CN113208703A - 乳腺旋切系统及其自适应电机切割控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种乳腺旋切系统，其包括切割组件，所述切割组件包括内刀管和外刀管；所述外刀管由z向电机控制进行周向运动；所述内刀管由x向电机控制进行周向摆切运动，并由y向电机控制进行轴向运动；所述乳腺旋切系统还包括电机切割控制系统，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：检测切割过程中所述y向电机的负载电流大小，并根据所述负载电流大小调整所述x向电机和/或y向电机的运动速度或转矩。使用本发明的乳腺旋切系统及电机切割控制系统，可以减少乳腺微创手术过程中对医生个人经验的依赖，减少各种因素对切割效率和效果的影响，降低手术操作难度并降低患者手术过程中的不适感，同时能够使得设备不易损坏。

Description

乳腺旋切系统及其自适应电机切割控制系统

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及乳腺旋切系统，特别是涉及乳腺旋切系统及其设置的自适应式电机切割控制系统。

背景技术

目前市场上的真空辅助乳腺旋切系统主要产品有泰维康生产的麦默通、巴德生产的安珂、美国Suros外科系统公司生产的atec。这些产品技术点主要集中于整机系统、手柄及刀的机械结构，对乳腺旋切系统的电机控制研究较少。

中国专利文献CN106880379A公开了一种乳腺微创手术自适应控制装置，对乳腺旋切系统的电机控制方法进行了探索，该专利文献中提供了一种根据B超图像分析得到的组织致密度信息进行自动调节、驱动相应电机运行的方法。然而在切割过程，不止存在这一种因素影响着刀头的切割效率和效果，除了组织的致密度，还有组织的柔韧度、刀头的锋利度、系统的负压值等，这些因素都会影响到切割的效率和效果。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种乳腺旋切系统及其自适应电机切割控制系统。通常在乳腺旋切系统的切割过程中，存在着多种因素影响着刀头的切割效率和效果，如组织的致密度、组织的柔韧度、刀头的锋利度、系统的负压值等等，这些因素的干扰，一部分会以电机负载电流变化的形式表现出来，并可以通过电机驱动器获得。本发明通过监测电机负载电流的大小，并对电机速度进行适当的调节，可以在一定程度上保证切割的效率和效果，同时避免因电机速度过大导致负载电流超过设备限制的情况发生。

本发明的技术方案如下：

一种乳腺旋切系统，包括切割组件，所述切割组件包括内刀管和外刀管；所述外刀管能够进行周向运动，所述外刀管的周向运动通过z向电机控制；所述内刀管能够进行周向摆切运动和轴向运动，所述内刀管的周向摆切运动由x向电机控制，所述内刀管的轴向运动由y向电机控制；

所述乳腺旋切系统还包括电机切割控制系统，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：

根据切割过程中所述y向电机的负载电流大小调整所述x向电机和/或y向电机的运动速度。

所述的乳腺旋切系统优选，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：

为所述x向电机和所述y向电机设定初始转速值；

自动控制所述x向电机和所述y向电机的运动，以保证所述x向电机和所述y向电机转速分别为设定的所述初始转速值；

监测、采集所述y向电机的负载电流大小，并根据所述负载电流大小实时调整所述x向电机和/或所述y向电机的转速。

所述的乳腺旋切系统优选，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：控制所述y向电机先以设定的初始转速V_Y1驱动所述内刀管沿轴向运动，同时控制所述x向电机以设定的初始转速V_X1驱动所述内刀管进行周向摆切运动，并根据V_Y=f_Y(I_Y)、V_X=f_X(I_Y)的函数关系调整所述y向电机和/或所述x向电机的运动速度，直到当次切割结束；其中，I_Y是所述y向电机的负载电流，V_Y是所述y向电机的运动速度，f_Y是所述y向电机的运动速度相对于所述y向电机的负载电流的函数，V_X是所述x向电机的运动速度，f_X是所述x向电机的运动速度相对于所述y向电机的负载电流的函数。

所述的乳腺旋切系统优选，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：

设定初始速度：V_Y1=1200，V_X1=500；

当所述y向电机的负载电流0≤I_Y＜0.1时，调整电机速度V_Y=600，V_X=500；

当所述y向电机的负载电流0.1≤I_Y＜0.2时，调整电机速度V_Y=1400，V_X=200；

当所述y向电机的负载电流I_Y≥0.2时，调整电机速度V_Y=1400，V_X=50。

所述的乳腺旋切系统优选，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：

设定初始速度：V_Y1=1000，V_X1=400；

按照如下函数，根据测得的所述y向电机的负载电流调整所述y向电机及所述x向电机的速度：V_Y=50+45*I_Y，V_X=1400-140*I_Y。

所述的乳腺旋切系统优选，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：

切割开始后，首先根据设定的初始转速V_Y1和V_X1分别调整所述y向电机和所述x向电机的运动速度并使其维持在初始速度，然后判断所述内刀管是否到达结束位置，如判断结果为是，则切割结束，如判断结果为否，则获取所述y向电机的负载电流大小I_Y，之后根据V_Y=f_Y(I_Y)、V_X=f_X(I_Y)的函数关系调整所述y向电机和所述x向电机的运动速度，并循环进行判断内刀管是否到达结束位置、获取y向电机负载电流大小、根据所述函数关系调整所述y向电机及所述x向电机的运动速度的步骤，直至切割结束。

基于同样的发明构思，本发明还提供一种电机切割控制系统，用于控制乳腺旋切系统中电机的切割运动，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：

根据切割过程中y向电机的负载电流大小调整所述x向电机和/或y向电机的运动速度或转矩。

所述的电机切割控制系统优选，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：

为所述x向电机和所述y向电机设定初始转速值；

自动控制所述x向电机和所述y向电机的运动，以保证所述x向电机和所述y向电机转速分别为设定的所述初始转速值；

监测、采集所述y向电机的负载电流大小，并根据所述负载电流大小实时调整所述x向电机和/或所述y向电机转速。

所述的电机切割控制系统优选，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：控制所述y向电机先以设定的初始转速V_Y1驱动所述内刀管沿轴向运动，同时控制所述x向电机以设定的初始转速V_X1驱动所述内刀管进行周向摆切运动，并根据V_Y=f_Y(I_Y)、V_X=f_X(I_Y)的函数关系调整所述y向电机和/或所述x向电机的运动速度，直到当次切割结束；其中，I_Y是所述y向电机的负载电流，V_Y是所述y向电机的运动速度，f_Y是所述y向电机的运动速度相对于所述y向电机的负载电流的函数，V_X是所述x向电机的运动速度，f_X是所述x向电机的运动速度相对于所述y向电机的负载电流的函数。

所述的电机切割控制系统优选，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：

设定初始速度：V_Y1=1200，V_X1=500；

当所述y向电机的负载电流0≤I_Y＜0.1时，调整电机速度V_Y=600，V_X=500；

当所述y向电机的负载电流0.1≤I_Y＜0.2时，调整电机速度V_Y=1400，V_X=200；

当所述y向电机的负载电流I_Y≥0.2时，调整电机速度V_Y=1400，V_X=50。

所述的电机切割控制系统优选，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：

设定初始速度：V_Y1=1000，V_X1=400；

按照如下函数，根据测得的所述y向电机的负载电流调整所述y向电机及所述x向电机的速度：V_Y=50+45*I_Y，V_X=1400-140*I_Y。

所述的电机切割控制系统优选，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：

切割开始后，首先根据设定的初始转速V_Y1和V_X1分别调整所述y向电机和所述x向电机的运动速度并使其维持在初始速度，然后判断所述内刀管是否到达结束位置，如判断结果为是，则切割结束，如判断结果为否，则获取所述y向电机的负载电流大小I_Y，之后根据V_Y=f_Y(I_Y)、V_X=f_X(I_Y)的函数关系调整所述y向电机和所述x向电机的运动速度，并循环进行判断内刀管是否到达结束位置、获取y向电机负载电流大小、根据所述函数关系调整所述y向电机及所述x向电机的运动速度的步骤，直至切割结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明的电机切割控制系统通过监测y向电机负载电流对x向电机和/或y向电机速度进行适当的调节，建立了负载电流与电机速度的函数关系，实现了自适应切割，使用本发明的乳腺旋切系统及其自适应电机切割控制系统，可以减少乳腺微创手术过程中对医生个人经验的依赖，减少各种因素对切割效率和效果的影响，降低手术操作难度并降低患者手术过程中的不适感，同时能够使得设备不易损坏。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本发明实施例的乳腺旋切系统的切割组件的一种示意图；

图2为本发明实施例的乳腺旋切系统的电机驱动器、电机及切割组件的连接及控制示意图；

图3为本发明实施例的乳腺旋切系统的电机切割控制系统执行的一种切割控制方法的示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种在乳腺旋切系统中，根据切割过程中相应电机负载电流来调节相关电机切割运动的电机切割控制系统，该乳腺旋切系统及电机切割控制系统能够自适应多种因素对切割效率和效果的影响，使切割的过程始终保持在一个合适的状态。以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，因此图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

实施例

本实施例提供一种乳腺旋切系统，包括对组织进行切割的切割组件，所述切割组件的一个具体实例可以是如图1所示，切割组件包括内刀管20和外刀管10，外刀管10上设有刀槽11，内刀管20套在外刀管10内，并且内刀管20能够相对于外刀管10前后运动进而能够在内刀管20和外刀管10之间产生容纳待切割组织的取样槽，此处定义外刀管10的尖头方向为前向，相反方向为后向。

所述切割组件中，所述外刀管10能够实现周向运动，所述外刀管10的周向运动通过一电机控制，该电机标记为第三电机或z向电机。

所述切割组件中，所述内刀管20能够进行周向摆切运动和轴向运动，其中，内刀管20的周向摆切运动由一电机控制，该电机标记为第一电机或x向电机；内刀管20的轴向运动由一电机控制，该电机标记为第二电机或y向电机。

上述三个电机通过乳腺旋切系统的电机切割控制系统进行控制，电机切割控制系统可以是执行切割过程中的各步骤的一个或多个电机驱动器，例如可以是使用一个电机驱动器控制三个电机（如图2所示），或者使用三个电机驱动器分别控制三个电机，电机驱动器能够实现下述的方法步骤；此外，电机切割控制系统还可以是计算设备例如存储软件程序并能够运行所述软件程序以实现相应功能的计算机。

以下将以三个电机驱动器分别控制三个电机为例进行详细说明，其中，第一电机驱动器检测第一电机的负载电流并控制第一电机的运动状态，第二电机驱动器检测第二电机的负载电流并控制第二电机的运动状态，第三电机驱动器检测第三电机的负载电流并控制第三电机的运动状态。

所述乳腺旋切系统的示例性切割过程如下：

手术初始状态，内刀管20为闭合状态，此时内刀管20与外刀管10之间没有足够空间形成取样槽。

手术的切割过程为：先通过第三电机驱动器控制第三电机使外刀管10周向运动来调节刀槽11的角度，待刀槽11的角度调节到位后，内刀管20在第二电机驱动器控制的第二电机的驱动下向后运动，此时待切割组织被真空泵产生的吸力吸入刀槽11中，内刀管20向后运动至设定位置后开始向前运动，同时内刀管20在第一电机驱动器控制的第一电机的驱动下在周向做一定角度的往复运动产生摆切效果，此时便开始切割组织，直到内刀管20再次闭合，一次切割结束。

在上述的切割过程中，需要切割控制的是第一电机和第二电机，每个电机的控制方式是在各自的电机驱动器设定一个初始转速值和一个停止位置，电机驱动器在此设定基础上会通过内置的一套控制逻辑自动控制相应电机的运动，为保证转速值为初始设定值，电机的负载电流大小会不断变化调整。电机切割控制系统根据手术过程中实时采集到的第二电机的负载电流，来判断被切割组织的易切割度，并实时调整第一电机的转速、以及第二电机的转速，使乳腺旋切系统的各电机一直处于最佳工作状态，从而实现智能切割，提高手术效率。其中，根据检测到的电机负载电流实时调整电机的转速的具体方法可以是，设定当负载电流的变化达到预先设定的某一条件时，进行相应电机的转速调整。除了可以控制电机转速调整外，还可以根据负载电流进行电机转矩的调整。

例如，请参考图3所示，在切割过程中，第二电机在第二电机驱动器的控制下会先以初始的设定速度V_Y1使内刀管20向前运动，同时第一电机在第一电机驱动器的控制下会先以初始的设定速度V_X1使内刀管20进行周向摆切运动，同时第二电机的电机驱动器会监测第二电机的负载电流大小I_Y，并根据V_Y=f_Y(I_Y)、V_X=f_X(I_Y)的关系调整第二电机和第一电机的运动速度，直至本次切割结束。其中，I_Y是所述y向电机的负载电流，V_Y是所述y向电机的运动速度，f_Y是所述y向电机的运动速度相对于所述y向电机的负载电流的函数，V_X是所述x向电机的运动速度，f_X是所述x向电机的运动速度相对于所述y向电机的负载电流的函数。其中，函数f_Y、f_X是由技术人员根据实验或者经验设定的。

更具体的例如，切割过程中，第二电机的速度在其负载电流变大时适当地减小，同时第一电机的速度适当地增大，即第二电机的负载电流变大表明前进阻力增大，此时减小内刀管20的前进速度，同时增大内刀管20的周向切割速度。

第一电机和第二电机的运行速度随检测到的第二电机的负载电流大小进行调整的具体示例如下。

例1：

初始速度：V_Y1=1200，V_X1=500；

当第二电机的负载电流0≤I_Y＜0.1时，V_Y=600，V_X=500；

当第二电机的负载电流0.1≤I_Y＜0.2时，V_Y=1400，V_X=200；

当第二电机的负载电流I_Y≥0.2时，V_Y=1400，V_X=50。

例2：

初始速度：V_Y1=1000，V_X1=400；

V_Y=50+45*I_Y，VX=1400-140*I_Y；

在图3所示的步骤中，切割开始后，首先根据设定的初始速度V_Y1和V_X1分别调整第二电机和第一电机的运动速度并维持此运行速度，然后判断内刀管20是否到达结束位置，如判断结果为是，则切割结束，如判断结果为否，则获取第二电机的负载电流大小I_Y，之后根据预先确定的V_Y=f_Y(I_Y)、V_X=f_X(I_Y)的函数关系调整第二电机和第一电机的运动速度，并循环进行①判断内刀管是否到达结束位置、②获取第二电机的负载电流大小、③根据函数关系调整电机运动速度这三个步骤，直至切割结束。

本发明的乳腺旋切系统及其自适应电机运动控制系统中，所定义和执行的控制方法关键点包括：

1)通过电机负载电流判断切割时的刀头受干扰情况，所述电机可以是y向电机，也可以是x向电机，或者x向电机和y向电机。

2)通过建立出各电机速度与电机负载电流之间的对应关系给出受干扰情况下的各电机速度设定值并将各电机速度调至所述设定值。

3)通过调整电机速度来适应各种干扰情况，以保证切割的效率和效果。

此外，第一电机的负载电流同样可以用于判断电机运动时的受干扰情况，可以用于进一步优化手术过程中的电机运动控制。

此外，第一电机和第二电机的负载电流还可以组合用于判断电机运动时的受干扰情况，可以用于进一步优化手术过程中的电机运动控制。

使用本发明的控制系统，可以减少乳腺微创手术过程中对医生个人经验的依赖，减少各种因素对切割效率和效果的影响，降低手术操作难度并降低患者手术过程中的不适感，同时能够使得设备不易损坏。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (12)

1.一种乳腺旋切系统，其特征在于，包括切割组件，所述切割组件包括内刀管和外刀管；所述外刀管能够进行周向运动，所述外刀管的周向运动通过z向电机控制；所述内刀管能够进行周向摆切运动和轴向运动，所述内刀管的周向摆切运动由x向电机控制，所述内刀管的轴向运动由y向电机控制；

所述乳腺旋切系统还包括电机切割控制系统，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：

检测切割过程中所述y向电机的负载电流大小，并根据检测得到的负载电流大小情况调整所述x向电机和/或所述y向电机的运动速度。

2.如权利要求1所述的乳腺旋切系统，其特征在于，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：

为所述x向电机、所述y向电机设定初始转速值；

自动控制所述x向电机、所述y向电机的运动，以保证所述x向电机、所述y向电机转速分别为设定的所述初始转速值；

监测、采集所述y向电机的负载电流大小，并根据所述负载电流大小实时调整所述x向电机和/或所述y向电机的转速。

3.如权利要求2所述的乳腺旋切系统，其特征在于，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：控制所述y向电机先以设定的初始转速V_Y1驱动所述内刀管沿轴向运动，同时控制所述x向电机以设定的初始转速V_X1驱动所述内刀管进行周向摆切运动，并根据V_Y=f_Y(I_Y)、V_X=f_X(I_Y)的函数关系调整所述y向电机和/或所述x向电机的运动速度，直到当次切割结束；其中，I_Y是所述y向电机的负载电流，V_Y是所述y向电机的运动速度，f_Y是所述y向电机的运动速度相对于所述y向电机的负载电流的函数，V_X是所述x向电机的运动速度，f_X是所述x向电机的运动速度相对于所述y向电机的负载电流的函数。

4.如权利要求3所述的乳腺旋切系统，其特征在于，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：

设定初始速度：V_Y1=1200，V_X1=500；

当所述y向电机的负载电流0≤I_Y＜0.1时，调整电机速度V_Y=600，V_X=500；

当所述y向电机的负载电流0.1≤I_Y＜0.2时，调整电机速度V_Y=1400，V_X=200；

当所述y向电机的负载电流I_Y≥0.2时，调整电机速度V_Y=1400，V_X=50。

5.如权利要求3所述的乳腺旋切系统，其特征在于，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：

设定初始速度：V_Y1=1000，V_X1=400；

按照如下函数，根据测得的所述y向电机的负载电流调整所述y向电机及所述x向电机的速度：V_Y=50+45*I_Y，V_X=1400-140*I_Y。

6.如权利要求3或4或5所述的乳腺旋切系统，其特征在于，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：

切割开始后，首先根据设定的初始转速V_Y1和V_X1分别调整所述y向电机和所述x向电机的运动速度并使其维持在初始速度，然后判断所述内刀管是否到达结束位置，如判断结果为是，则切割结束，如判断结果为否，则获取所述y向电机的负载电流大小I_Y，之后根据V_Y=f_Y(I_Y)、V_X=f_X(I_Y)的函数关系调整所述y向电机和所述x向电机的运动速度，并循环进行判断内刀管是否到达结束位置、获取y向电机负载电流大小、根据所述函数关系调整所述y向电机及所述x向电机的运动速度的步骤，直至切割结束。

7.一种电机切割控制系统，用于控制乳腺旋切系统中电机的切割运动，其中，内刀管的周向摆切运动由x向电机控制，内刀管的轴向运动由y向电机控制，其特征在于，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：

根据切割过程中所述y向电机的负载电流大小调整所述x向电机和/或所述y向电机的运动速度。

8.如权利要求7所述的电机切割控制系统，其特征在于，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：

为所述x向电机、所述y向电机设定初始转速值；

自动控制所述x向电机、所述y向电机的运动，以保证所述x向电机、所述y向电机转速分别为设定的初始转速值；

并监测、采集所述y向电机的负载电流大小，并根据所述负载电流大小实时调整所述x向电机和/或所述y向电机转速。

9.如权利要求8所述的电机切割控制系统，其特征在于，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：控制所述y向电机先以设定的初始转速V_Y1驱动所述内刀管沿轴向运动，同时控制所述x向电机以设定的初始转速V_X1驱动所述内刀管进行周向摆切运动，并根据V_Y=f_Y(I_Y)、V_X=f_X(I_Y)的函数关系调整所述y向电机和/或所述x向电机的运动速度，直到当次切割结束；其中，I_Y是所述y向电机的负载电流，V_Y是所述y向电机的运动速度，f_Y是所述y向电机的运动速度相对于所述y向电机的负载电流的函数，V_X是所述x向电机的运动速度，f_X是所述x向电机的运动速度相对于所述y向电机的负载电流的函数。

10.如权利要求9所述的电机切割控制系统，其特征在于，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：

设定初始速度：V_Y1=1200，V_X1=500；

当所述y向电机的负载电流0≤I_Y＜0.1时，调整电机速度V_Y=600，V_X=500；

当所述y向电机的负载电流0.1≤I_Y＜0.2时，调整电机速度V_Y=1400，V_X=200；

当所述y向电机的负载电流I_Y≥0.2时，调整电机速度V_Y=1400，V_X=50。

11.如权利要求9所述的电机切割控制系统，其特征在于，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：

设定初始速度：V_Y1=1000，V_X1=400；

按照如下函数，根据测得的所述y向电机的负载电流调整所述y向电机及所述x向电机的速度：V_Y=50+45*I_Y，V_X=1400-140*I_Y。

12.如权利要求9或10或11所述的电机切割控制系统，其特征在于，所述电机切割控制系统配置为执行如下步骤：

切割开始后，首先根据设定的初始转速V_Y1和V_X1分别调整所述y向电机和所述x向电机的运动速度并使其维持在初始速度，然后判断所述内刀管是否到达结束位置，如判断结果为是，则切割结束，如判断结果为否，则获取所述y向电机的负载电流大小I_Y，之后根据V_Y=f_Y(I_Y)、V_X=f_X(I_Y)的函数关系调整所述y向电机和所述x向电机的运动速度，并循环进行判断内刀管是否到达结束位置、获取y向电机负载电流大小、根据所述函数关系调整所述y向电机及所述x向电机的运动速度的步骤，直至切割结束。

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