专利名称：一种导管的自动导航方法
技术领域：
本发明涉及一种导管的自动导航方法，用于微创介入手术中引导导管自动 到达病变部位。
背景技术：
微创介入手术以其出血少、创伤小、并发症少、安全可靠和术后恢复快等 优点，在世界范围内得到了广泛应用。其发展趋势为远程操作，即医生脱离手 术现场，在控制室借助于导航图象的引导，遥控专门的导管输送装置进行介入 治疗。
导管作为介入手术最主要的工具，其可操控性不断得到改善。出现了多种
主动导管(Active catheter),比如形状记忆合金(SMA， Shape memory alloy)驱动导 管和液压驱动导管。它们在导管远端圆周方向布置多个驱动器，通过热电或者 液压方法致使驱动器动作，使得导管能够在3D空间进行弯曲和偏转，主动选择 方向，在一定程度上增强了导管进入靶血管的能力。
随着3D-X射线、计算机断层(Computed Tomography, CT)、磁共振成像 (Magnetic Resonance Imaging, MRI)、超声(Ultrasonogmphy, US)等影像技术逐y渐 成熟，可以获得人体及其内部器官的二维数字断层图像序列，进行三维可视化， 辅助医生进行手术操作。为了减少辐射以及更好的辅助手术，出现了大量以器 具定位和导航为目的的系统，能在其特定的手术环境中以一定的精度进行定位， 并在医学图像上显示。
骨架技术是对三维图像的一维表示，在医学上能够表达人体器官或组织的 解剖结构，多被用于虚拟导航，辅助医生通过图像对人体病变进行诊断。
目前，主动导管的输送仍然完全依赖于医生的视觉与决策。引导图像仅仅 为医生提供三维可视化的图像，其中包含的大量信息并未得到充分的利用，而 定位传感器的作用仅仅停留在提供位置信息并显示到引导图像上供操作者进行 参考。微创导管介入技术的各项关键技术并未充分结合起来，特别是在引导图像和主动导管之间。
由于导管的输送仍然完全依赖于医生的视觉与决策，疲劳因素和技术水平 差异会导致导管介入的安全性和效率受到影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种导管的自动导航方法，使导管能够按照所提供的 策略在人体的血管、支气管等具有树状分支结构的人体管路系统中自动到达病 变位置，以克服已有的导管输送技术完全依赖于医生的视觉与决策，疲劳因素 和技术水平差异会造成导管介入的安全性和效率受到影响的缺陷。
本发明采用下述技术方案解决其技术问题
一种导管的自动导航方法，在主动导管远端导向段的前后端各集成一个位 置传感器，其方法的步骤如下
一、 利用血管的骨架生成导航路径，沿导航路径设置多个引导面，所述引 导面是以导航路径上的点为圆心，垂直于导航路径的一系列离散的圆形平面， 引导面的设置符合以下原则
(a) 引导面的间距根据导航路径的曲率变化设置，曲率变化大则多设置引导
面；
(b) 单一血管段的入口和出口处设置引导面；
(C)在单一血管段，引导面的半径设置为圆心至血管边界最短距离的2/3， 在分支区域内，引导面的半径设置为圆心至血管边界最短距离的1/3;
二、 在导管介入血管过程中，控制导管依次穿过第一步骤所设置的一系列 引导面，直至运动到目标地点；导管的输送包括推进和方向选择两个交替的操 作；在推进操作时，位置传感器不断采集导管远端端点的位宣，也就是实时地
获得上述端点的轨迹，根据当前的位置^和上一个采样周期对应的位置m;u ，
获得一个矢量《=^来描述导管端部当前的运动方向；为了避免前端受阻以 及进入引导面，方向选择时将导向段的方向矢量《调整至指向引导面内部并且《 与引导面交于其圆心c。
本发明的有益效果是，能够实现自动引导主动导管沿着导航路径到达靶血管，可以避免导管端部与血管壁接触受到阻碍或者损伤血管壁；利用血管的骨 架生成导航路径，提取决定导航的关键几何信息，制定自动导航策略。本发明 的方纟去不依赖于医生的视觉与决策，不受医生疲劳因素和技术水平差异的影响，因此导管 介入的安全性和效率都会得到提高。
图1是本发明所用的SMA驱动导管的结构图；图2是图1的C-C剖视图， 图3是图1的B-B剖视图，图4是图1的A-A剖视图，图1至图4中，附图标 记l-导向段，3-传感器I ， 4-传感器II， 101-硅胶，102-连接件1 ， 103-SMA 驱动器I， 104-SMA驱动器II， 105-SMA驱动器m， 106-连接件II， 108-主 动导管的工作腔，109-导线孔I， 110-导线孔II， 111-硅胶管腔I， 112-硅胶
管腔n， 113-硅胶管腔m， 114-弹性元件。
图5是连接件102和106的示意图；图中符号1021-SMA驱动器I的固 定孔，1022-SMA驱动器II的固定孔，1023-SMA驱动器m的固定孔，1024-导 线孔，1025-导线孔，1026-弹性元件固定孔。
图6是本发明所用的液压驱动导管的结构图；图7是图6的C-C剖视图， 图8是图6的B-B剖视图，图9是图6的A-A剖视图，图6至图9中符号2-导向段，3-传感器I， 4-传感器11， 201-硅胶，202-连接件1， 203-液压驱动 腔I， 204-液压驱动腔II， 205-液压驱动腔m， 206-连接件n， 208-主动导管 的工作腔，209-导线孔，210-导线孔，211-弹性元件。
图10是连接件202和206的示意图；图中符号2021-液压驱动腔I ， 2022-液压驱动腔II， 2023-液压驱动腔111， 2024-导线孔，2025-导线孔，2026-弹性 元件固定孔。
图11是导航路径和引导面的生成；图中符号5-血管，6-血管骨架，7-导 航路径，8-引导面，701-导航路径的起始点，702-导航路径的终点，703-单一 血管段，704-血管分支区域I， 705-血管分支区域11。
图12是主动导管远端的方向选择示意图；图中符号l-导向段(也可以是 2)， 3-传感器I， 4-传感器11， 8-引导面。
具体实施例方式
具体实施方式
一本实施方式采用下述技术方案 一种导管的自动导航方
5法，在主动导管远端的导向段的前后端各集成一个位置传感器，其步骤如下 一、利用血管的骨架生成导航路径，沿导航路径设置多个引导面，所述引导面 是以导航路径上的点为圆心，垂直于导航路径的一系列离散的圆形平面，弓|导 面的设置符合以下原则
(a) 引导面的间距根据导航路径的曲率变化设置，曲率变化大则多设置引导 面； 、
(b) 单一血管段的入口和出口处设置引导面；
(C)在单一血管段，引导面的半径设置为圆心至血管边界最短距离的2/3， 在分支区域内，引导面的半径设置为圆心至血管边界最短距离的1/3;
二、在导管介入血管过程中，控制导管依次穿过第一步骤所设置的一系列 引导面，直至运动到目标地点；导管的运动包括推进和方向选择两个交替的操 作；在推进操作时，位置传感器不断采集导管远端端点的位置，也就是实时地 获得上述端点的轨迹，根据当前的位置^和上一个采样周期对应的位置^—,， 获得一个矢量《=^来描述导管端部当前的运动方向；为了避免前端受阻以 及进入引导面，方向选择时将导向段的方向矢量《调整至指向引导面内部并且《 与引导面交于其圆心c。
第一步骤生成导航路径时，图11所示的血管5的骨架6可以采用拓扑细化、 距离变换或虚拟力场的方法进行提取。由于是树状分支结构，其上任意一点出 发到达另一个点的路径只有一条。可以通过如下方法在上述骨架上生成导航路 径7:首先根据插入位置和病变位置在骨架上手工选择起始点701和目标点702， 然后查询起始点和目标点所在的血管段。根据目标点的等级向上査找，直到找 到起始点所在的血管段。将所经历的血管段连接，即形成导航路径7。导管在在 单一血管段可以较快的速度前进，以提高插管的效率；而在存在血管分支的区 域，则需要减慢速度，避免误入非靶血管，而且需要具有较高的步进精度。导 管端部与血管壁接触， 一方面容易卡住，使得导管介入受阻，另一方面会增加 对血管壁的机械损伤。因此希望导管前端能够保持脱离血管壁的状态，血管的 骨架是非常好的参照。但是，由于导航路径是不规则的空间曲线，如果将传感 器的信息与导航路径进行对比，会非常耗时，而且不易于实现。因此沿导航路径方向，设置一系列离散的引导面。设置完引导面后，按照介入方向对它们进 行编号，并区分对应于单一血管段还是分支区域。
在第二步骤的推进过程中，由于导管端部的柔性，导管在介入过程中与血 管之间的接触和相对位置都具有随机性，因此导管近端推送运动与导管远端的 运动并没有必然的对应关系。这给插管的自动化提供了难度。但是，位置传感 器在不断的采集导管的导管远端端点的位置，也就是实时地获得上述端点的轨
迹。如图12所示，当前的端点位于^，上一个采样周期对应的位置为^—，。这
样，可以获得一个新的矢量《-附^乙描述导管端部当前的运动方向，并把这个 矢量作为对导管前进方向的预期。g可以比较准确的反映导管端部的运动趋势。
导管的导向段的前端和后端分别同轴集成一个带有中心通孔的六自由度位 置传感器，以获得导管远端的位置、姿态和形状。主动导管的坐标系ZO/7F^按 照传感器4的坐标系建立。
传感器的位置表示为m;，方向矢量为e;， / (/ = 1，2)表示传感器3或4， 7' (7- = 1,.., )表示采样时间。导管端部的工作空间可以如下表达
<formula>formula see original document page 7</formula>(t/,F，r)为坐标系ZO[W中主动导管端部的3个坐标分量，丄为导向段的 长度，/,为传感器3至导管端部的长度，0(^
)为弯曲角度，"("e[O 2;r])
为偏转角度。
在第二步骤的方向选择过程中，为了避免前端受阻以及顺利进入引导面， 方向选择需要将导管远端的方向矢量《调整至指向引导面内部。在此严格的限
制，《与引导面交于其圆心c。判断条件转化为在i:c^w中，寻找直线C7^与工
作空间的交点。如果交点存在，则认为传感器3进入方向选择区域内。cm:可以 禾U用XO[/nF与之间的转换矩阵在ZOf/F^中表示为
<formula>formula see original document page 7</formula>(HWc)是c在;EO[/FfF的坐标，(仏,《2,")是方向矢量在ZOC/F^中的表示。 联立方程(1)和(2)可以获得以下方程
<formula>formula see original document page 8</formula>
令方程左侧为/(。，在[oU区间上釆用二分法迭代计算来寻找上述方程的解，如果
在有限的迭代次数内，1/^)l"(s为预先设定的误差)，则将^作为近似解，进 而获得^)。以此为依据对导管进行调整。
综合推进和方向选择这两个操作，导航策略可以表示为
(1) 导管插入人体血管，读取第一个引导面的信息；
(2) 近端推送3个步距获得方向矢量；
(3) 进行方向选择，使传感器3指向引导面的圆心；
(4) 近端推送一个步距，判断导向段l是否偏出引导面，如果是则转至(2)， 如果否则进行下一步；
(5) 继续推送，判断传感器3是否穿过引导面，如果是则读入下一个引导面， 如果否则转至(4)。
重复上述过程，直至传感器3穿过靶血管的入口平面，然后深入一定距离到 达耙点。
具体实施方式
二本实施方式与实施方式一的不同点是在第二步骤的推 进操作位置传感器采集导向段的上一个采样周期对应的位置m^时，为了避免二 次采样的抖动，对相邻的四个点作最小二乘线性拟合来获得这个向量。如此设 置，《可以比较准确的反映导管端部的运动趋势。
具体实施方式
三本实施方式与实施方式一的不同点是在第二步骤的方 向选择过程中，并不需要每一步推进，都要进行方向选择。在经过一次方向选 择后，判断《与入口平面的交点是否位于引导面内部。如果是，则继续推送，否 则进行方向选择。
具体实施方式
四图1至图5所示为主动导管上集成位置传感器的一个具
8体实施例。主动导管远端的导向段(l)采用形状记忆合金驱动，其具体结构如下:
3个SMA驱动器103、 104和105分别穿过周向均匀分布的3个偏心的腔体111、 112和113，与连接件102和连接件106的3个偏心孔1021、 1022和1023固连。 位于中心的弹性元件114可以是弹簧或者超弹性的NiTi管，两端分别与连接件 102和连接件106的2个中心孔1026固连。2个中心开通孔的6DOF电磁传感 器3和4埋入硅胶管101中，与主动导管同轴。电磁传感器3的后端与连接件 102固连，电磁传感器4的前端与连接件106固连。导管的工作腔108依次穿过 传感器3、连接件102、弹性元件114、连接件106和传感器4的中心孔。导管 远端向近端方向，从连接件102开始开有导线孔。
具体实施方式
五图6至图IO所示为主动导管上集成位置传感器的另一个 具体实施例。主动导管远端的导向段2采用液压驱动，它具体周向均匀分布的3 个偏心的腔体203、 204和205，这些腔体从导向段一直通到导管近端。位于中 心的弹性元件211可以是弹簧或者超弹性的NiTi管，两端分别与连接件202和 连接件206的2个中心孔2026固连。2个中心开通孔的6DOF电磁传感器3和 4埋入硅胶管201中，与主动导管同轴。3的后端与连接件202固连，电磁传 感器4的前端与连接件206固连。导管的工作腔108依次穿过传感器3、连接件 202、弹性元件211、连接件206和传感器4的中心孔。导管远端向近端方向， 从连接件202开始开有导线孔。
上述连接方式可以采用粘接，为了保证受载荷作用时不发生断裂，正拉粘 接强度需大于20MPa，剪切粘接强度需大于10MPa。
权利要求
1、一种导管的自动导航方法，其特征在于，在主动导管远端的导向段的前后端各集成一个位置传感器，其方法的步骤如下一、利用血管的骨架生成导航路径，沿导航路径设置多个引导面，所述引导面是以导航路径上的点为圆心，垂直于导航路径的一系列离散的圆形平面，引导面的设置符合以下原则(a)引导面的间距根据导航路径的曲率变化设置，曲率变化大则多设置引导面；(b)单一血管段的入口和出口处设置引导面；(c)在单一血管段，引导面的半径设置为圆心至血管边界最短距离的2/3，在分支区域内，引导面的半径设置为圆心至血管边界最短距离的1/3；二、在导管介入血管过程中，控制导管依次穿过第一步骤所设置的一系列引导面，直至运动到目标地点；导管的输送包括推进和方向选择两个交替的操作；在推进操作时，位置传感器不断采集导管远端端点的位姿，也就是实时地获得上述端点的轨迹，根据当前的位置和上一个采样周期对应的位置，从而获得一个矢来描述导管端部的运动方向；为了避免前端受阻以及进入引导面，方向选择时将导向段的方向矢量q调整至指向引导面内部并且q与引导面交于其圆心(c)。
2、 根据权利要求l所述的一种导管的自动导航方法，其特征在于在第二步骤的推进操作位置传感器采集导管远端端点的上一个采样周期对应的位置m;u时，为了避免二次采样的抖动，对相邻的四个点作最小二乘线性拟合来获得这 个向量。
3、 根据权利要求l所述的一种导管的自动导航方法，其特征在于导管的导 向段的前端和后端分别同轴集成一个带有中心通孔的六自由度位置传感器，以 获得导管远端的位置、姿态和形状。
4、 根据权利要求l所述的一种导管的自动导航方法，其特征在于在第二步 骤的方向选择过程中，在经过一次方向选择后，判断g与入口平面的交点是否位 于引导面内部；如果是，则继续推送，否则进行方向选择。
全文摘要
一种导管的自动导航方法，本发明涉及一种导管的自动导航方法，用于微创介入手术中引导导管自动到达病变部位，以克服已有的技术完全依赖于医生的视觉与决策的缺陷。本发明在主动导管远端的导向段的前端和后端各集成一个位置传感器，其方法的步骤如下1.利用血管的骨架生成导航路径，沿导航路径设置多个引导面，所述引导面是以导航路径上的点为圆心，垂直于导航路径的一系列离散的圆形平面；2.在导管介入血管过程中，控制导管依次穿过第一步骤所设置的一系列引导面，直至目标地点；导管的运动包括推进和方向选择两个交替的操作；在推进操作时，位置传感器不断采集导管远端端点的位置，将导向段的方向矢量指向引导面内部并且交于其圆心。
文档编号A61B19/00GK101438955SQ20081020979
公开日2009年5月27日 申请日期2008年12月25日 优先权日2008年12月25日
发明者付宜利, 浩 刘, 磊 张, 梁兆光, 王树国 申请人:哈尔滨工业大学