TWI691304B - 使用醫藥技術幫浦控制體內壓力之方法及裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種用於使用醫藥技術流體幫浦控制例如關節壓力之體內壓力之方法，以及係關於一種用於實行該方法之裝置。

Description

使用醫藥技術幫浦控制體內壓力之方法及裝置

本發明係關於一種用於使用醫藥技術流體幫浦控制例如關節壓力之體內壓力之方法，且係關於一種用於實行該方法之裝置。

在各種體內醫藥干預期間，將流體(例如，氣體或液體)引入至體內，並自其中移除。一實例為關節鏡檢查，其中，例如出於膝關節檢查或治療處理之目的，用沖洗液沖洗膝蓋。另一例示性處理為腹腔鏡檢查，其中在治療性干預期間，將氣體(例如，CO₂)供應至體內。對於此等程序而言，量測、控制及特別是限制體內壓力極其重要。在治療性干預期間，尤其有必要保證一定的流體流動，以便自體內沖洗掉(例如)菸或血液，但同時必需限制壓力，以免不必要地損害身體組織。為此目的，可在先前技術中發現各種解決方案。問題之簡單解決方案為立即將壓力感測器引入至體內。特別地，此解決方案之缺點為需要體內之額外空間，特別是對於較小體腔而言，該額外空間係不可獲得的(例如，關節鏡檢查)。此外，至體內之每一額外導管將增加總是出現之感染風險。

另一解決方案為量測供應管線中之壓力。然而，歸因於供應管線及排出管線之流體動力學條件，此壓力或多或少地不同於體內實際壓力。由於所量測之壓力與實際值之間的此種差異以非線性方式取決於一系列參數(例如，流速、管線長度、管線直徑等)，所以簡單校正 是不可能的。

在此背景下，目標為提供用於量測、控制及特別是用於限制壓力之方法，該方法克服上述缺點。為達成此目標，提議如請求項1之方法。有利實施例為參照請求項1之附屬項之標的物。此外，提議一種用於實行如請求項5之方法之裝置。有利實施例為參照請求項5之附屬項之標的物。

根據本發明之方法實質上基於使用數學模型以用於量測及控制體內壓力。為此目的，由壓力控制器、幫浦馬達、供應管線、壓力感測器、醫藥插入裝置(例如，具有光學系統之套管針)、體腔及流體出口(例如，抽吸裝置)組成之完整系統藉由一組微分方程式加以描述，並以所謂的狀態空間模型加以概括。倘若已充分精確地判定該模型之參數，則接著是在具有相同輸入變數的情況下估計感測器壓力及體內壓力，並藉該體內壓力之估計值控制幫浦之電力。藉由實際壓力與所估計之感測器壓力之間的比較，可偵測到偏差(所謂的觀察者誤差)。此等偏差可(例如)由不同初始狀態(例如，在操作開始時，不存在關於體內壓力之先驗資訊)或由壓力感測器之雜訊量測信號引起。若用品質準則評估觀察者誤差，並且隨後將結果回饋至模型之能量儲存器上，則該誤差將衰減，並且其結果是，獲得體內壓力之精確估計。特別地，所提議方法之優點為體內壓力之量測不需要額外之壓力感測器。結果，獲得體內壓力之明顯更佳之量測，即使是在修改影響參數之情況下(諸如，當開啟及關閉抽吸幫浦時，或其類似者)亦然。

較佳地，根據本發明之方法經組態以使得估計系統以卡爾曼(Kalman)濾波器之形式實現。例如，在控制工程之教科書中解釋了此等卡爾曼濾波器。該等卡爾曼濾波器允許將表示(由參數變化、容限等引起之)系統雜訊及/或量測雜訊(干擾、感測器缺陷等)之加權矩陣計算在內。藉此改良該模型表示真實系統之精確度。此類卡爾曼濾波 器可以連續時間或離散時間之方式組態，並且此情形適用於線性及非線性系統。

實現上述方法之裝置的特定實施例為蠕動軟管幫浦，因為該蠕動軟管幫浦用於(例如)關節鏡檢查。該蠕動軟管幫浦含有供應蠕動幫浦電力之可控制馬達。經由供應管線(例如，軟管及具有光學系統之套管針)，將抽汲液體引導至體內(例如，膝關節)。自膝關節經由第二管線排出，該第二管線呈簡單排洩管線之形式抑或呈連接至該管線之抽吸幫浦之形式。藉由根據本發明之方法，關節中之實際壓力使用壓力感測器之量測資料來估計，並由幫浦馬達控制。

本發明之替代實施例提供吹入器，因為該吹入器用於腹腔鏡檢查。藉助於吹入器，將氣體引導至體內(例如，腹部)。此處亦可(例如)藉由提取管線實現自體內之氣體排出。此處，亦在供應管線中進行壓力量測。體內實際壓力藉由根據本發明之方法估計，並用於控制吹入器。結果，獲得即使在極端條件下(例如，當開啟及關閉抽吸裝置時)亦確保壓力之精確量測及控制之裝置。

本發明之實施例在圖式中說明，並在下文中更詳細地解釋。

圖1示意性地展示治療師之理想情境：藉由關節中之直接無故障壓力量測，控制幫浦，確保液體流至該關節中。由於此直接壓力量測幾乎不可能，所以圖1僅展示所意欲之目標。

圖2展示根據本發明之解決方案之實例：基於軟管中之壓力感測器之資料，使用卡爾曼濾波器估計關節中之實際壓力。所量測之壓力與所估計之壓力之間偵測到的偏差經由數學模型中所謂的卡爾曼增益處理，且用於進一步估計。此外，圖2展示用於此模型之狀態方程式。

圖中所示之數字具有以下含義：

本文所使用之變數具有以下含義：

上述方法之實務實施適合發生在為醫藥技術裝置之部分的微控 制器上。以習知方式，該微控制器具備輸入及輸出以及記憶體。以軟體模組之形式執行數學運算。圖3中展示軟體模組之流程圖。該軟體可儲存在自身記憶體晶片(例如，EPROM)上。

圖4展示所獲得之結果。在上部圖中，將所量測之感測器壓力與所估計之感測器壓力進行比較，且在中間圖，將所量測之關節壓力與所估計之關節壓力進行比較。圖4中所示之曲線圖指示控制處理，其中將藉由卡爾曼濾波器重新建構之關節壓力用作控制變數。使用中間圖，可清晰地看出所估計之關節壓力與所量測之關節壓力幾乎相同。在下部圖中，展示由卡爾曼濾波器估計之液體排出。

圖5展示比較量測之結果。在一個實驗中，比較兩種醫藥幫浦。亦即，一方面，供應管線中具有壓力感測器之典型蠕動幫浦(稱為A114)及具有數學估計系統之根據本發明之幫浦(稱為A124)接收供應管線中量測之壓力感測器的壓力作為輸入變數。兩種幫浦皆連接至模擬實際體腔內條件之虛設件。展示實際上藉由單獨感測器在虛設件內所量測之值。在兩種幫浦處，調整70mmHg之設定點壓力(稱為「設定值」)，其中±10mmHg之壓力變化被認為是可接受的(分別稱為「上限」或「下限」)。

曲線之比較展示，根據本發明設計之幫浦在5秒後就達到所提到之60至80mmHg之範圍內的壓力，並在短暫上升時間後極其精確地保持在所意欲之壓力。相對比地，在先前技術幫浦中，在60秒後才能達成比較穩定的值，但這超出了調整的範圍。即使此處將執行再校準，在前60秒內，與設定值之間存在明顯偏差，且隨著時間的推移，變化變大。

因此，該兩種幫浦之比較清楚地展示根據本發明之系統之出人意料的優點，亦即顯著更快地達到壓力設定值，並可進一步隨時間流逝以好很多的方式保持恆定。此改良無法自先前技術獲得。

基於上述描述(特別是圖2中之描述)及本申請案申請時公認之專業文獻，熟習此項技術者可實施本發明之其他實施例，而不需要任何創造性。

1:所意欲之壓力

2:控制器

3:DC馬達

4:蠕動系統

5:感測器

6:具有光學系統之套管針

7:液體排出

8:體內壓力

9:A/D

10:量測雜訊

11:觀察者誤差

12: L

13:

14: L =PC ^T S ^-1

15:

16:

17:

液體幫浦之模型

18:卡爾曼增益

19:系統雜訊

A114:供應管線

A124:供應管線

圖1示意性地展示治療師之理想情境。

圖2展示根據本發明之解決方案之實例。

圖3展示軟體模組之流程圖。

圖4展示以軟體模組之形式執行數學運算所獲得之結果。

圖5展示兩種醫藥幫浦之比較量測結果。

1‧‧‧所意欲之壓力

2‧‧‧控制器

3‧‧‧DC馬達

4‧‧‧蠕動系統

5‧‧‧感測器

6‧‧‧具有光學系統之套管針

7‧‧‧液體排出

8‧‧‧體內壓力

9‧‧‧A/D

10‧‧‧量測雜訊

11‧‧‧觀察者誤差

12‧‧‧ L

13‧‧‧

14‧‧‧ L =PC ^T S ^-1

15‧‧‧

16‧‧‧

17‧‧‧

液體幫浦之模型

18‧‧‧卡爾曼增益

19‧‧‧系統雜訊

Claims (7)

1. 一種用於將流體引入至體腔中之醫藥技術裝置，其含有幫浦、供應管線、該供應管線中之壓力感測器，其特徵在於該裝置經組態以實行一方法，其包括：將流體藉由一抽汲裝置經由一供應管線抽汲至一體腔中，使該流體經一第二管線流出該體腔，控制包含於該抽汲裝置中之幫浦，至少該供應管線含有一壓力感測器且藉由該壓力感測器量測該供應管線中之壓力，其中由該壓力感測器量測之該壓力為一數學估計系統之一輸入變數，該輸入變數以數學方式描述一狀態空間且該數學估計系統經組態為一卡爾曼濾波器，該卡爾曼濾波器估計該體腔中之實際壓力，並藉助於此估計值控制該幫浦之電力。
2. 如請求項1之醫藥技術裝置，其中該卡爾曼濾波器以連續時間或離散時間之方式組態。
3. 如請求項1或2之醫藥技術裝置，其中該流體為氣體。
4. 如請求項1或2之醫藥技術裝置，其中該流體為液體。
5. 如請求項1之醫藥技術裝置，其進一步包括實行該方法的至少一個微處理器、至少一個記憶體以及至少一個軟體表徵。
6. 如請求項1、2或5之醫藥技術裝置，其中該裝置為吹入器。
7. 如請求項1、2或5之醫藥技術裝置，其中該裝置為用於關節鏡檢查之液體幫浦。

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