一种带有自动液压监控功能的内窥镜手术系统的

本发明属于医疗器械技术与智慧医疗领域，尤其涉及一种带有自动液压监控功能的内窥镜手术系统。背景技术：1、内窥镜诊疗技术，是指一种经人体自然腔道或者经皮至空腔器官建立通道，置入内窥镜到病人某种空腔器官内进行诊疗技术。内窥镜在狭小的体腔或孔道内部进行观察和治疗等操作，需要应用生理盐水进行持续灌注，以保持内窥镜清晰。某些特定的内窥镜诊疗操作对液体灌注量和在腔内的循环速度也有特定要求，以达到特定的目的和效果，例如，消除钬激光碎石热能对软组织损伤、提高碎石或出血状态下视野清晰度、依赖液体循环将腔内标本带出体外等；由于功能和结构不同，人体各器官均存在各自的生理压力，若灌入腔内的液体量过大或液体引出通道障碍，将导致腔内液体压力增高，超过极限压力值时，腔内液体、腔内细菌毒素、病理性组织将通过组织间隙、淋巴系统、静脉系统返流，导致各种并发症。目前传统的各种内窥镜诊疗技术，采用现有国内外手术器械功能和液体灌注吸引设备，无法做到对术中所需的液体量进行精准灌注，更无法对腔内液体压力进行监测和有效控制。2、灌注泵是一种利用液体介质对腔体进行加压膨胀以形成可视空间，并可清洗腔内血污的泵体，其通常是灌注管连接在一种内窥镜上进行灌注，使内窥镜观察和手术时视野更加清楚；负压泵，是由真空泵机组作为负压源，通过真空泵的抽吸使吸引系统管路达到所须的负压值，用于吸除病人体内的痰、血、脓、灌注液体及其他污染物；导引鞘指的是用以辅助内窥镜和手术器械进入体腔，即经自然腔道或经皮穿刺扩张建立通道的一种导管，导管也可连接吸引装置。3、现有技术中，通常以上所述的灌注泵、负压泵、导引鞘等都是相互独立的单元，通过在相应独立单元安装感应元件来形成系统。如申请号为cn201821477696.7的专利申请公开了一种测压内窥镜和包括该测压内窥镜的压力检测系统，而申请号为cn201720092860.1的专利申请则公开了一种测压内窥镜，包括内窥镜以及用于检测腔内压力的测压装置。申请号为cn201410041761.1的专利申请则公开了一种医用灌注吸引平台，其包括主控单元、灌注装置、吸引装置以及反馈装置。灌注泵将生理盐水引入人体器官，负压泵将生理盐水抽出。液压传感器检测器官内压力，以便压力达到预定值时，主控单元调整灌注和吸引的速度。4、但是，上述专利均是在内窥镜系统或灌注吸引系统上增加相对独立的测压装置，不能实现良好的配合和数据共享。5、有鉴于此，本发明旨在提供一种带有自动液压监控功能的内窥镜手术系统，其把液体灌入装置、液体吸出装置、液体压力监测和控制装置、手术内窥镜巧妙地融于一体，能够实现实时的数据共享和极佳的配合。具体的，其在内窥镜观察的同时能够控制内窥镜器械液体灌吸量、监测和控制腔体液体在器官(如肾盂、宫腔、胆道系统等)内的压力，达到术中腔内压力的精准控制，根据不同内窥镜手术要求达到足量液体循环，持续维持腔内视野清晰状态，吸引清除腔内标本。更为重要的是，本发明中的液压传感器还有智能识别功能，可以保障液压传感器的质量、传感效率、传感精度和使用稳定性，进而提高本发明的安全性。技术实现思路1、为解决上述问题，本发明旨在提供一种带有自动液压监控功能的内窥镜手术系统，其把液体灌入装置、液体吸出装置、液体压力监测和控制装置、手术内窥镜巧妙地融于一体，能够实现实时的数据共享和极佳的配合。具体的，其在内窥镜观察的同时能够控制内窥镜器械液体灌吸量、监测和控制腔体液体在器官(如肾盂、宫腔、胆道系统等)内的压力，达到术中腔内压力的精准控制，根据不同内窥镜手术要求达到足量液体循环，维持腔内视野清晰状态，迅速带走钬激光热量，吸引清除腔内标本。更为重要的是，本发明中的液压传感器还有智能识别功能，可以保障液压传感器的质量、传感效率、传感精度和使用稳定性，进而提高本发明的安全性。2、为解决上述问题，本发明提出以下技术方案：3、一种带有自动液压监控功能的内窥镜手术系统，包括控制系统、车台套件和内窥镜附件，所述控制系统包括处理器、与所述处理器连接的触控显示器、灌注泵和负压泵，所述车台套件包括车台、收集容器、灌注管和吸引管，所述内窥镜附件包括测压导引鞘、液压传感器和电子镜，所述液压传感器为具有识别功能的传感器；所述灌注管由所述灌注泵提供灌注动力，并且所述灌注管与所述电子镜的灌注通道连接；所述电子镜置入所述测压导引鞘内向体腔内灌注液体并可视体腔内情况，所述测压导引鞘与所述吸引管的一端及所述液压传感器的测压管连接，所述吸引管的另一端与所述收集容器连接并由所述负压泵提供吸引动力，所述液压传感器依次通过液压传感器接口和硬件处理模块与所述处理器连接。4、作为本发明带有自动液压监控功能的内窥镜手术系统的一种改进，所述液压传感器包括可编程只读存储器、输出阻抗和输入阻抗，所述输出阻抗与所述可编程只读存储器并联，所述输出阻抗和所述输入阻抗均与所述液压传感器接口可断开式连接，所述输入阻抗通过所述液压传感器接口和采样电阻与直流电源连接，采样电阻电压经第一模数转换模块输出信号给所述处理器，所述输出阻抗通过所述液压传感器接口分别与第二模数转换模块和所述处理器连接，所述第二模数转换模块输出信号给所述处理器。5、作为本发明带有自动液压监控功能的内窥镜手术系统的一种改进，所述可编程只读存储器的存储内容包括前导码、时间、流水号、标志位和校验和；所述前导码为存储内容的帧头，所述时间为记录的首次时间，所述流水号为液压传感器唯一识别码，所述标志位为记录的液压传感器插入状态，所述校验和的作用为验证前导码、时间、流水号和标志位的完整性。6、作为本发明带有自动液压监控功能的内窥镜手术系统的一种改进，所述液压传感器的识别功能包括：7、a、是否接入及线序错误识别：当所述液压传感器未接入所述传感器接口时，所述传感器接口开路，所述采样电阻采样电压为零伏，从而判断出所述液压传感器未接入；当所述液压传感器接入所述传感器接口时，所述采样电阻采样到相对应的电压，从而判断出所述液压传感器已接入，并判断接入的液压传感器线序是否正确；8、b、传感器匹配性识别：当将所述液压传感器插入所述传感器接口时，所述处理器将系统内的识别码与储存在所述可编程只读存储器的唯一流水号进行比对，若相同则匹配，不同则不匹配；9、c、传感器是否是二次使用识别：所述处理器中设置有实时时钟电路，当将所述液压传感器插入所述传感器接口时，所述处理器读取所述可编程只读存储器中的标志位，并判断该标志位记录是否为首次插入：若为首次插入，则在所述可编程只读存储器中写入当前时间并改变标志位状态；若为非首次，则所述处理器读取所述可编程只读存储器存储的时间并与当前时间进行对比，超时则视为二次使用。10、作为本发明带有自动液压监控功能的内窥镜手术系统的一种改进，所述电子镜为电子软镜或电子硬镜，所述电子镜为带摄像头的导管，具有控制按钮，可控制灌注泵启停和灌注量调节。11、作为本发明带有自动液压监控功能的内窥镜手术系统的一种改进，所述灌注管和所述吸引管的材质为硅胶。12、作为本发明带有自动液压监控功能的内窥镜手术系统的一种改进，所述处理器为嵌入式处理器，运行cfr(core full register)嵌入式底层软件。13、所述处理器上设置有usb接口、数模视频接口、实时监测模块、数据存储模块、声光报警模块、硬件处理模块和编码解码模块，所述编码解码模块的输入端与电子镜接口连接，所述电子镜接口的输入端与所述电子镜连接，所述编码解码模块的输出端与所述处理器连接，其中实时监测模块用于实时监测器官内液体的压力，并向控制系统提供必要的数据，以实现术中腔内压力的精确控制，包括多个高精度的液压传感器，这些传感器被放置在器官内，靠近手术区域，以便测量液体在器官内的压力，液压传感器通过连接到控制系统的数据线或者无线通信方式，将实时压力数据传输到控制系统，利用智能pid控制，从液压传感器获取的实时数据来计算腔内压力的状态，根据设定的目标压力来调整液体的灌注和抽取速度，以维持腔内压力在安全范围内，具体如下：14、腔内液体的压力变化由以下差分方程描述：15、p(t+1)＝p(t)+δpin-δpout16、其中，δpin是液体灌注引起的压力变化，δpout是液体抽取引起的压力变化，p(t)表示时间t时刻的压力，p(t+1)表示时间t(t+1)时刻的压力，假设有n个探索因子，每个探索因子表示一个控制策略，每个探索因子的位置和速度表示控制策略的参数值，在每次迭代中，更新每个探索因子的位置和速度，并计算其适应度值，其中控制策略的参数由d个维度表示，每个维度对应于一个控制参数，控制策略表示为d维向量x，其中，x＝(x1,x2,…,xd)，x1表示第1个维度参数的值，x2表示第2个维度参数的值，xd表示第d个维度参数的值，定义目标函数h(x)用于评估每个探索因子的性能，表示如下：17、h(x)＝w1∈(x)+w2k(xin+xout)18、其中，∈表示压力控制误差，xin表示液体灌注速度参数，xout表示液体抽取速度参数，k(xin+xout)表示能源消耗，即控制策略引起的液体流动所需的能量，k是与单位流速液体的能量消耗相关的常数，w1和w2是用于平衡压力控制误差和能源消耗权重的参数，定义适应度函数a(x)表示是h(x)的函数，其中目标函数包括了压力控制误差和能源消耗：a(x)＝-h(x)，每个探索因子i的位置更新模型表示为：19、xi(t+1)＝xi(t)+δxi(t+1)20、xi(t)表示探索因子i在时间t的位置，是一个d维向量，δxi(t)+1)表示探索因子i在时间t+1的位置变化量，每个探索因子i的速度更新模型表示为：21、vi(t+1)＝vi(t)+δvi(t+1)22、其中，vi(t)表示探索因子i在时间t的速度，与位置更新相对应，是一个d维向量，δvi(t+1)表示探索因子i在时间t+1的速度变化量，探索因子之间通过信息交流来协作和调整位置和速度，信息交流用以下模型表示：23、24、25、表示邻近探索因子i在时间t的位置，δxi(t+1)和δvi(t+1)是位置和速度的变化量，分别用于更新位置和速度，γ是调整参数，影响信息交流的权重，t0表示统计初始时刻，t*表示统计终止时刻，和h2(xi(t),t)是与邻近探索因子的信息交流函数，用于调整位置，和h4(xi(t),vi(t),t)是与邻近探索因子的信息交流函数，用于调整速度，l为滞后时间，pr为概率函数。26、作为本发明带有自动液压监控功能的内窥镜手术系统的一种改进，通过下式来描述液体灌注和吸取的动态行为以及压力的响应：27、28、其中，表示压力的变化率，qin(t)表示时间t时刻的液体注入速率，qout(t)表示时间t时刻的液体吸取速率，v表示腔体的体积，定义目标函数j(t)：29、30、表示系统所追求的性能指标，目标函数是腔内压力与目标压力之间的差异，即,其中，p目标是期望的目标压力，pid控制算法的输出u(t)表示为：31、32、其中，τ是时隙，e(t)是当前时刻的误差，kp、ki、kd是比例、积分和微分增益，分别用于控制比例项、积分项和微分项的影响，本发明针对于所提出的带有自动液压监控功能的内窥镜手术系统进行非线性建模：33、34、其中，x是空间坐标，t是时间，v是运动粘度，本发明考虑了多通道液体流动情况，考虑通道之间的耦合效应，通道之间通过共享液体或具有相互作用的流动路径相互影响，通过引入耦合项来建模，如下所示：35、qij(x,t)＝fij(ui(x,t),pi(x,t),uj(x,u),pj((x,t)))36、qij表示液体流出通道i并进入通道j的速率，f(x,t,qin(x,t),qout(x,t))表示系统的非线性控制因素，用来描述液体流动与控制输入之间的关系，其中，u(x,t)是流速，p(x,t)是压力，ρ是流体密度，液体的流速与液压之间的关系通常通过下列方程来建模：37、q＝aμ38、其中，q是液体流量，a是流通截面积，μ是流速，本发明还考虑将液压传感器引入模型中，假设液压传感器的输出与腔体内的液压压力之间存在非线性关系，表示如下：39、p传感器＝f(p腔体)40、其中，p传感器是传感器测得的压力，p腔体是腔体内的实际压力，f(·)表示非线性传感器模型，建立系统的状态方程，描述腔体内液体的动态行为：41、42、其中，p腔体是腔体内的压力，qin和qout分别是液体的注入速率和吸取速率，控制系统的目标是使腔体内的压力p腔体尽可能接近期望值p目标，从而最小化控制误差，对所述控制系统的目标是通过调整液体注入和吸取速率，即qin(t)和qout(t)，来最小化控制目标j(t)，表示为最小化下列带有约束的目标函数：43、44、其中，qmin和qmax是液体流速的最小值和最大值。45、作为本发明带有自动液压监控功能的内窥镜手术系统的一种改进，所述触控显示器具备参数设置、命令输入及同屏显示灌注吸引、压力检测、腔内影像参数的功能。46、作为本发明带有自动液压监控功能的内窥镜手术系统的一种改进，所述触控显示器有两个，功能完全相同，供医生和护士分别使用，具备参数设置、命令输入及同屏显示灌注吸引、压力检测、腔内影像参数的功能，所述处理器接收到所述触控显示器或所述内窥镜附件的启动信号后，首先判断系统的运行条件是否正常，所述运行条件包括系统参数是否正确设置、所述液压传感器识别后是否满足条件和所述测压导引鞘及所述电子镜连接、操作、采集的原始信号是否正常；若条件正常，则所述处理器发送指令给所述灌注泵和所述负压泵，所述灌注泵开始作用于所述灌注管，所述灌注管内形成灌注压力，将生理盐水通过所述电子镜灌入体腔内，同时所述负压泵工作，使得所述收集容器、所述吸引管和所述测压导引鞘形成真空负压，将灌入体腔内的生理盐水或其他污染物吸出；47、在系统工作的过程中，所述液压传感器通过所述测压导引鞘上的独立测压通道对体腔内的液体压力进行采集，压力信号转换为电压信号经硬件处理后到达所述处理器进行分析后调节所述负压泵吸力大小，使得体腔内压力保持在预期的设定值。48、本发明的有益效果：相对于现有技术，本发明提供了一种软硬件一体化、配置标准化的手术内窥镜系统，把液体灌入装置、液体吸出装置、液体压力监测和控制装置、手术内窥镜巧妙地融于一体，其在内窥镜观察的同时能够控制内窥镜器械液体灌吸量、监测和控制腔体液体压力器官(如肾盂、宫腔、胆道系统等)内的压力，达到术中腔内压力的精准控制，根据不同内窥镜手术要求，镜鞘配置标准化达到满足各类内镜手术足量液体循环，维持腔内视野清晰状态，吸引清除腔内标本。所述实时监测模块，利用智能pid控制，从液压传感器获取的实时数据来计算腔内压力的状态，根据设定的目标压力来调整液体的灌注和抽取速度，以维持腔内压力在安全范围内，创新之处在于，本发明利用启发式算法，构建探索因子，探索因子之间通过信息交流来协作和调整位置和速度，搭建了信息交流模型，与传统算法相比更倾向于本发明所涉及的带有自动液压监控功能的内窥镜手术系统领域，更注重于信息之间的交互作用，具有稳健性和可靠性，此外本发明使用了pid算法，与传统方法不同的是，本发明针对于所提出的带有自动液压监控功能的内窥镜手术系统进行非线性建模，考虑了多通道液体流动情况，并且考虑通道之间的耦合效应，通道之间通过共享液体或具有相互作用的流动路径相互影响，通过引入耦合项来建立模型，并且搭建系统的状态方程描述腔体内液体的动态行为，最后表出为带有约束的目标函数，来使得实时性的、大数据的计算便携化、加快本发明提供的系统的响应与执行能力。49、总之，本发明既能满足液体流量，同时又能避免腔内压力过高造成各种并发症的问题，且能够做到安全警示。更为重要的是，本发明中的液压传感器还有智能识别功能，可以保障液压传感器的质量、传感效率、传感精度和使用稳定性，进而提高本发明的安全性。本发明可以应用于泌尿系统、肝胆管系统、宫腔系统和其他需要液体做介质的腔内手术的医疗设备中，用途十分广泛。50、总之，本发明的优势可以总结如下：51、1.为各种内窥镜诊疗技术提供完整、操控简易的器械方案。52、2.带液体压力检测系统。53、3.灌注吸引、压力检测、腔内影像的参数同屏显示。54、4.自动调节负压吸引达到腔内预定安全压力值。55、5.灌注流量手术医生可调可停，易于获得理想流量，减少操作步骤。56、6.本发明能够解决临床内窥镜手术中液体灌注量与腔内压力的矛盾，达到灌注流量、流速、腔内压力精准匹配，避免并发症发生，提供更广的临床应用范围和可能。57、7.本发明的持续水流循环能够降低钬激光等器械产生的热量。58、8.本发明中的液压传感器采用“阻抗实测+密钥识别”法，提高压力硬件稳定性，从而提高设备安全性。