一种心脏磁导航手术系统的磁场发生装置

摘要

一种心脏磁导航手术系统的磁场发生装置，八个超导磁体(7)对称布置在以正六面体四个斜对角线形成的四轴斜交坐标轴上。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)内有超导磁体(7)产生的均匀磁场。导管(23)前端内装有永磁环(24)，永磁环(24)的在导航区域(4)内受到均匀磁场施加的扭矩而与磁场方向平行；通过输入控制单元(19)输入方向指令给控制器(20)，控制器(20)再将指令转化为控制信号给超导磁体电源(21)，通过改变八个超导磁体(7)中电流的大小来调整导航区域(4)内的磁场方向，从而控制导管(23)的端部方向，实现对导管(23)导航。

说明书

技术领域

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

心脏介入手术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，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 心脏介入手术系统在导向能力和定位精度方面还有待提高。由于介入医生位于导管床旁间断 或者地在X光照射下工作，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。文献【Sabine Ernst,et al.,Initial  Experience With Remote Catheter Ablation Using a Novel Magnetic Navigation System:Magnetic  Remote Catheter Ablation,Circulation,March30,2004】给出了一种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。该永磁式磁导航系统还与心脏标测系统相结合，使得介入医生可以远离 手术台完成大部分心血管介入手术，避免X光照射。其核心部件是两个可转动的永磁铁形成 的半球形磁体，半球形磁体在病人心脏部位产生球形匀场区。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前进方向。永磁式磁导航心脏介入手术系统 虽然实现了介入医生能在远离手术台的条件下完成心血管介入手的愿望，但是由于永磁式磁 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。此外，由于受到机械惯性以及磁 场强度的限制，其导航的响应速度不会太快，导航精度也会受到一定的限制。采用常规电磁 铁来实现心脏磁导航介入手术可以提高手术操作系统的速度和操作精度，但是其体积和功耗 都巨大，这都限制了基于常规电磁铁的磁导航心脏介入手术系统的大范围应用。

发明内容

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。本发明具有磁场定向快和磁场强度高的 优点。

本发明装置包括上支撑架、下支撑架、立柱、中心柱、超导磁体、超导磁体电源、磁场 检测装置、输入控制单元、控制器、显示单元、导航区域，以及导管。

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，四根所述的立柱沿环向均匀布置且与环形机械结构轴心平行。上支撑 架和下支撑架与四根立柱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。在 上支撑架和下支撑架与立柱的八个结合点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°。超导磁体共有八个，分别安装在八个中心柱上，超导磁体的两端用紧固螺母固 定。位于同一坐标轴的两个超导磁体为一对，八个超导磁体分为四对。一对超导磁体串联连 接，使得一对超导磁体通电后产生的磁场方向相同。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超导磁体产生的磁场强度是否满足设定要求。导航区域为八个超 导磁体所包围的区域内部的一个球状区域，八个超导磁体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。每台所述的超导磁体电源的输出连接至位于同一坐标轴的一对超导磁体。导管为可 移动部件，与本发明装置中其它部分无机械接触。导管的前端内装有三个永磁环。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，超导磁体产生的磁场开始对导管进行导 航。

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 的输出同时与四个超导磁体电源连接，每个超导磁体电源为一对超导磁体供电。超导磁体通 电后在导航区域产生电磁场，磁场检测装置将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 传给四个超导磁体电源。每台所述的超导磁体电源对位于同一坐标轴的一对超导磁体串联供 电，一对超导磁体通电后产生的中心磁场方向一致。八个超导磁体产生四个斜交轴方向上的 电磁场。由于磁场是矢量场，通过调整四对超导磁体上的励磁电流，就可以产生一定强度的 任意方向上的稳态磁场。超导磁体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，使超导磁体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。

所述的超导磁体包括制冷机、低温容器、冷屏和超导线圈。低温容器为圆筒形结构的密 闭容器，沿低温容器的中轴线方向有一温孔贯穿低温容器。所述的制冷机安装在低温容器的 上端，制冷机的一级冷头位于低温容器内部。冷屏为圆筒形结构，沿轴向方向有一通孔，该 通孔与低温容器的温孔同轴。冷屏置于低温容器内部，通过拉杆固定在低温容器的上端盖下 部，同时冷屏的上端面与制冷机的一级冷头的下端面通过螺栓紧固在一起。所述的超导线圈 为圆柱形结构，沿中心轴有一通孔。超导线圈置于冷屏内部，通过拉杆固定在低温容器的上 端盖下部，同时超导线圈的上端面与制冷机的二级冷头的下端面通过螺栓紧固在一起。

所述的超导线圈包括中心筒、端板、绝缘板和双饼。中心筒为金属圆管结构，两端加工 有螺纹。所述的双饼、端板和绝缘板均为圆饼状结构，双饼、端板和绝缘板的轴心线有圆形 通孔，通孔的直径与中心筒的外径相同。双饼与绝缘板同轴，交替布置。双饼与绝缘板的上、 下两端放置有端板；中心筒穿过双饼、绝缘板和端板的通孔，端板两侧用螺栓紧固。

所述的双饼为高温超导带材绕制，更进一步的，绕制双饼的高温超导带材为YBCO带 材。

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，永磁环与外磁场平行。永磁环受到的扭矩为T_m＝M·B·A_m·L_m·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，A_m为永磁环的 截面积，L_m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。

本发明的有益效果是：通过改变八个超导磁体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，通过控制超导磁体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。

附图说明

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超导磁体；

图2为本发明装置的超导磁体7在轴线所在平面上的剖视图。图中：8制冷机，9低温 容器，10冷屏，11超导线圈，12制冷机的一级冷头，13制冷机的二级冷头；

图3为本发明装置的超导线圈11在轴线所在平面上的剖视图。图中：14中心筒，15双 饼，16端板，17绝缘板；

图4为本发明装置的电气连接图。图中：19输入控制单元，20控制器，18显示单元， 21超导磁体电源，22磁场检测装置，4导航区域，7超导磁体；

图5为本发明装置的导管示意图。图中：23导管，24永磁环。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明装置包括上支撑架1、下支撑架2、立柱3、中心柱6、超导磁体7、超导磁体电 源21、磁场检测装置22、输入控制单元19、控制器20、显示单元18、导航区域4，以及导 管23。

如图1所示，所述的上支撑架1和下支撑架2为两个同轴放置的环形机械结构。上支撑 架1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1和下支撑架2与四根立柱3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°。超导磁体7共有八个，分别安装在八个中心柱6上。超导 磁体7的两端用紧固螺母5固定。八个超导磁体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超导磁体7为一对，一对超导磁体7串联连接起来，使得一对超导磁体 7通电后产生的磁场方向相同。八个超导磁体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为八个超导磁体7所包围的区域内部的一个球状区域，八个超导磁体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。磁场检测装 置22安装在中心柱6靠近导航区域4的端部中心位置，磁场检测装置22用来检测超导磁体 7产生的磁场强度是否满足设定要求。导航区域4的直径小于磁场检测装置22到原点的距离。

所述的上支撑架1和下支撑架2可以是矩形、椭圆形或其它形状，但要满足支撑超导磁 体7所需要机械强度，同时满足八个超导磁体7在空间上沿四轴斜交坐标轴对称分布的要求。

所述的立柱3可以具有一定的弧度或其它装饰性外表，但要满足支撑超导磁体7所需要 机械强度，同时满足八个超导磁体7在空间上沿四轴斜交坐标轴对称分布的要求。

如图2所示，所述的超导磁体7包括制冷机8、低温容器9、冷屏10和超导线圈11。低 温容器9为圆筒形结构的密闭容器，沿低温容器9的中轴线方向有一温孔贯穿低温容器9。 所述的制冷机8安装在低温容器9的上端，制冷机8的一级冷头12位于低温容器9内部。 冷屏10为圆筒形结构，沿轴向方向有一通孔，该通孔与低温容器9的温孔同轴。冷屏10置 于低温容器9内部，通过拉杆固定在低温容器9的上端盖下部，同时冷屏10的上端面与制 冷机8的一级冷头12的下端面通过螺栓紧固在一起。所述的超导线圈11为圆柱形结构，沿 中心轴有一通孔。超导线圈11置于冷屏10内部，通过拉杆固定在低温容器9的上端盖下部， 同时超导线圈11的上端面与制冷机8的二级冷头13的下端面通过螺栓紧固在一起。

如图3所示，所述的超导线圈11包括中心筒14、端板16、绝缘板17和双饼15。中心 筒14为金属圆管结构，两端加工有螺纹。所述的双饼25、端板16和绝缘板17均为圆饼状 结构，双饼25、端板16和绝缘板17的轴心线有圆形通孔，该通孔的直径与中心筒14的外 径相同。双饼15与绝缘板17同轴，交替布置，双饼15与绝缘板17的上、下两端放置端板 16，中心筒14穿过双饼15、绝缘板17和端板16的通孔，端板16两侧用螺栓紧固。

所述的双饼15为高温超导带材绕制，更进一步的，绕制双饼15的高温超导带材为YBCO 带材。

由于本发明装置在四轴上结构相同，电气连接也相同，这里仅以A轴为例进行说明。 如图4所示，输入控制单元19的输出连接控制器20的输入，控制器20的输出与显示单元 18连接；控制器20同时也和四个超导磁体电源21连接，磁场检测装置22检测的磁场信息 反馈至控制器20。所述的输入控制单元19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19将介入医生输入的模拟控制量转化为控制器20能识 别的数字量，送入控制器20。控制器20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超导磁体电源21。每台所述的 超导磁体电源21对位于同一坐标轴的一对超导磁体7串联供电，一对超导磁体7通电后产 生的中心磁场方向一致。八个超导磁体7产生四个斜交轴方向上的电磁场。由于磁场是矢量 场，通过调整四对超导磁体7上的励磁电流，便可产生一定强度的任意方向上的稳态磁场。 超导磁体7产生的磁场通过磁场检测装置22进行检测，检测的磁场信息反馈至控制器20， 以实现闭环控制，使超导磁体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 20将检测的磁场信息经过处理后，送给显示单元18，控制器20同时将输入控制单元19输 入磁场方向传送给显示单元18，显示单元18实时显示指定磁场方向和导航区域4内的实测 磁场方向。

导管23为可移动部件，与本发明装置中其它部分无机械接触。导管23的前端内装有永 磁环24。导管23的工作区域为导航区域4内部，导管23移动至导航区域4内时，超导磁体 7产生的磁场开始对导管23进行导航。如图5所示，所述的导管23前端内装有三个永磁环 24，永磁环24磁矩的方向与永磁环24中心轴平行，且指向导管23端部。永磁环24的在导 航区域4内受到均匀磁场施加的扭矩，使得永磁环24的磁矩与均匀磁场平行，从而使得永 磁环24与外磁场平行。永磁环24受到的扭矩为T_m＝M·B·A_m·L_m·sin(θ)，

其中：M为永磁环24的磁矩幅值，B为永磁环24所在位置的磁场强度幅值，A_m为永 磁环24的截面积，L_m为永磁环24的轴向长度，θ为永磁环24的磁矩矢量M跟永磁环24 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23的端部方向。

所述的永磁环24的制作材料为钕铁硼。