CN109965934A - 一种电子气压止血器检测与控制系统 - Google Patents

一种电子气压止血器检测与控制系统 Download PDF

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马凤英
尹燕凯
于文志
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    • A61B2017/00119—Electrical control of surgical instruments with audible or visual output alarm; indicating an abnormal situation

Abstract

本发明公开提供了一种电子气压止血器检测与控制系统，包括：处理器、信息获取模块和供电模块，处理器分别与信息获取模块和供电模块连接；所述信息获取模块包括多个压力传感器，压力传感器分别均匀分布在电子气压止血器的导气管内；所述供电模块包括交流电源接口、第一备用电源和第二备用电源。处理器与总控装置连接，处理器中存储有控制方法与预设参数，控制方法包括Smith预估控制方法和传统简单开关量控制方法。本发明实现了电子气压止血器的精确控制，避免使用过程中出现软组织压伤、神经、血管损伤的发生。

Description

一种电子气压止血器检测与控制系统
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，更具体的说是涉及一种电子气压止血器检测与控制系统。
背景技术
1904年Harvey Cushing首次在骨科手术中应用气压止血带，达到人工控制止血带压力的目的以来，气压止血带作为一种简便、实用的止血工具，在骨科手术中起到非常重要的作用，被广泛应用于四肢手术。1886年埃斯马发明了橡皮管止血带，医务工作者结合临床不断探索、研究进行改进，由马丁橡胶膜带逐渐发展到手动空气止血带，直至目前使用的电子气压止血器。电动气压止血带采用电脑数字化控制，通过高效气压泵快速泵气，充气于止血带，从而压迫肢体，暂时阻断血液循环，提供一个无血的手术野，同时减少手术出血量，有助于手术操作。
气压止血器联合驱血带广泛应用于四肢中下段闭合性骨折、肌腱、韧带、关节、神经等手术。对于开放性骨折，或患有严重感染/恶性肿瘤的病人使用止血带时，禁止驱血，将患肢抬高45°再充气。张警良设计的绑扎于腋肩部的气囊止血带，解决了上臂中上段无法使用气囊止血带的难题。
虽然电子气压止血器可以最大限度的防止伤口出血过多，但是如果使用不当或者精度不够就可能导致软组织压伤，神经，血管损伤等。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的在于提供一种电子气压止血器检测与控制系统，能够实现电子气压止血器的精确控制，避免使用过程中出现软组织压伤、神经、血管损伤的发生。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：一种电子气压止血器检测与控制系统，电子气压止血器上设有总控装置，其特征在于，包括：处理器、信息获取模块和供电模块，处理器分别与信息获取模块和供电模块连接；所述信息获取模块包括多个压力传感器，压力传感器分别均匀分布在电子气压止血器的导气管内，压力传感器分别通过I/O接口与处理器连接；所述供电模块包括交流电源接口、第一备用电源和第二备用电源，交流电源接口、第一备用电源和第二备用电源分别与处理器连接；所述处理器与总控装置连接，处理器中存储有控制方法与预设参数，所述控制方法包括Smith预估控制方法和简单开关量控制方法。
进一步，所述处理器基于预设参数以及实时气压数据控制总控装置；处理器根据控制的目标进行选择控制方法，并根据压力传感器测得的数据调整预设参数；当需要恒压控制以及精细调节时，处理器采用Smith预估控制方法；当电子气压止血器使用完成，仅需放压时，处理器将采用开关量控制方法。
进一步，所述处理器同时接收所有压力传感器采集的压力值，并将所有压力值的平均值作为压力参考值，如果任一压力传感器的采集的压力值大于系统参考值5％时，处理器发出报警信号。
进一步，所述预设参数包括恒压值和最高值；所述恒压值用于控制电子气压止血器的内部压力，处理器通过对当前的压力参考值和恒压值进行比较，控制电子气压止血器进行充气或放气，使压力参考值与恒压值相等；所述最高值为手术过程中患者能够承受的最大压力值。
进一步，所述Smith预估控制方法包括对象参数的预估环节，其数学模型为：
y(t)＝a*y(t-1)+b*u(t-k)+cξ(t)
其中a*、b*分别为被控对象以及控制输出的系数，c为噪声扰动系数，k为纯迟延， y(t-1)为前一个采样周期的对象输出，u(t-k)为控制输出，ξ为噪声扰动；
根据现场试验与分析，数学模型为带时滞的一阶惯性环节，其数学模型为：
其中，14为比例增益，1760s为时间常数，20s为纯迟延时间。
进一步，所述总控装置包括多个用于控制电子气压止血器的电子加压器；所述简单开关量控制方法具体为：通过开关电平直接控制电子加压器的开启与关闭。
进一步，所述处理器采用STC89C52处理器。
进一步，所述第一备用电源和第二备用电源均采用锂电池。
进一步，所述处理器检测到交流电源接口失效后启动第一备用电源和第二备用电源供电，实时计算剩余电量以及预计使用时间，当剩余电量低于20％时，发出报警信号；所述剩余电量根据现存电量与减掉电池损耗后的最大充电电量为准，预计使用时间根据压力泵在一直工作的情况下进行推算。
对比现有技术，本发明有益效果在于：本发明提供了一种电子气压止血器检测与控制系统，将采用多个气压传感器，分别均匀分布在导气管的不同位置，在正常工作的情况下系统将采用传感器的平均值作为参考值，当某一个传感器测得值偏离其他传感器过大时，采取报警功能。本发明运用成熟的信息获取、传输和处理技术，将传感器输出的模拟电压量通过转换为数字量的形式将数据传输至STC89C52处理器，实现数据的准确传输同时大大降低了系统的成本。处理器采用的是通用性较强的STC89C52处理器。该处理器具有极高的性能具有丰富合理的I/O接口，合理的功耗，大众的价格适合大规模的量产。
本发明将手术过程中患者能够承受的最大压力作为设定的最高值，可以针对不同的手术进行专业的定制与设定，同时支持后期的更改与升级，通用性较强的同时防止因为医生的误操作发生医疗事故。其中，压力的设定为使用者自行设定。在医疗过程中，使用者可以设定一个恒压值，系统会自动充放气到设定值，充放气速度可以通过处理器进行单独的设定。系统采用双备用电源的方式进行供电，当没有外接供电时系统及时调用备用电源防止意外发生，同时显示系统在使用备用电源情况下剩余电量以及预计使用时间，低于20％时发出报警。
另外，本发明的控制方法采用Smith预估控制和开关量控制的方法，为了解决普通Smith预估控制器不能对被控对象的时滞，过渡过程时间变增益大等情况进行完全补偿增加了一个对象参数预估环节，保证了控制的准确性。使用者可以更加轻易安全的进行手术等医疗工作，同时对其他医疗新产品的研发具有重要指导意义，可作为其他影响因素研究的参考指标。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
附图1是本发明的系统结构图。
附图2是本发明的控制方法示意图。
附图3是本发明的Smith预估控制方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做出说明。
如图1所示，本发明提供了一种电子气压止血器监测与控制系统，包括：处理器、信息获取模块和供电模块，处理器分别与信息获取模块和供电模块连接；所述信息获取模块包括多个压力传感器，压力传感器分别均匀分布在电子气压止血器的导气管内，压力传感器分别通过I/O接口与处理器连接；所述供电模块包括交流电源接口、第一备用电源和第二备用电源，交流电源接口、第一备用电源和第二备用电源分别与处理器连接；所述处理器与总控装置连接，处理器中存储有控制方法与预设参数，所述控制方法包括Smith预估控制方法和传统简单开关量控制方法。
传感器的放置：本系统由五个的低能源、高精度的智能传感器节点组成系统的信息获取模块，系统将采用五个气压传感器，分别均匀分布在导气管的不同位置，在正常工作的情况下系统将采用传感器的平均值作为参考值，当某一个传感器测得值偏离其他传感器过大时，采取报警功能。
本发明运用成熟的信息获取、传输和处理技术，将传感器输出的模拟电压量通过转换为数字量的形式将数据传输至STC89C52处理器，实现数据的准确传输同时大大降低了系统的成本。该处理器无需联网即可保证设备在不同环境下的使用，通用性极强，是经过无数设备验证的高性能处理器，可以做到设备的即开即用，开机后无需等待，有利于手术的及时进行。
本发明中的处理器采用的是通用性较强的STC89C52处理器。该处理器具有极高的性能具有丰富合理的I/O接口，合理的功耗，大众的价格适合大规模的量产。
所述预设参数包括恒压值和最高值，本发明将手术过程中患者能够承受的最大压力作为设定的最高值，可以针对不同的手术进行专业的定制与设定，同时支持后期的更改与升级，通用性较强的同时防止因为医生的误操作发生医疗事故。本发明中压力的设定为使用者自行设定。在医疗过程中，使用者可以设定一个恒压值，系统会自动充放气到设定值，充放气速度可以通过表面按钮进行单独的设定。
如图2所示，本发明的控制方法是基于设定的参数以及从传感器获取的数据进行调节，多种控制方法同时使用，在设定值控制的基础上采用Smith预估控制和开关量控制的方法，根据控制的目标自动进行选择。
如图3所示，为了解决普通Smith预估控制器不能对被控对象的时滞，过渡过程时间变增益大等情况进行完全补偿增加了一个对象参数预估环节，构造出了一种新型的具有自调节能力的Smith预估控制器，有效的提高了系统鲁棒性，当被控对象的时滞，增益，过度时间变化时，能够进行完全的补偿。在本系统中，采用此方法进行气压的控制，其中，具有纯时延的一阶数学模型为：
y(t)＝a*y(t-1)+b*u(t-k)+cξ(t)
其中a*、b*分别为被控对象以及控制输出的系数，c为噪声扰动系数，k为纯迟延，y(t-1)为前一个采样周期的对象输出，u(t-k)为控制输出，ξ为噪声扰动。对此系统采用递推增广最小二乘法建模，设置未知参数向量为
θT＝[a*,b*,c]＝[θ1,θ2,θ3]
t时刻θ的最小二乘估计发估值为
设初值θ0＝0，p(0)＝αI，其中α为一个很大的正数，I为单位矩阵，初始条件为
y(-1)＝u(-1)＝ξ(-1)＝0
由上式可以得出
其中K*＝b*、T＝a*、τ＝k
根据现场试验与分析，电子气压止血器数学模型为带时滞的一阶惯性环节，其数学模型为：
其中，15为比例增益，1750s为时间常数，20s为纯迟延时间。实验表明，本发明所提出使用的控制方法无论超调量还是调节时间都明显小于普通PID控制。
系统采用双备用电源的方式进行供电，当没有外接供电时系统及时调用备用电源防止意外发生，同时显示系统在使用备用电源情况下剩余电量以及预计使用时间，低于20％时发出报警。其中报警方式采用蜂鸣器报警，剩余电量以及剩余使用时间显示设备为LCD显示屏，
结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

Claims (9)

1.一种电子气压止血器检测与控制系统，电子气压止血器上设有总控装置，其特征在于，包括：处理器、信息获取模块和供电模块，处理器分别与信息获取模块和供电模块连接；
所述信息获取模块包括多个压力传感器，压力传感器分别均匀分布在电子气压止血器的导气管内，压力传感器分别通过I/O接口与处理器连接；
所述供电模块包括交流电源接口、第一备用电源和第二备用电源，交流电源接口、第一备用电源和第二备用电源分别与处理器连接；
所述处理器与总控装置连接，处理器中存储有控制方法与预设参数，所述控制方法包括Smith预估控制方法和简单开关量控制方法。
2.根据权利要求1所述的电子气压止血器检测与控制系统，其特征在于，所述处理器基于预设参数以及实时气压数据控制总控装置；处理器根据控制的目标进行选择控制方法，并根据压力传感器测得的数据调整预设参数；当需要恒压控制以及精细调节时，处理器采用Smith预估控制方法；当电子气压止血器使用完成，仅需放压时，处理器将采用开关量控制方法。
3.根据权利要求1所述的电子气压止血器检测与控制系统，其特征在于，所述处理器同时接收所有压力传感器采集的压力值，并将所有压力值的平均值作为压力参考值，如果任一压力传感器的采集的压力值大于系统参考值5％时，处理器发出报警信号。
4.根据权利要求3所述的电子气压止血器检测与控制系统，其特征在于，所述预设参数包括恒压值和最高值；所述恒压值用于控制电子气压止血器的内部压力，处理器通过对当前的压力参考值和恒压值进行比较，控制电子气压止血器进行充气或放气，使压力参考值与恒压值相等；所述最高值为手术过程中患者能够承受的最大压力值。
5.根据权利要求1所述的电子气压止血器检测与控制系统，其特征在于：所述Smith预估控制方法包括对象参数的预估环节，其数学模型为：
y(t)＝a*y(t-1)+b*u(t-k)+cξ(t)
其中a*、b*分别为被控对象以及控制输出的系数，c为噪声扰动系数，k为纯迟延，y(t-1)为前一个采样周期的对象输出，u(t-k)为控制输出，ξ为噪声扰动；
根据现场试验与分析，数学模型为带时滞的一阶惯性环节，其数学模型为：
其中，14为比例增益，1760s为时间常数，20s为纯迟延时间。
6.根据权利要求1所述的电子气压止血器检测与控制系统，其特征在于：所述总控装置包括多个用于控制电子气压止血器的电子加压器；所述简单开关量控制方法具体为：通过开关电平直接控制电子加压器的开启与关闭。
7.根据权利要求1所述的电子气压止血器检测与控制系统，其特征在于：所述处理器采用STC89C52处理器。
8.根据权利要求1所述的电子气压止血器检测与控制系统，其特征在于，所述第一备用电源和第二备用电源均采用锂电池。
9.根据权利要求1所述的电子气压止血器检测与控制系统，其特征在于，所述处理器检测到交流电源接口失效后启动第一备用电源和第二备用电源供电，实时计算剩余电量以及预计使用时间，当剩余电量低于20％时，发出报警信号；所述剩余电量根据现存电量与减掉电池损耗后的最大充电电量为准，预计使用时间根据压力泵在一直工作的情况下进行推算。
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