 27。磁场传感器24和》兹场传感器25设置在头电极23附近的导管主体22内， 其中，磁场传感器24设置在导管主体22的末端。头电极23通过导管主体22 连接导管控制手把21,导管控制手把21通过连接器26连接延长电缆27,延 长电缆27连接三维标测设备等。
参阅图3,为头电极23的剖面示意图。头电极23包括磁场传感器腔231、 冷盐水灌注腔232、导线腔233、及拉线腔234,磁场传感器25通过胶水等密 封安装在^f兹场传感器腔231中。
头电极23可用于消融、标测和刺激等功能，头电极23为圓柱体，长度范 围是3毫米 8毫米，可釆用铂金、铂铱合金、不锈钢等材料。头电极23内 固定有用于传输射频能量的导线、或用于测试温度的温度传感器、或控制导管 末段弯曲形状的拉线、或用于同灌注盐水的通道管等。
不兹场传感器24和》兹场传感器25可以是由单个线圈构成的5自由度磁场传 感器，也可以是由三个相互垂直线圈构成的6自由度磁场传感器，当然，也可 分别是5自由度磁场传感器和6自由度磁场传感器。磁场传感器24和磁场传
感器25都带有连接电缆。5自由度;兹场传感器为2个连接导线，6自由度^f兹场 传感器为6个连接导线，每个磁场传感器所带导线相互对绞，其外严密包绕银 质编织网层构成的连接电缆。
参阅图4，为本发明导管整体示意图，包括导管20、显示设备30、信号 提取设备40、模拟处理设备50,导管控制手把21、导管主体22、头电极23、 磁场传感器24、磁场传感器25、连接器26、及延长电缆27。显示设备30包 括弯型模拟窗口 31和参数设定装置32。
使用导管20进行治疗时，人体心脏处于磁场发生器的最佳工作区域，当 导管20在心腔内移动时，导管主体22内的;兹场传感器24和^f兹场传感器25 作切割》兹力线运动，生成感应电流。》兹场传感器24和-兹场传感器25通过连4妄 导线将身成的电流传送到导管控制手把21内的信号放大器(未图示)，信号放 大器对该电流信号进行放大处理后，传输到信号提取设备40中。信号提取设 备40在上述感应电流信息中提取磁场传感器24和磁场传感器25的位置信息 和方向信息，并将该位置信息和方向信息传送到模拟处理设备50。
模拟处理设备50依据位置信息和方向信息，结合导管20的特性信息，计 算导管20的弯度形态，并通过延长电缆27传送到显示设备30。模拟处理设 备50还包括运算模块，运算模块设立导管弯形的曲线函数，根据位置信息、 方向信息和特性信息，采用最小能量样条逼近法求解导管该曲线函数，得到所 述导管的弯曲形态。
显示设备30在弯型模拟窗口 31显示导管20的弯度形态。
显示设备30的参数设定装置32通过调节设定参数，调节弯型模拟窗口 31显示导管20的直径和颜色。例如，根据导管20的实际直径，设置相应的 显示宽度，可以使显示的导管20的弯度形态更逼真。参数设定装置32还可对 显示导管20弯度形态的内侧和外侧进行颜色区分，使显示更具有立体感。
本发明将磁场传感器25和头电极23的距离作为已知参数，在手术中移动 导管20时，根据磁场传感器25的移动信息，及磁场传感器25和头电极23 的距离，即可得出头电极23的位置信息。当移动导管20,使头电极23依次 接触心腔的各部位时，即可描记出心腔的轮廓结构，将消融点和心脏电生理活 动信息表征在心腔的轮廓模型上。
参阅图5,为本发明射频消融导管在心脏中的工作状态图，鞘管53通过 股静脉穿刺，从下腔静脉54进入右心房55,然后经过房间隔56穿刺，进入左 心房57,导管20通过鞘管53在肺静脉58 口附近进行射频消融。导管20在心 脏模型的指引下，再对照导管20的弯度形态进行工作，能够比较直观的控制 手术的进行。
本发明通过显示头电极23的位置和导管20的弯曲形态，再现导管20在 心腔内的弯曲状态，提供给手术者丰富的导管20使用状态信息，提高手术的 安全性和有效性。
本发明还在导管20的头电极23附近区域设置更多的磁场传感器，考虑到 成本因素以及装配空间，》兹场传感器的个凄t以2个到4个为宜。
参阅图6,为本发明安装有3个磁传感器的导管纵向剖面图。导管20包 括导管控制手把21、导管主体22、头电极23、 -兹场传感器24、；兹场传感器 25、及^f兹场传感器26。其中，》兹场传感器24、》兹场传感器25、 f兹场传感器26 设置在导管主体22内，磁场传感器24设置在导管主体22的末端，磁场传感 器25、 ^^场传感器26 :没置在^兹场传感器24附近。
当然，本发明也可以采用具有磁场感应功能的其他传感元件替代磁场传感器。
本发明电磁导管20的弯度形态的模拟计算主要由信号提取设备40和模拟 处理设备50负责，信号提取设备40和模拟处理设备50可以集成在一个芯片 上，设置在导管控制手把21内。
下面通过实例详细描述模拟处理设备50的工作原理。
参阅图7，为本发明计算导管弯度形态原理图。假设导管20的弯形轨迹 为简单的三维曲线71，设置矩形框(Sensor) 72和矩形框73，分别对应两个 》兹场传感器。
将装有矩形框的曲线71正则化，以曲线弧长纟为变量，f的取值范围设为 [G，1],设曲线函数为
=加3 + &2 + C + J (式1 )
其中，a、 b、 c、 d为四个未知数，在信号提取设备40可以获得P(O),^①的 大小和;/(0)、 y(l)的方向，"(0)，P①的大小依赖于导管20的本身特性信息，导 管20的特性信息包括导管本身的材料、长度、以及两个^f兹场传感器的间距。
本发明采用最小能量曲线方法求解/(0)、 式1中，未知数系数a、 b、 c、
d可表示为
"=2/7(0)-2p(1)+ ;/(0) + ;/(1)
6 = -3禍+ 3P(1) - 2p'(0) - ,(l) (式2 )
乂 =禍 从而式1可变换成
= (2,3 — 3戸+1);7(0) + 03 — 2/2 + )/(0) + (—2,3 + 2)+ ( — ,)(式3 )
式3可变换为
1
2-2 1 1
卜33 -2 _1
0 0 10
10 0 0
禍
/AO) 踏
(式4)
式4中，；/(0) = a0v0, ;/(l)^a!v,, a。，a!为曲线两端切线向量才莫长，v。，v! 表 示曲线两端方向，其中，v。，、可由导管20的本身特性信息获得。曲线两端切
线向量模长"。,"，的计算方法如下。
设曲线的曲率和曲率半径分别为啡)和PW ，曲线的内能为
曲线长度为 〖p(，=丄
曲率的计算公式为
(式5)
(式6)
7 (式7)
为简化计算，将曲线内能可表示为
￡= ^;/(X)2^ (式8 )
曲线长度可以看作为曲线内能取得最小值时的约束条件，采用拉格朗曰乘
子法进行求解(为了简化计算也可以不考虑约束条件)
<formula>formula see original document page 12</formula>
根据式4，设
"=- 2凡+ a0v0 + ^v, 卩=_3^) +3凡-2a0v0 - ^ 将式10和11代人式8，得
(式9)
(式10)
(式11)
(式12)
求解方程
5a
0 0 0
获得曲线两端切线向量模长为
"=6[(A -Po )*v0 ](Vi )2-3[(p, -Po ) vt ](v。，) 0 — [4(v0)2(Vl)2-(v0.Vl)2]
(式13)
3[(a - a) ](v0)-6[(a-po )，〗(v0 )2 ， 获得曲线两端切线向量模长a。,q,即可获得;/(0)、 y(l)的值，结合i^)，火1) 的值，就可以根据式4得到曲线的弯曲状态。
如导管较长或者需要更加精逼真的弯曲形态时，则可设置3个或3个以上 的传感元件。针对每相邻两个传感元件之间的导管段，设立导管弯形的曲线函 数，分别采用最小能量样条逼近方法求解其弯形曲线函数，得到各导管段的弯 曲形态，进而得到导管整体的弯曲形态。
当导管的弯曲比较复杂时，导管上有两处或多处连续弯曲时，将导管的弯 形分解成多段筒单的三维曲线。
如图8,为本发明计算导管弯度形态原理图。假设导管的弯形轨迹为简单 的空间曲线81,设置矩形框82、矩形框83、和矩形框84,分别对应三个f兹场 传感器。
设置定点集("W，P'W)，^^0，1，2，…， 将"+ l个给定点两两分组，相邻两点 为一组。将每组的线段正则化处理，采用上述式1到式13方式分别进行求解， 获得每组曲线的弯曲形态。进而获得连接所有给定点分段的三次样条曲线，两
段曲线间共用点的切线方向一致，切线长度取值相同，从而保证两段曲线间一 阶光滑连续。
以上对本发明所提供的 一种显示导管弯度形态的方法及导管，进行了详细
施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域 的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改 变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1、一种模拟导管弯曲形态的方法，其特征在于，在所述导管上设置至少两个传感元件，该方法包括所述传感元件切割磁力线生成感应电流；在上述感应电流信息中提取所述传感元件的空间信息；依据上述空间信息，结合所述导管的特性信息，计算所述导管的弯曲形态。
2、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，计算所述导管的弯曲形态具 体为设立导管弯形的曲线函数，采用最小能量样条逼近法求解导管该曲线函 数，得到所述导管的弯曲形态。
3、 如权利要求l所述的方法，其特征在于，计算所述导管的弯曲形态具 体为针对每相邻两个传感元件之间的导管段，设立导管弯形的曲线函数，分别 采用最小能量样条逼近方法求解其弯形曲线函数，得到各导管段的弯曲形态， 进而得到导管整体的弯曲形态。
4、 如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述最小能量样条逼近 法进一步包括将相邻两个传感元件之间的导管弯形曲线正则化；以曲线弧长^为变量，建立曲线函数;^) = ^3+&2 + " +么其中，^的:f又值范 围设为[O，l]， a、 b、 c、 d为四个未知数；根据上述空间信息和特性信息，计算P(O)，Pd)和p'(o)、 ；/(i)的值； 将P(0)，P(1)值和y(o)、 y①值代入曲线函数^)求解。
5、 如权利要求4所述的方法，其特征在于，釆用最小能量曲线方法求解 //(0)、 ；/(1)的<直。
6、 如权利要求5所述的方法，其特征在于，采用最小能量曲线方法求解 P'(O)、 ；/(1)的^f直H为设//(0) = "。^, y(l) = alVl,其中，a。,q为曲线两端切线向量才莫长，v。,v,为 曲线两端方向；设/K,^^五-Ai:，其中E表示曲线的内能，L表示曲线的长度，入为系数，求解得到<formula>formula see original document page 3</formula>
7、 如权利要求6所述的方法， 得最小值时的约束条件。
8、 如权利要求1所述的方法，行显示。
9、 如权利要求8所述的方法， 侧使用不同的颜色进行显示。
10、 如权利要求8所述的方法 际直径，设置显示导管的宽度。
11、 如权利要求l、 2或3所述的方法，其特征在于，所述至少两个传感 元件中的一个传感元件设置在所述导管的末端。
12、 如权利要求l、 2或3所述的方法，其特征在于，所述空间信息包括 传感元件的三维位置信息和方向信息。
13、 如权利要求l、 2或3所述的方法，其特征在于，所述导管的特性信 息包括导管本身的材料、长度和\或两个传感元件之间的间距。
14、 如权利要求l、 2或3所述的方法，其特征在于，所述传感元件为磁 场传感器。
15、 如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述磁场传感器包括5自 由度^f兹场传感器和/或6自由度磁场传感器。
16、 一种磁感应导管，包括导管主体，其特征在于，还包括 至少两个传感元件，分别设置在所述导管上，用于切割磁力线生成感应电流;信号提取设备，用于在上述感应电流信息中提取所述感应元件的空间信自 模拟处理设备，用于依据上述空间信息，结合所述导管的特性信息，计算 所述导管的弯曲形态。
17、 如权利要求16所述的导管，其特征在于，模拟处理设备还包括运算 模块，用于设立导管弯形的曲线函数，釆用最小能量样条逼近法求解导管该曲<formula>formula see original document page 3</formula>的<直。 其特征在于，曲线长度L为曲线内能E取其特征在于，还包括将导管的弯曲形态进其特征在于，还包括所述导管的内侧和外,其特征在于，还包括根据所述导管的实 线函数，得到所述导管的弯曲形态。
18、 如权利要求16或17所述的导管，其特征在于，所述至少两个传感元 件中的一个传感元件设置在所述导管的末端。
19、 如权利要求16或17所述的导管，其特征在于，所述传感元件为磁场 传感器。
20、 如权利要求19所述的导管，其特征在于，所述磁场传感器包括5自 由度磁场传感器和/或6自由度磁场传感器。
21、 如权利要求19所述的导管，其特征在于，所述》兹场传感器的线缆上 包绕银线编制网。
全文摘要
本发明涉及一种模拟导管弯曲形态的方法，在所述导管设置至少两个传感元件，该方法包括所述传感元件切割磁力线生成感应电流，在上述感应电流信息中提取所述传感元件的空间信息，依据上述空间信息，结合所述导管的特性信息，计算所述导管的弯曲形态。同时，本发明还提供一种导管，该导管包括导管主体，还包括至少两个磁传感器、信号提取设备、模拟处理设备等。本发明让手术者在手术过程中可以直观看到导管在心脏内的弯曲形态，给手术操作带来方便，提高手术的安全性和可控性。
文档编号A61B18/14GK101347331SQ20081003876
公开日2009年1月21日 申请日期2008年6月6日 优先权日2008年6月6日
发明者刘道志, 铭 叶, 顺 王, 郭俊敏 申请人:微创医疗器械(上海)有限公司