基于双向流固耦合与压电效应的内窥导管系统

本发明属于组织生物力学检测，涉及一种基于双向流固耦合与压电效应的内窥导管系统。

背景技术：

1、心血管手术和肾结石手术等微创手术在现代医学实践中已成为关键的治疗手段，手术过程中对于狭窄管腔内流体动力学特征与应力特征，以及术中使用的导管形态变化等信息对于术中决策有着至关重要的作用。

2、目前临床上主要依赖于传统内窥镜、造影和腔内影像学等评估手段间接实现对以上关键信息的采集，对于腔体内流体动力学等信息实时监测不够精准，不能够提供及时的关键信息以指导手术。

3、现有检测技术多集中于单一维度的信息，内窥镜仅提供了狭窄管腔的视觉信息，缺乏更多维度的信息，且在手术过程中容易被组织等遮挡导致视野丢失；造影和腔内影像学仅能提供静态的解剖信息，缺乏对动态生理学参数的准确监测，对于手术过程中实时变化的生理参数，难以通过以上手段来进行及时采集和反馈，存在一定的局限性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于双向流固耦合与压电效应的内窥导管系统。旨在实现对微创手术过程中对于狭窄管腔内流体动力学特征与应力特征，以及术中使用的导管形态变化等信息的实时采集与反馈。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、基于双向流固耦合与压电效应的内窥导管系统，该系统由牵引导管、柔性压电传感器组、牵引导管、控制电路构成；

4、柔性压电传感器由上层铜箔、柔性镀银压电基材、下层铜箔叠合而成，通过上层铜箔和下层铜箔引出压电信号传输导线；

5、16个柔性压电传感器分为4组均匀分布且贴合于牵引导管前端位置，管腔内部设压电信号线和压电共地线；

6、系统配置16通道柔性压电数据采集与预处理电路、信号传输电路；4组压电传感器在1hz-20hz频率下工作，所采集的传感器数据为16个时序压电信号，即16个pvdf传感器表面的动态应力荷载。

7、进一步，所述柔性压电数据采集与预处理电路中，数据采集流程为，将内窥导管置入狭窄管腔后，由于管腔内液体流动或者内窥导管使用者主动操作，使得内窥导管在狭窄管腔内被动或者主动得进行弯曲、拉伸和旋转的应变运动，系统将运动时间段下的传感器数据输出至信号处理与系统控制终端，经过预处理的数据将实时输送至上位机。

8、进一步，系统在既定频率下采集的m帧原始数据为16个时序压电信号，构成4×4×m的信号矩阵，将信号矩阵选通后进行模数转换，分析信号的频率域特征，从而获得导管4个纵向和4个环向的实时压力变化情况。

9、进一步，当使用者无主动操作即导管由于管腔内液体流动而被动运动时，此时得双向流固耦合应力场由狭窄管腔内液体湍流、导管应力载荷、柔性压电薄膜应力载荷、柔性压电薄膜应变电荷输出耦合而成，通过对16个压电信号的实时变化情况进行分析，建立柔性压力传感输出值与导管外表面压力载荷的数学联系，便可重构导管所处位置的压力与流速实时图像。

10、进一步，当所述管腔内部无局部狭窄时，管腔内液体的流动速度相对均匀，此时4组环状分布的柔性压电传感器所受的压力比值近似为1；

11、当所述管腔内发生局部狭窄时，流经局部狭窄处流速降低，导致前端柔性压电传感器所受压力值变小，此时4组环状分布的柔性压电传感器所受的压力比值小于1；

12、建立柔性压力传感输出值与管腔内狭窄程度的对应关系，得到导管所处位置管腔内局部狭窄情况。

13、进一步，所述内窥导管使用者主动操作时，内窥导管发生弯曲应变运动，通过分析在弯曲应变运动下狭窄管腔内液体湍流、导管弹性应变、柔性压电薄膜弹性应变、压电薄膜力电耦合机制，建立柔性压力传感输出值与导管弯曲应变的对应关系，得到对导管形态的实时监测。

14、本发明的有益效果在于：本发明能够反应当前传感器所处狭窄管腔的关键点流体动力学特征分布，特别是局部狭窄出的力学微变特性，通过该模型进行的动态重构可以对局部狭窄进行精准定位，以实现对狭窄管腔及导管模型的三维空间形态重构，从而为微创手术提供更多有效信息

15、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.基于双向流固耦合与压电效应的内窥导管系统，其特征在于：该系统由牵引导管、柔性压电传感器组、牵引导管、控制电路构成；

2.基于权利要求1所述的基于双向流固耦合与压电效应的内窥导管系统，其特征在于：所述柔性压电数据采集与预处理电路中，数据采集流程为，将内窥导管置入狭窄管腔后，由于管腔内液体流动或者内窥导管使用者主动操作，使得内窥导管在狭窄管腔内被动或者主动得进行弯曲、拉伸和旋转的应变运动，系统将运动时间段下的传感器数据输出至信号处理与系统控制终端，经过预处理的数据将实时输送至上位机。

3.基于权利要求2所述的基于双向流固耦合与压电效应的内窥导管系统，其特征在于：系统在既定频率下采集的m帧原始数据为16个时序压电信号，构成4×4×m的信号矩阵，将信号矩阵选通后进行模数转换，分析信号的频率域特征，从而获得导管4个纵向和4个环向的实时压力变化情况。

4.基于权利要求3所述的基于双向流固耦合与压电效应的内窥导管系统，其特征在于：当使用者无主动操作即导管由于管腔内液体流动而被动运动时，此时得双向流固耦合应力场由狭窄管腔内液体湍流、导管应力载荷、柔性压电薄膜应力载荷、柔性压电薄膜应变电荷输出耦合而成，通过对16个压电信号的实时变化情况进行分析，建立柔性压力传感输出值与导管外表面压力载荷的数学联系，便可重构导管所处位置的压力与流速实时图像。

5.基于权利要求4所述的基于双向流固耦合与压电效应的内窥导管系统，其特征在于：当所述管腔内部无局部狭窄时，管腔内液体的流动速度相对均匀，此时4组环状分布的柔性压电传感器所受的压力比值近似为1；

6.基于权利要求4所述的基于双向流固耦合与压电效应的内窥导管系统，其特征在于：所述内窥导管使用者主动操作时，内窥导管发生弯曲应变运动，通过分析在弯曲应变运动下狭窄管腔内液体湍流、导管弹性应变、柔性压电薄膜弹性应变、压电薄膜力电耦合机制，建立柔性压力传感输出值与导管弯曲应变的对应关系，得到对导管形态的实时监测。

技术总结本发明涉及一种基于双向流固耦合与压电效应的内窥导管系统，属于组织生物力学检测技术领域。该系统由牵引导管、柔性压电传感器组、牵引导管、控制电路构成；柔性压电传感器由上层铜箔、柔性镀银压电基材、下层铜箔叠合而成，通过上层铜箔和下层铜箔引出压电信号传输导线；本发明能够反应当前传感器所处狭窄管腔的关键点流体动力学特征分布，特别是局部狭窄出的力学微变特性，通过该模型进行的动态重构可以对局部狭窄进行精准定位，以实现对狭窄管腔及导管模型的三维空间形态重构，从而为微创手术提供更多有效信息。技术研发人员：冉鹏,焦追追,刘薇,赖映兵,刘磊,钟莹受保护的技术使用者：重庆邮电大学技术研发日：技术公布日：2024/9/17