[发明专利]一种基于亥姆霍兹线圈的磁性导丝操纵系统及操纵方法

说明书

本发明涉及医疗设备领域，其公开了一种基于亥姆霍兹线圈的磁性导丝操纵系统和操纵方法，包括依次电连接的服务器、信号发生器、功率放大器、亥姆霍兹线圈、所述磁性导丝和摄像设备；服务器用于设置从外部获得所述亥姆霍兹线圈的工作电流大小、方向和波形参数，并输出用于控制亥姆霍兹线圈引导磁性导丝的在通道内移动的电流信号；所述亥姆霍兹线圈产生x平面、y平面与z平面的匀强磁场，诱导所述磁性导丝偏转。本发明提供的基于亥姆霍兹线圈的磁性导丝操纵系统和操纵方法利用亥姆霍兹线圈产生的匀强磁场引导磁性导丝，系统结构简洁，在保持磁场实时性、可操作性以及可编程性的同时，降低了磁性导丝操纵系统的制作与使用成本。

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种基于亥姆霍兹线圈的磁性导丝操纵系统及操纵方法。

背景技术

在磁导航手术机器人辅助微创手术中，磁性导丝操纵系统可采用特制的远端带有永磁性磁体或铁磁性物体的导引导丝，利用外在的大型磁体在病人的躯干部位产生梯度变化的磁场空间，通过控制外在磁体的角度和距离来改变对导丝远端磁体产生的力，从而改变导丝远端的朝向，达到远端导向目的。磁性导引导丝进入人体后，需要经过一系列血管分叉才能到达病变部位，在这一过程中，头端转向主要通过外部磁场诱导实现，对磁性导丝操纵系统的性能提出了较高的要求。其中，磁性导丝操纵系统的实时性与可操作性是非常必要的，它不仅可以减少磁导丝在血管内导航的操作延迟，对提高磁导丝递送效率也有极大的帮助，若磁性导丝操纵系统的可操作性过低，不仅在磁导丝递送过程中会使患者遭受痛苦，而且会导致磁导丝无法到达远端的冠脉狭窄，从而导致手术失败。

现有技术中磁性导丝操纵系统通常采用机械臂固定永磁体、机械臂集成线圈、梯度线圈等方式，通过使用不同类型的磁场发生器，实现“磁性导丝操纵”功能。在具体实施中，首先需要定制特定尺寸的高性能钕铁硼永磁体、与永磁体尺寸匹配的模型、七自由度协作机械臂。然后，将永磁体装入尺寸匹配的模型中，并将模型与七自由度协作机械臂的末端相连。最后，使用通讯电缆将机械臂与控制台相连，组成基于机械臂固定永磁体的磁性导丝操纵系统。

当采用机械臂集成线圈的方式构建磁性导丝操纵系统时，首先需要准备并联机械臂与机械臂的主控台。随后，将定制线圈缠绕在并联机械臂表面，使线圈可以随机械臂移动而移动。最后，将线圈电流控制器集成在机械臂的主控台中，实现对线圈电流的控制，从而控制磁场强度，得到基于机械臂集成线圈的磁性导丝操纵系统。

当采用梯度线圈作为磁场发生器时，首先将定制的梯度线圈固定在机械装置上，然后采用主控台控制梯度线圈的电流，从而控制磁场强度与方向，实现对磁性导丝的远程操纵。

现有文献(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.)中公开采用梯度线圈作为磁场发生器，并将定制的梯度线圈固定在机械装置上，然后采用主控台控制梯度线圈的电流，从而控制磁场强度与方向，实现对磁性导丝的远程操纵。这种方法的缺点是采用梯度线圈作为磁场发生器时，其产生的磁场会由于梯度不均匀导致磁性导丝进行轻微的轴向运动，降低血管内磁性导丝递送精度，而在具有狭窄病变的脆弱血管中，递送精度是手术成功的基础。

采用机械臂固定永磁体的形式搭建磁性导丝操纵系统时，由于机械臂成本较高且操纵复杂，会使得系统制作成本居高不下，并严重影响临床推广与医生使用。此外，有研究表明，当采用机械臂集成线圈的方式时，产生的磁场动力学不稳定，不均匀的磁场梯度会生成牵引磁性导丝头端前进或后撤的拉力，而这种拉力引起的平移是难以控制的，在高精度血管内导航时存在手术风险。同样的，当采用梯度线圈作为磁场发生器时，其产生的磁场会由于梯度不均匀导致磁性导丝进行轻微的轴向运动，降低血管内磁性导丝递送精度。

综上，现有技术的缺陷在于：