CN117064496A - 带监测传感器的腹腔镜钳及高精度压力监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的带监测传感器的腹腔镜钳，包括手柄、壳体、弓形梁、导管以及工作端，壳体安装在手柄上方，弓形梁的一端固定安装在壳体上，导管连接在弓形梁的另一端，还包括显示屏、射频装置以及传感器，传感器包括压力传感器，压力传感器安装在工作端上，射频装置安装在导管内，射频装置连接显示屏，通过设置的传感器和显示屏进行实时采集和观察，实现在手术过程中的实时高精度监测，高精度压力监测方法通过集成柔性压力传感器于腹腔镜钳头，物理结构上具有柔性可贴合、压力检测灵敏度高和压力范围大的优势，并通过采集电路对压力数据实时采集和算法处理，提升传统腹腔镜的应用场景和使用效果。

Description

带监测传感器的腹腔镜钳及高精度压力监测方法

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，具体为带监测传感器的腹腔镜钳及高精度压力监测方法。

背景技术

腹腔镜手术是一门新发展起来的微创方法，是未来手术方法发展的一个必然趋势。随着工业制造技术的突飞猛进，相关学科的融合为开展新技术、新方法奠定了坚定的基础，加上医生越来越娴熟的操作，使得许多过去的开放性手术现在已被腔内手术取而代之，大大增加了手术选择机会。腹腔镜手术钳是腹腔镜手术中常用的器械之一。

在腹腔手术过程中，需要在腹部的不同位置做数个直径为-毫米的切口，通过这些切口插入摄像镜头和各种特殊的手术器械，将插入腹腔内的摄像头所拍摄的腹腔内的图像，通过导线传导至后方的处理系统上并实时显示在电视屏幕上。主治医生则通过腹腔镜手术钳等手术器械对患者人体组织进行手术作业。

现有的腹腔镜手术钳结构和功能都比较单一，在手术过程中只能用于实现夹取和分离人体组织，而且，不论是腹腔镜或机器人手术，外科医生借助手术器械对病灶组织“隔山打牛”，由于无法直接观察和触及病灶组织，对于病灶的触觉及手术力度上不能把握，对医生后续的腹腔镜手术的治疗会产生影响。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了带监测传感器的腹腔镜钳及高精度压力监测方法，带监测传感器的腹腔镜钳通过设置的传感器和显示屏进行实时采集和观察，实现在手术过程中的实时高精度监测，保证手术的质量，高精度压力监测方法基于高精度的柔性压力传感器采集的数据，通过提出的FDPC模型对手术过程中腹腔镜钳头的压力进行状态识别，最终将手术状态实时显示于腹腔镜显示器上。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

带监测传感器的腹腔镜钳，包括手柄、壳体、弓形梁、导管以及工作端，所述壳体安装在手柄上方，所述弓形梁的一端固定安装在壳体上，所述导管连接在弓形梁的另一端，所述工作端活动安装在导管的端部，其特征在于：还包括显示屏、射频装置以及传感器，所述显示屏安装在弓形梁上方，所述传感器包括压力传感器，所述压力传感器安装在工作端上，所述射频装置安装在导管内，所述压力传感器通过导线穿过导管连接射频装置，所述射频装置连接显示屏。

上述结构中：本发明提出的带监测传感器的腹腔镜钳，包括手柄、壳体、弓形梁、导管以及工作端，还通过设置有显示屏、射频装置以及传感器，通过传感器和显示屏进行实时采集和观察，用于实现在手术过程中的实时高精度监测，保证手术的质量，采用热电偶制作微型压力传感器，并将其置于工作端的头部，通过射频装置，实现数据的实时传输，射频装置内置有数/模转换器，通过射频装置内的数/模转换器将压力传感器采集的压力数据转换为模拟信号，并将模拟信号输送到显示屏，显示屏内置有模/数转换器，然后再通过显示屏内的模/数转换器将模拟信号转化为数字信号，接着采用容积补偿算法对数据进行处理，实现高精度的测量，并最终将其显示于显示屏上。实现在手术过程中的实时高精度监测，保证手术的质量。

作为本发明的优选技术方案：还包括扣手，所述扣手活动安装在壳体上且位于手柄的上方，所述扣手对称设置有两个，两个扣手分别穿过壳体、弓形梁以及导管连接工作端，当手指插入扣手中时，控制其开合即可实现控制工作端张合。

上述结构中：扣手活动安装在壳体的一侧且位于手柄的上方，用于实现对工作端的控制，扣手对称设置有两个，在使用时，医生的大拇指和食指分别插入在扣手中，当手指插入扣手中之后，控制两个扣手相互靠近或远离即可实现控制工作端张合，使用非常方便。

作为本发明的优选技术方案：还包括拉杆，所述拉杆活动安装在手柄上，所述拉杆上设置有防滑凸起，当拉杆远离手柄时，所述工作端锁死，当拉杆靠近手柄时，所述工作端在以导管为轴线的空间里上下左右90°转动。

上述结构中：拉杆活动安装在手柄上，用于实现对移动到适当位置的工作端进行锁死固定，当拉杆远离手柄时，工作端被锁死，无法自由转动，当拉杆靠近手柄时，工作端可以在以导管为轴线的空间里上下左右90°转动。

作为本发明的优选技术方案：所述射频装置包括蓝牙射频电路，所述压力传感器通过蓝牙射频电路连接显示屏。

上述结构中：射频装置包括蓝牙射频电路，压力传感器连接在蓝牙射频电路上，蓝牙射频电路连接显示屏，通过蓝牙射频电路可以实现压力传感器数据的传输，将其传输到显示屏上进行显示。

作为本发明的优选技术方案：所述工作端包括铰接式钳体，所述压力传感器对应安装在铰接式钳体上。

作为本发明的优选技术方案：所述压力传感器采用热电偶制作，其均为贴片式传感器，外部由氧化锆包裹。

上述结构中：工作端包括铰接式钳体，压力传感器对应安装在铰接式钳体上，方便进行数据采集和监测，压力传感器分别为采用热电偶制作的微型压力传感器，通过贴片的方式固定安装在铰接式钳体上，外部由氧化锆包裹对其进行保护。

高精度压力监测方法，其特征在于：基于柔性压力传感器采集的数据，通过提出的FDPC模型对手术过程中腹腔镜钳头的压力进行状态识别，最终显示于腹腔镜显示器上，算法模型FDPC具体步骤如下，

步骤1，FDPC训练数据采集，利用布局在腹腔镜钳头的柔性压力传感器采集不同方向和不同力度下的三维压力数据，其中采集的数据分为5种类型：腹腔镜空闲工作状态、腹腔镜切口不光滑平整有粘连工作状态、腹腔镜切口较光滑平整工作状态、腹腔镜切口光滑平整工作状态和腹腔镜危险工作状态；

步骤2，离线模型的训练，提出FDPC模型，并用步骤1采集的数据进行模型的训练，最终使得模型收敛；

步骤3，训练模型的在线应用：将训练得到的FDPC模型烧制于腹腔镜钳的嵌入式系统中，完成对手术中腹腔镜钳工作柔性压力的实时监测和评估。

作为本发明的优选技术方案：步骤1的训练数据采集的具体描述为：

通过柔性压力传感器采集腹腔各仿生组织的不同方向、不同力度下的三维柔性压力数据，对单个数据可表示为F＝{F_x,F_y,F_z}，F_x、F_y和F_z分别表示X、Y和Z轴三个方向的分力，其中采集腹腔镜无效工作状态的标准为三维力中各维力都小于0.05N，采集腹腔镜危险工作状态的参考标准为三维力中法向力大于2N，腹腔镜切口不光滑平整有粘连工作状态、腹腔镜切口较光滑平整工作状态和腹腔镜切口光滑平整工作状态这三类数据依据生理组织和临床经验自适应采集。

作为本发明的优选技术方案：步骤2的FDPC模型离线训练的具体步骤为：

对采集的样本集合X_N×D，其包含N个样本点，每个样本点的维度为D(本专利中为3，单个样本数据为步骤1中采集的三维力F)，X_N×D表示为X_N×_D＝{x₁,x₂,x₃,x₄,...,x_N}；

步骤2.1.确定训练数据集X_N×D、FDPC中的截断距离Dist和需要聚类的类别数K，其中K取值5，Dist根据本专利的应用场景建议取值为0.65；

步骤2.2.提出融合配比核用以计算各样本点间的局部密度具体表达式为：

式中，和/>分别表示高斯核/>和截断核/>的权重系数，表达式分别为：

式中d(x_i,x_j)表示样本x_i和x_j间的欧式距离；

高斯核和截断核/>的表达式为：

式中，当Dist大于等于d(x_i,x_j)时，函数χ()取为0，其余情况下χ()取值为1；

步骤2.3.依据各样本点的局部密度ρ得到距离参数δ，具体的，对样本x_i来说，其最近的高密度点的距离为：

步骤2.4.根据和δ_i绘制二维决策图，选择/>和δ_i较大的K个点，并以之作为各聚类中心点；

步骤2.5.将剩下的非聚类中心的各样本点依据欧式距离分类至最近的簇中，最终实现样本分类。

上述结构中：高精度压力监测方法是基于高精度的柔性压力传感器采集的数据，通过提出的FDPC模型对手术过程中腹腔镜钳头的压力进行状态识别，最终显示于腹腔镜显示器上。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

带监测传感器的腹腔镜钳通过设置有显示屏、射频装置以及传感器，通过传感器进行实时数据采集，通过射频装置将采集的数据进行传输到显示屏，最后通过显示屏进行实时观察和监测，实现在手术过程中的实时高精度监测，以此，保证手术的质量。

高精度压力监测方法中的FDPC模型基于高精度的柔性压力传感器采集的数据，通过提出的FDPC模型对手术过程中腹腔镜钳头的压力进行状态识别，最终显示于腹腔镜显示器上，通过集成柔性压力传感器于腹腔镜钳头，物理结构上具有柔性可贴合、压力检测灵敏度高和压力范围大的优势，并通过采集电路对压力数据实时采集和算法处理，提升传统腹腔镜的应用场景和使用效果；

通过提出的FDPC模型能快速准确的对手术过程中腹腔镜钳头和生理组织间接触的情况做识别并实时显示，很大程度上降低了组织损伤的隐患，保证了手术的高质量完成。

附图说明

图1是本申请的侧视图；

图2是本申请的俯视图；

图3是本申请中工作端结构示意图；

图4是本申请中高精度压力监测方法的流程图；

图5是本申请中所采用的柔性压力传感器采集的三维数据的坐标系；

图6是本申请中高精度压力监测方法整体流程示意图。

附图标记列表：

1、手柄；2、壳体；3、弓形梁；4、导管；5、工作端；6、扣手；7、拉杆；8、显示屏；

9、射频装置；10、压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1-3所示，本发明提出了带监测传感器的腹腔镜钳，包括手柄1、壳体2、弓形梁3、导管4以及工作端5，所述壳体2安装在手柄1上方，所述弓形梁3的一端固定安装在壳体2上，所述导管4连接在弓形梁3的另一端，所述工作端5活动安装在导管4的端部，还包括显示屏8、射频装置9以及传感器，所述显示屏8安装在弓形梁3上方，所述传感器包括压力传感器10，所述压力传感器10安装在工作端5上，所述射频装置9安装在导管4内，所述压力传感器10通过导线穿过导管4连接射频装置9，所述射频装置9连接显示屏8。

本发明提出的带监测传感器的腹腔镜钳，包括手柄1、壳体2、弓形梁3、导管4以及工作端5，还通过设置有显示屏8、射频装置9以及传感器，通过传感器和显示屏8进行实时采集和观察，用于实现在手术过程中的实时高精度监测，保证手术的质量，采用热电偶制作微型压力传感器10，并将其置于工作端5的头部，通过射频装置9，实现数据的实时传输，射频装置9内置有数/模转换器，通过射频装置9内的数/模转换器将压力传感器10采集的压力数据转换为模拟信号，并将模拟信号输送到显示屏8，显示屏8内置有模/数转换器，然后再通过显示屏8内的模/数转换器将模拟信号转化为数字信号，接着采用容积补偿算法对数据进行处理，实现高精度的测量，并最终将其显示于显示屏8上。实现在手术过程中的实时高精度监测，保证手术的质量。

在本实施例中：还包括扣手6，所述扣手6活动安装在壳体2上且位于手柄1的上方，所述扣手6对称设置有两个，两个扣手6分别穿过壳体2、弓形梁3以及导管4连接工作端5，当手指插入扣手6中时，控制其开合即可实现控制工作端5张合。扣手6活动安装在壳体2的一侧且位于手柄1的上方，用于实现对工作端5的控制，扣手6对称设置有两个，在使用时，医生的大拇指和食指分别插入在扣手6中，当手指插入扣手6中之后，控制两个扣手6相互靠近或远离即可实现控制工作端5张合，使用非常方便。

在本实施例中：还包括拉杆7，所述拉杆7活动安装在手柄1上，所述拉杆7上设置有防滑凸起，当拉杆7远离手柄1时，所述工作端锁死，当拉杆7靠近手柄1时，所述工作端在以导管为轴线的空间里上下左右90°转动。拉杆7活动安装在手柄1上，用于实现对移动到适当位置的工作端5进行锁死固定，当拉杆7远离手柄1时，工作端5被锁死，无法自由转动，当拉杆7靠近手柄1时，工作端5可以在以导管4为轴线的空间里上下左右90°转动。

在本实施例中：所述射频装置9包括蓝牙射频电路，所述压力传感器10通过蓝牙射频电路连接显示屏8。射频装置9包括蓝牙射频电路，压力传感器10连接在蓝牙射频电路上，蓝牙射频电路连接显示屏8，通过蓝牙射频电路可以实现压力传感器10数据的传输，将其传输到显示屏8上进行显示。

在本实施例中：所述工作端5包括铰接式钳体，所述压力传感器10对应安装在铰接式钳体上。所述压力传感器10分别采用热电偶制作，其均为贴片式传感器，外部由氧化锆包裹。

工作端5包括铰接式钳体，压力传感器10分别对应安装在铰接式钳体上，方便进行数据采集和监测，压力传感器10分别为采用热电偶制作的微型压力传感器10，通过贴片的方式固定安装在铰接式钳体上，外部由氧化锆包裹对其进行保护。

如图4所示，本发明基于带监测传感器的腹腔镜钳，还提出了高精度压力监测方法，基于柔性压力传感器采集的数据，通过提出的FDPC模型对手术过程中腹腔镜钳头的压力进行状态识别，最终显示于腹腔镜显示器上，算法模型FDPC具体步骤如下，

步骤1，FDPC训练数据采集，利用布局在腹腔镜钳头的柔性压力传感器采集不同方向和不同力度下的三维压力数据，其中采集的数据分为5种类型：腹腔镜空闲工作状态、腹腔镜切口不光滑平整有粘连工作状态、腹腔镜切口较光滑平整工作状态、腹腔镜切口光滑平整工作状态和腹腔镜危险工作状态；

步骤2，离线模型的训练，提出FDPC模型，并用步骤1采集的数据进行模型的训练，最终使得模型收敛；

步骤3，训练模型的在线应用：将训练得到的FDPC模型烧制于腹腔镜钳的嵌入式系统中，完成对手术中腹腔镜钳工作柔性压力的实时监测和评估。

其中，柔性压力传感器即为压力传感器10。

步骤1的训练数据采集的具体描述为：

通过柔性压力传感器采集腹腔各仿生组织的不同方向、不同力度下的三维柔性压力数据，对单个数据可表示为F＝{F_x,F_y,F_z}，F_x、F_y和F_z分别表示X、Y和Z轴三个方向的分力，其中采集腹腔镜无效工作状态的标准为三维力中各维力都小于0.05N，采集腹腔镜危险工作状态的参考标准为三维力中法向力大于2N，腹腔镜切口不光滑平整有粘连工作状态、腹腔镜切口较光滑平整工作状态和腹腔镜切口光滑平整工作状态这三类数据依据生理组织和临床经验自适应采集。

步骤2的FDPC模型离线训练的具体步骤为：

对采集的样本集合X_N×D，其包含N个样本点，每个样本点的维度为D(本专利中为3，单个样本数据为步骤1中采集的三维力F)，X_N×D表示为X_N×_D＝{x₁,x₂,x₃,x₄,...,x_N}；

步骤2.1.确定训练数据集X_N×D、FDPC中的截断距离Dist和需要聚类的类别数K，其中K取值5，Dist根据本专利的应用场景建议取值为0.65；

步骤2.2.提出融合配比核用以计算各样本点间的局部密度具体表达式为：

式中，和/>分别表示高斯核/>和截断核/>的权重系数，表达式分别为：

式中d(x_i,x_j)表示样本x_i和x_j间的欧式距离；

高斯核和截断核/>的表达式为：

式中，当Dist大于等于d(x_i,x_j)时，函数χ()取为0，其余情况下χ()取值为1；

步骤2.3.依据各样本点的局部密度ρ得到距离参数δ，具体的，对样本x_i来说，其最近的高密度点的距离为：

步骤2.4.根据和δ_i绘制二维决策图，选择/>和δ_i较大的K个点，并以之作为各聚类中心点；

步骤2.5.将剩下的非聚类中心的各样本点依据欧式距离分类至最近的簇中，最终实现样本分类。

高精度压力监测方法是基于高精度的柔性压力传感器采集的数据，通过提出的FDPC模型对手术过程中腹腔镜钳头的压力进行状态识别，最终显示于腹腔镜显示器上。

图5为高精度压力监测方法中所采用的柔性压力传感器采集的三维数据的坐标系，法向坐标系Z采集腹腔镜钳切割力作用。

图6为高精度压力监测方法的整个流程的示意图，从图中可以清晰的看出：首先通过柔性压力传感器进行数据采集，而后将采集的数据传输至嵌入式系统中的FDPC模型进行处理，最后将X、Y和Z三维方向的力和模型分类识别的腹腔镜钳工作状态实时显示于显示器上，医生通过实时显示数据进行手术姿势的调节。

本发明中的带监测传感器的腹腔镜钳通过设置有显示屏8、射频装置9以及传感器，通过传感器进行实时数据采集，通过射频装置9将采集的数据进行传输到显示屏8，最后通过显示屏8进行实时观察和监测，实现在手术过程中的实时高精度监测，以此，保证手术的质量。

本发明中高精度压力监测方法中的FDPC模型基于高精度的柔性压力传感器采集的数据，通过提出的FDPC模型对手术过程中腹腔镜钳头的压力进行状态识别，最终显示于腹腔镜显示器上，通过集成柔性压力传感器于腹腔镜钳头，物理结构上具有柔性可贴合、压力检测灵敏度高和压力范围大的优势，并通过采集电路对压力数据实时采集和算法处理，提升传统腹腔镜的应用场景和使用效果；

通过提出的FDPC模型能快速准确的对手术过程中腹腔镜钳头和生理组织间接触的情况做识别并实时显示，很大程度上降低了组织损伤的隐患，保证了手术的高质量完成。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (9)

1.带监测传感器的腹腔镜钳，包括手柄(1)、壳体(2)、弓形梁(3)、导管(4)以及工作端(5)，所述壳体(2)安装在手柄(1)上方，所述弓形梁(3)的一端固定安装在壳体(2)上，所述导管(4)连接在弓形梁(3)的另一端，所述工作端(5)活动安装在导管(4)的端部，其特征在于：还包括显示屏(8)、射频装置(9)以及传感器，所述显示屏(8)安装在弓形梁(3)上方，所述传感器包括压力传感器(10)，所述压力传感器(10)安装在工作端(5)上，所述射频装置(9)安装在导管(4)内，所述压力传感器(10)通过导线穿过导管(4)连接射频装置(9)，所述射频装置(9)连接显示屏(8)。

2.根据权利要求1所述的带监测传感器的腹腔镜钳，其特征在于：还包括扣手(6)，所述扣手(6)活动安装在壳体(2)上且位于手柄(1)的上方，所述扣手(6)对称设置有两个，两个扣手(6)分别穿过壳体(2)、弓形梁(3)以及导管(4)连接工作端(5)，当手指插入扣手(6)中时，控制其开合即可实现控制工作端(5)张合。

3.根据权利要求1所述的带监测传感器的腹腔镜钳，其特征在于：还包括拉杆(7)，所述拉杆(7)活动安装在手柄(1)上，所述拉杆(7)上设置有防滑凸起，当拉杆(7)远离手柄(1)时，所述工作端(5)锁死，当拉杆(7)靠近手柄(1)时，所述工作端(5)在以导管(4)为轴线的空间里上下左右90°转动。

4.根据权利要求1所述的带监测传感器的腹腔镜钳，其特征在于：所述射频装置(9)包括蓝牙射频电路，所述压力传感器(10)通过蓝牙射频电路连接显示屏(8)。

5.根据权利要求1所述的带监测传感器的腹腔镜钳，其特征在于：所述工作端(5)包括铰接式钳体，所述压力传感器(10)对应安装在铰接式钳体上。

6.根据权利要求5所述的带监测传感器的腹腔镜钳，其特征在于：所述压力传感器(10)采用热电偶制作，其均为贴片式传感器，外部由氧化锆包裹。

7.基于权利要求1-6任一项所述的高精度压力监测方法，其特征在于：基于柔性压力传感器采集的数据，通过提出的FDPC模型对手术过程中腹腔镜钳头的压力进行状态识别，最终显示于腹腔镜显示器上，算法模型FDPC具体步骤如下，

步骤1，FDPC训练数据采集，利用布局在腹腔镜钳头的柔性压力传感器采集不同方向和不同力度下的三维压力数据，其中采集的数据分为5种类型：腹腔镜空闲工作状态、腹腔镜切口不光滑平整有粘连工作状态、腹腔镜切口较光滑平整工作状态、腹腔镜切口光滑平整工作状态和腹腔镜危险工作状态；

步骤2，离线模型的训练，提出FDPC模型，并用步骤1采集的数据进行模型的训练，最终使得模型收敛；

步骤3，训练模型的在线应用：将训练得到的FDPC模型烧制于腹腔镜钳的嵌入式系统中，完成对手术中腹腔镜钳工作柔性压力的实时监测和评估。

8.根据权利要求7所述的高精度压力监测方法，其特征在于：步骤1的训练数据采集的具体描述为：

通过柔性压力传感器采集腹腔各仿生组织的不同方向、不同力度下的三维柔性压力数据，对单个数据可表示为F＝{F_x,F_y,F_z}，F_x、F_y和F_z分别表示X、Y和Z轴三个方向的分力，其中采集腹腔镜无效工作状态的标准为三维力中各维力都小于0.05N，采集腹腔镜危险工作状态的参考标准为三维力中法向力大于2N，腹腔镜切口不光滑平整有粘连工作状态、腹腔镜切口较光滑平整工作状态和腹腔镜切口光滑平整工作状态这三类数据依据生理组织和临床经验自适应采集。

9.根据权利要求7所述的高精度压力监测方法，其特征在于：步骤2的FDPC模型离线训练的具体步骤为：

对采集的样本集合X_N×D，其包含N个样本点，每个样本点的维度为D(本专利中为3，单个样本数据为步骤1中采集的三维力F)，X_N×D表示为X_N×_D＝{x₁,x₂,x₃,x₄,...,x_N}；

步骤2.1.确定训练数据集X_N×D、FDPC中的截断距离Dist和需要聚类的类别数K，其中K取值5，Dist根据本专利的应用场景建议取值为0.65；

步骤2.2.提出融合配比核用以计算各样本点间的局部密度具体表达式为：

式中，和/>分别表示高斯核/>和截断核/>的权重系数，表达式分别为：

式中d(x_i,x_j)表示样本x_i和x_j间的欧式距离；

高斯核和截断核/>的表达式为：

式中，当Dist大于等于d(x_i,x_j)时，函数χ()取为0，其余情况下χ()取值为1；

步骤2.3.依据各样本点的局部密度ρ得到距离参数δ，具体的，对样本x_i来说，其最近的高密度点的距离为：

步骤2.4.根据和δ_i绘制二维决策图，选择/>和δ_i较大的K个点，并以之作为各聚类中心点；

步骤2.5.将剩下的非聚类中心的各样本点依据欧式距离分类至最近的簇中，最终实现样本分类。