一种用于控制不同注射程序的核磁高压注射系统的制作方法

文档序号：22583440发布日期：2020-10-20 17:21阅读：155来源：国知局

技术领域：

本发明涉及一种用于控制不同注射程序的核磁高压注射系统，属于核磁高压注射系统技术领域。

背景技术：
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在许多医疗诊断和治疗程序中，医生或其他人员向患者注射造影剂配合计算机断层扫描(ct)、数字减影血管造影(dsa)、磁共振系统(mr)成像辅助医生诊断。通常使用手动或自动注射设备推送造影剂，造影剂通过静脉或动脉到达检测位置，通过吸收x射线或改变体内组织在磁共振下的信号强度来获得期望的组织部位的图像，所得图像可以显示在监测器上并被记录。

典型的手动注射由造影剂源、生理盐水源、可手动推注的针筒、连接管路组成。由操作人员手动吸取造影剂或生理盐水，再由操作人员手动进行注射。整个注射过程的流速、压力与注射体积由操作者的力量和技术所影响，且因注射时的流体较为粘稠和速度所需较快，则注射所需压力较大；操作者经常如此工作导致疲劳，且压力、流速无法精确控制。

典型的自动注射由造影剂源、生理盐水源、可电动控制运动的注射装置、可连接到注射装置上的针筒、连接管路组成。可电动控制运动的注射装置通常由电动机、供电系统、可修改流速、注射剂量、压力参数的控制设备组成。在许多系统中，除了开始或停止注射之外，操作者与电动注射器之间不存在交互式控制。

虽然在医疗领域中已经存在手动和自动注射器，但总体上存在对于改进高压注射器功能、压力反馈、人机交互、应用环境的需求。根据不同的设计需要和特定需求，不断地开发出了适用于计算机断层扫描(ct)、数字减影血管造影(dsa)、磁共振系统(mr)等应用环境的高压注射器。

现有存在的几种主流的流体注射系统，吸取药液还未做到一键自动吸取药液，目前存在的几种吸取药液的方式都极为不便。存在一种吸药方式，需要一手控制按键，另一手扶住药液瓶来进行吸取药液；也存在另一种吸药方式，无法电动控制活塞前后移动进行吸药和排气，仍需要手动使用针筒的柱塞进行前后推拉来吸取药液与排气；此两种吸取药液的方式都较为不便。本发明提供一种自动吸取药液的方式，让吸取药液的过程一键自动进行，避免手动吸药带来的不便。

现有存在如下描述的流体注射系统：采用充电电池进行供电，电池可支持的注射次数较少，每次使用完则需进行充电，充电结束后方可再次进行注射。如此往往导致操作者需准备两块或更多的充电电池以进行备用。本发明改进了这一缺点，采用ac电源直接供电的方式，避免了多次反复充电的困扰。

技术实现要素：
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本发明提供一种自动可交互式的液体注射装置系统，适用于3.0t及以下磁共振环境使用，解决传统典型的手动注射及自动注射过程中，注射剂量、液体流速、压力参数、分阶段注射等精确控制的问题，为操作人员及患者提供更多的益处。

一种用于控制不同注射程序的核磁高压注射系统，如图1所示，为流体注射系统应用场景图，其中包括了控制显示装置(1)、注射操作装置(2)、扫描室控制装置(3)、电源通信装置(4)、核磁滤波器(5)、注射操作装置支架(6)。

控制显示装置(1)包括一个彩色液晶显示器(lcd)屏幕，该彩色液晶显示器负责向用户提供一个图形用户界面(gui)，并且允许经由触摸屏将信息输入到控制系统；注射操作装置(2)用于将流体(造影剂或生理盐水)输送到患者；扫描室控制装置(3)用于控制注射操作装置；电源通信装置(4)用于提供流体注射系统的电源及通信；核磁滤波器(5)用于直流电源滤波后给扫描室控制装置(3)进行供电；注射操作装置支架(6)用于支撑注射操作装置(2)，可进行移动。

如图2所示，为流体注射系统连接图，表明了流体注射系统在磁共振环境中各部件摆放的位置以及各自之间的连接方式。

控制显示装置(1)、电源通信装置(4)、核磁滤波器(5)放置在控制室中，处于非磁共振环境之中进行工作；注射操作装置(2)、扫描室控制装置(3)、注射操作装置支架(6)放置在核磁室内，处于磁共振环境之中进行工作，其中注射操作装置(2)、注射操作装置(6)较扫描室控制装置(3)更接近于核磁共振系统。

电源通信装置(4)与控制显示装置(1)、扫描室控制装置(3)、核磁滤波器(5)相连，提供控制显示装置(1)、核磁滤波器(5)的供电连接，与控制显示装置(1)、扫描室控制装置(3)的通信连接；核磁滤波器(5)与扫描室控制装置(3)相连，滤除核磁室外电源中的干扰，提供电源至扫描室控制单元(3)；扫描室控制装置(3)与注射操作装置(2)相连，提供注射操作装置(2)的电源及与控制显示装置(1)之间的通信。

如图3所示，其为注射操作装置结构图，表明了从外可看到的注射操作装置(2)组成：

b侧针筒安装孔(201)、前端盖(202)、a侧针筒安装孔(203)、a侧针筒指示灯组件(204)、弯管组件(205)、下壳(206)、上壳(207)、中止按钮(208)、后灯(209)、注射/暂停按钮(210)、贴膜按键(211)、led数码管(212)、b侧针筒指示灯组件(213)。

其中中止按钮(208)、后灯罩(209)、注射/暂停按钮(210)、贴膜按键(211)、led数码管(212)安装于上壳(207)；注射操作装置(2)通过弯管组件(205)安装于注射操作装置支架(6)上。

参考图2和图3，注射操作装置(2)通过弯管组件(205)安装于注射操作支架(6)上之后，该弯管组件允许注射操作装置(6)以弯管组件竖轴为轴心正反旋转一定角度，同时允许以弯管组件横轴为轴心正反旋转任意角度，且注射操作装置头部可保持在旋转范围内的任意角度位置如图4所示，以适用于不同的使用场景；关于该弯管组件的进一步描述在中国专利号：cn205181924u中进行了讨论。

见图3所示，注射操作装置(6)包含3个指示灯部分，分别为a侧针筒指示灯组件(204)、b侧针筒指示灯组件(213)、后灯(209)；a侧指示灯为绿色led，b侧指示灯为蓝色led，后灯分两侧分别为绿色led与蓝色led(指示灯形式包括但不限于led、灯管、冷光带)，与a侧、b侧指示灯相对应(指示灯颜色不限于绿色、蓝色)。

参见图5至图10，展示了针筒的旋转部件、安装部件及针筒插入拔出示意图，其中针筒的插入到位检测及固定，具体实施方式如下：

如图5所示216，214为旋转部件，215为固定部件；旋转部件(214)的主要结构如图7所示，由旋转部件主体(2141)、限位块a(2142)、光耦挡光卡爪(2143)、限位块b(2144)以及背面的4个限位球形凹槽(2145)组成；固定部件(215)的主要结构如图8所示，主要由限位柱a(2151)、检测光耦a(2152)、固定部件主体(2153)、检测光耦b(2154)、2个球头弹簧柱塞(2155)以及限位柱b(2156)组成。

在整个装置使用过程中，旋转部件带有限位球形凹槽的一面贴合固定部件有球头弹簧柱塞的一面，旋转部件在固定部件的限位槽内顺时针和逆时针旋转滑动。组装好的结构形式如图9、图10所示，针筒转动时旋转部件跟着同步转动。

当针筒顺时针转到位时，如图9所示旋转部件的限位块b会触碰到固定部件的限位柱b，同时卡爪会卡到光耦b中间，触发到位信号。固定部件背部的弹簧柱塞也会弹到旋转部件的球形凹槽内，发出“啪嗒”的声音。

当针筒逆时针转到位时，如图10所示旋转部件的限位块a会触碰到固定部件的限位柱a,同时卡爪会卡到光耦a中间，触发到位信号。固定部件背部的弹簧柱塞也会弹到旋转部件的球形凹槽内，发出“啪嗒”的声音。

对两种状态进行组合分析，规定光耦处于触发状态时定义为1，断开时定义为0.则可以通过a和b的组合确定针筒所处的位置。(注：针筒只有处于顺时针到位才能脱出，其它状态由结构限制不能脱出注射器主体)

如图11所示，揭露了一种按键实例，其提供了注射操作装置(2)的人机交互应用，由操作者主要由a侧“+”按键(21101)、a自动装载按键(21102)、a侧“-”按键(21103)、a-高速前进按键(21104)、a-低速前进按键(21105)、a-低速后退按键(21106)、a-高速后退按键(21107)、arm按键(21108)、b-高速后退按键(21109)、b-低速后退按键(21110)、b-低速前进按键(21111)、b-高速前进按键(21112)、b侧“-”按键(21113)、b自动装载按键(21114)、b侧“+”按键(21115)、auto按键(21116)、air按键(21117)、manu按键(21118)。

该实例提供了一种实际的操作方式，方便操作者与机器间的交互；提供了一种自动装载药液的操作方式，解决了目前市面上部分机型只能手动装载药液的缺点，该自动装载方式通常如此进行：点击auto按键，使能a侧与b侧的装载按键和药量加减按键，药量默认为针筒最大容量，可通过加减按键对a或b侧进行药量加减；确认药量后，点击a-自动装载按键或b-自动装载按键即可进行自动装载药液。

注射操作装置(2)包含一个倾斜角度传感器，定位安装于系统内，检测注射头部与地平面之间的角度关系，通过系统采集处理该传感器信号，注射操作装置(2)的led数码管(212)将会根据当前注射头与地平面的俯仰角关系自动调整为符合操作人员自然视角的数显方式，解决了注射机头朝下进行注射时，数显不方便操作人员观察的问题。

一个实施例，如图4所示，当注射头部与地平面成仰角a时，注射操作装置的显示如图12a所示；当注射头部与地平面成俯角b关系时，注射操作装置的显示如图12b所示。

若在磁共振环境下使用以太网进行通讯，通常网线受到的干扰较大，影响设备之间的通讯，容易导致通讯丢包、设备操作失灵等现象。而光纤传输作为一种稳定不易受干扰的传输方式被应用在磁共振环境下很好地解决了此问题。

本发明披露了一个实施例，如图2所示，电源通信装置(4)处于控制室中非磁共振环境下，扫描室控制装置(3)处于核磁环境下，扫描室控制装置(3)与电源通信装置(4)通过光纤相连接，保证了核磁室内与室外的可靠通讯连接。

参考图2，注射机头被定义为，向患者递送流体的可操作装置，包含两个针筒保温套附件，用于维持针筒内液体的温度，保持液体流畅性，当液体被递送到患者体内时，减轻患者的不适感。

如图13所示，一个针筒保温套附件(8)包含一个可以卡在针筒外壁上的加热组件(802)，以及一根带螺旋弹性延展的传输线(801)，插接在注射操作装置(2)的后盖壳体上，提供针筒保温的功能。

参考图2，注射机头被定义为，向患者递送流体的可操作装置，包含针管，气泡检测附件，可选择的安装在注射机头后壳的接口上，用于检测输液管道是否有气泡存在，避免在递送液体过程中对患者造成伤害。

如图14所示，一个气泡检测传感器(9)包含：一个卡接在输液管(10)的传感器检测头(901)，一根传输线(902)。

当注射机头向患者递送液体时，气泡传感器实时检测输液管中的液体流动，若有气泡经过传感器监测位置，传感器即向系统发出监测到气泡的信号，系统当即做出相应的处理。

参考图3和图5，注射机头还包含两组致动系统，该系统被固定于注射机头内部，且被配置为用于推动或回缩针筒活塞，以达到将液体递送给患者或从液体存储器中将液体吸入针筒的目的。如图15所示为致动系统的结构透视图，包含：b侧推杆(218)、a侧推杆(219)、电位器b(220)、电位器a(221)、超声电机a(222)、超声电机b(223)。

当系统接收到致动命令时，系统启动致动电机(222、223)，通过齿轮啮合的传动结构，推动推杆(218、219)向前或回缩，因推杆前端与针筒活塞挂接，故带动针筒活塞运动，实现向患者递送液体，或从液体存储器中吸入液体的目的。

参考图15，注射操作装置(2)包括超声电机a(222)、超声电机(b)，超声电机电磁兼容性好，无线圈，无绕组，工作时不产生磁场也不受外界磁场干扰，在磁共振环境下使用极大的降低了对磁共振的影响以及保证了设备的运动性能。本发明通过独特的控制算法控制超声电机在强磁环境下进行工作，以下讲述一个超声电机控制算法实例：

该系统采用一个控制算法，该算法采用多闭环反馈控制设计，包含速度环、位置环和压力环三个控制闭环；其中速度闭环作为控制系统内环，以轨迹规划的输出作为控制给定，保证电机速度能够按照系统轨迹规划设计的速度曲线进行驱动，保证注射过程的合理性；位置环作为系统外环，以系统设定的注射剂量和注射速度为输入，进行系统轨迹规划，并将规划的输出作为速度环的给定，保证系统注射剂量精度；为保证系统注射过程中的压力限值，在闭环控制中，引入压力闭环，当系统注射压力达到设定限值时，主动降低系统注射速度，保证注射安全；虽然压电陶瓷的驱动需要高压驱动，但极化后的陶瓷片对驱动电压仍有一定要求，否则会造成陶瓷片击穿，损坏超声电机本体；即超声电机在驱动过程中，驱动电压应小于陶瓷片击穿电压。另外，超声电机驱动电压的升高，紧随着陶瓷片注入电流的增加，电机温升速度加快，严重影响超声电机连续运行时间，否则陶瓷片温升过高，会严重损害电机寿命。

超声电机驱动系统中，按照lc匹配方式可以分为串联匹配方式和并联匹配方式两种。在串联匹配方式驱动系统中，电机驱动电压幅值随驱动频率的增加而不断升高。在高压注射器超声电机应用中，需要电机大速度范围运行，即大范围驱动频率驱动。但目前市面上所提出的方案均没有关注超声电机大速度范围驱动下出现的电机输入电压调节问题，存在较大隐患，本发明就此问题提出一个方案来说明：

在超声电机闭环控制驱动系统中，对电机驱动频率进行实时判断。

当超声电机期望速度大于实际速度时，闭环控制系统会自动降低超声电机驱动频率，提高电机实际转速。

当超声电机期望速度小于实际速度时，闭环控制系统会提高超声电机驱动频率，降低电机转速。

在超声电机驱动频率降低和上升过程中，控制系统在驱动频率越过临界值时，切换电感，调节超声电机输入驱动电压范围。

以下结合图17和一个实例对此方案进一步说明：

参考图17，其中所显示的仅仅是用于说明此方案的实施例而并不用来限制它。

超声电机驱动电路匹配电感切换发生在电机驱动过程中。

为防止在某一频率附近，出现电感不断切换的情况，采用继电特性曲线切换机制，在驱动器中设置了2个临界频率点，分别为上界频率临界点、下界临界频率点，其中上界频率临界点频率大于下界临界频率点频率。

在驱动过程中，驱动器实时监测自身输入驱动频率。当驱动频率单调递增，并越过上界临界频率时，驱动器进行切换电感动作，短接部分匹配电感，降低超声电机匹配电感值，降低电机驱动波形电压，同时减小电机注入电流，降低电机温升，调节电机本体可驱动频率范围。当驱动频率单调递减，并越过下界临界频率是，驱动器再次进行电感切换动作，恢复并引入被短接匹配电感，提高驱动电路匹配电感值，提高电机驱动波形电压，同时调节电机可输出扭矩，提高电机输出功率。

参照图15，注射机头每组致动系统，还包含有压力传感器，用于工作过程中，向患者递送液体时，实时检测针筒内的注射压力，检测精度高，反应灵敏，系统根据压力传感器的反馈信息，调整致动电机的输出，以满足操作人员预设的注射方案。

使用压力传感器直接检测针筒压力的方式，相较于通过检测致动电机电流进而计算电机扭矩来判断针筒内压力的方式，缩短了反应时间，且避免了不必要的计算误差，更安全有效。

一个实施例，如图18所示为其中一组致动电机结构的剖视图，压力传感器检测的实现方式为：外部压力通过针筒活塞传递到推杆(219)，在通过推杆传递到丝杆螺母(21901)，然后通过丝杆螺母末端的环形挡圈传递到压力传感器(21902)的轴承端部，通过轴承端面的受力进一步将力传递到压力应变片，最终实现外部压力的检测。

参考图1及图2所示，本发明披露的mr造影注射装置包含一个控制显示装置(1)，该控制显示装置被放置在控制室内，通过线缆可操作的连接到电源箱。

如图19a、19b、19c所示为控制显示装置的结构示意图，一个前盖壳体(102)，该前盖壳体上安装有：一个触摸显示屏(101)，该触摸显示屏为操作人员远程操作注射机头进行液体注射程序的用户接口，一个系统电源按钮(103)，该电源按钮用于在电源箱正常工作的情况下，启动和关闭系统供电，一个中止按钮(104)，该按钮用于在一次注射程序过程中，中止该注射程序，一个注射/暂停按钮(105)，该按钮用于启动或暂停一次注射程序。

一个后盖壳体(107)，该后盖壳体上装有：一个手动开关搁架(108)，该搁架用于放置手动开关，一个手动开关插口(109)，用于手动开关接头的插入，一个电源箱线缆插口(110)，用于连接电源箱电力及通信线缆的插入，一个亮度增加按钮(111),用于增加液晶显示器的亮度，一个亮度减小按钮(112)，用于降低液晶显示屏的亮度。

一个控制显示装置支架(106)，固定安装于后盖壳体上，用于可改变倾斜角度的支撑壳体及壳体内部所有部件，包含一个阻尼支架转轴(1061)，允许壳体以转轴为轴心，根据操作人员的使用习惯，可任意调节倾斜角度，且能保持在该倾斜角度，为操作人员提供最佳的操作视角。

参考图19a所示，控制显示装置包含一个触摸显示屏(101)，由触摸屏覆盖于液晶显示屏上而构成，具有控制及显示的功能，操作人员可以通过操作控制显示装置实现控制注射机头进行液体注射程序。

一个实施例如图20所示，液晶显示屏显示的图形界面包含：

状态显示栏(a)：用来指示当前系统的设备操作状态，是由控制显示装置(1)还是注射操作装置(2)进行操作，还是两者均无操作；分别表示为远端控制、近端控制、待机中。

方案信息显示栏(b)：用于显示当前设置完成的注射方案，其所要用到的总注射容量，以及所需要的总时间。

锁定备妥按钮栏(c)：含有“方案锁定”和“备妥”按钮，“方案锁定”按钮用于锁定方案，“备妥”按钮用于备妥注射器。

方案设置栏(d)：用于注射方案详细参数的设置，包含设置注射阶段、注射容量、注射速率、是否kvo、有无延迟、压力限制等参数。

机型显示栏(e)：显示此款设备的机器型号。

针筒状态显示栏(f)：用于显示针筒当前状态，包含针筒是否插入到位、针筒内当前液体容量。

提示栏(g)：用于显示下一步的操作内容，指导操作人员进行正确操作。

历史记录及系统设置栏(h)：用于调看注射方案的历史记录和进行系统参数的设置。

如图21、22所示，注射机头进行注射时，液晶显示屏会根据压力传感器反馈值显示实时的压力曲线，且会在注射完成时再次显示完整阶段的压力曲线。

如图21所示，其展示了注射装置在注射过程中显示的压力曲线：压力曲线横坐标为方案持续时间，纵坐标为压力值，横线为压力限制，操作人员可以通过查看压力曲线，实时把控目标血管是否存在堵塞或异常状况，从而有效的保障注射的安全。

如图22所示，其展示了注射装置在注射过程中完整的压力曲线：以供操作者进行回顾和判断。

本发明披露一种基于体重进行计算造影剂所需剂量的计算器；其输入参数有：患者剂量(ml/kg)，患者体重(kg或lbs)，患者年龄(年)，通过计算患者剂量、患者体重、患者年龄之间的关系得出一个推荐的注射剂量，为操作者提供更方便的应用。

一个实施例如图23所示，系统保存了各种使用的造影剂名称及其浓度(mmol/ml)、瓶尺寸(ml)、剂量(ml/kg)，供操作者选择以及查看，造影剂参数可以通过“设置”按钮进行设置和保存；输入参数包含患者剂量(ml/kg)、患者体重(lbs或kg)、患者年龄(年)，通过计算此三者之间的关系可得出推荐的注射剂量值；重置按钮可以进行数值的重置。

本发明披露一种应用于肾小球过滤率估算(egfr)的计算器，其目的协助操作者判断患者是否可进行造影；肾小球过滤率(gfr)为单位时间内两肾生成滤液的量，正常成人为125ml/min左右，肾小球滤过率与肾血浆流量的比值称为滤过分数。每分钟肾血浆流量约660ml，故滤过分数为(125/660)×100％＝19％。这一结果表明，流经肾的血浆约有1/5由肾小球滤入囊腔生成原尿。肾小球滤过率和滤过分数是衡量肾功能的指标。

其输入参数包含选择的计算公式、血清肌酐值(mg/dl)、种族、性别、年龄，通过特定选择的公式计算出一个肾小球过滤率估算值，通过操作者的经验来判断是否可以进行造影。

一个实施例如图24所示，系统提供了一个“设置”按钮，可预先设置所会使用到的公式和级别区分：公式包含但不仅限于mdrd、cockcroft-gault、modifiedcockcroft-gault、ckd-epi、bedsideschwartz等五种公式，级别区分可选多级并设置界限以提示范围；输入参数包括血清肌酐值、种族、性别、年龄；通过设置这些参数最终得到一个估算的肾小球过滤率值。

参考图1及图2，本发明披露的mr造影装置包含一个注射操作装置支架(6)，用于支撑承载注射操作装置(3)。该支架结构透视如图25所示，包含：1个带有锁定销(6011)的支架套筒(601)，1个支架壳体(602)，1个由2个液体存储器安放孔(6032、6033)及1个扶手(6031)组成的扶手盘(603)，若干个带锁万向脚轮(404)。

其中支架套筒(601)被配置成和弯管组件(205)套接安装的部件，通过锁定销的锁定及解锁，注射机头能方便的和支架固定及分离，扶手盘(603)固定在支架壳体(602)上，壳体底部安装有若干个带锁万向脚轮(604)，当脚轮解锁，操作人员可以推动扶手盘，自由的移动支架位置，并在到达合适的位置时锁定脚轮，以保证支架的位置不发生改变。

参考图1及图2，本发明披露的mr造影注射装置系统，其支架支撑注射机头可替换为立柱方式，如图26所示，该立柱支架(7)包含：一个立柱套筒(701)，用于承载注射机头，安装固定在立柱弯管(706)上，两个锁定环(707)，用于将药液支架锁定再立柱一侧，一个立柱上的开口(708)，用于从管路内部走线时所预留，一个底座(709)用于固定立柱，该底座向外延伸若干支架脚(710)，每个支架脚安装一个带锁万向脚轮(711)，操作人员可自由调整立柱支架位置，且在到达目标位置后锁定脚轮，以保证立柱支架位置不发生改变，一根可调节高度的药液挂钩支架，方便用户实际使用，该药液支架包含两个挂钩(702)，安装在伸缩杆(703)上，用于挂接药液容器，伸缩杆由锁定扣(704)锁定再药物支架主体杆(705)上。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1流体注射系统应用场景

图2流体注射系统连接图

图3注射操作装置结构图

图4注射操作装置-旋转角度图

图5注射操作装置-拆分图

图6针筒安装示意图

图7针筒旋转部件图

图8针筒固定部件图

图9针筒插入到位示意图

图10针筒拔出到位示意图

图11贴膜按键

图12a注射操作装置向上

图12b注射操作装置向下

图13针筒保温套

图14气泡传感器

图15致动系统透视图

图16一个控制算法实例

图17超声电机驱动过程中电感切换流程图

图18致动电机结构剖视图

图19a、19b、19c为控制显示装置的结构示意图

图20控制显示装置-操作界面

图21注射过程中

图22注射完成

图23基于体重进行计算的造影剂注射剂量计算器

图24一个egfr(肾小球过滤率估算)计算器

图25注射操作装置支架

图26立柱形式

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。