CN111419146A

CN111419146A - 内窥oct回撤控制系统及控制方法

Info

Publication number: CN111419146A
Application number: CN202010331374.7A
Authority: CN
Inventors: 赵士勇; 刘治勇
Original assignee: Tianjin Hengyu Medical Technology Co ltd
Current assignee: Tianjin Hengyu Medical Technology Co ltd
Priority date: 2020-04-24
Filing date: 2020-04-24
Publication date: 2020-07-17

Abstract

一种内窥OCT回撤控制系统，包括成像导管、连接件、回撤控制模块；所述回撤控制模块通过连接件与所述成像导管连接；所述回撤控制模块包括回撤模块和主控模块；所述主控单元将控制指令输出至驱动单元，所述驱动单元接收主控单元控制模式指令并输出相应的驱动信号至驱动电机，驱动电机控制所述成像导管的成像探头旋转并以设定速度前后移动至指定距离；所述监测单元实时监测成像导管及回撤控制模块的信息并反馈给主控单元实现闭环控制。相对于单一模式的回撤系统，本发明针对应用需求，提出了多模式的回撤系统及其控制方法，图像信息更为丰富，同时为用户提供了多种选择，灵活，应用范围广，减少了手术风险。

Description

内窥OCT回撤控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其是一种内窥OCT回撤控制系统及控制方法。

背景技术

医学内窥探头是目前医学上常用的无创或微创医疗器械，可以通过它直接观察人体内部器官的组织病变。传统的内窥探头只能观察内部器官表面，超声技术的引入使得内窥探头可以对器官断层的组织形态进行观察，但由于其分辨率较低，往往难以达到准确诊断所需的分辨率水平。而光学相干断层成像技术（OCT）与内窥探头的结合，使得对内部器官断层进行高分辨率，高灵敏度观察成为可能。临床试验表明OCT提供的高分辨率可用于多种疾病的监测，如：眼科，皮肤科，心血管科，口腔，呼吸科，消化内科等。在人体内器官早期癌症监测，及肿瘤切除，支架安装及评估上具有无可比拟的优势。

内窥OCT回撤系统主要用于控制导管的直线运动从而完成一定长度的组织成像，以获取病变区域的相关信息。一般的内窥OCT回撤系统包括驱动电机，驱动轴，连接件及成像导管，其中成像导管包括成像芯和外护管。回撤过程为：探头到达病变区域并超出至少5mm，开始自动回撤，成像导管回撤指定距离，对整个病变区域进行成像。这个过程一般是3-7秒，回撤距离为50-150mm。这个期间导管的外护管保持不动，成像芯在电机控制下高速旋转的同时回撤，对组织进行螺旋式点扫描，采集组织各点返回的光信号，成像芯回撤至设定距离如50mm后，电机停止运动，扫描结束。

现有内窥OCT回撤控制系统控制模式简单，仅考虑一种回撤模式。回撤长度及回撤速度固定，成像信息单调，不能满足临床需求。尤其当管腔内存在多处病变时，传统单一模式可能需要两次或多次回撤，造影剂使用量增多，对患者肾功能等伤害较大，手术风险高。

同时，由于成像组织成分及结构的复杂性，回撤系统负载表现为动态负载。传统回撤系统未考虑负载为动态负载这一现象，电机驱动控制简单，多为开环控制，系统鲁棒性差。当系统负载发生变化时，若控制信号未作出相应补偿，成像导管的转速将发生变化，从而导致成像失真，影响成像质量，严重时还会导致错误的病变评估。同时，由于成像导管具有一定的长度且成像目标管腔迂曲不均匀，因此电机驱动不稳定或系统机械结构同轴度较差也会引起成像导管抖动进而造成图像失真，影响对组织状态如狭窄程度的分析与评估。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内窥OCT回撤控制系统及控制方法，它能够解决现有技术的不足，采用多模式闭环回撤控制系统，其中多模式包括定点模式、高清模式及超长模式或其两两组合；而且根据动态负载特性，采用闭环控制，提高系统抗干扰能力；同时采用高同轴度驱动电机，机械连接采用高强度合金套筒及精密加工的连接轴，各部分连接紧密，同轴度高，保障了系统机械稳定。

本发明的技术方案：一种内窥OCT回撤控制系统，包括成像导管、连接件、回撤控制模块；所述回撤控制模块通过连接件与所述成像导管连接；其特征在于所述回撤控制模块包括回撤模块和主控模块，所述回撤模块和主控模块通过导线电气连接；所述回撤模块包括两个驱动电机，旋转驱动电机和前后运动驱动电机，所述主控模块包括驱动单元、主控单元及监测单元，所述主控单元将控制指令输出至驱动单元，所述驱动单元接收主控单元控制模式指令并输出相应的驱动信号至驱动电机，驱动电机控制所述成像导管的成像探头旋转并以设定速度前后移动至指定距离；所述监测单元实时监测成像导管及回撤控制模块的信息并反馈给主控单元实现闭环控制。

所述驱动电机驱动成像导管的成像芯以定点模式、高清模式、超长模式运动；所述成像芯以定点模式运动时，成像芯的成像探头运动至指定位置，旋转驱动电机控制成像探头旋转，前后运动驱动电机停止；所述成像芯以高清模式运动时，成像芯的成像探头到达病变区5mm-15mm后，旋转驱动电机控制成像探头旋转，同时前后运动驱动电机驱动成像芯以6000-12000r/min的速度回撤5-8cm；所述成像芯以超长模式运动时，旋转驱动电机驱动成像芯的成像探头到达病变区5mm-15mm后，旋转驱动电机控制成像探头旋转，同时前后运动驱动电机驱动成像芯以12000-20000r/min的速度回撤8-10cm。

所述成像导管由成像芯和外护管构成，成像芯与外护管之间填充有液体，以除去管腔内的空气及起到润滑作用；所述成像芯包括成像探头、光纤及光纤外部的扭矩线缆，成像芯旋转回撤完成组织内部指定距离的360^°成像。

所述监测单元实时监测的成像导管及回撤控制模块的信息包括探头位置信息以及电机转速、扭矩、光照强度、电机温度等信息。

所述驱动电机的控制模式及当前监测单元传递的信息通过显示单元显示。

所述显示单元包括显示模块和控制面板，所述控制面板包括控制按钮/按键及指示灯。

所述回撤模块包括前后运动驱动电机、支撑件、光电连接件、导管连接件以及旋转驱动电机；所述支撑件上安装有导轨，轴套安装于导轨之上,并可沿导轨轴向完成直线运动；光电连接件与旋转驱动电机分别固定于轴套上部与下部,旋转驱动电机通过传动带完成对光电连接件的旋转驱动控制；导管连接件安装于支撑件前端；驱动电机固定于支撑件后部,通过螺杆与轴套连接,完成对光电连接件、导管连接件及后面的导管整体直线运动控制。

一种上述内窥OCT回撤控制系统的控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

（1）设定驱动电机驱动模式，驱动模式包括定点模式、超长模式或高清模式；

（2）选择定点模式时，成像导管的成像探头运动至指定位置，启动回撤，主控单元将定点模式控制信号输出至驱动单元，驱动单元输出驱动信号，驱动旋转驱动电机控制成像探头以一定转速进行旋转，前后运动驱动电机处于待命状态；

（3）选择高清模式时，成像导管的成像探头到达病变区5mm-15mm后，启动回撤，主控单元将高清模式控制信号输出至驱动单元，驱动单元输出驱动信号，驱动旋转驱动电机控制成像探头以一定转速旋转，同时驱动前后运动驱动电机以较低速度回撤，高清模式回撤速度相对较低，同时回撤距离相对较短；

（4）选择超长模式时，成像导管的成像探头到达病变区5mm-15mm后，启动回撤，主控单元将超长模式控制信号输出至驱动单元，驱动单元输出驱动信号，驱动旋转驱动电机控制成像探头以一定转速旋转，同时驱动前后运动驱动电机以较快速度回撤，超长模式回撤速度较快，同时回撤距离较长。

所述定点模式、超长模式或高清模式之一作为默认模式，未选取任何回撤模式而启动回撤时，系统以默认模式运行。

所述主控单元接收监测单元反馈的监测信息，若监测信息超过设定阈值，主控单元发出控制信号控制驱动电机电机停止探头旋转及回撤，进入非工作状态。

所述监测信息超过设定阈值时，显示单元发出预警信号。

所述预警信号为文字信号或声音信号，如字体颜色为红色，信息闪烁等，或者发出蜂鸣声等。

本发明的优越性：1、相对于单一模式的回撤系统，本发明针对应用需求，提出了多模式的回撤系统及其控制方法，图像信息更为丰富，同时为用户提供了多种选择，灵活，应用范围广，减少了手术风险；2、本发明优先考虑了内窥OCT回撤系统负载为动态负载的特性，并根据其特性提出了基于闭环控制的控制方法，提高了系统的抗干扰能力，保证了系统的稳定性和可靠性；3、在机械结构上，本发明电机，传动轴及连接件同轴度高，减少了造影剂的使用量，同时为系统稳定性提供保障。

附图说明

图1为本发明所涉一种内窥OCT回撤控制系统的示意图。

图2为本发明所涉一种内窥OCT回撤控制系统的闭环控制方框图。

图3为本发明所涉一种内窥OCT回撤控制系统的控制流程图。

图4为本发明所涉一种内窥OCT回撤控制系统中回撤模块剖视图。

图5为本发明所涉一种内窥OCT回撤控制系统的控制面板示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种内窥OCT回撤控制系统，包括成像导管1、连接件4、回撤控制模块；所述回撤控制模块通过连接件4与所述成像导管1紧密连接；其特征在于所述回撤控制模块包括回撤模块2和主控模块3，所述回撤模块2和主控模块3通过导线5电气连接；所述回撤模块2包括两个驱动电机，转驱动电机和前后运动驱动电机，所述主控模块3包括驱动单元、主控单元及监测单元，所述主控单元将控制指令输出至驱动单元，所述驱动单元接收主控单元控制模式指令并输出相应的驱动信号至驱动电机，驱动电机通过驱动轴及连接件控制所述成像导管1的成像探头6旋转并以设定速度前后移动至指定距离；所述监测单元实时监测成像导管及回撤控制模块的信息并反馈给主控单元实现闭环控制。

如图2所示闭环系统包括主控单元、驱动单元、驱动电机、成像导管、监测单元及显示单元。当用户按下模式按钮，如定点模式、高清模式或超长模式，主控单元根据按钮状态，输出相应控制指令至驱动单元和显示单元，显示单元显示出当前系统模式，驱动单元输出相应控制信号，电机以一定速度直线运动设定距离，其中，定点模式回撤距离为0，即原地旋转成像，高清模式回撤距离相对较短，如50mm、60mm或其他，同时高清模式回撤速度较慢，如9mm/s、10mm/s或其他，而超长模式回撤速度较快，如18mm/s、20mm/s或其他，回撤距离较长，如80mm、90mm或其他，主要用于管腔内存在多处病变的情况。在系统运行的同时，监测单元实时监测驱动电机及成像导管的相应信息并将其反馈至主控单元以形成闭环控制。所述监测信息为探头位置信息，实现其位置的精准控制。或者，所述监测信息为位置信息及转速信息，当转速超过设定阈值，主控单元发出停止命令至驱动单元并控制电机停止运动，同时主控单元输出预警控制信息至显示单元，显示单元所显示的转速信息闪烁，或其颜色变现为红色，还可以加入声音预警信息。再或者，监测信息可以是位置信息与温度，转矩，光照强度等信息一个或多个的组合，实现闭环控制，提升系统控制精度及可靠性，降低手术风险。

如图3所示，一种上述内窥OCT回撤控制系统的控制方法：成像导管连接成功，进入待测组织并到达指定位置后，用户选择回撤模式，主控单元根据按钮状态输出相应控制命令至驱动单元及显示单元，显示单元显示当前模式，当用户按下回撤启动按钮后，驱动单元接收主控单元控制命令，并输出驱动信号至驱动电机，电机运动带动成像导管进行成像。当用户未进行模式选择按下回撤启动时，系统进入默认模式，所述默认模式可以是系统模式中的任意一种，可由用户根据需要设定，本实施例系统默认的默认模式为高清模式。在电机运动的同时，监测单元实时监测电机及成像导管的位置，转速，转矩，温度，光照强度等信息，并反馈至主控单元，实现位置的精准控制。主控单元根据监测信息输出相应指令至显示单元，用以显示当前系统的状态。同时，判断主控单元其他信息，如转速，是否超过阈值，即处于非工作范围，若未超出阈值，则系统正常运行；反之，超出阈值，主控单元发出停止命令至驱动单元控制电机停止运动，以保障手术安全可靠；同时发出预警信息至显示单元，相应监测信息显示为非正常工作状态，方便用户判断异常原因及时补救。

选择定点模式时，成像导管的成像探头运动至指定位置，如前限位，启动回撤，主控单元将定点模式控制信号输出至驱动单元，驱动单元输出驱动信号，如一定频率的PWM信号，占空比可调PWM，驱动旋转驱动电机控制成像探头以一定转速进行旋转，前后运动驱动电机处于待命状态；

选择高清模式时，成像导管的成像探头到达病变区至少一段距离后，如5mm，10mm，15mm等，启动回撤，主控单元将高清模式控制信号输出至驱动单元，驱动单元输出驱动信号，如一定频率的PWM信号，占空比可调PWM，驱动旋转驱动电机控制成像探头以6000-12000r/min的速度旋转，同时驱动前后运动驱动电机以较低速度回撤，如9mm/s、10mm/s或其他，高清模式回撤速度相对较低，同时回撤距离相对较短，如50mm、60mm或其他；

选择超长模式时，成像导管的成像探头到达病变区至少一段距离后，如5mm，10mm，15mm等，启动回撤，主控单元将超长模式控制信号输出至驱动单元，驱动单元输出驱动信号，如一定频率的PWM信号，占空比可调PWM，驱动旋转驱动电机控制成像探头以12000-20000r/min的速度旋转，同时驱动前后运动驱动电机以较快速度回撤，如18mm/s、20mm/s或其他，超长模式回撤速度较快，同时回撤距离较长，如50mm、60mm或其他。

如图4所示，所述回撤模块2包括前后运动驱动电机41、支撑件42、光电连接件43、导管连接件44以及旋转驱动电机45；所述支撑件42上安装有导轨，轴套安装于导轨之上,并可沿导轨轴向完成直线运动；光电连接件43与旋转驱动电机45分别固定于轴套上部与下部,旋转驱动电机45通过传动带完成对光电连接件43的旋转驱动控制；导管连接件44安装于支撑件42前端；驱动电机41固定于支撑件42后部,通过螺杆与轴套连接,完成对光电连接件43、导管连接件44及后面的导管整体直线运动控制。

所述光电连接件43通过螺套固定，保证光电连接件43与导管连接件44的同轴度。或者，光电连接件43通过两根或更多根精密加工的连接轴做导向，保证了光电连接件43与其他连接装置的同轴度。旋转模块45可以是旋转控制电机，如无刷电机、直流电机等。

如图5所示，回撤控制系统的控制面板包括外壳51、模式指示灯52、显示模块53、按钮54、开机指示灯55及回撤指示灯56。其中显示模块53主要用于显示系统信息，如回撤模式、转速、温度、光照强度、位置等，按钮54主要包括高清模式按钮、超长模式按钮、定点模式按钮及回撤按钮，模式指示52灯根据系统当前模式显示不同的状态，如颜色，闪烁频率等，回撤指示灯56用于指示系统回撤状态，如系统处于回撤状态时回撤指示灯56亮起，其他状态时回撤指示灯56熄灭。

所述成像导管由成像芯和外护管构成，成像芯与外护管之间填充有液体，以除去管腔内的空气及起到润滑作用；所述成像芯包括成像探头、光纤及光纤外部的扭矩线缆，成像芯旋转回撤完成组织内部指定距离的360^。成像。

所述监测信息超过设定阈值时，显示单元发出预警信号；述预警信号为文字信号或声音信号，如字体颜色为红色，信息闪烁等，或者发出蜂鸣声等。

Claims

1.一种内窥OCT回撤控制系统，包括成像导管、连接件、回撤控制模块；所述回撤控制模块通过连接件与所述成像导管连接；其特征在于所述回撤控制模块包括回撤模块和主控模块，所述回撤模块和主控模块通过导线电气连接；所述回撤模块包括两个驱动电机，旋转驱动电机和前后运动驱动电机，所述主控模块包括驱动单元、主控单元及监测单元，所述主控单元将控制指令输出至驱动单元，所述驱动单元接收主控单元控制模式指令并输出相应的驱动信号至驱动电机，驱动电机控制所述成像导管的成像探头旋转并以设定速度前后移动至指定距离；所述监测单元实时监测成像导管及回撤控制模块的信息并反馈给主控单元实现闭环控制。

2.根据权利要求1所述一种内窥OCT回撤控制系统，其特征在于所述驱动电机驱动成像导管的成像芯以定点模式、高清模式、超长模式运动；所述成像芯以定点模式运动时，成像芯的成像探头运动至指定位置，旋转驱动电机控制成像探头旋转，前后运动驱动电机停止；所述成像芯以高清模式运动时，成像芯的成像探头到达病变区5mm-15mm后，旋转驱动电机控制成像探头旋转，同时前后运动驱动电机驱动成像芯以6000-12000r/min的速度回撤5-8cm；所述成像芯以超长模式运动时，旋转驱动电机驱动成像芯的成像探头到达病变区5mm-15mm后，旋转驱动电机控制成像探头旋转，同时前后运动驱动电机驱动成像芯以12000-20000r/min的速度回撤8-10cm。

3.根据权利要求1所述一种内窥OCT回撤控制系统，其特征在于所述成像导管由成像芯和外护管构成，成像芯与外护管之间填充有液体，以除去管腔内的空气及起到润滑作用；所述成像芯包括成像探头、光纤及光纤外部的扭矩线缆，成像芯旋转回撤完成组织内部指定距离的360^°成像。

4.根据权利要求1所述一种内窥OCT回撤控制系统，其特征在于所述监测单元实时监测的成像导管及回撤控制模块的信息包括探头位置信息以及电机转速、扭矩、光照强度、电机温度等信息。

5.根据权利要求1所述一种内窥OCT回撤控制系统，其特征在于所述驱动电机的控制模式及当前监测单元传递的信息通过显示单元显示。

6.根据权利要求5所述一种内窥OCT回撤控制系统，其特征在于所述显示单元包括显示模块和控制面板，所述控制面板包括控制按钮/按键及指示灯。

7.根据权利要求1所述一种内窥OCT回撤控制系统，其特征在于所述回撤模块包括前后运动驱动电机、支撑件、光电连接件、导管连接件以及旋转驱动电机；所述支撑件上安装有导轨，轴套安装于导轨之上,并可沿导轨轴向完成直线运动；光电连接件与旋转驱动电机分别固定于轴套上部与下部,旋转驱动电机通过传动带完成对光电连接件的旋转驱动控制；导管连接件安装于支撑件前端；驱动电机固定于支撑件后部,通过螺杆与轴套连接,完成对光电连接件、导管连接件及后面的导管整体直线运动控制。

8.一种权利要求1所述内窥OCT回撤控制系统的控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述一种内窥OCT回撤控制系统的控制方法，其特征在于所述定点模式、超长模式或高清模式之一作为默认模式，未选取任何回撤模式而启动回撤时，系统以默认模式运行。

10.根据权利要求8所述一种内窥OCT回撤控制系统的控制方法，其特征在于所述主控单元接收监测单元反馈的监测信息，若监测信息超过设定阈值，主控单元发出控制信号控制驱动电机电机停止探头旋转及回撤，进入非工作状态，发出预警信号。