CN112999528A - 一种多针连续电动粒子植入装置的控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医疗器械领域，是一种多针连续电动粒子植入装置的控制系统及方法，包括：中央处理单元、通信单元、交互单元、环境信息感知单元、驱动单元，容易实现电动粒子植入器系统与机器人本体驱动单元的集成，只须配置将机器人本体驱动单元挂载在总线上，交互单元的脚踏安全开关、环境信息感知单元的B超探头、穿刺力传感器和中央处理单元的监控显示器联合使用，可以实现穿刺力或进针图像异常下，外科医生紧急干预下急停操作，保证控制系统运行的安全性，控制器响应于交互单元的控制面板发送的粒子植入任务，控制器解析任务级控制命令发送给所述驱动单元，驱动器完成对所述电机、开关量、编码器的控制和管理，提高控制系统实时性和扩展性。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，属于医学、机械、自动化交叉学科，具体涉及一种多针连续电动粒子植入装置的控制系统及方法。
技术背景
近些年，随着靶向放射性粒子植入术在北京中国人民解放军301医院临床推广应用的普及，北京市医疗器械检验所、医疗器械检验与安全性评价北京市重点实验室、北京理工大学智能机器人研究所、天智航公司、北京积水潭医院等北京科研机构已经从2012年的863计划项目开始，进行了脑外科、神经外科、骨科恶性肿瘤的粒子植入机器人关键技术的研究。传统放射性治疗术是在超声的引导下，借助于固定在超声支架上的导向板，临床医生使用手动粒子植入器将50～80颗镍钛合金包裹的125I （144Gy）/103Pd（120Gy）粒子植入靶区部位，连续低剂量放射γ射线对肿瘤细胞进行杀死。当前国内外的粒子植入器多为医生手动进行，依赖于医生的临床经验，使得粒子植入的准确度具有不确定性。同时医生的疲劳和抖动使得手术时间变长，还有可能对患者造成一定的伤害。现有的电动粒子植入装置一定程度上改善了植入过程的自动化程度，如放射性粒子植入设备(CN104288904B)、一种医用粒子植入装置(CN202982916U)等专利，但是关于粒子植入器的控制系统专利较少，一般是简单的按钮和开关控制，缺乏实用、有效的控制系统架构，而关于粒子植入装置的控制系统设计，决定了该装置的智能化程度和放射外科医生使用的可接受度，会进一步对电动粒子植入系统辅助该类手术的临床研究和示范应用进程产生影响。
发明内容
本发明为解决现有的粒子植入装置的控制系统方案简单、外科医师使用可接受度低等问题，进而提供了一种多针连续电动粒子植入装置的控制系统及方法。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：
一种多针连续电动粒子植入装置的控制系统，包括：中央处理单元、通信单元、交互单元、环境信息感知单元、驱动单元，所述通信单元包括RS232外设接口、PCI接口、EtherCAT总线接口，所述中央处理单元包括主控计算机，所述交互单元包括控制面板和脚踏安全开关，所述主控计算机通过RS232外设接口与交互单元连接，所述主控计算机通过PCI接口与环境信息感知单元连接，所述主控计算机通过TCP/IP协议接口安装有控制器，所述控制器通过EtherCAT总线接口与驱动单元连接，所述驱动单元包括内、外针驱动模块、弹匣更换模块、外针更换模块，所述内、外针驱动模块、弹匣更换模块、外针更换模块在中央处理单元的控制下完成粒子植入任务；
所述控制器响应于所述交互单元的控制面版发送的粒子植入任务，所述控制器解析任务级控制命令发送给所述驱动单元的内、外针驱动模块、弹匣更换模块、外针更换模块的驱动器，所述驱动器完成对所述电机、开关量、编码器的控制和管理；
所述环境信息感知单元包括位移传感器、红外传感器，所述位移传感器用于内、外针驱动模块、弹匣更换模块的直线定位信息反馈，所述红外传感器用于弹匣更换模块、外针更模块的角度定位信息反馈，所述位移传感器、红外传感器信息通过通信单元发送至中央处理单元的控制器，用于环境信息反馈的驱动单元的控制；
所述环境信息感知单元包括数据采集卡，所述数据采集卡采集环境信息感知单元的B超探头、穿刺力传感器信息，通过PCI接口发送至主控计算机的监控显示器上实时显示，所述监控显示器配合所述交互单元的脚踏安全开关协同工作，外科医生根据监控显示器上的B超和穿刺力数据，触发脚踏安全开关停止工作，所述脚踏安全开关的停止信号通过通信单元接口发送至驱动单元停止工作；
所述控制器根据接收的位移传感器、红外传感器信息，各个驱动器完成对所述驱动单元的电机、开关量、编码器的统一控制和管理，完成所述驱动单元的内、外针驱动模块、弹匣更换模块、外针更换模块各个时序动作的位置闭环控制，进而完成粒子植入任务；
根据本发明提供的实施例，所述内、外针驱动模块包括内针驱动电机、外针驱动电机，所述弹匣更换模块包括弹匣定位电机、升降驱动电机、微型电磁铁一，所述外针更换模块包括外针定位电机、微型电磁铁二；
所述内针驱动电机、外针驱动电机、弹匣定位电机、升降驱动电机、外针定位电机上均设有编码器，所述编码器采集信息实时发送至各个电机的驱动器，所述驱动器完成电机内部的伺服闭环控制；
利用一种多针连续电动粒子植入装置的控制系统的方法,其具体步骤如下：
S1：系统初始化：将电动粒子植入装置本体回零位，监控显示器上各项数据初始化；
S2：规划任务：控制面板规划粒子植入任务，发送给控制器；
S3：控制器解析任务：控制器解析任务级控制命令，发送给驱动单元；
S4：驱动器控制分配：驱动单元对各机构电机、开关量、编码器进行控制与管理；
S5：驱动单元工作：驱动单元的内、外针驱动模块、弹匣更换模块、外针更换模块各个时序动作的位置闭环控制；
S6：监控：通过监控显示器实时判断，判断穿刺力或进针图像是否异常；
S7：判断：粒子植入任务是否完成；
S8：重复执行：单次粒子植入循环动作：
S9：结束：规划的粒子植入任务完成；
所述的步骤S8中通过以下步骤循环动作执行，直至规划的粒子植入任务完成：
S81：外针装弹匣操作；
S82：外针定位；
S83：判断外针内腔卡是否卡死；
S84：更换外针操作；
S85：内针注射粒子；
S86：判断弹匣是否有粒子；
本发明的有益效果是：采用EtherCAT总线实现控制器与驱动单元的驱动器实时通信，减少了任务级控制指令与底层驱动单元的通信环节，控制系统硬件架构扩展性强，容易实现末端电动粒子植入器系统与机器人本体驱动单元的集成，只须通过配置将机器人本体驱动单元挂载在总线上，通过交互单元的脚踏安全开关、环境信息感知单元的B超探头、穿刺力传感器和中央处理单元的监控显示器联合使用，可以实现穿刺力或进针图像是异常下，外科医生紧急干预下急停操作，保证控制系统运行的安全性，控制器响应于所述交互单元的控制面版发送的粒子植入任务，所述控制器解析任务级控制命令发送给所述驱动单元的内、外针驱动模块、弹匣更换模块、外针更换模块的驱动器，所述驱动器完成对所述电机、开关量、编码器的控制和管理，提高控制系统的实时性和扩展性。
附图说明
图1控制系统硬件架构图。
图2驱动单元任务控制框图。
图3驱动单元干预控制框图。
图4一种多针连续电动粒子植入装置的控制系统方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。
如图1至图4，一种多针连续电动粒子植入装置的控制系统，包括：中央处理单元、通信单元、交互单元、环境信息感知单元、驱动单元，所述通信单元包括RS232外设接口、PCI接口、EtherCAT总线接口，所述中央处理单元包括主控计算机，所述交互单元包括控制面板和脚踏安全开关，所述主控计算机通过RS232外设接口与交互单元连接，所述主控计算机通过PCI接口与环境信息感知单元连接，所述主控计算机通过TCP/IP协议接口安装有控制器，所述控制器通过EtherCAT总线接口与驱动单元连接，所述驱动单元包括内、外针驱动模块、弹匣更换模块、外针更换模块，所述内、外针驱动模块、弹匣更换模块、外针更换模块在中央处理单元的控制下完成粒子植入任务。
所述控制器响应于所述交互单元的控制面版发送的粒子植入任务，所述控制器解析任务级控制命令发送给所述驱动单元的内、外针驱动模块、弹匣更换模块、外针更换模块的驱动器，所述驱动器完成对所述电机、开关量、编码器的控制和管理。
所述环境信息感知单元包括位移传感器、红外传感器，所述位移传感器用于内、外针驱动模块、弹匣更换模块的直线定位信息反馈，所述红外传感器用于弹匣更换模块、外针更模块的角度定位信息反馈，所述位移传感器、红外传感器信息通过通信单元发送至中央处理单元的控制器，用于环境信息反馈的驱动单元的控制。
所述环境信息感知单元包括数据采集卡，所述数据采集卡采集环境信息感知单元的B超探头、穿刺力传感器信息，通过PCI接口发送至主控计算机的监控显示器上实时显示，所述监控显示器配合所述交互单元的脚踏安全开关协同工作，外科医生根据监控显示器上的B超和穿刺力数据，触发脚踏安全开关停止工作，所述脚踏安全开关的停止信号通过通信单元接口发送至驱动单元停止工作。
所述控制器根据接收的位移传感器、红外传感器信息，各个驱动器完成对所述驱动单元的电机、开关量、编码器的统一控制和管理，完成所述驱动单元的内、外针驱动模块、弹匣更换模块、外针更换模块各个时序动作的位置闭环控制，进而完成粒子植入任务。
根据本发明提供的实施例，所述内、外针驱动模块包括内针驱动电机、外针驱动电机，所述弹匣更换模块包括弹匣定位电机、升降驱动电机、微型电磁铁一，所述外针更换模块包括外针定位电机、微型电磁铁二；所述内针驱动电机、外针驱动电机、弹匣定位电机、升降驱动电机、外针定位电机上均设有编码器，所述编码器采集信息实时发送至各个电机的驱动器，所述驱动器完成电机内部的伺服闭环控制。
利用一种多针连续电动粒子植入装置的控制系统的方法,其具体步骤如下：
S1：系统初始化：将电动粒子植入装置本体回零位，监控显示器上各项数据初始化；
S2：规划任务：控制面板规划粒子植入任务，发送给控制器；
S3：控制器解析任务：控制器解析任务级控制命令，发送给驱动单元；
S4：驱动器控制分配：驱动单元对各机构电机、开关量、编码器进行控制与管理；
S5：驱动单元工作：驱动单元的内、外针驱动模块、弹匣更换模块、外针更换模块各个时序动作的位置闭环控制；
S6：监控：通过监控显示器实时判断，判断穿刺力或进针图像是否异常；
S7：判断：粒子植入任务是否完成；
S8：重复执行：单次粒子植入循环动作：
S9：结束：规划的粒子植入任务完成。
所述的步骤S8中通过以下步骤循环动作执行，直至规划的粒子植入任务完成：
S81：外针装弹匣操作；
S82：外针定位；
S83：判断外针内腔是否卡死；
S84：更换外针操作；
S85：内针注射粒子；
S86：判断弹匣是否有粒子。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种多针连续电动粒子植入装置的控制系统，包括：中央处理单元、通信单元、交互单元、环境信息感知单元、驱动单元，所述通信单元包括RS232外设接口、PCI接口、EtherCAT总线接口，所述中央处理单元包括主控计算机，所述交互单元包括控制面板和脚踏安全开关，所述主控计算机通过RS232外设接口与交互单元连接，所述主控计算机通过PCI接口与环境信息感知单元连接，所述主控计算机通过TCP/IP协议接口安装有控制器，所述控制器通过EtherCAT总线接口与驱动单元连接，所述驱动单元包括内、外针驱动模块、弹匣更换模块、外针更换模块，所述内、外针驱动模块、弹匣更换模块、外针更换模块在中央处理单元的控制下完成粒子植入任务。
2.根据权利要求1所述的一种多针连续电动粒子植入装置的控制系统，其特征在于：所述控制器响应于所述交互单元的控制面版发送的粒子植入任务，所述控制器解析任务级控制命令发送给所述驱动单元的内、外针驱动模块、弹匣更换模块、外针更换模块的驱动器，所述驱动器完成对所述电机、开关量、编码器的控制和管理。
3.根据权利要求1所述的一种多针连续电动粒子植入装置的控制系统，其特征在于：所述环境信息感知单元包括位移传感器、红外传感器，所述位移传感器用于内、外针驱动模块、弹匣更换模块的直线定位信息反馈，所述红外传感器用于弹匣更换模块、外针更模块的角度定位信息反馈，所述位移传感器、红外传感器信息通过通信单元发送至中央处理单元的控制器，用于环境信息反馈的驱动单元的控制。
4.根据权利要求1所述的一种多针连续电动粒子植入装置的控制系统，其特征在于：所述环境信息感知单元包括数据采集卡，所述数据采集卡采集环境信息感知单元的B超探头、穿刺力传感器信息，通过PCI接口发送至主控计算机的监控显示器上实时显示，所述监控显示器配合所述交互单元的脚踏安全开关协同工作，外科医生根据监控显示器上的B超和穿刺力数据，触发脚踏安全开关停止工作，所述脚踏安全开关的停止信号通过通信单元接口发送至驱动单元停止工作。
5.利用权利要求1至4中任一项所述的一种多针连续电动粒子植入装置的控制系统方法,其特征在于：其具体步骤如下：
S1：系统初始化：将电动粒子植入装置本体回零位，监控显示器上各项数据初始化；
S2：规划任务：控制面板规划粒子植入任务，发送给控制器；
S3：控制器解析任务：控制器解析任务级控制命令，发送给驱动单元；
S4：驱动器控制分配：驱动单元对各机构电机、开关量、编码器进行控制与管理；
S5：驱动单元工作：驱动单元的内、外针驱动模块、弹匣更换模块、外针更换模块各个时序动作的位置闭环控制；
S6：监控：通过监控显示器实时判断，判断穿刺力或进针图像是否异常；
S7：判断：粒子植入任务是否完成；
S8：重复执行：单次粒子植入循环动作：
S9：结束：规划的粒子植入任务完成；
所述的步骤S8中通过以下步骤循环动作执行，直至规划的粒子植入任务完成：
S81：外针装弹匣操作；
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S84：更换外针操作；
S85：内针注射粒子；
S86：判断弹匣是否有粒子。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20210622 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |