CN112558521A - 一种基于arm嵌入式平台的心脏固定器气路控制方法 - Google Patents

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祝连庆
付书山
孙广开
何彦霖
董明利
于明鑫
何巍
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
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    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/10—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges for stereotaxic surgery, e.g. frame-based stereotaxis
    • A61B90/14—Fixators for body parts, e.g. skull clamps; Constructional details of fixators, e.g. pins
    • A61B90/17—Fixators for body parts, e.g. skull clamps; Constructional details of fixators, e.g. pins for soft tissue, e.g. breast-holding devices

Abstract

本发明涉及软体手术机器人控制技术，具体的说是一种基于ARM嵌入式Linux平台的心脏固定器气路系统的控制装置及其控制方法。本发明包括UI交互界面以及ARM控制系统。用户通过操作UI界面给控制器发送信号使控制器工作，控制整个气路系统。进而达到控制并驱动整个软体机构。

Description

一种基于ARM嵌入式平台的心脏固定器气路控制方法
技术领域
本发明属于软体手术机器人控制领域，特别涉及一种基于ARM嵌入式平台的心脏固定器气路控制方法。
背景技术
软体机器人技术是一项前瞻性的技术，目前在世界范围内都引起了广泛的关注。传统机器人大多由限制了弹性变形能力的材料制成，其形状适应特定的外部约束与障碍，具有高度精确性的特点。在医疗保健方面，虽然基于刚性机构的传统机器人已经广泛应用于医疗领域各类手术，但是其灵活性、适应性以及安全性都比较差，容易造成人体内部组织的损伤。所以在医疗保健、复杂地形勘探等特殊领域需要能够适应非结构化环境的机器人的出现，因此软体机器人成为科学界研究的热点方向。
心脑血管疾病是威胁人类健康的头号杀手，其中冠心病造成人类死亡与残疾排名已跃升至第1位。冠状动脉搭桥术可显著改善心肌缺血，是重症冠心病患者的主要治疗方式。
非体外循环冠状动脉搭桥术手术可最大限度避免体外循环设备对患者各脏器造成的损伤，是理想的治疗手段。心脏固定器是非体外循环冠状动脉搭桥术手术顺利实施的一项必不可少的装置，它可以保证在心脏跳动情况下，其所固定的局部手术操作区相对稳定，为微小血管吻合提供保障。但是，现有心脏固定器的U型八孔吸盘所提供的吸附力较为固定且需要手工调整，为了维持手术视野的清晰和稳定，外科医生通常忽视心肌所能承受的压力进行吸附固定，导致患者心脏非体外循环冠状动脉搭桥术术后所固定的八孔吸盘区出现心肌损伤，轻者导致术后心脏水肿、心功能不全，严重者可致巨大心肌血肿，威胁患者生命。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于ARM嵌入式平台的心脏固定器气路控制方法，通过发展柔性微型传感理论、软体机器人智能控制理论和仿生学方法等，解决了解决刚体机器人自由度低、运动惯性大等缺点，增加装置的适用性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于ARM嵌入式平台的心脏固定器气路控制方法，所述方法包括以下步骤：步骤a、在计算机界面输入相应的参数来设定预期的动作；步骤b、ARM嵌入式平台根据所述参数设置各个气路完成所述动作应达到的压强数值；步骤c、所述ARM嵌入式平台内的ARM处理器控制相应的寄存器，所述寄存器驱动电磁阀真空发生器工作；步骤d、所述电磁阀真空发生器通过第一U型软体机构硬化通道和第二U型软体机构硬化通道控制U型软体机构；通过第一支撑臂硬化通道和第二支撑臂硬化通道控制支撑臂；通过八孔吸盘吸附通道控制八孔吸盘，完成对心脏固定器的真空抽取。
优选的，所述ARM嵌入式平台为FriendlyARM的MINI2440开发板。
优选的，所述计算机界面使用C++与QT的图形库来实现。
优选地，所述第一U型软体机构硬化通道和所述第二U型软体机构硬化通道通过负压气动方式实现所述U型软体机构的硬化；所述第一支撑臂硬化通道和所述第二支撑臂硬化通道通过负压气动方式实现所述支撑臂的硬化；所述八孔吸盘吸附通道控制所述八孔吸盘的吸附。
一种心脏固定器，包括支撑臂和U型软体机构，所述U型软体机构上设置有八孔吸盘；所述支撑臂端部开设有气路通道，所述气路通道中部开设有八孔吸盘吸附通道，所述八孔吸盘吸附通道四周均匀开设有第一U型软体机构硬化通道、第一支撑臂硬化通道、第二U型软体机构硬化通道和第二支撑臂硬化通道；其中，所述第一U型软体机构硬化通道和所述第二U型软体机构硬化通道相对设置，所述第一支撑臂硬化通道和所述第二支撑臂硬化通道相对设置；所述第一U型软体机构硬化通道和所述第二U型软体机构硬化通道与所述U型软体机构相连通，所述第一支撑臂硬化通道和所述第二支撑臂硬化通道与所述支撑臂相连通，所述八孔吸盘吸附通道与所述八孔吸盘相连通。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、采用C++与图形界面控制整个系统，效率、可靠性高，操作简单，抗干扰能力强；
2、整个控制系统主要全部由嵌入式平台控制，结构简单、体积小、实时性好；
3、通过发展柔性微型传感理论、软体机器人智能控制理论和仿生学方法等，解决了解决刚体机器人自由度低、运动惯性大等缺点；
4、通过发展柔性微型传感理论、软体机器人智能控制理论和仿生学方法等，解决了围术期血液参数实时监测、术中心脏无损吸附和术后精确诊断等问题。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出了本发明心脏固定器的气路控制系统示意图；
图2示意性示出了本发明气路控制系统流程示意图；
图3示意性示出了本发明整个装置的具体气路示意图。
图中：
1、第一U型软体机构硬化通道 2、第二U型软体机构硬化通道
3、第一支撑臂硬化通道 4、第二支撑臂硬化通道
5、八孔吸盘吸附通道 6、八孔吸盘
7、U型软体机构 8、支撑臂
9、计算机 10、ARM嵌入式平台
11、电磁阀真空发生器 12、压缩机
13、分离器 14、汇流排
15、2位3通电磁阀 16、调压器
17、真空发生器 18、心脏固定器
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
为实现心脏固定器18U型八孔吸盘6的吸附以及U型软体结构7和柔性支撑臂8的硬化，一种基于心脏固定器气路系统的控制装置及其控制方法，实现了对供气装置的控制，达到了控制整个心脏固定器的形态的目的。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：整个控制装置采用ARM嵌入式平台10，实现对多通道气路的实时控制。此发明选用的嵌入式平台是FriendlyARM的MINI2440开发板，其有丰富的I/O口方便外部信号的输入与输出。UI界面是通过使用C++与QT的图形库来实现。在图形界面可以直接控制某一气路的通断与时间，电磁阀的通断，从而控制整个气路系统。
心脏固定器有五路气道，全部是通过负压气动方式工作。外围有四路气道，其中第一U型软体机构硬化通道1和第二U型软体机构硬化通道2是通过负压气动方式实现U型软体机构7的硬化，第一支撑臂硬化通道3和第二支撑臂硬化通道4是通过负压气动方式实现支撑臂8的硬化，八孔吸盘吸附通道5的目的是控制八孔吸盘6的吸附。整个心脏固定器的气路控制系统如图1所示。
本发明使用图形操作界面，是由C++语言并结合QT开发工具开发而成。操作人员在界面点击相应的操作，或者输入相应的参数来设定预期的动作。ARM嵌入式平台10会根据相应算法来设置各个气路完成这个动作应达到的压强数值。同时，平台也会实时收集各个气路的压强、受力等数据，通过比较来控制相应的寄存器进而来控制气路的通断，直到实现对软体预期的动作。ARM处理器按照指定的程序控制相应的寄存器，进而驱动指定的电磁阀真空发生器11工作，完成对心脏固定器的真空抽取。具体流程图如图2所示。
该心脏固定器的气路控制系统主要由arm处理器控制，整个控制系统主要控制三个部分，分别为八孔吸盘6的吸附、U型软体机构7的硬化以及柔性支撑臂8的硬化。处理通过改变相应管脚的通过数字量输出，控制电磁阀真空发生器11进行正负压调节控制，实现无损吸附智能调控。
整个装置的具体气路图如图3所示。本发明基于软体机器人技术的柔性吸附机构及调控技术，通过实时监测、自适应调节作业机构刚度及吸附力，有效固定心脏组织，并防止造成损伤，提升了手术质控水平。
本发明的有益效果：本发明采用C++与图形界面控制整个系统，效率、可靠性高，操作简单，抗干扰能力强；整个控制系统主要全部由嵌入式平台控制，结构简单、体积小、实时性好；通过发展柔性微型传感理论、软体机器人智能控制理论和仿生学方法等，解决了解决刚体机器人自由度低、运动惯性大等缺点；通过发展柔性微型传感理论、软体机器人智能控制理论和仿生学方法等，解决了围术期血液参数实时监测、术中心脏无损吸附和术后精确诊断等问题。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (5)

1.一种基于ARM嵌入式平台的心脏固定器气路控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤a、在计算机界面输入相应的参数来设定预期的动作；
步骤b、ARM嵌入式平台根据所述参数设置各个气路完成所述动作应达到的压强数值；
步骤c、所述ARM嵌入式平台内的ARM处理器控制相应的寄存器，所述寄存器驱动电磁阀真空发生器工作；
步骤d、所述电磁阀真空发生器通过第一U型软体机构硬化通道和第二U型软体机构硬化通道控制U型软体机构；通过第一支撑臂硬化通道和第二支撑臂硬化通道控制支撑臂；通过八孔吸盘吸附通道控制八孔吸盘，完成对心脏固定器的真空抽取。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述ARM嵌入式平台为FriendlyARM的MINI2440开发板。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算机界面使用C++与QT的图形库来实现。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一U型软体机构硬化通道和所述第二U型软体机构硬化通道通过负压气动方式实现所述U型软体机构的硬化；所述第一支撑臂硬化通道和所述第二支撑臂硬化通道通过负压气动方式实现所述支撑臂的硬化；所述八孔吸盘吸附通道控制所述八孔吸盘的吸附。
5.一种心脏固定器，其特征在于，包括支撑臂和U型软体机构，所述U型软体机构上设置有八孔吸盘；
所述支撑臂端部开设有气路通道，所述气路通道中部开设有八孔吸盘吸附通道，所述八孔吸盘吸附通道四周均匀开设有第一U型软体机构硬化通道、第一支撑臂硬化通道、第二U型软体机构硬化通道和第二支撑臂硬化通道；
其中，所述第一U型软体机构硬化通道和所述第二U型软体机构硬化通道相对设置，所述第一支撑臂硬化通道和所述第二支撑臂硬化通道相对设置；
所述第一U型软体机构硬化通道和所述第二U型软体机构硬化通道与所述U型软体机构相连通，所述第一支撑臂硬化通道和所述第二支撑臂硬化通道与所述支撑臂相连通，所述八孔吸盘吸附通道与所述八孔吸盘相连通。
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