CN111182844A - 用于校准气动密封套管针的性能范围的方法 - Google Patents

用于校准气动密封套管针的性能范围的方法 Download PDF

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Abstract

一种用于校准用于向套管针递送气动动力的系统的气动性能范围的方法和组件，所述方法包括以下步骤：向套管针供应气动动力以实现期望的腔压力；当所述系统试图维持所述期望的腔压力时，在一定时间段内测量所述气动动力和所述腔压力；基于所述测量的腔压力和气动动力值计算所述套管针的性能特性；以及基于所述套管针的所述性能特性调整供应给所述套管针的所述气动动力。

Description

用于校准气动密封套管针的性能范围的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年9月7日提交的美国临时专利申请序列号62/555,236和2018年5月7日提交的美国专利申请序列号15/972,405的优先权的权益，这两项申请的公开内容以引用方式并入本文。
背景技术
1.技术领域
本公开涉及与外科进入装置一起使用的气体递送系统，并且更具体地讲，涉及用于校准用于向气动密封套管针递送气动动力的系统的性能范围的方法。
2.相关技术描述
当通过机电控制系统(诸如在例如共同转让的美国专利No.8,715,219、No.8,961,451和No.9,295,490中公开的类型的系统)来操作气动密封套管针(诸如在例如共同转让的美国专利No.7,854,724和No.8,795,223中公开的类型的装置)时，出于多种原因，将控制系统的性能范围校准到套管针的特定性能特性可能是有利的。
例如，校准机电控制系统以供应特定范围的气动动力可以通过指定限制来防止系统向气动密封套管针供应气动动力不足或供应气动动力过多，从而提高安全性。此外，校准可通过确保机电控制系统保持在指定范围内并防止系统的效率低下的动力过多或动力不足来提高系统效率。最后，通过允许装置对任何类型的气动密封套管针或其他端部执行器充分运转，校准允许更精确的装置控制，这可导致进一步产品开发或产品线扩展。通过确保系统将校准到所创建的任何套管针或其他产品，这实现更简单的产品开发过程。
设计差异可能会导致不同气动密封套管针的气动动力要求或特性发生变化。这可能会受到以下各项的影响：制造变异性，密封区域横截面积差异(即，5mm与12mm)，以及系统的相关联部件(诸如管组和吹气装置接口)的不同效率、流动阻力、设计和阻力，以及其他操作和环境因素(诸如高度和湿度)。此外，不同的气动密封套管针可能表现出根据操作范围而变化的行为。就像汽车/发动机在不同速度下可能更加燃料高效一样，气动密封套管针在低范围与高范围下提供动力时可具有不同的灵敏度。
典型的校准过程涉及控制和传感器的系统，其中一个结果(或期望结果)保持稳定，同时观察并记录该系统的某个度量的测量结果。然后，可以调整系统(基于某个已知实体)以使其正常操作。例如，可以通过以下方法校准压力计。首先，将压力计连接到密闭容器，并通过辅助装置将已知压力(例如，5psi)施加到密闭容器。然后，在压力计上读取容器中测量的压力，并记下已知施加压力与所测量压力读数之间的差值。此后，可以调整压力计，使得压力计的读数与已知压力值匹配。在这种情况下，进行一组测量并控制已知结果。
如上所指出，将这种类型的校准过程转换为带有机电控制系统的气动密封套管针将是有益的，在这种情况下，可能期望系统以某个输出为目标(例如，15mmHg的腹压)，然后测量用特定套管针实现该输出所需的气动动力。本领域技术人员将容易理解，校准过程可以基于那些气动动力测量。
此外，如上所指出，对于带有机电控制系统的气动密封套管针创建校准过程将是有益的，在这种情况下，可能期望系统以某个输出为目标(例如，15mmHg的腹压)，然后测量系统的输出和被控制以用特定套管针实现该输出的气动动力。如上所指出，本领域技术人员将容易理解环路控制器与嵌入式机电控制系统组合的用途。闭环控制器使用传感器，该传感器反馈到机电部件中，然后对该机电部件进行调整以实现某个输出。
闭环控制器被设计为即使在存在对系统的干扰(例如，诸如当外科医生按压腔体时，手术腔的渗漏或外部施加的过压)的情况下也能维持目标。为了使控制器成功，系统必须能够改变输入以维持目标输出。本领域技术人员将容易理解，校准过程可以基于气动动力测量和输出腹压测量，并且本发明涉及这样的校准方法。
发明内容
本发明涉及校准用于将气动动力递送到套管针的系统的气动性能范围的新且有用的方法。该方法包括以下步骤：向套管针供应气动动力以实现期望的腔压力；当系统试图维持期望的腔压力时，在一定时间段内测量气动动力和腔压力；基于测量的腔压力和气动动力值计算套管针的性能特性；以及基于套管针的性能特性调整供应给套管针的气动动力。
在本发明的一个实施方案中，该方法还包括以下步骤：确定该时间段的平均气动动力值和平均腔压力值，以便计算套管针的性能特性。在本发明的另一个实施方案中，该方法包括以下步骤：确定该时间段的经滤波气动动力值和经滤波腔压力值，以便计算套管针的性能特性。确定经滤波气动动力值和经滤波腔压力值的步骤涉及这样的处理方法，该处理方法选自由以下项组成的组：加权平均、移动平均、曲线拟合、加法平滑、巴特沃思滤波、数字滤波、指数平滑和低通滤波。
优选地，计算套管针的性能特性的步骤涉及参考具有已知值的查找表或量表。该方法还包括以下步骤：围绕套管针的计算的性能特性来设置与可供应给套管针的气动动力有关的操作极限。
本发明还涉及校准用于将气动动力递送到套管针的系统的气动性能范围的方法，该方法包括以下步骤：在多个不同输出水平下向套管针供应气动动力以实现期望的腔压力；当系统试图在每个输出水平下维持期望的腔压力时，在每个输出水平下在一定时间段内测量气动动力和腔压力；在每个输出水平下基于测量的腔压力和气动动力值计算套管针的性能特性；以及基于套管针的性能特性调整供应给套管针的气动动力。
在本发明的该实施方案中，该方法还包括以下步骤：在每个输出水平下确定该时间段的平均气动动力值和平均腔压力值，以便计算套管针的性能特性。在本发明的另一个实施方案中，该方法包括以下步骤：在每个输出水平下确定该时间段的经滤波气动动力值和经滤波腔压力值，以便计算套管针的性能特性。优选地，计算套管针的性能特性的步骤涉及参考具有已知值的查找表或量表。该方法还包括以下步骤：围绕套管针的计算的性能特性来设置与可供应给套管针的气动动力有关的操作极限。
通过以下结合下述若干附图对本发明的优选实施方案进行的描述，本发明的校准方法及其采用的方式的这些和其他特征对于本领域普通技术人员将变得更加显而易见。
附图说明
为了使本领域技术人员将容易地理解如何在不进行过度实验的情况下使用本发明的校准过程，下面将参照附图详细描述其优选实施方案，其中：
图1是示出本发明的新颖校准方法的过程流程图；
图2是典型的简单校准方法的图形图示，其中在测量腹腔压力输出的同时保持气动供应压力稳定；
图3是另一种简单校准方法的图形图示，其中为了维持稳定的腹腔压力输出而改变了气动供应压力；
图4是另一种基本校准方法的图形图示，其中校准过程以逐步的方式重复，在四个不同水平下保持气动供应压力温度，并且在四个不同水平下测量腹腔压力输出；
图5是与本申请的发明相对应的校准方法的图形图示，其中有源环路控制器改变供应压力以维持目标腹腔压力输出，并且通过测量输入供应压力和所实现的输出来实现校准；
图6是与本申请的发明相对应的校准方法的图形图示，其中有源环路控制器改变供应压力以在不同步骤维持目标腹腔压力输出，并且通过在每个步骤测量输入供应压力和所实现的输出来实现校准。
具体实施方式
在下面的详细描述中，描述了独特的校准方法，该方法涉及气动密封套管针，诸如在共同转让的美国专利No.7,854,724和No.8,795,223中公开的类型的套管针，以及机电控制系统，诸如在共同转让的美国专利No.8,715,219、No.8,961,451和No.9,295,490中公开的类型的系统。出于实现的目的，这些共同转让的专利中的每一个据此以引用方式整体并入本申请中。
现在参见图1，一般来讲，本发明的新颖的校准方法10涉及这样的操作环境，该操作环境包括诸如闭环控制器之类的装置，其控制供应给套管针的气动动力以实现期望的结果(即，腹腔压力)，如过程框20处所述，并且其中外部影响和波动的腔压力会导致“不稳定”状态或偏差，如过程框30处所述。腔压力的波动或失调可能是由于外科器械或手术室人员造成的渗漏或外部施加的过压所致。
在步骤40处，装置在预定时间段内(例如，在几秒或若干秒内)测量供应给套管针的气动动力(气动供应压力)和腹腔压力。然后，在步骤50处，根据本发明的一个实施方案，使用平均气动动力和平均腔压力值来在所测量的结果腔压力下定义套管针特性。应当理解，可以按除平均以外的方式来处理数据或对数据进行滤波。此后，在步骤60处，通过将供应给套管针的气动动力从测量的结果值调整到目标结果值来实现系统的校准。
本发明的新颖方法不是仅着眼于一个受控结果(即，如以上示例中的15mmHg)，而是着眼于一组近似于系统控制的目标结果的结果测量值。当动态系统受到外部影响时(例如，如果要动态更改密闭容器的体积)，则会在系统中造成不稳定。然而，在上述压力计示例中，已知的静态值可以应用于密闭容器，并保持一段时间以进行校准。在外科情景中，这可能是复杂的任务。在这种情况下，患者移动(例如，肌肉收缩和呼吸)、外科医生/护士的影响(例如，按压腹腔)，外科器械穿过套管针，排烟和其他外部影响都可能导致系统不稳定。
例如，由于这些外部影响，15mmHg的目标腹压可能会在12-18mmHg之间波动。因此，将气动动力性能校准到目标值可能会产生偏斜或不准确的结果。当正在校准的系统处于动态并且本身是动态的时(诸如与带有反馈环路的嵌入式控制系统一样)，这种影响会加剧。
通过考虑动态输出值，而不是仅查看一个静态已知值(例如，5psi或15mmHg)，可以为系统实现更准确的校准。例如，如果腹压在12-18mmHg之间变化，但更偏向该范围的低端，则更好的是将系统的气动动力校准为14mmHg，而不是15mmHg。
该校准方法的数据处理可以通过一系列行业和应用接受的许多不同方式来完成。在本发明的一个实施方案中，可以使用一定时间段内的简单平均值来将系统校准到其真实输出。可以在本发明中采用替代处理方法，包括例如加权和/或移动平均、曲线拟合、加法平滑、巴特沃思滤波、数字滤波、指数平滑、低通滤波，或者本领域中已知的可用于确定用于校准系统的最佳输出的其他滤波方法。
数据处理方法的选择可能会受到系统中测量工具或传感器的影响。例如，如果使用缓慢采样的传感器，则离群值可能会过度影响结果，因此两个标准偏差内的值可能比该范围之外的数据更具权重。
在该提议方法的一个实施方案中，当系统的嵌入式控制特征试图维持目标腹压时，在一段时间内记录平均驱动压力(气动动力)和平均腹腔压力(输出)。然后，将平均气动压力值用于在平均腹压值下定义套管针性能特性。然后，系统将在目标输出下计算预期的基线性能特性。
例如，如果平均气动动力为50psi，并且平均腹压为14mmHg，则该套管针在15mmHg下的预期基线性能可能为55psi。该计算可以基于一些已知的查找表或滑动量表。然后，将围绕套管针的所计算的基线性能特性来设置或计算操作界限，以设置可供应给套管针的气动动力的下限和上限。
为了进一步示出由本发明的校准过程提供的优于现有技术的益处和优点，将参考图2-图6，它们提供了不同校准过程的图形表示，包括若干典型的现有技术校准方法。
首先参见图2，示出了典型的现有技术校准过程的图形表示。此处，系统使供应压力(气动动力)保持恒定，并测量输出(腹压)。例如，控制软件可以将供应压力保持稳定在30psi，并随时间推移测量所得腹压。在图2中，由参考标号30指定的虚线箭头表示系统在校准过程期间提供并保持稳定的气动动力的水平。
使用这种基本方法，校准可以在单个时间点发生。例如，可以在该时间t1处测量腹压。但是，该过程易受外部影响或干扰，诸如有人推挤腹部而引起的渗漏或过压状况，这可能会影响校准。因此，更好的方法将是在一定时间段内取腹压的平均值(例如，直线平均值或滤波平均值)。
例如，可以在从t1延长到t2的时间段内取平均值，以减少由于干扰而导致不准确校准的风险。虽然这种方法得益于其简单性，但由于在校准过程期间无法控制腹压，因此其使用存在缺点。因此，不同的套管针将导致不同的腹压，这将产生不令人满意的临床效果。
参见图3，示出了典型的简单校准过程将如何工作的另一个示例。在这种方法中，利用环路控制器/软件的设计来尝试维持目标腹压。系统尝试保持稳定的输出(腹压)，并测量产生该输出值所需的气动动力(供应压力)。例如，控制软件可能会尝试将腹压保持在15mmHg，并且环路控制器将根据其软件算法改变供应压力以尝试维持该目标。在图3中，由参考标号15标识的虚线箭头表示系统在校准期间作为目标的腹压水平。
在该过程期间，校准可以在单个时间点发生。例如，可以在时间t1处测量腹压。然而，该方法易受由于有人推挤腹部而引起的渗漏或过压状况造成的干扰，这可能会对校准产生负面影响。因此，更好的方法将是在一定时间段内取供应压力的平均读数(例如，直线平均值或滤波平均值)。
例如，可以在从t1延长到t2的时间段期间确定平均值。这将减少由于外部干扰而导致不准确校准的风险。该校准方法优于图2所示方法的益处在于，允许系统控制所选择的目标腹压。这实现了更令人满意的临床效果。另一方面，该校准方法假定环路控制器成功实现目标腹压，并且仅着眼于变化的供应压力以进行校准。
参件图4，示出了另一种校准方法，该校准方法与图2所示的方法基本上相同，但是在一系列不同的步骤或压力水平下重复校准过程。在该实施方案中，系统将供应压力(气动动力)在四个不同水平下保持恒定，并且在四个不同水平下测量输出(腹压)。
例如，该软件可以将气动供应压力保持稳定在10psi并且测量所得腹压，然后将供应压力保持稳定在20psi并且测量腹压，然后保持在30psi，并且再次保持在40psi。在图4中，由参考标号10、20、30和40指定的虚线箭头表示系统在校准周期期间提供并保持稳定的气动动力或供应压力的水平。
在该过程期间，校准可以在单独时间点发生。例如，可以在时间t1、t2、t3和t4处测量腹压。然而，该方法易受由于有人推挤腹部而引起的渗漏或过压状况造成的干扰，这可能会对校准产生负面影响。因此，更优选的是在一定时间段内取平均读数(例如，直线平均值或滤波平均值)。例如，可以在从t1延长到t1’、t2延长到t2’、t3延长到t3’和t4延长到t4’的周期期间计算平均值。这将减少由于干扰而导致不准确校准的风险。
该校准方法优于图2所示方法的益处在于，该方法在一系列不同输入内提供校准行为，从而使系统更好地整体了解套管针的行为。另一方面，该方法不提供对腹压的控制，因此，不同的套管针将导致不同的腹压，这将导致不令人满意的临床效果。
参见图5，示出了本发明的新颖校准方法的实施方案的图形表示。在这种方法中，利用环路控制器/软件来尝试维持目标腹压。由参考标号15指定的红色虚线箭头表示系统在校准过程期间作为目标的腹压水平。
系统尝试保持稳定的输出(腹压)，并且其测量产生该输出值所需的气动动力(供应压力)。例如，系统可能会尝试将腹压保持稳定在15mmHg，并且环路控制器将根据其软件算法改变供应压力以尝试维持该目标。校准可以在单个时间点发生，例如在时间t1处，此时将取腹压以进行校准。
该过程易受外部影响或干扰，诸如有人推挤腹部而引起的渗漏或过压状况，这可能会影响校准。因此，可以通过在一定时间段内取输出压力的平均值和供应压力的平均值(例如，直线平均值或滤波平均值)来改进该方法。
例如，可以在时间t1和t2之间的间隔中取平均值，以便减少由于干扰而导致不准确校准的风险。该校准方法优于图2的更典型方法的益处在于，校准中涉及供应压力和腹压输出。因为输入和输出均是在一段时间内求平均的，所以该方法缓解了系统采用一个常数并将测量值校准为该值的问题。相反，使用这种新颖校准方法，系统正在关联两组测量值。
现在参见图6，示出了本发明的新颖校准方法的另一个实施方案的图形表示。在这种方法中，利用环路控制器/软件来尝试在四种不同水平下维持目标腹压。此外，系统尝试保持稳定的输出(腹压)，并在每个水平下测量产生该输出值所需的气动动力(供应压力)。
例如，软件可能尝试将腹压保持稳定在5mmHg，并且环路控制器会根据其软件算法改变供应压力以尝试维持该目标，然后尝试将腹压保持在10mmHg，然后保持在15mmHg，然后再次保持在20mmHg。图6中由参考标号5、10、15和20指定的箭头表示系统在校准过程期间作为目标的不同腹压水平。
校准可以在单独时间点发生。例如，在时间t1、t2、t3和t4处，将测量每个时间点处的腹压/供应压力以进行校准。在这种方法中，该过程再次易受外部影响或干扰，诸如渗漏或过压状况，这可能对校准具有影响。因此，可通过在一系列时间段内(例如，在t1至t1’、t2至t2’、t3至t3’和t4至t4’之间的周期中)计算输出(腹压)的平均值(例如，直线平均值或滤波平均值)和供应压力(气动动力)的平均值来改进该方法。这将减少由于干扰而导致不准确校准的风险。
该校准方法优于图4所示方法的益处在于，校准中涉及供应压力和腹压输出。因为输入和输出均是在一段时间内求平均的，所以该方法缓解了系统采用一个常数并将测量值校准为该值的问题。相反，使用这种新颖校准方法，系统正在关联两组测量值。该校准方法优于图5所示方法的益处在于，在一系列不同的输入内提供校准的行为，从而使系统更好地整体了解套管针的行为。
可能期望校准系统的气动性能范围，以控制安全性和性能参数以及阈值，这些参数和阈值在某些操作模式下可能变得特别重要，或者甚至是必需的，诸如在儿科手术中使用。此外，将性能校准到使用中的套管针的特定特性将产生更一致的系统行为，该系统行为与设计原理匹配，与宽操作范围相反，其中不同套管针可能会耗尽该范围的不同部分。通过校准和应用某些限制和阈值，即使每个气动密封套管针具有不同的基线特性，它们的行为也将具有相似的界限。
通过校准到套管针的特定性能特性，可以假定设计和制造过程存在若干附加优点。校准过程可允许套管针的更宽制造公差，这可以压低制造成本。这可以允许更宽的设计规范范围，并允许设计者和工程师更多自由地设计新产品和产品线扩展。这可以在新产品开发期间实现更简单验证程序。
此外，假定该方法可以用于任何数量的动态系统的校准。例如，铅垂系统中的引水、气动泵的动态输出、电源等，全都是“嘈杂”动态系统，需要对其部件和子系统进行准确校准，这可以受益于本发明的校准方法。
尽管已经参照优选实施方案示出和描述了本公开，但本领域技术人员将容易理解，可在不脱离本公开的范围的情况下对其进行改变和/或修改。

Claims (12)

1.一种校准用于向套管针递送气动动力的系统的气动性能范围的方法，包括以下步骤：
a)向套管针供应气动动力以实现期望的腔压力；
b)当所述系统试图维持所述期望的腔压力时，在一定时间段内测量所述气动动力和所述腔压力；
c)基于所述测量的腔压力和气动动力值计算所述套管针的性能特性；以及
d)基于所述套管针的所述性能特性调整供应给所述套管针的所述气动动力。
2.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：确定所述时间段的平均气动动力值和平均腔压力值，以便计算所述套管针的所述性能特性。
3.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：确定所述时间段的经滤波气动动力值和经滤波腔压力值，以便计算所述套管针的所述性能特性。
4.如权利要求3所述的方法，其中确定经滤波气动动力值和经滤波腔压力值的所述步骤涉及这样的处理方法，所述处理方法选自由以下项组成的组：加权平均、移动平均、曲线拟合、加法平滑、巴特沃思滤波、数字滤波、指数平滑和低通滤波。
5.如权利要求1所述的方法，其中计算所述套管针的性能特性的所述步骤涉及参考具有已知值的查找表或量表。
6.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：围绕所述套管针的所述计算的性能特性来设置与可供应给所述套管针的所述气动动力有关的操作极限。
7.一种校准用于向套管针递送气动动力的系统的气动性能范围的方法，包括以下步骤：
a)在多个不同输出水平下向套管针供应气动动力以实现期望的腔压力输出；
b)当所述系统试图在每个输出水平下维持所述期望的腔压力时，在每个输出水平下在一定时间段内测量所述气动动力和所述腔压力；
c)在每个输出水平下基于所述测量的腔压力和气动动力值计算所述套管针的性能特性；以及
d)基于所述套管针的所述性能特性调整供应给所述套管针的所述气动动力。
8.如权利要求7所述的方法，还包括以下步骤：在每个输出水平下确定所述时间段的平均气动动力值和平均腔压力值，以便计算所述套管针的所述性能特性。
9.如权利要求7所述的方法，还包括以下步骤：在每个输出水平下确定所述时间段的经滤波气动动力值和经滤波腔压力值，以便计算所述套管针的所述性能特性。
10.如权利要求9所述的方法，其中确定经滤波气动动力值和经滤波腔压力值的所述步骤涉及这样的处理方法，所述处理方法选自由以下项组成的组：加权平均、移动平均、曲线拟合、加法平滑、巴特沃思滤波、数字滤波、指数平滑和低通滤波。
11.如权利要求7所述的方法，其中计算所述套管针的性能特性的所述步骤涉及参考具有已知值的查找表或量表。
12.如权利要求7所述的方法，还包括以下步骤：围绕所述套管针的所述计算的性能特性来设置与可供应给所述套管针的所述气动动力有关的操作极限。
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