CN113274096B - 一种用于结束组织剪切的超声刀自适应控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种用于结束组织剪切的超声刀自适应控制方法及系统，包括：获取超声刀实时的工作数据，根据所得的数据进行函数运算，得到阻抗、超声刀电压或电流变化特征值；根据这些变化特征值，判断超声刀的各阶段进程并确定超声刀是否达组织剪切结束点。本发明根据阻抗、超声刀电压或电流，自动判断组织剪切结束点，当达到该组织剪切结束点后，提醒医生结束剪切，从而减小医生操作压力，并且降低超声刀控制电流，从而在达到最佳手术效果的同时护刀具，降低刀具磨损，延长刀具寿命。

Description

一种用于结束组织剪切的超声刀自适应控制方法及系统

技术领域

本发明属于医疗器械领域，尤其涉及一种超声手术刀的控制方法及系统，特别为一种用于超声手术刀结束组织剪切时的自适应控制方法及系统。

背景技术

超声手术刀(简称超声刀)，是指将通过压电转换器(通过能量发生器将电能传递至压电转换器，由压电转换器将电能转换为超声机械能)获得的超声振动进一步放大，并由手术刀的头部将放大后的超声振动用于对软组织的切割和凝闭的器械。临床用这种器械可在较低温度和较少出血的情况下实现病灶切除，并能确保最小的组织侧向热损伤。随着微创外科手术的普及，超声手术刀已经成为一种常规手术器械。

一般来讲，超声刀的工作原理是根据实际阻抗变化以及压电晶体温度变化等因素，实时利用锁相算法改变换能器工作频率使换能器工作在最大工作效率。现有技术超声刀在使用过程中，单纯依靠医生观察判断超声刀剪切组织是否结束，这样会有较大误差：如果提前结束剪切会造成手术失败，延迟结束剪切则会导致钳口一直磨损垫片，降低超声刀寿命。

现有技术CN201910124064.5揭示了一种自适应切割止血控制方法，其方法是“获取信号采集器采集的所述目标生物组织产生的反馈信号，并计算所述目标生物组织的生物阻抗；根据所述目标生物组织的生物阻抗确定刀具驱动模块所需产生的驱动信号的目标电流值或目标电压值；根据所述目标电流值或所述目标电压值调节所述刀具驱动模块产生的所述驱动信号。”该现有技术目的是为了基于阻抗值调整激励电流来提高刀具的切割效率，而采用的是根据阻抗值查询生物组织数据库来实现的，也就是查表来实现的，这种控制方式智能化程度不高并且会有较大的误差。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术的问题，提供了一种用于结束组织剪切的超声刀自适应控制方法及系统。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种用于结束组织剪切的超声刀自适应控制方法，包括如下步骤，

S1、获取超声刀实时的阻抗值数据；

S2、根据所得的阻抗值数据进行函数运算，得到阻抗变化特征值；

S3、将所述阻抗变化特征值按时间变化整合形成曲线，根据曲线形状来判断超声刀的各阶段进程，该进程至少包括组织剪切结束点；

S4、判断超声刀达到所述组织剪切结束点，并在该时间点降低超声刀控制电流并产生结束剪切提示。

优选的，所述步骤S1中还包括采用平滑算法进行所述阻抗值数据的平滑处理步骤，形成平滑后的阻抗变化曲线。

优选的，所述平滑算法包括算术平均滤波、限幅滤波、加权平均滤波、低通滤波。

优选的，所述步骤S2中，所述函数运算是平均值计算、最大值或最小值计算、一阶导数、二阶导数、高阶导数，所述阻抗变化特征值为阻抗平均值、阻抗最大值、阻抗最小值、阻抗峰值、阻抗导数值。

优选的，所述步骤S2中，采用其中一种所述函数运算，或者，采用多种所述函数运算。

优选的，所述步骤S3中，所述曲线包括第一线性变化区间，非线性变化区间，及第二线性变化区间，三个区间分别对应“处于剪切的组织起始分离阶段，半分离阶段，剪切结束阶段”三个阶段，所述曲线的第二线性变化区间的起始时间点为所述组织剪切结束点。

优选的，所述“根据曲线形状来判断超声刀的各阶段进程”的步骤，包括确定阻抗峰的步骤，最后一个阻抗峰结束的时刻为组织剪切结束点。

优选的，所述阻抗值数据由超声刀实时电压值或者电流值来替代，所述阻抗变化特征值由相应的电压特征值或者电流特征值来替代。所述电压特征值为电压平均值、电压最大值、电压最小值、电压峰值、电压导数值；所述电流特征值为电流平均值、电流最大值、电流最小值、电流峰值、电流导数值。

优选的，所述步骤S3中，所述提示包括声音、或指示灯、或触摸屏上的文字/ 颜色变化。

本发明还揭示了一种用于结束组织剪切的超声刀自适应控制系统，包括，

获取单元，用于获取超声刀实时的阻抗值数据；

运算单元，用于根据所得的阻抗值数据进行函数运算，得到阻抗变化特征值；

判断单元，用于将所述阻抗变化特征值按时间变化整合形成曲线，根据曲线形状来判断超声刀的各阶段进程，该进程至少包括组织剪切结束点；

控制单元，用于判断超声刀达到所述组织剪切结束点，并在该时间点降低超声刀控制电流并产生结束剪切提示。

本发明的有益效果主要体现在：根据阻抗、超声刀电压或电流，自动判断组织剪切结束点，当达到该组织剪切结束点后，提醒医生结束剪切，从而减小医生操作压力，并且降低超声刀控制电流，从而在达到最佳手术效果的同时护刀具，降低刀具磨损，延长刀具寿命；

相对于现有技术的查表来实现阻抗值的确认，本发明是通过实时根据多种函数运算得到特征指标实现的，智能化程度高，并且控制更加精准。

附图说明

图1是本发明用于结束组织剪切的超声刀自适应控制方法的流程示意图；

图2是本发明超声刀剪切过程中阻抗平均值变化曲线图；

图3是本发明超声刀在剪切双层组织的剪切过程中阻抗平均值变化曲线图；

图4是本发明超声刀剪切过程中阻抗一阶导数变化曲线图；

图5是本发明的用于结束组织剪切的超声刀自适应控制系统的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限于本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如图1所示，本发明揭示了一种用于结束组织剪切的超声刀自适应控制方法，包括如下步骤，

S1、获取超声刀实时的阻抗值数据；

S2、根据所得的阻抗值数据进行函数运算，得到阻抗变化特征值；

S3、将所述阻抗变化特征值按时间变化整合形成曲线，根据曲线形状来判断超声刀的各阶段进程，该进程至少包括组织剪切结束点；

S4、判断超声刀达到所述组织剪切结束点，并在该时间点降低超声刀控制电流并产生结束剪切提示。

超声刀本身为恒流输出(电流为I)，驱动电压U会随着组织剪切变化而变化。当实际阻抗变化以及压电晶体温度变化等发生变化后实时由处理器(比如 DSP/ARM/FPGA等)改变换能器工作频率f，使换能器工作在最高工作效率的共振区。电压电流传感器实时采集电压U、电流I和频率f，并将这些参数发送给处理器。

阻抗R由以下公式计算得到：

其中，U为工作电压，I为工作电流。

使用电压、电流传感器进行电压、电流采样值会包含随机误差，可以使用一些平滑算法对数据进行平滑处理，从而减小数据中的随机噪声干扰，并且保留剪切过程中阻抗变化特征，提高算法控制精确度。为了便于数据处理，阻抗需要经过加权处理，阻抗单位可能为任意单位。

所述平滑算法可以是算术平均滤波、限幅滤波、加权平均滤波、低通滤波等，其中算术平均滤波算法递推公式为：

其中，R[k-i]为输入值，R[k]为输出值，N为平滑点个数。

本发明所述步骤S2中，所述函数运算是平均值计算、最大值或最小值计算、一阶导数、二阶导数、高阶导数，所述阻抗变化特征值为阻抗平均值、阻抗最大值、阻抗最小值、阻抗峰值、阻抗导数值。

本发明以阻抗平均值、阻抗峰值(阻抗变化趋势)、阻抗导数值为例。

(1)根据阻抗平均值来判断组织剪切结束点。

在通常情况下剪切过程中阻抗值(阻抗平均值)处于某一水平，剪切结束后阻抗值(阻抗平均值)会达到另外一个水平。如图2所示，101区间表示组织剪切过程阻抗水平，大概在50-100之间，当达到剪切结束后，阻抗会变化到另外一个阻抗水平，对应区间103，大概在20-45之间，当阻抗值进入结束阻抗区间103时，即可认为达到剪切结束点。由此可见，本发明根据曲线形状来判断超声刀的各阶段进程。所述曲线包括第一线性变化区间，非线性变化区间，及第二线性变化区间，三个区间分别对应“处于剪切的组织起始分离阶段，半分离阶段，织剪切结束阶段”三个阶段。所述曲线的第二线性变化区间的起始时间点为所述组织剪切结束点。

当然，根据本发明技术，本领域技术人员可以预知的是，通过阻抗最大值或阻抗最小值的变化曲线来确定区间，可以得到相类似的结果。本发明中，阻抗最大值或阻抗最小值是指同一时间段(例如1秒)中采集到的阻抗的最大值或最小值。当然，直接用实时采集到阻抗值也是可以绘制曲线图。

(2)根据阻抗变化趋势(例如阻抗峰值)来判断组织剪切结束点。在特定情况下例如剪切组织为单层组织，如图2中所示，可以认为当阻抗峰102结束即达到组织剪切结束点；在另外特定情况下比如剪切组织为双层组织，如图3所示，具有两个明显的阻抗峰201和202，可以认为当最后一个阻抗峰202结束即达到组织阻抗结束点。

(3)根据阻抗导数值来判断组织剪切结束点。

阻抗导数值可能为一阶、二阶或者更高阶导数值，以阻抗一阶导数为例，可以根据相邻阻抗值差分得到，计算公式为：

D1_R[k]＝R[k]-R[k-1] (3)

其中D1_R[k]为一阶导数值，R[k]、R[k-1]为k时刻和k-1时刻的阻抗阻抗值。

阻抗一阶导数曲线如图4所示，组织剪切前期过程阻抗基本不变，对应区间301，当组织将要剪断时阻抗会发生显著变化，对应区间302，当阻抗一阶导数稳定到0，对应区间303，即可认为达到组织剪切结束条件。

本发明所述步骤S2中，可以采用其中一种函数运算，比如阻抗二阶导数值，当满足该特征值即可判断剪切结束；或者也可以采用多种所述函数运算，根据某种顺序先后满足各特征值时才能判断剪切结束，比如先判断阻抗一阶导数值满足对应特征值后，再观察阻抗平均值满足对应特征值才能判断达到结束剪切，特征值的组合和先后顺序不限。

本发明阻抗变化特征值不限于判定剪切结束，可以用于实时剪切阶段的判定，例如处于剪切的组织线性分离阶段，组织完全分离阶段，组织剪切结束阶段。甚至可以基于不同的特征值来判断当前剪切的组织类型，比如当前组织为小肠、胃、肝等组织，或者刀头的铁氟龙等。

本发明所述步骤S4中，提醒用户结束的方式可以包括声音、指示灯以及触摸屏上的文字或者颜色变化等。达到剪切结束点后，本发明还可以采取保护措施来保护刀具，例如降低控制电流等，电流的降低范围可以根据组织剪切情况或者当前电流水平变化，例如降低10％～30％，其他电流降低范围在某些情况下也可视为合理的。

根据本发明技术，本领域技术人员所预知的，所述阻抗值数据由超声刀实时电压值或者电流值来替代，所述阻抗变化特征值由相应的电压特征值或者电流特征值来替代。所述电压特征值为电压平均值、电压最大值、电压最小值、电压峰值、电压导数值；所述电流特征值为电流平均值、电流最大值、电流最小值、电流峰值、电流导数值。

如图5所示，本发明还揭示了一种用于结束组织剪切的超声刀自适应控制系统，包括：

获取单元，用于获取超声刀实时的阻抗值数据；

运算单元，用于根据所得的阻抗值数据进行函数运算，得到阻抗变化特征值；

判断单元，用于将所述阻抗变化特征值按时间变化整合形成曲线，根据曲线形状来判断超声刀的各阶段进程，该进程至少包括组织剪切结束点；

控制单元，用于判断超声刀达到所述组织剪切结束点，并在该时间点降低超声刀控制电流并产生结束剪切提示。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于结束组织剪切的超声刀自适应控制系统，其特征在于，包括，

获取单元，用于获取超声刀实时的阻抗值数据；

运算单元，用于根据所得的阻抗值数据进行函数运算，得到阻抗变化特征值；所述函数运算是一阶导数，所述阻抗变化特征值为阻抗一阶导数值；

判断单元，用于将所述阻抗变化特征值按时间变化整合形成曲线，根据曲线形状来判断超声刀的各阶段进程，该进程至少包括组织剪切结束点；所述曲线为阻抗一阶导数曲线，组织剪切前期过程阻抗一阶导数值基本不变；当组织将要剪断时阻抗一阶导数值会发生显著变化；当阻抗一阶导数值稳定到0，即可认为达到所述组织剪切结束点；

控制单元，用于判断超声刀达到所述组织剪切结束点，并在该时间点降低超声刀控制电流并产生结束剪切提示。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述运算单元还包括采用平滑算法进行所述阻抗值数据的平滑处理步骤，形成平滑后的阻抗变化曲线。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述平滑算法包括算术平均滤波、限幅滤波、加权平均滤波、低通滤波。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述提示包括声音、或指示灯、或触摸屏上的文字/颜色变化。

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