[發明專利]一種基于亥姆霍茲線圈的磁性導絲操縱系統及操縱方法

在審

• 申請號: 202310433682.4
• 申請日: 2023-04-21
• 公開（公告）號: CN116421314A
• 公開（公告）日: 2023-07-14
• 發明（設計）人: 張金會;魏思億;吳志偉;陳端端;李崢;高玥揚;趙若彤;谷少萌;劉欣;曹城瑋;胡興
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: A61B34/20
• 分類號: A61B34/20;A61B34/30;A61B34/00;A61B90/00;G16H40/63;G16H20/40
• 代理公司: 成都方圓聿聯專利代理事務所(普通合伙) 51241
• 代理人: 李鵬

本發明涉及醫療設備領域，其公開了一種基于亥姆霍茲線圈的磁性導絲操縱系統和操縱方法，包括依次電連接的服務器、信號發生器、功率放大器、亥姆霍茲線圈、所述磁性導絲和攝像設備；服務器用于設置從外部獲得所述亥姆霍茲線圈的工作電流大小、方向和波形參數，并輸出用于控制亥姆霍茲線圈引導磁性導絲的在通道內移動的電流信號；所述亥姆霍茲線圈產生x平面、y平面與z平面的勻強磁場，誘導所述磁性導絲偏轉。本發明提供的基于亥姆霍茲線圈的磁性導絲操縱系統和操縱方法利用亥姆霍茲線圈產生的勻強磁場引導磁性導絲，系統結構簡潔，在保持磁場實時性、可操作性以及可編程性的同時，降低了磁性導絲操縱系統的制作與使用成本。

技術領域

本發明涉及醫療器械技術領域，尤其涉及一種基于亥姆霍茲線圈的磁性導絲操縱系統及操縱方法。

背景技術

在磁導航手術機器人輔助微創手術中，磁性導絲操縱系統可采用特制的遠端帶有永磁性磁體或鐵磁性物體的導引導絲，利用外在的大型磁體在病人的軀干部位產生梯度變化的磁場空間，通過控制外在磁體的角度和距離來改變對導絲遠端磁體產生的力，從而改變導絲遠端的朝向，達到遠端導向目的。磁性導引導絲進入人體后，需要經過一系列血管分叉才能到達病變部位，在這一過程中，頭端轉向主要通過外部磁場誘導實現，對磁性導絲操縱系統的性能提出了較高的要求。其中，磁性導絲操縱系統的實時性與可操作性是非常必要的，它不僅可以減少磁導絲在血管內導航的操作延遲，對提高磁導絲遞送效率也有極大的幫助，若磁性導絲操縱系統的可操作性過低，不僅在磁導絲遞送過程中會使患者遭受痛苦，而且會導致磁導絲無法到達遠端的冠脈狹窄，從而導致手術失敗。

現有技術中磁性導絲操縱系統通常采用機械臂固定永磁體、機械臂集成線圈、梯度線圈等方式，通過使用不同類型的磁場發生器，實現“磁性導絲操縱”功能。在具體實施中，首先需要定制特定尺寸的高性能釹鐵硼永磁體、與永磁體尺寸匹配的模型、七自由度協作機械臂。然后，將永磁體裝入尺寸匹配的模型中，并將模型與七自由度協作機械臂的末端相連。最后，使用通訊電纜將機械臂與控制臺相連，組成基于機械臂固定永磁體的磁性導絲操縱系統。

當采用機械臂集成線圈的方式構建磁性導絲操縱系統時，首先需要準備并聯機械臂與機械臂的主控臺。隨后，將定制線圈纏繞在并聯機械臂表面，使線圈可以隨機械臂移動而移動。最后，將線圈電流控制器集成在機械臂的主控臺中，實現對線圈電流的控制，從而控制磁場強度，得到基于機械臂集成線圈的磁性導絲操縱系統。

當采用梯度線圈作為磁場發生器時，首先將定制的梯度線圈固定在機械裝置上，然后采用主控臺控制梯度線圈的電流，從而控制磁場強度與方向，實現對磁性導絲的遠程操縱。

現有文獻(Jeon?S,Hoshiar?A?K,Kim?K,et?al.A?magnetically?controlledsoft?microrobot?steering?a?guidewire?in?a?three-dimensional?phantom?vascularnetwork[J].Soft?robotics,2019,6(1):54-68.)中公開采用梯度線圈作為磁場發生器，并將定制的梯度線圈固定在機械裝置上，然后采用主控臺控制梯度線圈的電流，從而控制磁場強度與方向，實現對磁性導絲的遠程操縱。這種方法的缺點是采用梯度線圈作為磁場發生器時，其產生的磁場會由于梯度不均勻導致磁性導絲進行輕微的軸向運動，降低血管內磁性導絲遞送精度，而在具有狹窄病變的脆弱血管中，遞送精度是手術成功的基礎。

采用機械臂固定永磁體的形式搭建磁性導絲操縱系統時，由于機械臂成本較高且操縱復雜，會使得系統制作成本居高不下，并嚴重影響臨床推廣與醫生使用。此外，有研究表明，當采用機械臂集成線圈的方式時，產生的磁場動力學不穩定，不均勻的磁場梯度會生成牽引磁性導絲頭端前進或后撤的拉力，而這種拉力引起的平移是難以控制的，在高精度血管內導航時存在手術風險。同樣的，當采用梯度線圈作為磁場發生器時，其產生的磁場會由于梯度不均勻導致磁性導絲進行輕微的軸向運動，降低血管內磁性導絲遞送精度。

綜上，現有技術的缺陷在于：