CN111067616B - 一种可吸收烟雾电刀及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可吸收烟雾电刀，包括：壳体；吸烟管，其同轴固定设置在所述壳体内部，且一端与所述壳体一端平齐，另一端穿出所述壳体；网片，其为圆环片，且固定设置在与所述壳体一端平齐的所述吸烟管上；电连接片，其设置在靠近所述空腔圆柱结构的所述空腔圆环柱结构一侧中心；刀头，其***所述壳体一端，并伸入所述空腔圆环柱结构内，与所述空腔圆环柱结构螺纹连接，且所述刀头与所述电连接片接触；烟雾收集瓶，其与所述吸烟管连通，用于收集烟雾；负压泵，其设置在所述烟雾吸收瓶内，用于产生负压吸收烟雾。本发明提供一种可吸收烟雾电刀的控制方法，基于模糊控制确定刀头处的烟雾的吸收流速，稳定控制刀头处的烟雾吸收，保证视野清晰。

Description

一种可吸收烟雾电刀及其控制方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，更具体的是，本发明涉及一种基可吸收烟雾电刀及其控制方法。

背景技术

高频电刀(高频手术器)是一种取代机械手术刀进行组织切割的电外科器械。它通过有效电极尖端产生的高频高压电流与肌体接触时对组织进行加热，实现对肌体组织的分离和凝固，从而起到切割和止血的目的。然而，在腔镜微创手术时，电凝刀、电钩和超声刀产生大量烟雾，因为在密闭空间内，烟雾难以散去，首先影响手术视野，影响手术进行速度，也有可能造成手术失误。其次，烟雾进入手术室空气，造成污染，同时威胁手术人员的健康。

中国发明专利201610185271.8公开一种吸烟电刀，主要包括“电刀本体、吸烟管和设置在吸烟管外的壳体”，实现了吸烟电刀内的吸烟管转动自然并且吸烟管在轴向上可以微调，但是主要解决的问题是如何实现吸烟管的旋转。

中国实用新型专利201420797732.3公开一种长度可调的吸烟管以及吸烟电刀，其吸烟管包括过渡连接管、插接在过渡连接管内调整管、设在调整管端部的吸烟嘴以及用于调整调整管在所述过渡连接管内轴向位置以实现吸烟管长度调整的调节部，仅仅是实现了吸烟管长度的调节。

上述现有技术均具有如下缺陷：

吸烟管如何进行吸烟并没有说明，并且也不能控制烟雾吸收程度，然而吸烟的程度需要精确控制，吸力过大造成手术附近负压过大，影响手术精度，而吸力过小则不能高效吸烟，仍然影响手术视野，影响手术进行速度，甚至可能造成手术失误。

发明内容

本发明的一个目的是设计开发了一种可吸收烟雾电刀，通过设置由吸烟管，将烟雾吸收至烟雾收集瓶内，既保证视野清晰，还能避免空气污染。

本发明的另一个目的是设计开发了一种可吸收烟雾电刀的控制方法，基于模糊控制确定刀头处的烟雾的吸收流速，稳定控制刀头处的烟雾吸收，保证视野清晰。

本发明还能精确控制负压泵的转速，并对负压泵转速进行校正，精确控制刀头处的烟雾吸收。

本发明提供的技术方案为：

一种可吸收烟雾电刀，包括：

壳体；以及

吸烟管，其同轴固定设置在所述壳体内部，且一端与所述壳体一端平齐，另一端穿出所述壳体；

其中，所述吸烟管一端为空腔圆环柱结构，另一端为空腔圆柱结构，且所述空腔圆柱结构与所述空腔圆环柱结构连通，靠近所述空腔圆柱结构的所述空腔圆环柱结构一端的内壁面设置有内螺纹；

多个隔板，其周向均匀设置在所述空腔圆环柱结构的空腔内；

网片，其为圆环片，且固定设置在与所述壳体一端平齐的所述吸烟管上；

电连接片，其设置在靠近所述空腔圆柱结构的所述空腔圆环柱结构一侧中心；

刀头，其***所述壳体一端，并伸入所述空腔圆环柱结构内，与所述空腔圆环柱结构螺纹连接，且所述刀头与所述电连接片接触；

烟雾收集瓶，其与所述吸烟管连通，用于收集烟雾；

负压泵，其设置在所述烟雾吸收瓶内，用于产生负压吸收烟雾。

优选的是，还包括：

端盖，其为圆环形结构，且与所述壳体一端螺纹连接；

多个圆形孔，其均匀设置在所述端盖上；

其中，所述端盖的内径小于所述空腔圆环柱结构的内径。

优选的是，还包括：

橡胶垫，其为圆环柱结构，且同轴固定设置在所述空腔圆环柱结构中部，用于缓冲固定所述刀头；

挡块，其为圆环形结构，且固定设置在靠近所述壳体一端的所述刀头上，所述挡块位于所述空腔圆环柱结构内且与所述端盖接触；

其中，所述挡块的外径大于所述端盖的内径。

优选的是，还包括：

止回阀，其设置在所述烟雾收集瓶与所述吸烟管连通处。

优选的是，还包括：

烟雾传感器，其设置在所述壳体一端，用于检测所述刀头处的烟雾浓度；

转速传感器，其设置在所述负压泵上，用于检测所述负压泵的转速；

电压传感器，其设置在所述电连接片上，用于检测所述刀头上的电压大小；

控制器，其与所述烟雾传感器、转速传感器、电压传感器和负压泵连接，用于接收所述烟雾传感器、转速传感器和电压传感器的检测数据，并控制所述负压泵工作。

一种可吸收烟雾电刀的控制方法，包括模糊控制器：

将刀头上的电压大小V_t和刀头处的烟雾浓度C_t输入模糊控制器，所述模糊控制器中刀头上的电压大小V_t和刀头处的烟雾浓度C_t分为7个等级；

模糊控制器输出烟雾的吸收流速v_Q，输出分为7个等级；

所述刀头上的电压大小V_t的模糊论域为[0,1]，其量化因子为650；所述刀头处的烟雾浓度C_t的模糊论域为[0,1]，定量化因子为500；输出烟雾的吸收流速v_Q的模糊论域为[0,1]，定量化因子为60；

输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

优选的是，还包括模糊PID控制器：

输入第i个吸收过程的刀头处的理想烟雾浓度

和实际烟雾浓度C_t的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入模糊PID控制器进行烟雾的吸收流速v_Q的误差补偿控制。

优选的是，

所述刀头处的理想烟雾浓度

和实际烟雾浓度C_t的偏差e的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为10；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为3；

所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.0001；

所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；

所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

优选的是，根据所述烟雾的吸收流速v_Q控制负压泵的转速满足：

其中，n_Q为负压泵的转速，n₀为负压泵的基础转速，ΔP₀为负压泵转速为n₀时产生的负压，π为圆周率，l₁为空腔圆环柱结构的轴向长度，，l₂为空腔圆柱结构的轴向长度，r₂为空腔圆柱结构的外径，r₁为空腔圆环柱结构的内径，r为负压泵的扇叶半径。

优选的是，还包括：

对所述负压泵的转速进行校正：

其中，η为负压泵的工作效率。

本发明所述的有益效果：

(1)本发明设计开发的可吸收烟雾电刀，通过设置由吸烟管，将烟雾吸收至烟雾收集瓶内，既保证视野清晰，还能避免空气污染。

(2)本发明设计开发的可吸收烟雾电刀的控制方法，基于模糊控制确定刀头处的烟雾的吸收流速，还能精确控制负压泵的转速，并对负压泵转速进行校正，稳定控制刀头处的烟雾吸收，保证视野清晰。

附图说明

图1为本发明所述温控超声检查床的结构示意图。

图2为本发明所述吸烟管的结构示意图。

图3为本发明所述的模糊控制器和模糊PID控制器的示意图。

图4为本发明所述模糊控制器的输入刀头上的电压大小V_t的隶属度函数图。

图5为本发明所述模糊控制器的输入刀头处的烟雾浓度C_t的隶属度函数图。

图6为本发明所述模糊控制器的输出烟雾的吸收流速v_Q的隶属度函数图。

图7为本发明所述模糊PID控制器的输入偏差e的隶属度函数图。

图8为本发明所述模糊PID控制器的输入偏差变化率ec的隶属度函数图。

图9为本发明所述模糊PID控制器的输出比例系数K_p的隶属度函数图。

图10为本发明所述模糊PID控制器的输出比例积分系数K_i的隶属度函数图。

图11为本发明所述模糊PID控制器的输出微分系数K_d的隶属度函数图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明可以有许多不同的形式实施，而不应该理解为限于再次阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的。在附图中，为了清晰起见，会夸大结构和区域的尺寸和相对尺寸。

如图1-2所述，本发明提供一种可吸收烟雾电刀，包括：壳体100；以及吸烟管110，其同轴固定设置在壳体100内部，且一端与壳体一端平齐，另一端穿出壳体100；所述的吸烟管110一端为空腔圆环柱结构111，另一端为空腔圆柱结构112，且空腔圆柱结构112与空腔圆环柱结构111连通，靠近空腔圆柱结构112的空腔圆环柱结构111一端的内壁面设置有内螺纹1112，所述的空腔圆环柱结构111的空腔内周向均匀设置有隔板1111，使得吸烟管110更加结实稳固；在与壳体100一端平齐的吸烟管110上同轴固定设置有网片113，其为圆环片。在靠近空腔圆柱结构112的空腔圆环柱结构111一侧中心设置有电连接片114，用于电连接刀头。刀头120，其***壳体100一端，并伸入空腔圆环柱结构111内，与空腔圆环柱结构111螺纹连接，且刀头120与电连接片114接触。

与吸烟管110连通设置有烟雾收集瓶(图中未示出)，用于收集烟雾在烟雾收集瓶内设置有负压泵，用于产生负压吸收烟雾。并且在烟雾收集瓶与吸烟管110连通处设置有止回阀，使得烟雾能够进入烟雾收集瓶内但不能流出。

在壳体100一端螺纹连接有端盖130，其为圆环形结构，并且在端盖130上均匀设置有圆形孔，用于烟雾的通过。端盖130的内径小于空腔圆环柱结构111的内径。

在空腔圆环柱结构111中部同轴固定设置有橡胶垫115，其为圆环柱结构，用于缓冲稳定刀头120。并且在靠近壳体100一端的刀头120上设置有挡块121，其为圆环形结构，且位于空腔圆环柱结构111内且与端盖130接触。挡块121的外径大于端盖130的内径。有利于更好的固定刀头120。

本实施例中，还包括烟雾传感器，其设置在壳体100一端，用于检测刀头处的烟雾浓度；转速传感器，其设置在负压泵上，用于检测负压泵的转速；电压传感器，其设置在电连接片114上，用于检测刀头上的电压大小；控制器，其与烟雾传感器、转速传感器、电压传感器和负压泵连接，用于接收烟雾传感器、转速传感器和电压传感器的检测数据，并控制负压泵工作。

需要说明的是，电刀的其他结构与现有电刀的结构一致，在此不做赘述。

本发明设计开发的可吸收烟雾电刀，通过设置由吸烟管，将烟雾吸收至烟雾收集瓶内，既保证视野清晰，还能避免空气污染。

本发明还提供一种可吸收烟雾电刀的控制方法，如图3所示，控制器包括模糊控制器和模糊PID控制器，包括以下步骤：

步骤1、将刀头上的电压大小V_t、刀头处的烟雾浓度C_t和烟雾的吸收流速v_Q进行模糊处理；在无控制时，刀头上的电压大小V_t的模糊论域为[0,1]，其量化因子为650；刀头处的烟雾浓度C_t的模糊论域为[0,1]，定量化因子为500；烟雾的吸收流速v_Q的模糊论域为[0,1]，定量化因子为60。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模糊控制器中刀头上的电压大小V_t和刀头处的烟雾浓度C_t分为7个等级；输出烟雾的吸收流速v_Q，输出分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函，详见图4、5和6。其中所述模糊控制器的模糊控制规则为：

(1)刀头上的电压大小V_t一定，刀头处的烟雾浓度C_t增大，需要增大烟雾的吸收流速v_Q；

(2)刀头处的烟雾浓度C_t一定，刀头上的电压大小V_t增大，需要增大烟雾的吸收流速v_Q；

模糊控制的具体控制规则详见表一。

表一 烟雾的吸收流速v_Q的模糊控制表

模糊控制器的输入刀头上的电压大小V_t和刀头处的烟雾浓度C_t，用模糊控制规则表一得出模糊控制器的输出烟雾的吸收流速v_Q，烟雾的吸收流速v_Q利用重心法解模糊化。

步骤2、模糊PID控制器

将第i个吸收过程的刀头处的理想烟雾浓度

和实际烟雾浓度C_t的偏差e、偏差变化率ec、输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数进行模糊处理；在无控制时，偏差e的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为10；偏差变化率ec的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为3；PID的比例系数K_p模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1。PID的比例积分系数K_i模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；PID的微分系数K_d模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模糊控制器中偏差e、偏差变化率ec分为7个等级；输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函数，详见图7-11。其模糊控制规则为：

1、当偏差|e|较大时，增大K_p的取值，从而使偏差快速减小，但同时产生了较大的偏差变化率，应取较小的K_d，通常取K_i＝0；

2、当|ec|和|e|取值处于中等时，为避免超调，适当减小K_p的取值，使K_i较小，选择适当大小的K_d；

3、当偏差|e|较小时，增大K_pK_i的取值，为避免出现在***稳态值附近震荡的不稳定现象，通常使当|ec|较大时，取较小的K_d；当|ec|较小时，取较大的K_d；具体的模糊控制规则详见表二、三和四。

表二 PID的比例系数K_p的模糊控制表

表三 PID的比例积分系数K_i的模糊控制表

表四 PID的微分系数K_d的模糊控制表

输入第i个吸收过程的刀头处的理想烟雾浓度

和实际烟雾浓度C_t的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数用高度法进行解模糊化，输入PID控制器进行烟雾的吸收流速v_Q的误差补偿控制，其控制算式为：

经实验反复确定，模糊PID控制器对烟雾的吸收流速v_Q进行精确控制，烟雾的吸收流速v_Q为模糊控制器的输出吸收流速和PID控制器的吸收流速的误差补偿值的加和，使电刀确控制其烟雾的吸收流速v_Q，使烟雾的吸收流速v_Q的偏差小于0.1％。

步骤3、根据所述烟雾的吸收流速v_Q控制负压泵的转速满足：

其中，n_Q为负压泵的转速，n₀为负压泵的基础转速，ΔP₀为负压泵转速为n₀时产生的负压，π为圆周率，l₁为空腔圆环柱结构的轴向长度，，l₂为空腔圆柱结构的轴向长度，r₂为空腔圆柱结构的外径，r₁为空腔圆环柱结构的内径，r为负压泵的扇叶半径。

作为优选的方式，还可以对所述负压泵的转速进行校正：

其中，η为负压泵的工作效率。

本发明设计开发的可吸收烟雾电刀的控制方法，能够基于模糊控制确定刀头处的烟雾的吸收流速，还能精确控制负压泵的转速，并对负压泵转速进行校正，稳定控制刀头处的烟雾吸收，保证视野清晰。有效避免了吸力过大造成手术附近负压过大，影响手术精度，或者吸力过小不能高效吸烟，仍然影响手术视野，影响手术进行速度，甚至可能造成手术失误。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种可吸收烟雾电刀的控制方法，其特征在于，

提供所述可吸收烟雾电刀，包括：

壳体；以及

吸烟管，其同轴固定设置在所述壳体内部，且一端与所述壳体一端平齐，另一端穿出所述壳体；

其中，所述吸烟管一端为空腔圆环柱结构，另一端为空腔圆柱结构，且所述空腔圆柱结构与所述空腔圆环柱结构连通，靠近所述空腔圆柱结构的所述空腔圆环柱结构一端的内壁面设置有内螺纹；

多个隔板，其周向均匀设置在所述空腔圆环柱结构的空腔内；

网片，其为圆环片，且固定设置在与所述壳体一端平齐的所述吸烟管上；

电连接片，其设置在靠近所述空腔圆柱结构的所述空腔圆环柱结构一侧中心；

刀头，其***所述壳体一端，并伸入所述空腔圆环柱结构内，与所述空腔圆环柱结构螺纹连接，且所述刀头与所述电连接片接触；

烟雾收集瓶，其与所述吸烟管连通，用于收集烟雾；

负压泵，其设置在所述烟雾收集瓶内，用于产生负压吸收烟雾；

烟雾传感器，其设置在所述壳体一端，用于检测所述刀头处的烟雾浓度；

转速传感器，其设置在所述负压泵上，用于检测所述负压泵的转速；

电压传感器，其设置在所述电连接片上，用于检测所述刀头上的电压大小；

控制器，其与所述烟雾传感器、转速传感器、电压传感器和负压泵连接，用于接收所述烟雾传感器、转速传感器和电压传感器的检测数据，并控制所述负压泵工作；

还包括模糊控制器：

将刀头上的电压大小V_t和刀头处的烟雾浓度C_t输入模糊控制器，所述模糊控制器中刀头上的电压大小V_t和刀头处的烟雾浓度C_t分为7个等级；

模糊控制器输出烟雾的吸收流速v_Q，输出分为7个等级；

所述刀头上的电压大小V_t的模糊论域为[0,1]，其量化因子为650；所述刀头处的烟雾浓度C_t的模糊论域为[0,1]，定量化因子为500；输出烟雾的吸收流速v_Q的模糊论域为[0,1]，定量化因子为60；

输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

2.如权利要求1所述的可吸收烟雾电刀的控制方法，其特征在于，还包括模糊PID控制器：

输入第i个吸收过程的刀头处的理想烟雾浓度

和实际烟雾浓度C_t的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入模糊PID控制器进行烟雾的吸收流速v_Q的误差补偿控制。

3.如权利要求2所述的可吸收烟雾电刀的控制方法，其特征在于，

所述刀头处的理想烟雾浓度

和实际烟雾浓度C_t的偏差e的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为10；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为3；

所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.0001；

所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；

所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

4.如权利要求1、2或3所述的可吸收烟雾电刀的控制方法，其特征在于，根据所述烟雾的吸收流速v_Q控制负压泵的转速满足：

其中，n_Q为负压泵的转速，n₀为负压泵的基础转速，ΔP₀为负压泵转速为n₀时产生的负压，π为圆周率，l₁为空腔圆环柱结构的轴向长度，l₂为空腔圆柱结构的轴向长度，r₂为空腔圆柱结构的外径，r₁为空腔圆环柱结构的内径，r为负压泵的扇叶半径。

5.如权利要求4所述的可吸收烟雾电刀的控制方法，其特征在于，还包括：

对所述负压泵的转速进行校正：

其中，η为负压泵的工作效率。

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