膝关节自动注射平台及控制方法与流程

1.本发明涉及为膝关节进行注射的平台装置，还涉及一种用于该平台进行自动注射的控制方法。


背景技术：

2.20世纪90年代以来，中国的老龄化进程加快。随着老龄化社会的到来，越来越多的中老年人开始受到膝关节疾病的困扰。因为膝关节退变导致的疼痛、肿胀等因素，医学术语称之为“膝关节骨性关节炎”，俗称膝关节炎。
3.目前，膝关节腔内药物注射是最常见的关节外科和运动医学门诊治疗手段。膝关节内注射玻璃酸钠治疗骨关节炎在临床上也已广泛应用。准确的关节腔内注射和充分的药物弥散是保证其疗效的基础。研究显示，膝关节不同的穿刺部位与角度对药物在关节腔内的弥散有影响。但传统的注射方式忽略了注射方向的调整，影响了治疗效果。另一方面，目前的注射完全采用人工操作，个体操作技术差异对注射效果影响较大，注射带来的疼痛感也各不相同，病人体验较差。


技术实现要素：

4.本发明提出了一种膝关节自动注射平台及控制方法，其目的是：（1）实现注射角度的调整；（2）根据病人的反应对注射过程进行精确控制，减轻疼痛感，提高体验。
5.本发明技术方案如下：一种膝关节自动注射平台，包括注射系统，所述注射系统包括针管以及安装在针管中的推杆，还包括腿部支撑系统；所述腿部支撑系统包括底座，还包括固定安装在底座上的前支撑板和后支撑板，前支撑板用于支撑病人的臀部及大腿根部，所述后支撑板用于放置病人的足部；所述腿部支撑系统还包括第一活动定位夹板和第二活动定位夹板；所述第一活动定位夹板的前端与前支撑板转动连接，后端与第二活动定位夹板的前端转动连接；第一活动定位夹板用于固定病人的大腿部分，第二活动定位夹板用于固定病人的小腿部分；所述腿部支撑系统还包括第一升降装置和第二升降装置；所述第一升降装置下端与底座转动连接，上端与第一活动定位夹板转动连接；所述第二升降装置下端与底座转动连接，上端与第二活动定位夹板转动连接；所述注射系统还包括用于夹持针管的夹持臂，所述夹持臂带有可调整角度的转动关节；所述注射系统还包括用于推动推杆相对于夹持臂末端及针管进行移动的第一驱动装置和用于推动针管相对于夹持臂末端进行移动的第二驱动装置。
6.作为上述注射平台的进一步改进：所述第一活动定位夹板和第二活动定位夹板上分别设有用于包裹病人腿部的充气气囊。
7.本发明还提供了一种用于控制上述膝关节自动注射平台的控制方法，该方法包括注射阶段；注射阶段中，控制系统根据充气气囊的气压，以及第一升降装置和、或第二升降
装置中用于驱动升降的伺服电机的电流，综合判断当前病人的疼痛感；如果疼痛感增加，则降低推杆的推进速度，如果疼痛感降低，则提高推杆的推进速度。
8.作为上述控制方法的进一步改进：注射阶段的具体控制方法如下：步骤1、根据预设的时间间隔使用采样窗口对气压以及电机的电流分别采样；步骤2、每次采样后，根据采样数据得到频率的变化率和振幅的变化率；步骤3、根据频率的变化率和振幅的变化率来确定疼痛感，继而对推杆进行控制 。
9.作为上述控制方法的进一步改进：步骤2中，通过以下步骤确定采样数据的频率的变化率：步骤2a1、根据采样窗口中采样波形过零点的时间周期分别确定气压的频率f
p
和电流的频率fi；步骤2a2、分情况判断：情况1：如果f
p
和fi相等，则取f
p
或fi为本次采样的结果频率fi，i为本次采样的编号；情况2：如果abs(1/f
p-1/fi)/min(1/f
p
,1/fi)小于等于0.5，则结果频率fi取f
p
和fi中频率较高的；情况3：如果abs(1/f
p-1/fi)/min(1/f
p
,1/fi)大于0.5，则结果频率fi取f
p
和fi中频率较高的；采集过程中，如果某一路信号出现停顿，则直接将停顿前的该路信号数据作为当前的采样数据进行填充，直至信号恢复，保证采样窗口内信号的完整性；如果信号停顿时间超过预设值，则判定为信号丢失，发出警报；步骤2a3、计算本次采样的结果频率fi相对于上一次的结果频率f
i-1
的变化率：（fi‑ꢀfi-1
）/ f
i-1
，该值即为本次采样后得到的频率的变化率。
10.作为上述控制方法的进一步改进：如果在采样过程中，为了保证气囊的支撑力而对气囊进行了充气，则直接抛弃本次采样的数据。
11.作为上述控制方法的进一步改进：步骤2中，通过以下步骤确定采样数据的振幅的变化率：步骤2b1、获得本次采样窗口中采样波形最高点值和最低点值；步骤2b2、计算本次压力采样相对于上一次的振幅的变化率：δ1=（a
22-a
21
）/（a
12-a
11
）；式中，a
22
和a
21
分别为本次采样的压力波形的最高点值和最低点值，a
12
和a
11
分别为上一次采样的压力波形的最高点值和最低点值；同时，计算本次电流采样相对于上一次的振幅的变化率：δ2=（b
22-b
21
）/（b
12-b
11
）；式中，b
22
和b
21
分别为本次采样的电流波形的最高点值和最低点值，b
12
和b
11
分别为上一次采样的电流波形的最高点值和最低点值；步骤2b3、分情况取本次采样对应的振幅的变化率δ：情况1：如果δ1和δ2趋势一致，且二者都小于10%，则δ取二者平均值；情况2：如果δ1和δ2中，至少有一个在10-500%之间、但没有超过500%的，则进一步等待一段预设时间后，再增加一次采样；如果增加的这次采样的数据中，压力和电流的幅值大小相对于原来本次采集的幅值大小没有发生超出阈值的变化，则认为不存在瞬变干扰信号，此时δ取该次δ1和δ2中较小值；如果压力和电流的幅值大小相对于原来本次采集的幅值
大小超出了阈值，则判定存在干扰，丢弃本次采样的数据；情况3：如果δ1和δ2中，至少有一个是大于500%的，直接报警；步骤2b1-2b3执行过程中，如果气囊出现充气，则在充气过程中，直接抛弃压力数据，强制使用电流的振幅变化率作为判定依据。
12.作为上述控制方法的进一步改进：步骤3中，根据频率的变化率和振幅的变化率分情况判定：情况1、当两个变化率达任意一项达到 100%时，注射速度降低至0，保持2秒，之后再以2ml/min的速度进行注射；情况2、取振幅的变化率和频率的变化率之一，作为调整依据；如果两个变化率一正一负，则以频率的变化率为准；如果二者同为正或负，则以变化率绝对值大的为准；根据所取的变化率来控制注射速度，正变化率理解为疼痛加重，降低注射速度，负变化率理解为疼痛趋缓，提高注射速度，直至达到初始设定的额定速度11ml/min。
13.作为上述控制方法的进一步改进：注射阶段前，需要对膝盖的弯曲角度以及针管的位置角度进行调整，具体方法为：使用充气气囊对腿部进行包裹；在预下针的路径上设置超声波检测探头，用以检测膝关节中腔体通路的开合状态；通过调整第一升降装置和第二升降装置来驱动第一活动定位夹板和第二活动定位夹板转动，观察超声波检测图像，使膝盖的角度满足注射要求；最后，通过调整夹持臂的转动关节角度来调整针管的位置与角度，使针头对准注射部位。
14.作为上述控制方法的进一步改进：在注射前，对注射起始推力进行设定，设定方法为：当针头与患者未接触时，推动推杆移动一段，记录此过程中的推力为负载一；在针头进入患者体内，但推杆仍保持不动的情况下，记录针管受到的来自身体的向外的推力，为负载二；将负载一和负载二相加，作为注射起始推力。
15.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：（1）本平台通过两个升降装置可以对膝盖的弯曲角度进行调整，进一步的，还借助超声波检测装置观察腔体通路的开合状态，为腿部姿态调节辅助治疗装置提供精准的膝关节屈伸信息；（2）通过升级装置伺服电机的电流和气囊压力的频率以及振幅，综合判断病人的疼痛感，并依此调节注射毒素，减轻病人的疼痛感，配合自动注射平台提高治疗效果，降低被治疗者因治疗时间过长造成以外感染以及组织损伤的几率；（3）频率判断过程中优先采用高频信号，一是高频信号可携带更多信息，二是高频信号有利于区分有用信号与偶发性干扰信号，如突发性撞击信号，三是高频信号还有利于区分人体因疾病、应激反应等引起的震颤，如帕金森综合征；（4）振幅判断过程中，分情况取变化率，一是便于判断信号变化趋势，为后续预判做准备，二是可以区分有用信号与无用信号，尽量减少信号突变对判断准确度的影响。
附图说明
16.图1为注射平台的腿部支撑系统的结构示意图；图2为注射平台的注射系统的结构示意图；图3为注射控制过程的流程示意图；图4为升降装置伺服电机的控制原理图。
具体实施方式
17.下面结合附图详细说明本发明的技术方案：一种膝关节自动注射平台，包括所述腿部支撑系统和注射系统两大部分。
18.如图1，所述腿部支撑系统包括底座1，还包括固定安装在底座1上的前支撑板2和后支撑板5。前支撑板2用于支撑病人的臀部及大腿根部，所述后支撑板5用于放置病人的足部。
19.所述腿部支撑系统还包括第一活动定位夹板3和第二活动定位夹板4。所述第一活动定位夹板3的前端与前支撑板2转动连接，后端与第二活动定位夹板4的前端转动连接；第一活动定位夹板3用于固定病人的大腿部分，第二活动定位夹板4用于固定病人的小腿部分。
20.所述腿部支撑系统还包括第一升降装置6和第二升降装置7。所述第一升降装置6下端与底座1转动连接，上端与第一活动定位夹板3转动连接；所述第二升降装置7下端与底座1转动连接，上端与第二活动定位夹板4转动连接。所述升降装置以伺服电机为驱动元件，通过丝杠导轨结构实现伸缩运动（类似于电动推杆），改变上下两个转动连接部分之间的距离。
21.进一步的，所述第一活动定位夹板3和第二活动定位夹板4上分别设有用于从三面包裹病人腿部的充气气囊。
22.如图2，所述注射系统包括针管10以及安装在针管10中的推杆9，还包括用于夹持针管10的夹持臂。所述夹持臂带有可调整角度的转动关节。所述注射系统还包括用于推动推杆9相对于夹持臂末端及针管10进行移动的第一驱动装置8和用于推动针管10相对于夹持臂末端进行移动的第二驱动装置11。上述驱动装置包括伺服电机和丝杠导轨机构，将电机的回转转换为直线移动。
23.针对上述注射平台的控制方法，主要包括位姿调整阶段、推力设定阶段以及注射阶段。
24.一、姿调整阶段。
25.注射前，需要对膝盖的弯曲角度以及针管10的位置角度进行调整。具体方法为：使用充气气囊对腿部进行包裹；在预下针的路径上设置超声波检测探头，用以检测膝关节中腔体通路的开合状态；通过调整第一升降装置6和第二升降装置7来驱动第一活动定位夹板3和第二活动定位夹板4转动，观察超声波检测图像，使膝盖的角度满足注射要求。最后，通过调整夹持臂的转动关节角度来调整针管10的位置与角度，使针头对准注射部位。
26.二、推力设定阶段。
27.在注射前，还要对注射的起始推力进行设定。设定方法为：当针头与患者未接触时，先推动推杆9移动一段（一般为0.1mm），记录此过程中的推力为负载一，该负载代表了推动推杆9时受到针管10也液体的阻力。然后将针头插入患者体内到注射位置，但推杆9仍保持不动，记录针管10受到的来自身体的向外的推力，此为负载二，表示体液对针头的反向作用力。将负载一和负载二相加，作为注射起始推力，使得推杆9的动力可以克服针管10、药液以及体内环境带来的反向作用力。可以通过力传感器获得负载力，也可以通过伺服电机的输出扭矩来反算驱动装置输出的推力。
28.电机控制方面，如图4，系统通过驱动器内部的电流以及电压传感器从电机以及驱
动器测收集到相关信息，在参数反馈流程中直接对相关数据进行计算与预测，并将数据反馈到正向流程中，对电机进行精确控制。
29.三、注射阶段。
30.如图3，注射过程中，需要通过升降装置上伺服电机的反馈信号进行振动监测，同时还要根据气囊处的气压传感器进行监测，两路信号分别进行采样与判断，再进一步进行数据整合与判断，根据振幅以及频率（周期）的变化情况判断疼痛感，继而对注射速度进行调整控制。
31.具体的，控制系统根据充气气囊的气压，以及第一升降装置6和、或第二升降装置7中用于驱动升降的伺服电机的电流（如两个电机的平均电流大小或其中一个伺服电机的电流大小），综合判断当前病人的疼痛感；如果疼痛感增加，则降低推杆9的推进速度，如果疼痛感降低，则提高推杆9的推进速度。
32.当病人处于固定位置后，如果没有外部因素的干扰，整个系统处于相对静止状态，此时通过检测链接整个系统动力源的电机的转矩信号，其应该为一条相对平直的直线。当病人身体因为疼痛出现震颤时，其振幅和震动周期会通过身体与系统的接触最终传导至电机轴上，此时伺服系统为了实现对于系统的额精准控制，会根据电机轴上的负载转矩的变化对系统进行调解，通过改变驱动系统中电流的变化来抵消负载转矩对于系统状态的改变，最终维持系统保持稳定。此时通过检测驱动系统的电信号的变化，特别是其q轴电流的变化就可以折算出系统存在的扰动，进而判断出被治疗者此时身体的颤动状态。
33.具体控制方法如下：步骤1、根据预设的时间间隔使用采样窗口对气压以及电机的电流分别采样。
34.步骤2、每次采样后，根据采样数据得到频率的变化率和振幅的变化率。
35.通过以下步骤确定采样数据的频率的变化率：步骤2a1、根据采样窗口中采样波形过零点的时间周期分别确定气压的频率f
p
和电流的频率fi；步骤2a2、分情况判断：情况1：如果f
p
和fi相等，则取f
p
或fi为本次采样的结果频率fi，i为本次采样的编号；情况2：如果abs(1/f
p-1/fi)/min(1/f
p
,1/fi)小于等于0.5，则结果频率fi取f
p
和fi中频率较高的；情况3：如果abs(1/f
p-1/fi)/min(1/f
p
,1/fi)大于0.5，则结果频率fi取f
p
和fi中频率较高的。
36.采集过程中，如果某一路信号出现停顿，则直接将停顿前的该路信号数据作为当前的采样数据进行填充，直至信号恢复，保证采样窗口内信号的完整性；如果信号停顿时间超过预设值，则判定为信号丢失，发出警报。
37.步骤2a3、计算本次采样的结果频率fi相对于上一次的结果频率f
i-1
的变化率：（fi‑ꢀfi-1
）/ f
i-1
，该值即为本次采样后得到的频率的变化率。
38.如果在采样过程中，为了保证气囊的支撑力而对气囊进行了充气，则直接抛弃本次采样的数据。
39.并通过以下步骤确定采样数据的振幅的变化率：
步骤2b1、获得本次采样窗口中采样波形最高点值和最低点值；步骤2b2、计算本次压力采样相对于上一次的振幅的变化率：δ1=（a
22-a
21
）/（a
12-a
11
）；式中，a
22
和a
21
分别为本次采样的压力波形的最高点值和最低点值，a
12
和a
11
分别为上一次采样的压力波形的最高点值和最低点值。
40.同时，计算本次电流采样相对于上一次的振幅的变化率：δ2=（b
22-b
21
）/（b
12-b
11
）；式中，b
22
和b
21
分别为本次采样的电流波形的最高点值和最低点值，b
12
和b
11
分别为上一次采样的电流波形的最高点值和最低点值。
41.步骤2b3、分情况取本次采样对应的振幅的变化率δ：情况1：如果δ1和δ2趋势一致，且二者都小于10%，则δ取二者平均值；情况2：如果δ1和δ2中，至少有一个在10-500%之间、但没有超过500%的，则进一步等待一段预设时间后，再增加一次采样；如果增加的这次采样的数据中，压力和电流的幅值大小相对于原来本次采集的幅值大小没有发生超出阈值的变化，则认为不存在瞬变干扰信号，此时δ取该次δ1和δ2中较小值；如果压力和电流的幅值大小相对于原来本次采集的幅值大小超出了阈值，则判定存在干扰，丢弃本次采样的数据；情况3：如果δ1和δ2中，至少有一个是大于500%的，直接报警。
42.步骤2b1-2b3执行过程中，如果气囊出现充气，则在充气过程中，直接抛弃压力数据，强制使用电流的振幅变化率作为判定依据。
43.步骤3、根据频率的变化率和振幅的变化率来确定疼痛感，继而对推杆9进行控制。
44.此过程同样需要分情况判定：情况1、当两个变化率达任意一项达到 100%时，注射速度降低至0，保持2秒，之后再以2ml/min的速度进行注射。
45.情况2、取振幅的变化率和频率的变化率之一，作为调整依据；如果两个变化率一正一负，则以频率的变化率为准；如果二者同为正或负，则以变化率绝对值大的为准；根据所取的变化率来控制注射速度，正变化率理解为疼痛加重，降低注射速度，负变化率理解为疼痛趋缓，提高注射速度，直至达到初始设定的额定速度11ml/min。
46.本方法通过检测振幅以及频率（周期）的变化可以判断被治疗者此时的疼痛状态，并根据疼痛感对注射速度进行了精确控制，以达到降低疼痛感的目的。