CN103536362A - 手术刀空间轨迹的物联预测控制方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种手术刀空间轨迹的物联预测控制方法与系统以及一种伸缩式手术刀的手柄装置，该手柄装置包括刀柄主体和位于主体内的刀柄控制系统，该刀柄控制系统包括微控制器、电磁传动装置、探测器、无线信号收发器和电源，电源提供前述微控制器、电磁传动装置、探测器和无线信号收发器的工作电压，其中：微控制器用于控制手术刀的工作模式并发出控制信号，电磁传动装置用于根据前述控制信号驱动手术刀伸缩，探测器用于检测手术刀的空间位置，无线信号收发器用于与外部的通讯和交互。本发明的技术方案基于外科手术刀空间轨迹的全方位物联预测控制和外科临床环境信息的监测控制，提供可控外科手术刀满足抗环境动态抖动的解决方案。

Description

手术刀空间轨迹的物联预测控制方法与装置

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体而言涉及一种手术刀空间轨迹的物联预测控制方法与装置。

背景技术

外科手术器械当中，手术刀无疑是应用最为广泛的一种，它几乎是在外科手术操作过程中，在组织或器官上造成切口的唯一工具，而如何在不稳定医疗手术环境中安全正确使用手术刀进行手术急需相关技术提供支持。目前在世界范围研发的外科手术安全控制与分析技术主要集中在：从手术力学分析入手，借助于外科手术医务人员的实际临床操作经验，通过手术器械仿真和改进手术刀具以安全有效地进行各种手术，形成应付各种突发情况的方法，根据功能不同，改进后的外科手术方法和刀具具有特殊的功能，而国内外外科手术刀安全控制与分析技术相关的研究包括，基于虚拟外科手术系统的仿真手术刀设计，临床手术的三维跟踪实现和基于手术力学分析的多功能外科手术刀具等方面。

现有的外科临床用手术刀以及改进后的多功能手术刀，只是完成简单的外科临床手术安全操作辅助功能，对手术刀轨迹的异常识别能力有限，无法对环境的不稳定和手术空间切割区域进行全方位的实时全权监控，而基于虚拟外科手术系统的仿真手术刀，能够完成复杂的外科手术动作分析，但仿真结构复杂，主要完成一些特定的分析任务，不是针对外科临床手术全方位的实时全权监控设计的，临床手术刀通过三维跟踪实现的智能化程度也有限，并且无法感知外科临床手术环境信息，不能对外科临床手术情况进行实时综合分析，从而进行全方位的监控服务。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在于提供一种手术刀空间轨迹的物联预测控制方法与系统，基于外科手术刀空间轨迹的全方位物联预测控制和外科临床环境信息的监测控制，提供可控外科手术刀满足抗环境动态抖动的解决方案。

本发明的另一目的在于提供一种伸缩式手术刀的手柄装置。

为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种伸缩式手术刀的手柄装置，包括刀柄主体和位于主体内的刀柄控制系统，该刀柄控制系统包括微控制器、电磁传动装置、探测器、无线信号收发器和电源，电源提供前述微控制器、电磁传动装置、探测器和无线信号收发器的工作电压，其中：前述微控制器用于控制手术刀的工作模式并发出控制信号，前述电磁传动装置用于根据前述控制信号驱动手术刀伸缩，前述探测器用于检测手术刀的空间位置，前述无线信号收发器用于与外部的通讯和交互。

进一步，前述手柄装置还包括一模式控制开关连接至前述微处理器，用于从外部可接近地操作以设定手术刀的工作模式。

进一步，前述探测器自动或可控制地检测手术刀的空间位置，并通过前述无线信号收发器发送检测信号。

进一步，前述无线信号收发器自动或可控制地接收外部主控设备发送的对手术刀的控制命令信号，前述微处理器根据该控制命令信号控制电磁传动装置实现对手术刀的伸缩控制。

进一步，前述电源为可充电式电池，容纳在一电池盒内。该电池盒全部或至少部分地容纳在刀柄主体内。

进一步，前述手柄装置还包括一个或多个指示器，该指示器置于前述刀柄主体表面上或刀柄主体内并由微处理器控制，微处理器基于手术刀的不同工作模式和/或前述电源的工作状态而激活所述指示器以提供视觉指示。

本发明的另一方面还提出一种手术刀空间轨迹的物联预测控制系统，包括伸缩式手术刀、刀柄控制系统以及手术刀空间主控系统，刀柄控制系统与手术刀空间主控系统之间通过各自的无线信号收发器建立信号传输链接，其中：

刀柄控制系统包括微控制器、电磁传动装置、探测器和第一无线信号收发器，前述微控制器用于控制手术刀的工作模式并发出控制信号，前述电磁传动装置用于根据前述控制信号驱动手术刀伸缩，前述探测器用于检测手术刀的空间位置；

手术刀空间主控系统具有一手术刀空间物联控制装置，该装置包括环境动态平衡传感器、平衡分析模块、模式分析模块、手术刀伸缩控制指令模块和第二无线信号收发器，前述平衡分析模块基于环境动态平衡传感器检测的手术环境判断稳定状态，存在异常状态时通过第二无线信号收发器向刀柄控制系统发送安全控制指令信号，前述模式分析模块基于前述探测器检测的空间位置信号与预设手术方案轨迹的比较结果，控制通过前述第二无线信号收发器向刀柄控制系统发送手术刀工作模式驱动控制指令信号，前述安全控制指令信号和手术刀工作模式驱动控制指令信号在手术刀伸缩控制指令模块中生成；

前述刀柄控制系统中的微控制器基于前述安全控制指令信号或手术刀工作模式驱动控制指令信号控制电磁传动装置驱动手术刀伸缩。

进一步，前述手术刀工作模式驱动控制指令信号中包括手术刀的伸缩距离和伸缩速度信号。

进一步，前述模式分析模块以手术刀的空间位置作为预测控制量，采用PID型反馈控制进行比较分析。

进一步，前述手术刀空间物联控制装置包括一个或多个指示器，配置为根据前述安全控制指令信号或手术刀工作模式驱动控制指令信号激活以提供视觉指示。

进一步，前述手术刀空间物联控制装置还包括一告警处理模块，根据前述平衡分析模块或模式分析模块的输出信号激活前述指示器和/或一蜂鸣器以提供告警。

本发明的另一方面还提出一种手术刀空间轨迹的物联预测控制方法，该系统包括伸缩式手术刀、刀柄控制系统以及手术刀空间主控系统，该方法包括以下步骤：

1）检测外科手术环境的稳定状态，判断手术环境是否存在平衡异常；

2）检测手术刀的空间位置，并将空间位置信号发送至手术刀空间主控系统；

3）手术刀空间主控系统将空间位置信号与预设的手术方案轨迹的比较，进行反馈控制输出手术刀工作模式驱动控制指令信号并发送至刀柄控制系统；

4）刀柄控制系统根据前述指令信号控制手术刀伸缩。

进一步，前述方法中，如果判断手术环境存在平衡异常，则发送安全控制指令信号至刀柄控制系统，刀柄控制系统根据该指令信号控制手术刀自动缩回手术刀刀柄内锁定。

进一步，前述方法中，手术刀空间主控系统内以手术刀的空间位置作为预测控制量，采用PID型反馈控制进行比较分析。

进一步，前述方法中，还设置有一个或多个指示器，配置为根据手术刀空间主控系统的输出以激活从而提供视觉指示。

进一步，前述方法中，前述指示器为LED。

由以上本发明的技术方案可知，本发明的有益效果在于通过系统的反馈和控制，综合分析处理，发出对应指令控制手术刀的伸缩，建立起一个有效的伸缩式外科手术刀安全操作可控工作模式，通过外科手术刀空间轨迹的全方位物联预测控制，可以有效防止误操作；而且能够通过动态平衡传感器感知外科临床环境信息，从而对手术刀进行更为全面的监控，特别是在医疗实施环境难以预测状态时，例如机动应急和环境不稳定状态下：将易于提供复杂临床手术环境需要相对稳定和轨迹安全控制的手术刀操作保护。因此大大提升了外科临床手术的安全能力，并且具有比较稳定、效率更高的优点。

附图说明

图1为收缩式手术刀刀柄装置的优选结构示意图。

图2为手术刀空间轨迹的物联预测控制系统的优选系统结构图。

图3为图2实施例中手术刀空间物联控制装置的优选结构示意图。

图4为图2实施例中无线信号传输示意图。

图5为图1实施例中手术刀空间轨迹的物联预测控制系统的实现原理示意图。

图6为图2实施例中反馈控制的原理图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

如图1所示，伸缩式手术刀的手柄装置包括刀柄主体2和位于主体内的刀柄控制系统，刀柄主体2与外科手术用的伸缩式手术刀连接1，该刀柄控制系统包括微控制器3、电磁传动装置4、探测器5、第一无线信号收发器6和电源7，电源7提供前述微控制器3、电磁传动装置4、探测器5和第一无线信号收发器6的工作电压，其中：微控制器3用于控制手术刀的工作模式并发出控制信号，电磁传动装置4用于根据微控制器发处的控制信号驱动手术刀1伸缩，手术刀空间运动轨迹探测器5用于检测手术刀的空间位置，从而可以得到手术刀的轨迹，第一无线信号收发器6用于与外部的通讯和交互。

参考图1，手柄装置还包括一模式控制开关8，连接至微处理器3，用于从外部可接近地操作以设定手术刀的工作模式。

电磁传动装置4基于手术刀的不同工作模式，由前述微处理器3控制并驱动手术刀伸缩的距离和速度、并能在安全模式下将手术刀自动缩回手柄内锁定。

探测器5自动或可控制地检测手术刀的空间位置，并通过前述第一无线信号收发器6发送检测信号。第一无线信号收发器6自动或可控制地接收外部主控设备发送的对手术刀的控制命令信号，微处理器3根据该控制命令信号控制电磁传动装置实现对手术刀的伸缩控制。

优选地，电源7为可充电式电池，例如锂基质可充电电池、镍镉电池、镍氢电池等，容纳在一电池盒内。较佳地，该电池盒全部或至少部分地容纳在刀柄主体2内。

参考如1所示，手柄装置还包括一个或多个指示器9，该指示器9置于刀柄主体2的表面上或位于刀柄主体内并由微处理器3控制，微处理器3基于手术刀的不同工作模式和/或前述电源7的工作状态而激活所述指示器以提供视觉指示。本实施例中，指示器9包括多个LED指示灯，分别用于提供多个工作模式以及电源7的状态信息，便于医生观察。

参考图2所示，前述手柄装置中的手柄控制系统通过物联无线网络与一手术刀空间主控系统连接，形成手术刀空间轨迹的物联预测控制系统，结合图1和图2-4所示，手术刀空间轨迹的物联预测控制系统包括伸缩式手术刀1、刀柄控制系统2以及手术刀空间主控系统10，刀柄控制系统与手术刀空间主控系统10之间通过各自的无线信号收发器建立信号传输链接，实现信号交互。较佳地，本实施例中，前述物联无线网络为近距离无线通讯链路，前述第一和第二无线信号收发器为近距离无线通讯装置。

如图3所示，手术刀空间主控系统10具有一手术刀空间物联控制装置，该手术刀空间物联控制装置包括环境动态平衡传感器11、平衡分析模块12、模式分析模块13、指令生成器14、信号转换器15、告警处理模块16、第二无线信号收发器17、模式选择模块18以及电源19，当然手术刀空间主控系统10还可以设置有一个或多个指示器20。其中，指令生成器14构成手术刀伸缩控制指令模块。

环境动态平衡传感器11，例如三维平衡状态检测传感器，用于感知环境三维平衡姿态以检测外科临床手术环境的稳定性；平衡分析模块12用于基于环境动态平衡传感器11检测的手术环境判断稳定状态，当存在异常状态时通过第二无线信号收发器17向刀柄控制系统发送安全控制指令信号，刀柄控制系统通过第一无线信号收发器6接收该安全控制指令信号，微处理器3根据该信号控制手术刀进入安全模式工作并控制电磁传动装置4驱动手术刀自动缩回手柄内锁定。

三维平衡状态检测传感器如LSM320HAY30在一个紧凑的封装内集成了一个三轴数字加速度计与一个两轴模拟陀螺仪。该产品的加速度计具有±2、±4和±8g的可选全量程加速范围，而陀螺仪沿俯仰(pitch)和偏航(yaw)轴的角检出率范围为30到600°/s。每个轴都有两个用户可选且同时的输出：一个是用于慢动作的高精度未经放大的输出，另一个是用于非常快的手势动作、放大4倍后的输出。该模块工作于2.7-3.6V，包括自检功能。

又如LYPR540AH三轴MEMS陀螺仪。能准确测量沿三个正交轴的角速率，可为手术刀空间运动轨迹检测提供360°角速率的高精度姿势和运动识别。该陀螺仪有两个同时工作、用于三个轴的独立输出，一个用于慢动作、高精度的400°/s全量程。

模式分析模块13基于前述探测器5检测到的手术刀的空间位置信号与预设手术方案轨迹的比较结果，控制通过前述第二无线信号收发器17向刀柄控制系统发送手术刀工作模式驱动控制指令信号。刀柄控制系统通过第一无线信号收发器6接收该手术刀工作模式驱动控制指令信号，微处理器3根据该信号控制手术刀进入对应的工作模式工作并控制电磁传动装置4驱动手术刀伸缩。手术刀工作模式驱动控制指令信号中包括手术刀的伸缩距离和伸缩速度信号

前述安全控制指令信号和手术刀工作模式驱动控制指令信号在手术刀伸缩控制指令模块15中生成。

优选地，本实施例中，模式分析模块13以手术刀的空间位置作为预测控制量，采用PID型反馈控制进行比较分析，其控制模型如图6所示。

如图4所示，本实施例中，刀柄控制系统内的天线，也即第一无线信号收发器是内置天线，手术刀空间主控系统内的天线，也即第二无线信号收发器为外置天线，结合图4所述，手术刀空间主控系统与刀柄控制系统之间的测控信号传输可以是单点对单点的双向传送，也可以是单点对多点的双向传送，使一个主控系统可从多个手术刀的手柄控制系统接收手术刀运动姿态信号并无线传输控制信号从而实现对多个手术刀空间运动轨迹的的全面监测与手术刀工作模式的远程控制，且提高外科手术实时监控的效率。

优选地，手术刀空间物联控制装置的一个或多个指示器可以是LED灯，配置为根据前述安全控制指令信号或手术刀工作模式驱动控制指令信号激活以提供视觉指示。例如，采用闪烁或不同颜色的LED指示，从而提供不同的视觉指示反馈。

前述告警处理模块可根据前述平衡分析模块12或模式分析模块13的输出信号激活前述指示器20和/或一蜂鸣器以提供告警。优选地，当手术环境稳定性异常、手术刀空间位置异常、手术刀动态轨迹异常等信号发生时，前述指示器20发出连续红色闪烁信号以告警提示。当然，在另外的实施例，还可以单独通过一蜂鸣器以告警提示，或者以与指示器结合的方式实现告警。

参考图5，结合图1-图4所示，手术刀空间轨迹的物联预测控制方法，包括以下步骤：

1）检测外科手术环境的稳定状态，判断手术环境是否存在平衡异常；

2）检测手术刀的空间位置，并将空间位置信号发送至手术刀空间主控系统；

3）手术刀空间主控系统将空间位置信号与预设的手术方案轨迹的比较，进行反馈控制输出手术刀工作模式驱动控制指令信号并发送至刀柄控制系统；

4）刀柄控制系统根据前述指令信号控制手术刀伸缩。

进一步，如果判断手术环境存在平衡异常，则发送安全控制指令信号至刀柄控制系统，刀柄控制系统根据该指令信号控制手术刀自动缩回手柄内锁定。

前述方法中，手术刀空间主控系统内以手术刀的空间位置作为预测控制量，采用PID型反馈控制进行比较分析。

前述方法中，还通过设置有一个或多个指示器，配置为根据手术刀空间主控系统的输出以激活从而提供视觉指示。较佳地，前述指示器为LED。

由以上本发明的技术方案可知，本发明的有益效果在于通过系统的反馈和控制，综合分析处理，发出对应指令控制手术刀的伸缩，建立起一个有效的伸缩式外科手术刀安全操作可控工作模式，通过外科手术刀空间轨迹的全方位物联预测控制，可以有效防止误操作；而且能够通过动态平衡传感器感知外科临床环境信息，从而对手术刀进行更为全面的监控，特别是在医疗实施环境难以预测状态时，例如机动应急和环境不稳定状态下：将易于提供复杂临床手术环境需要相对稳定和轨迹安全控制的手术刀操作保护。因此大大提升了外科临床手术的安全能力，并且具有比较稳定、效率更高的优点。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种伸缩式手术刀的手柄装置，其特征在于，包括刀柄主体和位于主体内的刀柄控制系统，该刀柄控制系统包括微控制器、电磁传动装置、探测器、无线信号收发器和电源，电源提供前述微控制器、电磁传动装置、探测器和无线信号收发器的工作电压，其中：前述微控制器用于控制手术刀的工作模式并发出控制信号，前述电磁传动装置用于根据前述控制信号驱动手术刀伸缩，前述探测器用于检测手术刀的空间位置，前述无线信号收发器用于与外部的通讯和交互。

2.根据权利要求1所述的伸缩式手术刀的手柄装置，其特征在于，前述手柄装置还包括一模式控制开关连接至前述微处理器，用于从外部可接近地操作以设定手术刀的工作模式。

3.根据权利要求2所述的伸缩式手术刀的手柄装置，其特征在于，前述探测器自动或可控制地检测手术刀的空间位置，并通过前述无线信号收发器发送检测信号；前述无线信号收发器自动或可控制地接收外部主控设备发送的对手术刀的控制命令信号，前述微处理器根据该控制命令信号控制电磁传动装置实现对手术刀的伸缩控制。

4.根据权利要求1所述的伸缩式手术刀的手柄装置，其特征在于，前述手柄装置还包括一个或多个指示器，该指示器置于前述刀柄主体表面上或刀柄主体内并由微处理器控制，微处理器基于手术刀的不同工作模式和/或前述电源的工作状态而激活该指示器以提供视觉指示。

5.一种手术刀空间轨迹的物联预测控制系统，其特征在于，包括伸缩式手术刀、刀柄控制系统以及手术刀空间主控系统，刀柄控制系统与手术刀空间主控系统之间通过各自的无线信号收发器建立信号传输链接，其中：

刀柄控制系统包括微控制器、电磁传动装置、探测器和第一无线信号收发器，前述微控制器用于控制手术刀的工作模式并发出控制信号，前述电磁传动装置用于根据前述控制信号驱动手术刀伸缩，前述探测器用于检测手术刀的空间位置；

手术刀空间主控系统具有一手术刀空间物联控制装置，该装置包括环境动态平衡传感器、平衡分析模块、模式分析模块、手术刀伸缩控制指令模块和第二无线信号收发器，前述平衡分析模块基于环境动态平衡传感器检测的手术环境判断其稳定状态，存在异常状态时通过第二无线信号收发器向刀柄控制系统发送安全控制指令信号，前述模式分析模块基于前述探测器检测的空间位置信号与预设手术方案轨迹的比较结果，控制通过前述第二无线信号收发器向刀柄控制系统发送手术刀工作模式驱动控制指令信号，前述安全控制指令信号和手术刀工作模式驱动控制指令信号在手术刀伸缩控制指令模块中生成；

前述刀柄控制系统中的微控制器基于前述安全控制指令信号或手术刀工作模式驱动控制指令信号控制电磁传动装置驱动手术刀伸缩。

6.根据权利要求5所述的手术刀空间轨迹的物联预测控制系统，其特征在于，前述手术刀工作模式驱动控制指令信号中包括手术刀的伸缩距离和伸缩速度信号；前述刀柄控制系统中的微控制器基于前述安全控制指令信号控制手术刀自动缩回手术刀刀柄内锁定。

7.根据权利要求5所述的手术刀空间轨迹的物联预测控制系统，其特征在于，前述模式分析模块以手术刀的空间位置作为预测控制量，采用PID型反馈控制进行比较分析。

8.根据权利要求5所述的手术刀空间轨迹的物联预测控制系统，其特征在于，前述手术刀空间物联控制装置包括一个或多个指示器，配置为根据前述安全控制指令信号或手术刀工作模式驱动控制指令信号激活以提供视觉指示；前述手术刀空间物联控制装置还包括一告警处理模块，根据前述平衡分析模块或模式分析模块的输出信号激活前述指示器和/或一蜂鸣器以提供告警。

9.一种手术刀空间轨迹的物联预测控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）检测外科手术环境的稳定状态，判断手术环境是否存在平衡异常；

2）检测手术刀的空间位置，并将空间位置信号发送至手术刀空间主控系统；

3）手术刀空间主控系统将空间位置信号与预设的手术方案轨迹的比较，进行反馈控制输出手术刀工作模式驱动控制指令信号并发送至刀柄控制系统；

4）刀柄控制系统根据前述指令信号控制手术刀伸缩；

前述方法中，如果判断手术环境存在平衡异常，则发送安全控制指令信号至刀柄控制系统，刀柄控制系统根据该指令信号控制手术刀自动缩回手柄内锁定；

前述方法中，手术刀空间主控系统内以手术刀的空间位置作为预测控制量，采用PID型反馈控制进行比较分析。

10.根据权利要求9所述的手术刀空间轨迹的物联预测控制方法，其特征在于，前述方法中，还设置有一个或多个指示器，配置为根据手术刀空间主控系统的输出以激活从而提供视觉指示。

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