介入式心脏磁导航系统的磁场发生装置制造方法
【专利摘要】一种介入式心脏磁导航系统的磁场发生装置，八个电磁铁(7)对称分布在以正六面体四个斜对角线形成的四轴斜交坐标轴上，并通过铁磁材料制成的上支撑架(1)、下支撑架(2)、立柱(3)和中心柱(6)固定。导航区域(4)的中心位于四轴斜交坐标系的原点，导航区域(4)内有电磁铁(7)产生的均匀磁场。导管(8)前端内装有永磁环(9)，永磁环(9)的在导航区域(4)内受到均匀磁场施加的扭矩，使得永磁环(9)的磁矩与均匀磁场平行，使得永磁环(9)与外磁场平行；电磁铁电源(13)给电磁铁(7)供电，通过控制电磁铁电源(13)的输出电流来控制导航区域(4)内的磁场方向，从而控制导管(8)的端部方向，实现对导管(8)导航。
【专利说明】介入式心脏磁导航系统的磁场发生装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种医疗器械装置，特别涉及一种用于介入式心脏磁导航系统的磁场发生装置。
【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，特别是要进入小于90°的锐角分枝血管或者是血管结构变异较大的部位就更加困难。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。此外手动式心脏介入手术还具有操控速度慢、手术时间长以及定位精度低等缺点。
[0003]针对手动插管式心脏介入手术的缺点，文献【SabineErnst,FeifanOuyang, Christian Linder, Klaus Hertting, Fabian Stahl,JulianChun, Hitoshi Hachiya, DictmarBansch , Matthias Antz and Karl-Heinz Kuck.1nitial Experience With Remote Catheter Ablat1n Using a Novel MagneticNavigat1nSystem!Magnetic Remote Catheter Ablat1n, Circulat1n, March30, 2004, do1:10.1161/01.CIR.0000125126.83579.1B】给出了一种新型的心脏介入诊治设备一永磁式磁导航心脏介入手术系统。其工作原理是利用磁场来引导导管的行进方向，并通过自动推进器使导管自动快速到达所需要的位置。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。其核心部件是两个永磁铁形成的半球形磁体，每侧磁体又由100余个小磁体构成。当需要导航时，半球形磁体在病人心脏部位产生直径为15cm的球形匀场区，磁场强度为SOOgauss。导管端部内装有永磁铁块，通过调整匀场区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。永磁式磁导航心脏介入手术系统实现了介入医生能在无X射线辐射条件下完成心血管介入手的愿望。此外，与手动插管式心脏介入手术相比，其具有导管定位速度快、精度高的优点，提高了手术的成功率，并且节省耗材的使用。但是永磁式磁导航心脏介入手术系统的磁场是由永磁铁来产生的，磁场方向的改变是通过旋转半球形永磁体来实现的，受旋转空间的限制，永磁式磁导航心脏介入手术系统只能对大部分的心血管疾病实施诊治，对一些难以进入或者定位的病例还难以治疗。由于受到机械惯性的限制，导航磁场的响应速度不会太快。此外，由于导航磁场是由永磁体产生的，其磁场强度也不会太高，其导航精度会受到一定限制。鉴于永磁体的磁场一直存在，永磁式磁导航装置还需要考虑静磁屏蔽的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是克服现有永磁式磁导航心脏介入手术系统中磁场发生装置的不足，提出一种用于磁导航心脏介入手术系统的磁场发生装置。本发明磁场定向快、磁场强度高、导航无盲区且不需静磁屏蔽。
[0005]本发明装置包括上支撑架、下支撑架、立柱、中心柱、电磁铁、电磁铁电源、磁场检测装置、输入控制单元、控制器、显示单元、导航区域和导管。
[0006]所述的上支撑架和下支撑架为两个同轴放置的环形机械结构，上支撑架和下支撑架通过四根立柱固定在一起，所述的立柱沿环向均匀布置且与环形机械结构轴心平行。在上支撑架和下支撑架与立柱的结合处分别装有八个中心柱，八个中心柱长度相等且均有螺纹，八个中心柱对称布置在以A轴、B轴、C轴和D轴所构成的四轴斜交坐标轴上，坐标原点位于上支撑架、下支撑架和四个立柱所组成结构的中心点，相邻两个坐标轴之间的夹角为70.5°。电磁铁共有八个，为铜线绕制的螺管线圈，分别安装在八个中心柱上，电磁铁的两端用紧固螺母固定。位于同一坐标轴的两个电磁铁为一对，八个电磁铁分为四对。磁场检测装置安装在中心柱端部中心位置，磁场检测装置用来检测电磁铁产生的磁场强度是否满足设定要求。导航区域为八个电磁铁所包围的区域内部的一个球状区域，八个电磁铁在导航区域内产生方向可调的均匀磁场，导航区域中心位于四轴斜交坐标系的原点。导航区域的直径小于磁场检测装置到原点的距离。导管为可移动部件，与本发明装置中其它部分无机械接触。导管的前端内装有永磁环。导管的工作区域为导航区域内部，导管移动至导航区域内时，电磁铁产生的磁场开始对导管进行导航。
[0007]所述的输入控制单元的输出连接控制器的输入，控制器的输出与显示单元连接；控制器与四个电磁铁电源连接，磁场检测装置检测的磁场信息反馈至控制器。所述的输入控制单元为指令输入单元，由介入医生根据手术需要输入指定的三维磁场方向，输入控制单元将介入医生输入的模拟控制量转化控制器能识别的数字量，送入控制器。控制器将三维的磁场方向转化为实际控制需要的四轴方向控制量，并施加响应的控制策略，然后将控制量分别传给四个电磁铁电源。每台所述的电磁铁电源对位于同一坐标轴的一对电磁铁串联供电，一对电磁铁通电后产生的中心磁场方向一致。八个电磁铁产生四个斜交轴方向上的电磁场。由于磁场是矢量场，通过调整四对电磁铁上的励磁电流，就可以产生一定强度的任意方向上的稳态磁场。电磁铁产生的磁场通过磁场检测装置进行检测，检测的磁场信息反馈至控制器，以实现闭环控制，使电磁铁产生的磁场方向跟介入医生输入的磁场方向相一致。控制器将检测的磁场信息经过处理后，送给显示单元，控制器同时将输入控制单元输入磁场方向传送给显示单元，显示单元实时显示指定磁场方向和导航区域内的实测磁场方向。
[0008]所述的导管前端内装有三个永磁环，永磁环磁矩的方向与永磁环中心轴平行,且指向导管端部。永磁环的在导航区域内受到均匀磁场施加的扭矩，使得永磁环的磁矩与均匀磁场平行，永磁环就与外磁场平行。永磁环受到的扭矩为Tm = M.B.Am.Lm.sin( Θ )，其中:M为永磁环的磁矩幅值，B为永磁环所在位置的磁场强度幅值，A111为永磁环的截面积，Lm为永磁环的轴向长度，Θ为永磁环的磁矩矢量M跟永磁环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内均匀磁场的方向就可以控制导管的端部方向。
[0009]所述的上支撑架、下支撑架、立柱和中心柱为铁磁材料制作。
[0010]所述的永磁环材料为钕铁硼。
[0011]本发明的有益效果是:通过改变八个电磁铁中的电流可以方便而且快速的改变导航区域的磁场方向和强度，省去了永磁式磁导航设备中用来改变磁场方向的机械轴承部分，既提高了磁导航系统的响应速度，又降低了设备噪声，使患者处于一个相对舒适的就医环境。此外，由于本发明的磁导航装置不受旋转空间的限制，通过控制电磁铁电流可以产生任意三维方向的磁场，使得对导管的导航方向没有死角，可以方便地对锐角分枝血管或者是血管结构变异较大的部位进行导航控制，扩展了介入式心脏手术的适用范围，也提高了手术成功率。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明装置的整体示意图。图中:1上支撑架，2下支撑架，3立柱，4导航区域，5紧固螺母，6中心柱，7电磁铁；
[0013]图2为本发明装置在A、C轴所在平面上的剖视图。图中:4导航区域，5紧固螺母,6中心柱，7电磁铁；
[0014]图3为本发明装置的电气连接图。图中:10输入控制单元，11控制器，12显示单元，13电磁铁电源，14磁场检测装置；
[0015]图4为本发明装置的导管示意图。图中:8导管，9永磁环。
【具体实施方式】
[0016]以下结合附图和【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0017]本发明装置包括上支撑架1、下支撑架2、立柱3、中心柱6、电磁铁7、电磁铁电源、磁场检测装置14、输入控制单元10、控制器11、显示单元12、导航区域4和导管8。
[0018]如图1所示，所述的上支撑架I和下支撑架2为两个同轴放置的环形机械结构。上支撑架I和下支撑架2通过四根立柱3固定在一起。四根立柱3沿环向均匀布置，并与环形机械结构的轴心平行。上支撑架I和下支撑架2与四根立柱3的所构成的八个结合点在几何结构上正好位于正六面体的八个顶点上。八个结合点上分别装有八个中心柱6，八个中心柱6的长度相等且均有螺纹，八个中心柱6对称布置在以A轴、B轴、C轴和D轴所构成的四轴斜交坐标轴上，坐标原点位于上支撑架1、下支撑架2和四个立柱3所组成结构的中心点，相邻两个坐标轴之间的夹角为70.5°。八个电磁铁7为铜线绕制的螺管线圈，分别安装在八个中心柱6上。电磁铁7的两端用紧固螺母5固定。八个电磁铁7距离四轴斜交坐标系原点的距离相等。位于同一坐标轴的两个电磁铁7为一对,八个电磁铁7分为四对分布在四轴斜交坐标系的四个轴上。导航区域4为八个电磁铁7所包围的区域内部的一个球状区域，八个电磁铁7在导航区域4内产生方向可调的均匀磁场，导航区域4中心位于四轴斜交坐标系的原点。
[0019]图2所示为本发明装置在四轴斜交坐标系A轴和C轴所形成的AC平面上的剖视图。如图2所示，A轴和C轴的夹角为109.5°。其中两个电磁铁7位于A轴上，对称布置在四轴斜交坐标系的原点两侧。另外两个电磁铁7位于C轴上，沿四轴斜交坐标系的原点对称分布。磁场检测装置14安装在中心柱6端部中心位置，磁场检测装置14用来检测电磁铁6产生的磁场强度是否满足设定要求。导航区域4的中心位于A轴和C轴的交点，即四轴斜交坐标系的原点。导航区域4的直径小于磁场检测装置14到原点的距离。
[0020]所述的上支撑架I和下支撑架2也可以是矩形、椭圆形或其它形状，但要满足支撑电磁铁7所需要机械强度，同时满足八个电磁铁7在空间上沿四轴斜交坐标轴对称分布的要求。
[0021]所述的立柱3也可以具有一定的弧度或其它装饰性外表，但要满足支撑电磁铁7所需要机械强度，同时满足八个电磁铁7在空间上沿四轴斜交坐标轴对称分布的要求。
[0022]所述的上支撑架1、下支撑架2、立柱3和中心柱6为铁磁材料制作。
[0023]如图3所示，输入控制单元10的输出连接控制器11的输入，控制器11的输出与显示单元12连接；控制器11同时也和四个电磁铁电源13连接，磁场检测装置14检测的磁场信息反馈至控制器11。所述的输入控制单元10为指令输入单元，由介入医生根据手术需要输入指定的三维磁场方向，输入控制单元10将介入医生输入的模拟控制量转化为控制器11能识别的数字量，送入控制器11。控制器11将三维的磁场方向转化为实际控制需要的四轴方向控制量，并施加响应的控制策略，然后将控制量分别传给四个电磁铁电源13。每台所述的电磁铁电源13对位于同一坐标轴的一对电磁铁7串联供电，一对电磁铁7通电后产生的中心磁场方向一致。八个电磁铁7产生四个斜交轴方向上的电磁场。由于磁场是矢量场，通过调整四对电磁铁7上的励磁电流，就可以产生一定强度的任意方向上的稳态磁场。电磁铁7产生的磁场通过磁场检测装置14进行检测，检测的磁场信息反馈至控制器11，以实现闭环控制，使电磁铁7产生的磁场方向跟介入医生输入的磁场方向相一致。控制器11将检测的磁场信息经过处理后，送给显示单元12，控制器同时将输入控制单元10输入磁场方向传送给显示单元12，显示单元12实时显示指定磁场方向和导航区域4内的实测磁场方向。
[0024]导管8为可移动部件，与本发明装置的其它部分无机械接触。导管8的工作区域为导航区域4内部，导管8移动至导航区域4内时，电磁铁7产生的磁场开始对导管8进行导航。如图4所示，所述的导管8前端内装有三个永磁环9，永磁环9磁矩的方向与永磁环9中心轴平行，且指向导管8端部。永磁环9的在导航区域4内受到均匀磁场施加的扭矩，使得永磁环9的磁矩与均匀磁场平行，从而使得永磁环9与外磁场平行。永磁环9受到的扭矩为Tm = M.B.Am.Lm.sin ( Θ )，其中:M为永磁环9的磁矩幅值，B为永磁环9所在位置的磁场强度幅值，Ani为永磁环9的截面积，L111为永磁环9的轴向长度，Θ为永磁环9的磁矩矢量M跟永磁环9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4内均匀磁场的方向就可以控制导管8的端部方向。
[0025]所述的永磁环9的制作材料为钕铁硼。
【权利要求】
1.一种介入式心脏磁导航系统的磁场发生装置，其特征在于所述的磁场发生装置包括上支撑架(I)、下支撑架(2)、立柱(3)、中心柱￠)、电磁铁(7)、电磁铁电源(13)、磁场检测装置(14)、输入控制单元(10)、控制器(11)、显示单元(12)、导航区域⑷和导管⑶；所述的上支撑架(I)和下支撑架(2)为两个同轴放置的环形机械结构，上支撑架(I)和下支撑架⑵通过四根立柱⑶固定在一起，四根立柱⑶沿环向均匀布置，且与环形机械结构轴心平行；在上支撑架⑴和下支撑架⑵与四根立柱⑶的所构成的八个结合点在几何结构上位于正六面体的八个顶点上；八个结合点上分别装有八个中心柱(6)，八个中心柱(6)长度相等且均有螺纹，八个中心柱6对称布置在以A轴、B轴、C轴和D轴所构成的四轴斜交坐标轴上，坐标原点位于上支撑架(I)、下支撑架(2)和四个立柱(3)所组成结构的中心点，相邻两个坐标轴之间的夹角为70.5° ;八个电磁铁(7)均为铜线绕制的螺管线圈，分别安装在八个中心柱(6)上，电磁铁(7)的两端用紧固螺母(5)固定；八个电磁铁(7)距离四轴斜交坐标系原点的距离相等；位于同一坐标轴的两个电磁铁(X)为一对，八个电磁铁(X)分为四对，分别布置在四轴斜交坐标系的四个轴上；导航区域(4)为八个电磁铁(7)所包围的区域内部的一个球状区域，八个电磁铁(X)在导航区域(4)内产生方向可调的均匀磁场，导航区域(4)中心位于四轴斜交坐标系的原点；所述的磁场检测装置(14)安装在中心柱(6)端部中心位置；所述的输入控制单元(10)的输出连接控制器(11)的输入，控制器(11)的输出与显示单元(12)连接；控制器(11)同时也和四个电磁铁电源(13)连接，磁场检测装置(14)检测的磁场信息反馈至控制器(11);所述的导管(8)为可移动部件，与其它部分无机械接触；导管⑶前端内装有永磁环(9)，导管⑶的工作区域为导航区域⑷内部，导管(8)移动至导航区域(4)内时，电磁铁(7)产生的磁场开始对导管(8)导航。
2.按照权利要求1所述的介入式心脏磁导航系统的磁场发生装置，其特征在于所述的A轴和C轴的夹角为109.5°，B轴和D轴的夹角为109.5° ;导航区域(4)的中心位于A轴和C轴的交点，即四轴斜交坐标系的原点，导航区域(4)的直径小于磁场检测装置(14)到原点的距离。
3.按照权利要求1所述的介入式心脏磁导航系统的磁场发生装置，其特征在于所述的上支撑架(I)、下支撑架(2)、立柱(3)和中心柱(6)为铁磁材料制作。
4.一种介入式心脏磁导航系统的磁场发生装置，其特征在于所述的导管(8)前端内的永磁环(9)磁矩的方向与永磁环(9)的中心轴平行，且指向导管⑶端部；永磁环(9)在导航区域(4)内受到均匀磁场施加的扭矩，使得永磁环(9)的磁矩与均匀磁场平行，从而使得永磁环(9)与外磁场平行；永磁环(9)受到的扭矩为Tm = M.B.Am.Lm.sin( Θ )，其中:M为永磁环(9)的磁矩幅值，B为永磁环(9)所在位置的磁场强度幅值，AmS永磁环(9)的截面积，LmS永磁环(9)的轴向长度，Θ为永磁环(9)的磁矩矢量M跟永磁环(9)所在位置的磁场强度B之间的夹角。
5.按照权利要求4所述的介入式心脏磁导航系统的磁场发生装置，其特征在于所述的永磁环(9)材料为钕铁硼。
6.按照权利要求4所述的介入式心脏磁导航系统的磁场发生装置，其特征在于所述的导管(8)前端内装有三个永磁环(9)。
7.按照权利要求1所述的介入式心脏磁导航系统的磁场发生装置，其特征在于所述的输入控制单元(10)为指令输入单元，由介入医生根据手术需要输入指定的三维磁场方向，输入控制单元(10)将介入医生输入的模拟控制量转化为控制器(11)能识别的数字量，送入控制器(11);控制器(11)将三维的磁场方向转化为实际控制需要的四轴方向控制量，并施加响应的控制策略，然后将控制量分别传给四个电磁铁电源(13);所述的电磁铁电源(13)每台对位于同一坐标轴的一对电磁铁(7)串联供电，一对电磁铁(7)通电后产生的中心磁场方向一致；八个电磁铁(X)产生四个斜交轴方向上的电磁场，电磁铁(X)产生的磁场通过磁场检测装置(14)进行检测，检测的磁场信息反馈至控制器(11)，以实现闭环控制，使电磁铁(7)产生的磁场方向跟介入医生输入的磁场方向相一致。控制器(11)将检测的磁场信息经过处理后，送给显示单元(12)，控制器同时将输入控制单元(10)输入磁场方向传送给显示单元(12)，显示单元(12)实时显示指定磁场方向和导航区域(4)内的实测磁场方向。
【文档编号】H01F7/00GK104134510SQ201410342418
【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, 李献, 昌锟, 李毅, 李兰凯 申请人:中国科学院电工研究所