CN113274097B - 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频率值数据，形成频率变化曲线；根据所得的频率值数据进行函数运算，得到频率变化特征值；根据频率变化特征值，判断超声刀的各阶段进程；判断超声刀达到组织剪切结束点，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：根据频率的显著特征，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

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

本发明涉及医疗器械领域，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。

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、获取超声刀实时的工作频率值数据，形成频率变化曲线；

S2、根据所得的频率值数据进行函数运算，得到频率变化特征值；

S3、根据频率变化特征值，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频率值数据的平滑处理步骤，形成平滑后的频率变化曲线。

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，所述函数运算可以是一阶导数、二阶导数、高阶导数、区间积分、累计积分或者加权积分，所述频率变化特征值为导数值或积分值，所述导数值为一阶导数值、二阶导数值或者更高阶导数值，所述积分值为一段区间的积分值、累计积分值或者经过加权积分值，并进行归一化处理。

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，还包括将所述频率变化特征值按时间变化整合形成曲线的步骤，根据曲线形状来判断超声刀的各阶段进程。

优选的，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。

优选的，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工作频率值数据，形成频率变化曲线；

运算单元，用于根据所得的频率值数据进行函数运算，得到频率变化特征值；

判断单元，用于根据频率变化特征值，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：根据频率的显著特征，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。

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是平滑后的频率变化曲线图；

图3是本发明超声刀剪切过程中频率一阶导数曲线图；

图4是本发明超声刀剪切过程中频率二阶导数曲线图；

图5是本发明超声刀剪切过程中频率积分归一化曲线图；

图6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、获取超声刀实时的工作频率值数据，形成频率变化曲线；

S2、根据所得的频率值数据进行函数运算，得到频率变化特征值；

S3、根据频率变化特征值，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。

本发明中所述步骤S1中还包括采用平滑算法进行所述频率值数据的平滑处理步骤。因为频率值数据中会包含一些随机噪声，会影响频率变化特征值的提取。因此，本发明使用一些平滑算法对频率数据进行平滑处理，从而减小数据中的随机噪声干扰，并且保留剪切过程中主要频率变化特征，提高算法控制精确度。为了便于数据处理，频率需要经过加权处理，频率单位可能为任意单位，比如频率单位可能为0.1Hz或者0.01Hz，时间基于采样间隔，单位可以为1ms或者10ms。

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，其中加权滤波算法递推公式为：

其中，f[k-i]为输入值，f[k]为输出值，w_i为加权系数，满足0≤w_i≤1，

N≤k。

平滑后的频率变化曲线如图2所示。

本发明所述步骤S2中，所述函数运算可以是一阶导数、二阶导数、高阶导数、区间积分、累计积分或者加权积分，所述频率变化特征值为导数值或积分值，所述导数值为一阶导数值、二阶导数值或者更高阶导数值，所述积分值为一段因间的积分值、累计积分值或者经过加权积分值，并进行归一化处理。

本发明以一阶导数、二阶导数、区间积分为例。

(1)根据频率一阶导数来判断组织剪切结束点。

根据频率的一阶导数值D1_f来提取组织剪切过程中频率变化特征值，一阶导数可以为频率f的一阶差分，计算公式为：

D1_f[k]＝f[k]-f[k-1] (2)

其中D1_f[k]为一阶导数值，f[k]、f[k-1]为k时刻和k-1时刻的频率值。

将所述频率变化特征值按时间变化整合形成曲线，剪切过程中一阶导数曲线如图3所示。

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。

具体结合图3所示，区间201为频率线性变化区间，此区间对应组织剪切前期，频率变化率大概为-2KHz/s；当组织快要剪断时频率非线性变化对应区间202；组织剪断后，开始剪切刀具前口的塑料刀砧，频率线性变化对应区间203，频率变化率大概为-7KHz/s，区间203起始点对应组织剪切结束点。

(2)根据频率二阶导数来判断组织剪切结束点。

根据频率的二阶导数D2_f来提取组织剪切过程中频率变化特征值，二阶导数可以为频率f的二阶差分，计算公式为：

D2_f[k]＝f[k+1]+f[k-1]-2f[k] (3)

其中D2_f[k]为二阶导数值，f[k+1]、f[k]、f[k-1]分别为k+1时刻、k时刻、k-1时刻的频率值，k≥1。

频率二阶导数也可以使用一阶导数D1_f的差分，计算公式为：

D2_f[k]＝D1_f[k]-D1_f[k-1] (4)

其中D2_f[k]为二阶导数值，D1_f[k]、D1_f[k-1]为k时刻和k-1时刻的频率值，k≥1。

剪切过程中二阶导数曲线如图4所示。

区间301为频率线性变化区间，二阶导数变化率基本为0；区间302为频率非线性变化区间，二阶导数具有较大浮动；区间303回到频率线性变化区间，区间303起始点对应组织剪切结束点。

(3)根据频率积分来判断组织剪切结束点。

根据频率的积分I_f来提取剪切特征，频率积分值可以为一段区间的积分值、累计积分值或者加权积分值，区间积分值计算公式如下所示：

其中I_f[k]为积分值，f[k-i]为频率值，N≤k。

可以对积分值归一化和加权处理，归一化处理后频率积分曲线如图5所示。

区间401对应剪切线性变化区间，区间402对应非线性变化区间，区间403对应剪切结束区间，区间403起始点对应组织剪切结束点。

本发明所述步骤S2中，可以采用其中一种函数运算，比如频率二阶导数值，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，比如先判断频率一阶导数值满足对应特征值后，再观察频率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。

本发明频率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。

本发明的实质在于将频率的非线性变化经过函数运算后得到线性变化区间与显著非线性变化区间，并且提取出显著特征值，进而根据相应特征值自动判断组织剪切结束点。

如图6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工作频率值数据，形成频率变化曲线；

运算单元，用于根据所得的频率值数据进行函数运算，得到频率变化特征值；

判断单元，用于根据频率变化特征值，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 (5)

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工作频率值数据，形成频率变化曲线；

运算单元，用于根据所得的频率值数据进行函数运算，得到频率变化特征值；所述运算单元中，所述函数运算是区间积分、累计积分或者加权积分，所述频率变化特征值为积分值，所述积分值为一段区间的积分值、累计积分值或者经过加权积分值，并进行归一化处理；

判断单元，用于根据频率变化特征值，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；所述判断单元将所述频率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；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；

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，所述获取单元还包括采用平滑算法进行所述频率值数据的平滑处理步骤，形成平滑后的频率变化曲线。

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，所述运算单元中，采用其中一种所述函数运算，或者，采用多种所述函数运算。

5.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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