一种影像引导式分区可控激光消融导管系统

本发明涉及介入医疗器械，具体涉及一种影像引导式分区可控激光消融导管系统及计算设备。

背景技术：

1、动脉粥样硬化导致的血管狭窄是心血管疾病的主要病理基础，传统如球囊扩张术和支架植入术介入治疗手段虽然广泛应用，但面对复杂的病变（如严重钙化、分叉病变）时，仍存在再狭窄、血栓形成及血管损伤等风险。激光消融技术因其非接触式、热效应可控等优点，在去除斑块、开通闭塞血管方面展现出巨大潜力。然而，多数的激光消融设备往往缺乏足够的视觉反馈和精细的动作控制，导致治疗过程如同“盲人摸象”。因此，开发一种能够实时成像、智能识别并精准控制能量输出的消融系统，对于提高介入手术的成功率、降低并发症发生率具有极其重要的临床意义。

2、目前临床上的血管内消融设备多依赖外部的x射线造影进行定位，x射线仅能显示血管的轮廓（“管腔”），而无法清晰显示血管壁内部的斑块性质、厚度及具体分布（“管壁”）。导致医生难以准确判断激光发射的时机和位置，容易造成对正常血管壁的过度损伤或对深层钙化斑块的消融不足。此外，由于通常采用全周向的能量输出模式，无法适应血管内斑块分布的不均匀性。例如，当斑块仅分布在血管的一侧时，全周向发射激光会无谓地损伤对侧的健康内膜，增加了术后血管痉挛和夹层的风险。在心脏跳动和呼吸运动下，导管在血管内的位置是动态变化的，有的定位技术难以有效抵消生理位移带来的误差，导致在复杂弯曲的血管中，治疗靶点容易发生偏移，影响手术精度。

3、为解决上述问题，本发明提出一种影像引导式分区可控激光消融导管系统，以避免对健康组织的误伤，提升手术安全性，确保消融效果的最优化。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供一种影像引导式分区可控激光消融导管系统及计算设备。

2、根据本发明的一个方面，提供了一种影像引导式分区可控激光消融导管系统，包括：

3、导管本体，其远端设有可经由血管路径到达靶病变部位的介入端，导管本体内沿轴向贯通设置一导丝腔，用以容置导丝进行导引；

4、多根消融光纤，沿导管本体的周向分布于导丝腔外围并沿轴向延伸至导管本体的远端；多根消融光纤在导管本体的横截面上划分为至少两个相互独立的光纤控制区，每个光纤控制区包含至少一根消融光纤且各光纤控制区独立控制其激光发射状态与发射参数；

5、超声探测单元，设置于导管本体的远端内部，包括至少一个超声换能器，用于向血管壁组织发射超声波束并接收回波信号，以实时获取包含靶斑块形态、位置、厚度及与导管相对空间关系的血管内超声影像数据；

6、多通道激光发生单元，通过近端连接器与多根消融光纤光学耦合，向各光纤控制区独立输出可调制的激光能量；

7、超声成像处理单元，与超声探测单元连接，用于接收回波信号并重建形成实时血管内超声图像；

8、控制单元，分别与超声成像处理单元及多通道激光发生单元通信连接，用于接收并处理实时血管内超声图像，分割出靶斑块的边界轮廓，确定靶斑块在血管周向上的分布范围、厚度分布以及相对于导管本体远端的位置信息；根据靶斑块的空间分布特征将导管本体横截面上的各光纤控制区与靶斑块在血管周向上所占的扇区进行空间匹配；根据每个光纤控制区对应的靶斑块局部特征，生成针对该光纤控制区的激光控制参数，激光控制参数包括该光纤控制区的启闭状态、输出功率、脉冲宽度和脉冲间隔；控制多通道激光发生单元按照生成的激光控制参数选择性启用与靶斑块空间位置相匹配的一个或多个光纤控制区发射激光，对未与靶斑块对应区域或邻近非靶组织区域对应的光纤控制区保持关闭或限制其输出，以实现对靶斑块的定向、分区、可塑形激光消融。

9、在一种可选的方式中，所述超声探测单元设置于所述导管本体远端的定位腔体内，与所述消融光纤呈周向交错嵌装布局，其包含至少一个高频阵列超声换能器及信号预处理模块；

10、其中，所述信号预处理模块与所述超声成像处理单元通过耐高温屏蔽线缆电连接，用于对超声换能器接收的微弱回波信号进行前置低噪声放大及模数转换处理，输出超声回波数字信号；

11、所述超声成像处理单元接收超声回波数字信号后通过三维波束合成与亚像素插值算法完成信号重构，生成包含靶斑块三维空间坐标矩阵、血管壁微结构特征参数及斑块血管壁界面间隙数据的血管内超声三维图像。

12、在一种可选的方式中，所述控制单元内置多模态靶斑块特征学习数据库，所述特征学习数据库根据临床病例数据训练生成，包括钙化斑块、纤维斑块、脂质斑块及混合性斑块对应的激光消融阈值曲线、最优消融参数组合及组织损伤风险系数矩阵；

13、所述控制单元通过高速总线与超声成像处理单元双向通信，在分割出靶斑块边界轮廓后提取包括靶斑块超声回声强度值、灰度共生矩阵特征参数、斑块密度分布指数的多维特征参数；以及，根据光纤控制区对应的靶斑块局部厚度梯度数据与组织损伤风险系数，动态调用适配的最优消融参数组合得到个性化激光控制参数。

14、在一种可选的方式中，所述导管本体远端嵌装有六轴惯性测量单元与电磁定位追踪探头；

15、其中，所述六轴惯性测量单元用于实时采集导管本体远端的空间位置坐标、姿态角度数据及位移加速度数据；所述电磁定位追踪探头用于校准导管本体的空间定位数据以抵消呼吸、心跳带来的位移误差；

16、所述控制单元根据超声成像处理单元传输的靶斑块精准空间坐标信息与校准后的空间定位数据计算导管与靶病变部位的实时位姿偏差值与位移偏差趋势。

17、在一种可选的方式中，所述导管本体的远端设有电磁定位传感器和分布式光纤布拉格光栅形状传感器，分别与导航定位单元电连接和光连接；

18、其中，所述电磁定位传感器用于获取导管在绝对空间中的位置坐标，所述光纤布拉格光栅传感器用于实时重构导管的弯曲形态信息，以根据所述位置坐标和所述弯曲形态信息消除测量漂移与误差；

19、所述导航定位单元输出导管远端在血管内的六自由度实时位姿至所述控制单元，所述控制单元预先通过仿射配准将所述实时血管内超声图像中的靶斑块空间分布图与血管三维解剖模型进行空间对齐；所述控制单元将所述六自由度实时位姿与所述血管三维解剖模型进行实时碰撞检测，生成按时间顺序应激活的光纤控制区序列及对应的激光参数；其中，在导管推进或旋转过程中，所述控制单元根据所述光纤控制区序列及对应的激光参数动态调整各光纤控制区的启闭时序和输出功率并在导管偏离轨迹时自动暂停消融并发出导航校正提示。

20、在一种可选的方式中，所述系统还包括闭环功率调节单元，所述控制单元在激光消融过程中通过所述闭环功率调节单元以固定时间间隔接收所述超声成像处理单元输出的动态血管内超声图像序列并对每一帧超声图像序列中的靶斑块边界轮廓进行分割，得到每个激活光纤控制区对应区域内的残存斑块厚度；

21、根据连续时间帧的残存斑块厚度滤除呼吸和心跳引起的运动伪影，得到去噪后的衰减序列，计算所述衰减序列在当前时刻的瞬时消融速率；

22、所述控制单元将所述瞬时消融速率与预设的期望消融速率进行比较，若瞬时消融速率小于期望消融速率，按比例增加对应光纤控制区的实时输出功率；若瞬时消融速率大于期望消融速率，按比例减小实时输出功率同时将功率调整量反馈至所述多通道激光发生单元以对抗组织不均匀性和血流冷却效应的恒速率消融。

23、在一种可选的方式中，所述控制单元在进行光纤控制区与靶斑块扇区空间匹配时，通过空间匹配度模型计算各光纤控制区与靶斑块扇区的匹配度；其中，所述空间匹配度模型的表达式为：

24、

25、其中，为第i个光纤控制区与第k个靶斑块扇区的空间匹配度；为第i个光纤控制区与第k个靶斑块扇区的空间交集区域；为第k个靶斑块扇区的整体空间区域；、、分别为超声回声强度、斑块密度、斑块厚度的影响权重；为血管内超声三维影像中空间坐标(x,y,z)处的超声回声强度值；为空间坐标(x,y,z)处的靶斑块密度分布指数；为空间坐标(x,y,z)处的靶斑块局部厚度值；为第i个光纤控制区的中心空间位置矢量；为第k个靶斑块扇区的中心空间位置矢量；为空间位置偏差修正系数。

26、在一种可选的方式中，所述闭环功率调节单元计算瞬时消融速率的计算公式为：

27、

28、其中，为t时刻的瞬时消融速率；为时间序列超声影像的帧数；为超声影像采集时间间隔；为时刻光纤控制区对应区域的残存斑块厚度；为t时刻光纤控制区对应区域的残存斑块厚度；为时间序列权重因子；为厚度衰减修正系数；为靶斑块初始厚度。

29、在一种可选的方式中，所述输出功率的计算公式为：

30、

31、所述脉冲宽度的计算公式为：

32、

33、所述脉冲间隔的计算公式为：

34、

35、其中，为第i个光纤控制区的个性化输出功率；为第i个光纤控制区对应靶斑块类型的激光消融阈值功率；为第i个光纤控制区对应区域的靶斑块超声回声强度值；为所有光纤控制区对应区域的超声回声强度平均值；为超声回声强度的标准差；、、分别为超声回声强度、斑块密度、斑块厚度的特征权重；为第i个光纤控制区对应区域的靶斑块密度；为所有光纤控制区对应区域的斑块密度平均值；为斑块密度的标准差；为第i个光纤控制区对应区域的靶斑块厚度；为所有光纤控制区对应区域的斑块厚度平均值；为斑块厚度的标准差；为组织损伤风险影响因子的数量；为第j个损伤风险影响因子的权重系数；为第i个光纤控制区对应区域的第j个损伤风险系数；为第i个光纤控制区的脉冲宽度；为基础脉冲宽度；为临床常见靶斑块的最大密度；为密度影响系数；为临床常见靶斑块的最大厚度；为厚度影响系数；、分别为超声回声强度的最大值和最小值；为第i个光纤控制区的脉冲间隔；为基础脉冲间隔；为回声强度影响系数；为密度修正指数；为基准斑块密度。

36、根据本发明的又一方面，提供了一种计算设备，包括：处理器、存储器、通信接口和通信总线，所述处理器、所述存储器和所述通信接口通过所述通信总线完成相互间的通信；

37、所述存储器用于存放至少一可执行指令，所述可执行指令使所述处理器执行上述影像引导式分区可控激光消融导管系统对应的操作。

38、根据本发明提供的方案，包括导管本体，其远端设有可经由血管路径到达靶病变部位的介入端，导管本体内沿轴向贯通设置一导丝腔，用以容置导丝进行导引；多根消融光纤，沿导管本体的周向分布于导丝腔外围并沿轴向延伸至导管本体的远端；多根消融光纤在导管本体的横截面上划分为至少两个相互独立的光纤控制区，每个光纤控制区包含至少一根消融光纤且各光纤控制区独立控制其激光发射状态与发射参数；超声探测单元，设置于导管本体的远端内部，包括至少一个超声换能器，用于向血管壁组织发射超声波束并接收回波信号，以实时获取包含靶斑块形态、位置、厚度及与导管相对空间关系的血管内超声影像数据；多通道激光发生单元，通过近端连接器与多根消融光纤光学耦合，向各光纤控制区独立输出可调制的激光能量；超声成像处理单元，与超声探测单元连接，用于接收回波信号并重建形成实时血管内超声图像；控制单元，分别与超声成像处理单元及多通道激光发生单元通信连接，用于接收并处理实时血管内超声图像，分割出靶斑块的边界轮廓，确定靶斑块在血管周向上的分布范围、厚度分布以及相对于导管本体远端的位置信息；根据靶斑块的空间分布特征将导管本体横截面上的各光纤控制区与靶斑块在血管周向上所占的扇区进行空间匹配；根据每个光纤控制区对应的靶斑块局部特征，生成针对该光纤控制区的激光控制参数，激光控制参数包括该光纤控制区的启闭状态、输出功率、脉冲宽度和脉冲间隔；控制多通道激光发生单元按照生成的激光控制参数选择性启用与靶斑块空间位置相匹配的一个或多个光纤控制区发射激光，对未与靶斑块对应区域或邻近非靶组织区域对应的光纤控制区保持关闭或限制其输出，以实现对靶斑块的定向、分区、可塑形激光消融。本发明避免了对健康组织的误伤，提升了手术安全性，确保消融效果的最优化。

39、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。