一种介入式导管成像系统的制作方法

本发明涉及一种血管内成像技术领域，尤其涉及一种介入式导管成像系统。

背景技术：

血管内成像技术是指无创的成像技术和有创伤性的导管技术相结合，使用末端连接有超声探针、光学探针的特殊导管进行的医学成像技术。在介入式导管成像系统对人体进行介入的过程中，如何正确确定导管的位置以及确定导管对血管壁的压力，以避免在介入式导管插入人体的过程中，可以被正确定位同时又不损伤血管壁，是在介入式成像中亟需解决的技术问题。

同时，对于导管的正确定位对于手术规划以及手术导航是极其有用的，血管内成像导管的尺寸期望尽可能的小，以使在成像导管的插入期间的创伤尽可能地小，加入导管偏离动脉血管腔，则存在动脉穿孔的风险，这进一步要求对导管的尖端进行精确定位。

虽然血管内超声、光声等均可用于血管内成像，但是超声内血管成像取决于超声探头的大小，光声成像也受限于超声探头的尺寸，虽然借助于内窥镜原理的血管内导管可以用于介入式成像，但是而现有技术中的介入式导管成像装置，并不能准确地确定导管的位置以及导管施加到血管壁上穿孔的风险。

因此，亟需一种能精确定位血管内导管的位置以及评估血管内导管的穿孔风险的装置。

技术实现要素：

基于此，有必要针对现有技术中的介入导管存在的存在穿壁的风险，以及在血管内成像系统存在的定位不精确的问题，提供一种介入式导管成像系统，其可以准确定位血管内导管的位置以及评估导管在介入过程中是否存在穿壁风险。。

根据本发明的目的，提供一种介入式导管成像系统，该系统包括：介入式导管以及后端处理系统；介入式导管被配置为在介入人体，介入式导管的前端设置有传感器，可以将导管介入过程中的感测到的参数传递给后端的处理系统，由后端处理系统进行数据处理，后端的数据处理系统被配置为根据传感器传递的参数确定导管前端的位置以及导管是否有穿壁风险。

进一步地，介入式导管包括操作端以及导管；所述的操作端设置在人体外部进行操作；所述的导管包括两个部分：主体部分以及后端部分；所述的主体部分的前端部分插入人体血管内进行感测，在前端部分处设置有窗口，在窗口处设置有传感器。

进一步地，在所述的导管插入到血管内时，所述的前端部分接触到人体血管内部，同时，所述的窗口处的传感器将其感知到的数据通过后端线路传输给后端处理系统，后端处理系统根据感测的数据、导管的运动路径，确定导管的物理尺寸和机械性能，从而确定导管的确切位置以及导管是否有穿壁风险。

优选地，所述的确定导管的确切位置及导管是否有穿壁风险，具体如下：

插入人体的导管为软质的，具有一定弹性，但是同时又能保持其刚性的管体；将导管插入血管中时，假定导管是由很多个具有粘弹性的弹性构件段组合而成的管体，这些弹性构件段均具有至少3个自由度，因此，将导管分割为通过n+1个弹性构件段构成的n+1段，设弹性构件的连接点和导管两端的端点为节点，节点的顺序从近端到远端为0到n+1，其中，每段都可以弹性构件都可以独立运动和转动，因此，通过计算导管与血管之间的接触力向量，以及每段弹性构件的感生力矩，计算接触力和力矩对每段弹性构件的作用。

进一步地，通过牛顿-欧拉力学方程来确定导管的运动，每段弹性构件的长度并不相同；

首先，计算每段弹性构件的接触力向量和感生力矩；

其次，计算每段弹性构件的接触力向量和感生力矩对其他段弹性构件的作用；

最后，用牛顿-欧拉力学方程来表示导管的运动：

t＝-kq(q-q0)-dgq(1)

其中，t为节点的粘弹性力的合力，q是节点的位移向量，q0是节点初始的位移向量，确定节点初始的位移向量时，节点上没有施加负荷，即人体在外部没有施加力；kg表示弹性系数，dg表示阻尼系数，第n-1个阶段的弯曲角度相当于q0的变化，因此，第i个节点对应的弹性构件代表了长度为lgi的杆的弯曲和扭曲硬度，即节点对应的两端每个弹性构件的各lgi/2长度，构成了总长度为lgi的杆的长度；

因此，第i个节点的弯曲硬度kgix和扭曲硬度kgiz可以计算如下：

kgix＝egix/lgi(2)

kgiz＝ggip/lgi(3)

eg表示导管的纵向弹性模量，gg表示导管的横向弹性模量，ix和ip表示对应的第二截面惯性矩；

每段弹性构件的长度不同，因此，对应的lgi也存在差异，i＝0-1时，lgi的取值为35mm，而当i≥3时，lgi的取值为2.5mm，靠近操作者的部分，由于还未到人体的主动脉位置，因此，可以使lgi的取值相对大，而在接近待检测血管的位置时，由于需要准确确定，因此，lgi的取值较小；

导管的横截面为圆形，设导管直径为rg，则有：

ip＝2ix(5)

假定导管各项同向，泊松比为v，则kgiz可以表示为：

kgiz＝egix/lgi(1+v)(6)

由于所用的导管材料已知，因此可以确定eg和外部直径得到已知值，将已知值代入到方程(4)和(6)，可以确定kgix、kgiz；

将血管视为弹性圆柱体，因此，血管的形状由其中心线和半径rv定义，随着血管的延伸，具有多个中心线，这些中心线组成数据集s，s代表了整个血管的形状，sj为血管的中心线的位置向量，j＝1,2,3……m，血管在径向上的变形可以使用弹性系数kv来建模，然后可以使用如下步骤来确定是否存在穿壁风险：

1、计算节点和导管尖端以及血管的中心线的距离，以确定在导管与血管之间是否存在接触；

其中，导管尖端的位置向量为pi，i＝1,2，……，n+1；

在中心线曲线li上，与每个节点最近的点sk到pi的距离可以表示为：

li＝pi-sk(7)

2、比较rv和rg来估计接触点的几何形状，当|li|+rg≥rv，导管与血管壁发生接触，此时使用公式(8)来确定导管对血管壁的穿刺fi：

fi＝-kv(|li|+rg-rv)^3/2li/|li|(8)

kv为弹性系数，可以通过实验获得；

当fi≥ε时，确定导管在穿刺的过程中出现穿壁危，其中ε为阈值，可以通过人体模型仿真实验获得。

通过以下步骤来进行介入式导管成像系统的穿刺引导：

(1)对待穿刺部分进行解剖学成像；

(2)在导管穿刺的过程中，利用导管前端的图像传感器得到导管尖端的图像，实时观看导管尖端的位置；

通过导管前端的位置传感器得到有关位置的信息，将位置信息传输给后端处理系统，由后端处理系统将位置相关的信息代入到公式(1)-(8)，确定介入式导管在穿刺的过程中是否会出现穿壁风险，如果后端的处理系统确定导管的介入过程存在穿壁风险，则立即发出警报，指示医护人员停止穿刺，避免发生穿壁风险，由后端处理系统通过当前的位置信息重新规划穿刺路径；

(3)重复上述步骤(1)-(2)，直到完成穿刺引导，到达指定的穿刺位点后，进行血管内成像。

通过本发明的介入式成像系统，可以在介入式成像导管介入血管内的过程中，实时确定导管尖端的位置，在导航系统的指导下进行穿刺，通过传感器的数据精确确定介入式导管穿刺的过程中是否会发生穿壁风险，当确定发生穿壁风险时，及时进行调整，重新规划穿刺路径，以使得介入式导管在血管内进行穿刺以进行疾病诊断以及治疗时，更加安全。

附图说明

图1为本发明一实施例的介入式成像系统的示意图；

图2为本发明的介入式导管的示意图；

图3为本发明的介入式导管的前端的示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明的介入式导管成像系统的系统框图。本发明的介入式导管成像系统包括介入式导管以及后端的处理系统。介入式导管具体如图2所示，其用于在介入的过程中，插入人体体内，可以借助于导丝、导引丝等进入人体，导管的前端设置有相应的传感器，可以将导管介入过程中的参数传递给后端的处理系统进行数据处理，后端的数据处理系统可以根据传感器传递的参数确定导管前端的位置以及导管是否有穿孔风险。

下面介绍本发明的介入式导管，如图2-3所示，本发明的介入式导管包括操作端1，操作端1设置在人体外部进行操作，导管2，导管，导管包括两个部分：主体部分4以及后端部分2，主体部分4可以采用导引丝等形式，后端部分2为导管的套管部分。主体部分4的前端部分6插入人体血管内进行感测，在前端部分6处设置有窗口5，可以设置传感器。如图3所示，为本发明的窗口5处的具体结构，包括了后端部分51、中端部分52、以及前端部分53，可以在后端部分51、52处设置光路、电路芯片部分，在前端部分53处可以设置光学传感器，如ccd、cmos等，也可以设置电磁传感器或者mems超声芯片。

在导管2插入到血管内时，前端部分6接触到人体血管内部，同时，窗口5处的传感器将其感知到的数据通过后端线路传输给后端处理系统，后端处理系统根据感测的数据、导管的运动路径等，确定导管的物理尺寸和机械性能等，从而确定导管的确切位置，其扭曲性能等物理特征，以及导管是否有穿壁风险。

下面具体介绍具体的确定导管的位置和穿壁风险的方法。

插入人体的导管为软质的，具有一定弹性，但是同时又能保持其刚性的管体。将导管插入血管中时，我们假定导管是由很多个具有粘弹性的弹性构件段组合而成的管体，这些弹性构件段均具有至少3个自由度，因此，可以将导管分割为通过n+1个弹性构件段构成的n+1段，通过n+1个弹性构件来反应导管的弯曲和扭曲硬度。在本发明中，我们称弹性构件的连接点和导管两端的端点为节点，因此，本发明中的节点的顺序为近端到远端为0到n+1，其中，每段都可以弹性构件都可以独立运动和转动，因此，我们可以通过计算导管与血管之间的接触力向量，以及每段弹性构件的感生力矩，然后计算接触力和力矩对每段弹性构件的作用。我们通过牛顿-欧拉力学方程来确定导管的运动。需要注意的是，每段弹性构件的长度并不相同，导管后面的几段(即近端部分的几段)由于不接触血管，其在插入的过程中变形较小，因此，导管后面的几段可以相对较长。首先，计算每段弹性构件的接触力向量和感生力矩，然后，计算每段弹性构件的接触力向量和感生力矩对其他段弹性构件的作用。最后，用牛顿-欧拉力学方程来表示导管的运动：

t＝-kq(q-q0)-dgq(1)

其中，t为节点的粘弹性力的合力，q是节点的位移向量，q0是节点初始的位移向量，确定节点初始的位移向量时，节点上没有施加负荷，即人体在外部没有施加力；kg表示弹性系数，dg表示阻尼系数，第n-1个阶段的弯曲角度相当于q0的变化，因此，第i个节点对应的弹性构件代表了长度为lgi的杆的弯曲和扭曲硬度，即节点对应的两端每个弹性构件的各lgi/2长度，构成了总长度为lgi的杆的长度。

因此，第i个节点的弯曲硬度kgix和扭曲硬度kgiz可以计算如下：

kgix＝egix/lgi(2)

kgiz＝ggip/lgi(3)

eg表示导管的纵向弹性模量，gg表示导管的横向弹性模量，ix和ip表示对应的第二截面惯性矩；

前面已经提到，每段弹性构件的长度不同，因此，对应的lgi也存在差异，在本发明中，为了使导管的定位更加准确，i＝0-1时，lgi的取值为35mm，而当i≥3时，lgi的取值为2.5mm，即靠近操作者的部分，由于还未到人体的冠状动脉等动脉位置，因此，可以使lgi的取值相对大，而在接近待检测血管的位置时，由于需要准确确定，因此，lgi的取值较小，即每个节点也相隔的较近。

由于导管的横截面为圆形，设导管直径为rg，则有：

ip＝2ix(5)

假定导管各项同向，泊松比为v，则kgiz可以表示为：

kgiz＝egix/lgi(1+v)(6)

由于所用的导管材料已知，因此可以确定eg和外部直径，将已知的值代入到方程(4)和(6)，可以确定kgix、kgiz。

血管具有弹性，可以将血管视为弹性圆柱体，因此，血管的形状由其中心线和半径rv定义，由于血管是曲折形状的，因此，随着血管的延伸，具有多个中心线，这些中心线组成数据集s，s代表了整个血管的形状，sj为血管的中心线的位置向量，j＝1,2,3……m，血管在径向上的变形可以使用弹性系数kv来建模，然后可以使用如下步骤来确定接触力：

1、为了确定在导管与血管之间是否存在接触，需要计算节点和导管尖端(其位置向量为pi，i＝1,2，……，n+1)以及血管的中心线的距离。在中心线曲线li上，与每个节点最近的点sk到pi的距离可以表示为：

li＝pi-sk(7)

2、比较rv和rg来估计接触点的几何形状，当|li|+rg≥rv，导管与血管壁发生接触，此时使用公式(8)来确定导管对血管壁的穿刺fi：

fi＝-kv(|li|+rg-rv)^3/2li/|li|(8)

kv为弹性系数，可以通过实验获得；

当fi≥ε时，确定导管在穿刺的过程中出现穿壁危险，此时应当对导管的方向和位置进行调整，其中ε为阈值，可以通过人体模型仿真实验获得。

在导管的穿刺过程时，首先对待穿刺部分进行解剖学成像，解剖学成像可以采用超声、ct、x射线成像方式进行成像，得到解剖学图像，然后在导管穿刺的过程中，利用导管前端的图像传感器，如超声传感器、ccd传感器、cmos传感器得到导管尖端的图像，实时观看导管尖端的位置，由于血管较细，在对血管壁进行成像时经常存在阴影，因此，可以通过导管前端的位置传感器得到有关位置的信息，以将位置信息传输给后端的处理系统，由后端的处理系统将位置相关的信息代入到本发明的公式(1)-(8)，以精确确定介入式导管在穿刺的过程中是否会出现穿壁风险，后端的处理系统采用具有强大处理能力的高端计算机，数据的处理速度可以做到实时，如果后端的处理系统确定导管的介入过程存在穿壁风险，则会马上发出警报，指示医护人员停止穿刺，避免发生穿壁风险，并且后端的处理系统可以通过当前的位置信息重新规划穿刺路径。

因此，在穿刺的过程中，可以实时的确定导管尖端的位置，可以在导航系统的指导下进行穿刺，并且在确定发生穿壁风险时，及时进行调整，重新规划穿刺路径。

在上述计算的过程中，我们假定导管是个刚性管，忽略了其自身重力，血流速度以及导管与血管壁之间的摩擦，进一步地，为了更好地确定导管是否具有穿壁风险，优选地，在确定是否存在风险时，可以结合导管的重力、血管内的血流速度以及血管与血管壁之间的摩擦，具体如下，设定导管在体内的高度为h0，血液流速为c，血液密度为ρ，摩擦力为ff，则结合伯努利方程，进行改进可以得到对上述fi进行修正的项η，具体为：

其中，pt代表大气压，g为重力加速度，其中在公式(8)和公式(9)中不考虑公式的量纲。

在得到修正项η后，对fi进行修正，结果用fi'

具体可以表示为：

fi'＝fi+λiη(10)

其中λi为对应的权值。

通过在确定介入式导管成像系统进行导入介入的过程中，考虑到导管自身的性质、血液的性质以及血管的性质，可以结合介入器械以及被介入组织之间的相关特性，可靠地确定两者时间是否存在穿壁风险。

由此可见，通过进行修正，可以使本发明的介入式导管成像系统的介入过程更加安全，提供了安全稳定的穿刺环境，可以很好的保护患者，也为医生进行相关操作提供了便利。

进一步地，综合考虑导管自己性质和血液、血管的性质，本发明在导管的穿刺过程时，首先对待穿刺部分进行解剖学成像，解剖学成像可以采用超声、ct、x射线成像方式进行成像，得到解剖学图像，然后在导管穿刺的过程中，利用导管前端的图像传感器，如超声传感器、ccd传感器、cmos传感器得到导管尖端的图像，实时观看导管尖端的位置，由于血管较细，在对血管壁进行成像时经常存在阴影，因此，可以通过导管前端的位置传感器得到有关位置的信息，以将位置信息传输给后端的处理系统，由后端的处理系统将位置相关的信息代入到本发明的公式(1)-(10)，以精确确定介入式导管在穿刺的过程中是否会出现穿壁风险，后端的处理系统采用具有强大处理能力的高端计算机，数据的处理速度可以做到实时，如果后端的处理系统确定导管的介入过程存在穿壁风险，则会马上发出警报，指示医护人员停止穿刺，避免发生穿壁风险，并且后端的处理系统可以通过当前的位置信息重新规划穿刺路径。

通过进行修正，使得本发明的血管内成像时，穿刺路径更加精确，在确定是否有穿壁风险时，安全系数更高。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。