CN101902995B - 用于眼科手术系统的空气过滤器 - Google Patents

Abstract

在一种抽吸流量测量系统中，流道(108)被提供，用于经过其中接收抽吸流体流。流量测量系统还包括抽吸流量测量腔(102)和被构造成产生代表流体流经流道(102)的流率的原始信号的流量传感器。控制系统(200)被构造成监视代表通过流量测量腔(102)的流量的信号，并且判断原始信号(250)的值何时代表因存在空气泡而导致的扰动，其中，控制系统(200)产生流率的滤波信号(260)，其不含任何代表扰动的信号值。

Description

用于眼科手术系统的空气过滤器

技术领域

本发明涉及在手术泵系统中检测抽吸流率。更具体地讲，本申请针对眼科显微手术泵系统中的流量测量。

背景技术

本节中的陈述仅仅提供了与本申请公开内容有关的背景信息并且可能并不构成现有技术。

流体通过抽吸管的流量和流率在包括眼科手术在内的各种手术中是让人感兴趣的。在眼科显微手术中，小探头被插入手术部位，以便通过探头去除组织和可能注入手术部位的流体。输注流体也可以从手术部位抽吸。手术盒也可以耦合至手术探头，以实现收集抽吸流体。测量手术抽吸流率可能是有用的，因为其可用于实现安全控制眼科手术设备。然而，抽吸测量装置内空气泡的通过，以及其它因素，可能使得流率测量难以实现。

因此，希望在一次性手术盒中采用空气过滤或分流装置，以通过排除或极大地减少空气泡的任何影响而允许精确测量流率。

发明内容

本申请的公开内容涉及眼科手术系统，其中抽吸流量测量系统被提供。根据抽吸流量测量系统的一个实施方式，流道被提供，用于经过其中接收抽吸流体流。流量测量系统还包括抽吸流量测量装置，其被构造成产生代表流经流道的流体的流率的信号。控制系统被构造成监视由抽吸流量测量装置产生的信号，并且判断何时信号值代表因存在空气泡而引起的扰动，其中，控制系统产生代表流率的滤波信号，其不含任何代表扰动的信号值。

通过这里提供的描述可以理解其它可应用的领域。应当理解，这里的描述和实施例都只是用于解释的目的，而不能理解为限制本申请公开内容的范围。

附图说明

这里描述的附图只是用于解释的目的，而不能理解为以任何方式限制本申请公开内容的范围。

图1是根据本申请公开的原理的用于眼科手术系统的流动装置的一个实施方式中的壳体的一部分的剖切透视图；

图2示出了根据本申请公开的原理的包括抽吸流量测量传感器的操作台；

图3示出了抽吸流量测量信号的曲线图，反映出常态流动和出现扰动；

图4示出了抽吸流量测量信号的曲线图，反映出多次流动扰动出现；

图5示出了根据本申请公开的原理的原始抽吸流量测量信号和滤波流量测量信号的曲线图；

图6示出了根据本申请公开的原理的带有扰动的抽吸流量测量信号和滤波流量测量信号的曲线图；

图7示出了根据本申请公开的原理的带有扰动的抽吸流量测量信号超出了预定时段时的曲线图；

图8示出了根据本申请公开的原理的抽吸流量测量信号的曲线图，其中信号值表示流率中的高增加率或阶梯；

图9示出了原始数据信号具有很多与空气泡扰动相关的尖峰信号值，在扰动期间它们被从计算滤波信号排除；以及

图10示出了原始数据信号具有很多与空气泡扰动相关的尖峰信号值，它们被从滤波信号排除，其中在大于预定时段的扰动中有故障信号被输出；

图11示出了根据本申请公开的原理的流量测量信号滤波方法的流程图；以及

图12示出了根据本申请公开的原理的流量测量信号滤波的备选逻辑方法的信号图。

具体实施方式

下面的描述在本质上仅仅是示例性的，而不能理解为限制本申请公开内容、应用场合和使用方式。应当理解，在所有图中，相同的附图标记表示相似或相应的部件和特征。

在各种实施方式中，用于眼科手术系统的抽吸流量测量控制装置被提供，其被构造成过滤掉空气泡对流量测量的影响。眼科手术系统可以包含在盒中，该盒中可能组合有抽吸流量测量系统。眼科系统也可以具有反馈控制环路，其中来自抽吸流动路径中流量测量装置的信号被与期望的流率进行比较。信号然后被发送至真空控制装置，例如比例阀，以增加或减小流率。这样的盒或流量控制系统的一部分的例子被示于图1。局部的盒壳体100包括电极端子腔102，其具有入口104和出口106。盒的未示出部分主要有收集容器部分和连接管件，它们可以是任何已知眼科手术盒中的。通向电极端子腔的入口104与流道108连通，用于接收从手术部位抽吸的流体。流经电极端子腔102的流体一般包括导电盐溶液。电极端子腔102还包括第一和第二电极端子130和140，二者以彼此分隔的关系相对布置，用以产生至少一个代表流经电极端子腔102的流体流率的电信号。流体通过壳体100的端子腔的流量可以利用示于图2的操作台200中的霍尔效应传感器检测。流经壳体100的流体优选地被接纳到收集盒206中。霍尔效应传感器未被示于图1，但被描述于美国专利6,599,277和6,634,237中，这两个专利都被转让给本申请的受让人，并且通过引用并入本申请。霍尔效应传感器被相对于电极130和140操作性定位。

如示于图2，电极和霍尔效应传感器通过连接体204被连接至处理器202。然而，由于低磁场灵敏度，霍尔效应产生的电信号非常小，流体中的空气泡可能断开在端子处产生的信号，并且负面影响或临时眼科手术泵系统截止流量检测能力。由于霍尔传感器基于两个电极之间通过流体的导电率，因此空气泡会扰动传感器信号。小气泡可能通过扰乱电极之间的电场路径而产生信号干扰。类似地，大气泡可能通过遮断电极之间的导电率或路径而产生信号干扰。应当指出，任何影响都与信号的幅值无关。

根据本申请的一个方面，流量测量控制系统被构造成识别抽吸流体流中存在空气泡，或检测流量测量信号中的反映抽吸流体流中具有空气泡的一部分信号。当空气泡存在或靠近流量检测电极端子130和140时产生的抽吸流信号的这些部分或片段可能会在所检测的流率信号中引起误差峰值，如示于图3。

参看图3，反映出在零ml/min以上的常态流率的抽吸流量测量信号的曲线图被示出。起始于大约21.95秒且终止于大约22.1秒的抽吸流信号部分包括超出了50ml/min流率的异常峰值。这种信号峰值代表出现了存在于或靠近流动腔102的空气泡。

在可行的情况下，流量测量控制系统被构造成去除当空气泡存在于或靠近流动腔102时产生的流动信号的非自然或错误部分。通过如此去除，使得滤波信号被提供，如示于图4。滤波信号不受由抽吸流量测量装置产生的原始信号(示于图4)中的任何峰值的影响。

这一特点具有显著意义，因为空气泡可能引起浪涌或顺应性问题，或表示接头装配松脱。检测与空气泡相关的信号扰动因此能够使得眼科手术过程更安全。此外，提供因存在泡导致的流动信号误差或非自然值使得任何依赖于流量计信号的控制系统的操作鲁棒性更高，这是因为原始信号250被转换为滤波信号260，这种滤波信号能精确地反应出流率的升高，而不会有示于图5的原始信号250中的峰值或波动的影响。

根据本申请公开内容的另一个方面，用于检测和消除抽吸流量测量信号错误部分的算法被提供。该算法主要利用滤波器来处理信号以便应对空气泡引起的信号扰动。在流量测量控制系统的第一实施方式中，控制系统或算法采用了大约0.1秒长度的中值滤波器，如示于图6，其中，扰动时段被示出在270。上述中值滤波器被发现可以有效地去除由于除最大空气泡之外所有空气泡引起的扰动。0.1秒中值滤波器还可以以快速的连续性处理多个气泡。此外，滤波器可平抑流动信号中的杂波，杂波主要是由于交流电源线电压引起的干扰导致的。

上面公开的实施方式采用了中值滤波器，而非线性均值滤波器，但线性均值滤波器也可以被采用，或采用中值滤波和均值滤波的组合。例如，算法可以对流率值的第40和第60百分点之间的信号数据窗进行平均。0.1秒第一实施方式中的中值滤波器是优选的滤波器实施方式，因为它能快速响应于信号扰动或单调瞬变(例如-流动中的阶梯，如示于图8)。

更具体地讲，第一实施方式中的算法基于为信号尺寸、随时间变化率(一阶导数)、加速度(二阶导数)设定阈值或上述中两项阈值的组合来检测信号扰动。信号尺寸和变化率可以例如利用一阶导数(随时间变化率)和二阶导数获得。

关于控制系统的信号处理，第一实施方式中的原始流量测量信号优选以500Hz采样或输出。在每个测量样本中，二次函数被拟合于10个样本的窗口。10样本的窗口对应于交流电周期(50Hz)，并且因此而不敏感于电源主电压或线电压波形换相引起的正弦波动。拟合产生了系数c0(常数项)，c1(线性项)和c2(二次项)，它们被置入3×1矢量矩阵：

$c=\left(\begin{array}{c}c0\\ c1\\ c2\end{array}\right)$

在校正过程中，c的平均值

及其协方差矩阵C被从代表常态操作条件(即-常态流动瞬变，且没有信号扰动)的数据计算出来。从常态操作条件，

可以设置为零，并且C设置为下面的对角矩阵：

$C=\left(\begin{array}{ccc}{n}^2& 0& 0\\ 0& {\left(\mathrm{nf}\right)}^2& 0\\ 0& 0& {\left({\mathrm{nf}}^2\right)}^2\end{array}\right)$

其中，n为测量到的流动信号的典型杂波幅值，f是与二次拟合的窗口长度相关的特征频率(对应于50Hz的10个样本的窗口)。

当满足下述条件时，判断为信号扰动：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{{(c-\stackrel{\‾}{C})}^T{C}^1(c-\stackrel{\‾}{C})}\≥3---\left(1\right),$ 或

c0＜零               (2)

其中第一条件(1)说明信号不同于常态行为超过三个标准差，而第二条件(2)说明流量测量为负值。第一条件(1)因此而设定了一个信号幅值阈值，超过它就判断为发生了信号扰动。第二条件(2)表明信号扰动，这是因为在用于眼科手术过程的抽吸流动应用中不大可能出现负向流动。然而，在其它应用中，如果负向或反向流动状态可能出现，则第二条件(2)可以取消。

在某个值超出了阈值时，控制系统可以利用上面的信号处理等式来判断出现扰动。或者，在检测到非寻常的高流率、非寻常高流率变化率和非寻常的高二阶导数或它们的组合时，控制系统可以判断出现扰动。

优选地，控制系统被构造成基于落在预定时段内的预定数量的信号样本值计算滤波信号，其中任何代表空气泡扰动的信号值样本被排除，以使得滤波信号基于样本预定时间内的剩余信号值。在优选实施方式中，50个样本的窗口被用于计算滤波信号。那些被判断出发生信号扰动的样本被排除，并且滤波信号为剩余样本的中值。如果全部50样本被判断为扰动，从而使得中值滤波器没有任何扰动中的数据可供处理，则可以输出有故障(出错)信号。因此，在长信号扰动出现的情况下，控制系统被构造成输出有故障信号。

参看图7，当抽吸流量测量信号包括持续超过0.1秒中值窗口长度的信号扰动280时，中值滤波器将不能消除扰动。在这种情况下，当大比例的0.1秒窗口具有信号扰动时，算法产生将被输出的有故障信号。使用中值滤波器将延迟滤波信号的输出，以使得有故障信号样本可以被排除。对于50个样本的中值窗口(用于计算滤波器信号)，滤波信号从原始信号延迟25个样本，即延迟0.05秒。已发现中值滤波器的这一时间响应特别有利于在窗口中单调的瞬变，例如对于阶梯函或数流率的阶梯增加。等于或小于窗口尺寸的时段内的振荡被极大地衰减。对于50个样本的窗口，这意味着10Hz和以上的振荡被衰减。类似地，小于25个样本的信号峰值，或0.05样本的持续时间，被忽略。

当流动算法输出有故障信号时，控制系统可以响应于有故障信号，并且以两种方式之一进入安全模式。对于短时段(例如＜1秒)，算法或控制系统可以假定系统具有固定流动阻力，并且假定压力和施加压力的流量之间具有恒定的比例。压力与系统(或医师)所需的流率成正比。在确定压力时，前一时段(例如前30秒或前一分钟)中测量的最低测得流动阻力将为适于使用的可靠值，并且不会产生过高压力。在长时段(例如＞1秒)中，控制系统可以转到真空模式，并且警告医师所述流量测量故障和向真空模式的切换。

图8至10示出了算法和控制系统所产生的结构的例子。在图8中，信号值代表高增加率，或增加率超过了阈值，这引起控制系统或算法判断出扰动，其中呈现出急剧流率增加。图9示出了原始数据信号具有振荡和很多峰值，其中峰值是与空气泡相关的。控制系统或算法检测和消除与峰值相关的信号值，以提供或输出滤波信号，如示于图9。

控制系统优选被构造成在出现多个超出预定阈值的相继信号样本时产生代表空气泡扰动的信号。参看图10，控制系统或算法可以检测超出阈值或代表高增加率的信号值，并且从滤波信号的计算中排除这些信号值，以提供在峰值期间不显著变化的滤波信号。原始信号中的被判断为存在扰动的部分以沿着水平时间轴的粗实线段290表示。

控制系统还被构造成在检测到代表空气泡扰动的一定数量信号样本后产生有故障信号，该数量的信号持续得长于预定时段。在扰动大于预定时段或样本测量的窗口时，控制系统输出有故障信号，其在图10中以水平时间轴上的空心线段295表示。

参看图11，可被处理器202执行的逻辑流程图被示出。流程图的开始意味着接收到原始传感器信号信息，其中信号样本要求以500Hz的频率进行采集。在步骤300，流程图存储从流量传感器采集的原始信号样本值。在步骤310，二次函数可被拟合于，例如，10个最近存储的样本。标准差值可在步骤320被计算，以判断阈值是否被计算值或信号值超过。应当指出，校正过程可在工厂中被初始实施，该校正可以判断信号矢量的平均值和协方差矩阵，用于例如在公式(1)中确定标准差值。例如，可仅从流动信号值例如非寻常高流率、非寻常高的流率变化率或加速度利用阈值而检测到信号扰动。在示于图11的逻辑图中，信号扰动优选在步骤330中被检测，其中信号样本不同于常态行为超过三个标准差(当标准差值＞3)，或样本表示负流量值(流量＜0)。

如果原始信号样本被判断为超过阈值，如前面所解释，原始信号样本被标记或在步骤340中被从滤波信号的计算中排除。在步骤340，逻辑图或算法使用例如50个样本的窗口(0.1秒中值滤波器，基于500Hz样本频率)来建立中值滤波器窗口，并且基于50个样本的计算滤波信号窗口。基于50个样本的窗口计算的滤波信号被从原始信号延迟25个样本，并且排除任何超过代表因存在空气泡而引起扰动的阈值的样本。在步骤350，算法判断超过阈值的相继信号样本的数量是否大于50样本。如果小于50，基于不超过阈值的样本的滤波信号在步骤360被输出。对于扰动大于50个样本的中值窗口长度或0.1秒的信号，中值滤波器将不能去除扰动。因此，在相继的信号样本的数量超出了50后，有故障信号在步骤370被输出。

如示于图10，当信号扰动被检测到后，扰动以时间轴上的粗实线段290表示，有故障信号以水平时间轴上的空心线段295表示。

利用上面的过程，在等于或小于窗口尺寸的时段内的振荡被极大地抑制。例如，对于50个样本的窗口，频率为10Hz和以上的振荡被衰减。小于25个样本的信号峰值被排除和忽略。这样，上面的过程可被包含在抽吸流量测量信号的滤波方法中。该方法使得通过流道接收抽吸流体流动，并且产生代表流体流经流道的流率的原始信号。该方法包括下述步骤：监视由抽吸流量传感器产生的原始信号，以基于何时信号值超出了预定阈值而判断何时出现代表因存在空气泡而引起的扰动的信号值。根据该方法，控制系统优选监视原始信号。该方法包括下述步骤：控制代表流率的滤波信号的产生，滤波信号中不含任何代表扰动的信号值。上述方法或控制系统可被构造成在出现多个超过预定阈值的相继信号样本期间产生代表空气泡扰动的信号。上述方法或控制系统可被构造成在检测到代表空气泡扰动持续超过预定时段的多个信号样本后产生有故障信号。

参看图12，信号图被示出，以体现一种可由控制器或处理器执行的备选逻辑方法。该方法首先在步骤410将二次函数拟合于选定的“N”个样本的窗口，以确定变量C0、C1和C2，然后，在步骤420计算与窗口中的样本相关的偏差。在步骤430中在阈值被超过的情况下，例如当计算偏差不同于常态行为多于三个标准差时，扰动值对于给定样本设置为等于1；否则扰动值设置为0。该方法接下来在步骤440判断50个样本的窗口中的扰动样本的数量是否大于40，并且相应地设定误差值等于1。在步骤450，基于N个样本(例如可能是50样本)的中值的窗口中的无扰动样本的中值判断滤波信号。在步骤460中，在扰动样本的数量超出了40后，有故障信号被输出，后则滤波信号在步骤470被输出。应当指出，当50个样本中值滤波器中无扰动样本的数量太少而无法可靠地判断中值时，有故障信号被输出，并且所消除的扰动样本并不需要是导致有故障信号的依次相继的。

从上面的描述可以理解，通过构造出第一和第二流道以从一股流体流分离空气泡，从而防止空气泡流到抽吸流量测量装置，本发明提供了对抽吸流量控制的改进。本发明在这里仅以示例的方式示出，本领域技术人员可以作出各种修改。

可以认为，从上述的描述可清楚地得知本发明的操作和构成。虽然前面展示和描述的设备和方法在性能方面是优选的，但在不脱离权利要求中限定的本发明精神和范围的前提下可以作出各式各样的变化和修改。

Claims (17)

1.一种用于眼科显微手术系统的抽吸流量测量系统，包括：

流道，用于通过其中接收抽吸流体流；

抽吸流量测量装置，其被构造成产生代表流经流道的流体的流率的信号；以及

控制系统，其被构造成监视由抽吸流量测量装置产生的信号，并且判断何时信号值代表因存在空气泡而引起的扰动，其中，控制系统产生代表流率的滤波信号，所述滤波信号不含任何代表扰动的信号值。

2.如权利要求1所述的抽吸流量测量系统，其中，控制系统被构造成基于信号值何时超出了预定阈值来判断何时信号值代表因存在空气泡而引起的扰动。

3.如权利要求2所述的抽吸流量测量系统，其中，控制系统被构造成判断何时信号值代表所检测的流率超出了预定值。

4.如权利要求1所述的抽吸流量测量系统，其中，控制系统被构造成判断何时信号值代表所检测的流率的变化率超出了预定值。

5.如权利要求1所述的抽吸流量测量系统，其中，滤波信号基于落在预定时段内的预定数量的信号样本值，其中任何代表空气泡扰动的信号值样本被排除，以使得滤波信号基于预定时间内的剩余信号值样本。

6.如权利要求1所述的抽吸流量测量系统，其中，控制系统被构造成在检测到出现多个相继的信号样本超过预定阈值后产生代表空气泡扰动的有故障信号。

7.如权利要求1所述的抽吸流量测量装置，其中，控制系统被构造成判断何时在给定时段内有超出预定数量的信号值代表空气泡扰动，并且对此作出响应而输出有故障信号。

8.如权利要求1所述的抽吸流量测量系统，其中，利用算法将二次函数拟合于一组信号值样本，并且基于何时信号与该组信号值的平均值之间的差异超过预定标准差数值来判断何时信号值代表空气泡扰动。

9.如权利要求1所述的抽吸流量测量系统，其中，控制系统被构造成判断何时多个信号值代表空气泡扰动的发生超过一秒，并且对此作出响应而转换到真空模式，并且输出有故障信号以警告医师出现扰动。

10.一种用于眼科显微手术系统的抽吸流量测量系统，包括：

流道，用于通过其中接收抽吸流体流；

抽吸流量传感器，其构造成产生代表流经流道的流体的流率的信号；以及

控制系统，其被构造成监视由抽吸流量传感器产生的信号，并且基于何时信号值超出了预定阈值而判断何时信号值代表因存在空气泡而引起的扰动，其中，控制系统产生代表流率的滤波信号，所述滤波信号中不含任何代表扰动的信号值。

11.如权利要求10所述的抽吸流量测量系统，其中，控制系统被构造成判断何时信号值代表所检测的流率超出了预定值。

12.如权利要求10所述的抽吸流量测量系统，其中，控制系统被构造成判断何时信号值代表所检测的流率的变化率超出了预定值。

13.如权利要求10所述的抽吸流量测量系统，其中，滤波信号基于落在预定时段内的预定数量的信号样本值，其中任何代表空气泡扰动的信号值样本被排除，以使得滤波信号基于预定时间内的剩余信号值样本。

14.如权利要求10所述的抽吸流量测量系统，其中，控制系统被构造成消除落在预定时段内的代表空气泡扰动的信号值。

15.如权利要求10所述的抽吸流量测量系统，其中，控制系统被构造成在检测到出现多个相继的信号样本超过预定阈值后产生代表空气泡扰动的有故障信号。

16.如权利要求10所述的抽吸流量测量装置，其中，控制系统被构造成判断何时在给定时段内有超出预定数量的信号值代表空气泡扰动，并且对此作出响应而输出有故障信号。

17.如权利要求10所述的抽吸流量测量系统，其中，利用算法将二次函数拟合于一组信号值样本，并且基于何时信号与该组信号值的平均值之间的差异超过预定标准差数值来判断何时信号值代表空气泡扰动。

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