基于PID控制系统的低温等离子手术系统的制作方法

基于pid控制系统的低温等离子手术系统
技术领域
1.本发明属于医疗器械领域，提出一种基于pid控制系统的低温等离子手术系统。


背景技术：

2.低温等离子手术系统适用于在0.9％生理盐水环境下对人体组织的切割与凝固止血，其安全有效性与系统能量控制的精度和实时性直接相关。输出能量过高会使治疗部位组织出现热损伤，而过低的能量输出则会使手术治疗的时间延长、患者出血率增加，甚至达不到预期的治疗效果。为了保持能量的稳定，采用的方法通常是通过恒功率、限电压、限电流的方式维持能量在一定范围内，但是目前恒功率、限电压、限电流的控制方法都是典型的负反馈控制系统，并且属于复杂的多阶负反馈系统，在实际应用中很难建立准确的数学模型来分析和设计，常常出现能量波动的情况。
3.pid控制器是由比例单元(p)、积分单元(i)和微分单元(d)组成，适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。pid控制器是一个常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值范围内。和其他简单的控制运算不同，pid控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。
4.低温等离子手术系统恰好是基本线性且动态特性不随时间变化的系统，而且低温等离子系统由于其特殊的应用场景，需要严格的能力控制精度、实时性以及稳定性。因此，申请人提出基于pid控制器的低温等离子手术系统，通过pid控制器的参数整定方式整定适应于低温等离子手术系统的参数kp、ki、kd，最终得到的低温等离子手术系统比目前市面上品质较好的产品具有更快的激发时间，且电切速度更加顺畅，消融表面的碳化程度更低。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对上述问题，提供一种基于pid控制系统的低温等离子手术系统。
6.为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
7.一种基于pid控制系统的低温等离子手术系统，用于执行以下步骤：
8.s1.根据工作模式和参数设定初始电压控制信号；
9.s2.根据初始电压控制信号控制pwm施加信号值以控制系统输出电压；
10.s3.经检测得到输出的能量检测值，并判断输出能量是否在设定范围内；
11.s4.在设定范围内，则停止pid调节，否则将能量检测值输入pid控制器；
12.s5.pid控制器基于输入输出电压控制信号；
13.s6.基于电压控制信号控制pwm施加信号值以控制系统输出电压。
14.在上述的基于pid控制系统的低温等离子手术系统中，所述的步骤s1-s6由微处理器执行，且所述的pid控制器集成在所述的微处理器中。
15.在上述的基于pid控制系统的低温等离子手术系统中，步骤s3中，检测得到的能量检测值为模拟信号，且步骤s4中，微处理器将能量检测值的模拟信号转换为数字信号后输入至pid控制器。
16.在上述的基于pid控制系统的低温等离子手术系统中，步骤s3中，使用能量检测器检测输出能量，并将输出能量发送给微处理器。
17.在上述的基于pid控制系统的低温等离子手术系统中，步骤s3中，所述的微处理器对连续若干次采样得到的偏差信号做平均值滤波处理，并将平均值当作当前时刻的采样值进行判断。
18.在上述的基于pid控制系统的低温等离子手术系统中，通过理论计算整定法和工程整定方法确定适用于低温等离子手术系统的pid控制器的参数kp、ki、kd。
19.在上述的基于pid控制系统的低温等离子手术系统中，所述的微处理器采用arm或dsp芯片；
20.所述的pid控制器采用增量式pid算法、经典算法或采用模糊算法。
21.在上述的基于pid控制系统的低温等离子手术系统中，所述的工作模式包括电切模式和电凝模式，每个模式的参数包括档位参数，不同档位对应不同的目标能量输出强度，低温等离子手术系统根据所设定的模式和档位确定目标能量输出强度，并通过步骤s2-s6将系统的输出能量控制在目标能量输出强度及其误差范围内。
22.在上述的基于pid控制系统的低温等离子手术系统中，低温等离子手术系统的存储模块中存储有科室与档位的映射关系；根据用户输入的科室确定默认档位；
23.步骤s1中，当用户启动低温等离子手术系统时，直接根据用户选择的工作模式进入相应模式的默认档位；当用户手动调整档位时，根据用户调节动作进入用户调节的相应档位。
24.在上述的基于pid控制系统的低温等离子手术系统中，低温等离子手术系统具有存储模块，且所述的存储模块中存储有科室与参数组合的映射关系，根据用户输入的科室选择相应的参数组合构成所述的pid控制器。
25.本发明的优点在于：
26.1、对低温等离子手术系统的算法提出改进，通过采用pid控制算法进行能量恒定控制，相较于传统的普通算法具有更稳定更准确的控制效果；
27.2、所提出的基于pid控制器的低温等离子手术系统相较于普通的系统具有更快的激发时间以及更顺畅的电切速度和更低的消融表面碳化程度；
28.3、针对不同科室的提供针对性的默认档位，用户在使用时无需重复进行档位切换，且能够尽量避免因能量不足或能量过高导致的切割无力或出现热损伤的问题；
29.4、不同的组织有不同的阻抗特性，本方案针对不同的组织事先经试验确定合适的pid参数，并根据用户输入的科室为系统确定合适的pid控制器以进一步保证控制精度和稳定性。
附图说明
30.图1为本发明基于pid控制系统的低温等离子手术系统实施例一的控制流程图；
31.图2为本发明基于pid控制系统的低温等离子手术系统实施例二的控制流程图；
32.图3为本发明基于pid控制系统的低温等离子手术系统实施例三的控制流程图。
具体实施方式
33.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
34.实施例一
35.本方案提供了一种基于pid控制系统的低温等离子手术系统，它的微处理器中集成有pid控制器，基于pid控制器实现能量的稳定输出，pid控制器可以为基于模糊算法的pid控制器、基于经典算法的pid控制器，基于神经网口落算法的pid控制器或增量式数字化pid控制器中的任意一种，微处理器采用具有较高执行能力的arm或dsp芯片芯片。如图1所示，本实施例以增量式数字化pid控制器为例，且通过理论计算整定法和工程整定方法初步确定适用于低温等离子手术系统的pid控制器的参数kp、ki、kd分别为15、0.01、8。相应的低温等离子手术系统主要用于执行以下步骤：
36.s1.根据工作模式和参数设定初始电压控制信号；
37.s2.根据初始电压控制信号控制pwm施加信号值以控制系统输出电压；
38.s3.经检测得到输出的能量检测值，此能量检测值为模拟信号，微处理器对连续若干次采样得到的偏差信号做平均值滤波处理，并将平均值当作当前时刻的采样值进行判断，判断输出能量是否在设定范围内；
39.s4.在设定范围内，则停止pid调节，否则将能量检测值的模拟信号转换为数字信号后输入至pid控制器；
40.s5.pid控制器基于输入输出电压控制信号；
41.s6.基于电压控制信号控制pwm施加信号值以控制系统输出电压。
42.具体地，步骤s3中，使用能量检测器检测输出能量，并将输出能量发送给微处理器。这里所指的能量可以用功率代替，能量检测器为功率检测器，利用功率与能量之间的关系，通过检测输出功率得到输出能量。
43.具体地，工作模式包括电切模式和电凝模式，每个模式的参数包括档位参数，每个模式都有十个档位，不同档位对应不同的目标能量输出强度，低温等离子手术系统根据所设定的模式和档位确定目标能量输出强度，并通过步骤s2-s6将系统的输出能量控制在目标能量输出强度及其误差范围内。可以为每种模式设定一个出厂默认档位，如每种模式有十个档位，将五档位设定为默认档位，每次用户使用时，若不进行档位调节，则直接以5档位开始工作。
44.为了体现本方案提出的低温等离子手术系统的优势，本实施例将本方案的低温等离子手术系统与高频脉冲低温等离子主机使用相同手术电极，在电切状态时观察在生理盐水中激发情况。
45.测试设备及材料：自研主机、高频脉冲低温等离子主机、手术电极、秒表。
46.试验方法：分别对自研主机和高频脉冲低温等离子主机进行生理盐水电切状态激发，并记录激发时间，具体见表1所示：
47.表1
[0048][0049]
试验结论本方案基于pid算法的低温等离子手术系统相比较美创主机具有更快的激发时间，在较低档位(1-4)激发时间优势上更加明显。
[0050]
本实施例还对本方案低温等离子手术系统和高频脉冲低温等离子主机使用相同手术电极，对离体组织电切电凝，通过4k内窥镜摄像系统观察电切时切割速度和电凝组织表面效果。
[0051]
测试设备及材料：新鲜猪肉，自研低温等离子主机，高频脉冲低温等离子低温等离子主机，手术电极(粗环、细环、针状)，镜鞘，4k内窥镜摄像系统，医用蠕动泵，模拟装置。
[0052]
试验方法：联机测试。
[0053]
试验结论：采用本方案基于pid算法的低温等离子手术系统相比较美创主机，电切速度更加顺畅，消融表面更无炭化。
[0054]
实施例二
[0055]
如图2所示，本实施例与实施例一类似，不同之处在于，本实施例低温等离子手术系统具有存储模块，且存储模块中存储有科室与档位的映射关系，如下表所示，此映射关系是相应科室的手术器官对象所对应的性能最佳的档位，由厂家事先通过大量实验确定。根据用户输入/选择的科室确定默认档位，每个低温等离子手术系统由相应科室使用。每次用户使用时，若不进行档位调节，则直接以相应的默认档位开始工作，当然，当用户手动调整档位时，根据用户调节动作进入用户调节的相应档位。
[0056]
科室电切模式电凝模式消化内科6档位6档位
心血管内科4档位4档位乳腺外科5档位5档位..................
[0057]
实施例三
[0058]
如图3所示，本实施例与实施例二类似，不同之处在于，如下表所示，本实施例的低温等离子手术系统的存储模块中还存储有科室与参数组合的映射关系，根据用户输入的科室选择相应的参数组合构成相应的pid控制器并确定相应的默认档位，每个低温等离子手术系统严格由相应科室使用。由厂家事先通过大量的计算和工程实验确定。
[0059]
科室参数电切模式电凝模式消化内科kp＝15；ki＝0.010；kd＝86档位6档位心血管内科kp＝15；ki＝0.008；kd＝104档位4档位乳腺外科kp＝15；ki＝0.005；kd＝85档位5档位........................
[0060]
实施例四
[0061]
本实施例与实施例二类似，不同之处在于，本实施例的系统还具有语音播报模块，用于开机以后及用户调节模式或档位以后播报用户选择的模式以及档位。
[0062]
在手术过程中，系统还用于根据检测到的电流和电压计算阻抗，存储器中存储有各阻抗区间对应的最佳档位选择。根据阻抗匹配最佳档位，若当前档位不在最佳档位，则提示用户。该功能能够避免由于医生的错误选择导致大功率档位被用于韧性较低的器官而导致热损伤组织，避免导致小功率档位被用于韧性较高的器官导致切割无力，能够实现更高精度、更高稳定性的输出能量控制效果。
[0063]
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。