【技术实现步骤摘要】
本申请涉及医疗器械，尤其是一种智能化穿刺手术微操作系统。
技术介绍
1、微机电系统在生物医学领域具有巨大的应用潜力，以压电陶瓷为基础设计的压电驱动系统在微纳操作高精度控制领域发挥着重要作用。微纳操作主要应用场景有：生物活体注射、细胞注射、心脏和耳膜等软体组织切割以及微元件装配等。
2、但是压电陶瓷具有非线性迟滞特性，导致在实际应用中的控制精度往往不够高，而穿刺手术对于精度的要求又较高，导致目前难以将以压电陶瓷为基础设计的压电驱动系统应用于穿刺手术场景中。
技术实现思路
1、本申请人针对上述提出的现有微纳操作技术控制精度低的技术问题及技术需求，提出了一种智能化穿刺手术微操作系统，本申请的技术方案如下：
2、智能化穿刺手术微操作系统包括医用机械臂、微机电系统和上位机，微机电系统包括驱动滑台、连接驱动滑台的压电驱动操作臂以及安装在压电驱动操作臂末端的手术执行器，微机电系统还包括安装在手术执行器处的力传感器以及安装在驱动滑台处的光电位置感应器，力传感器和光电位置感应器分别电性连接上位机，上位机通过驱动器连接并控制驱动滑台带动手术执行器运动。
3、上位机执行的控制方法包括：
4、建立微机电系统在考虑驱动滑台的压电粘滑驱动时的运动控制模型，运动控制模型指示控制信号u、手术执行器与目标组织的实时接触力f，以及驱动滑台的实时位置x之间的函数关系，且运动控制模型中包含系统参数未知项。
5、根据实时接触力f对期望接触力x1d的力跟踪误差设计得
6、在利用穿刺手术微操作系统对受检者进行穿刺手术的过程中，当手术执行器与受检者的目标组织接触后，通过力传感器获取实时接触力f、通过光电位置感应器获取实时位置x，利用自适应径向基神经网络对控制律中的系统参数未知项进行估计并补偿，并根据控制律得到控制信号u，按照控制信号u控制驱动滑台。
7、其进一步的技术方案为，建立微机电系统在考虑驱动滑台的压电粘滑驱动时的运动控制模型：
8、建立微机电系统的运动学方程为：
9、
10、其中，m是微机电系统的系统质量，c是科里奥利力和向心力的矢量，是驱动滑台的实时运动速度，是驱动滑台的实时运动加速度，表示与和有关的非线性项。
11、基于驱动滑台的压电粘滑驱动原理根据kelvin-boltzmann模型确定：
12、
13、其中，α、β、γ均为参数；为实际接触力f的一阶导数。
14、得到微机电系统在考虑驱动滑台的压电粘滑驱动时的运动控制模型为：
15、
16、其中，系统参数未知项包括m、c和
17、其进一步的技术方案为，根据运动控制模型构建控制律包括：
18、定义x1＝f、将运动控制模型转换为状态方程：其中，为x1的一阶导数，为x2的一阶导数，a、b、均为与系统参数未知项相关的未知项。
19、定义力跟踪误差z1＝x1-x1d以及z2＝x2-μ，则有其中，为z1的一阶导数，为z2的一阶导数，为x1d的一阶导数，虚拟控制量为μ的一阶导数，k1为正定常数，时变增益kb1(t)为时变量。
20、基于力跟踪误差在有限时间内收敛到零的目标设计得到控制律。
21、其进一步的技术方案为，基于力跟踪误差在有限时间内收敛到零的目标设计得到控制律包括：
22、定义系统状态量构建包含系统参数未知项的
23、利用包含m个节点的自适应径向基神经网络对χ(z)逼近映射为χ(z)＝w*ts(z)+δ(z)并估计权值向量w*的范数|w*|得到权值向量w*的最大模长并得到正的未知参数δ(z)为逼近误差，s(z)是高斯基函数向量，而有上确界，为正定常数；
24、确定补偿量的更新律，并基于估计误差利用反步法设计得到控制律。
25、其进一步的技术方案为，补偿量的更新律为
26、
27、其中，σ、p为正定常数，kb2(t)为时变量，||s(z)||为高斯基函数向量s(z)的模长。
28、其进一步的技术方案为，设计得到的所述控制律为：
29、
30、其中，k2为正定常数，时变增益
31、其进一步的技术方案为，基于估计误差利用反步法设计得到控制律为：
32、利用力跟踪误差z1设计李雅普诺夫函数
33、设计李雅普诺夫函数
34、设计李雅普诺夫函数
35、根据李雅普诺夫函数v1、v2、v3利用反步法设计得到控制律。
36、其进一步的技术方案为，根据李雅普诺夫函数v1、v2、v3利用反步法设计得到控制律包括：
37、基于使得v1、v2、v3恒大于等于0，且v1对t的导数v2对t的导数v3对t的导数恒小于等于0的目标，设计得到控制律。
38、其进一步的技术方案为，压电驱动操作臂的末端还安装有电子内窥镜，电子内窥镜用于在利用穿刺手术微操作系统对受检者进行穿刺手术的过程中获取实时图像并反馈给上位机。
39、其进一步的技术方案为，上位机执行的控制方法还包括：
40、利用电子内窥镜采集评估图像；
41、对评估图像中的每一个像素点利用拉普拉斯算子计算卷积后，将各个像素点的卷积结果相加得到电子内窥镜的成像清晰度。
42、当确定电子内窥镜的成像清晰度达到清晰度阈值时，利用穿刺手术微操作系统对受检者进行穿刺手术，否则调整电子内窥镜直至成像清晰度达到清晰度阈值。
43、本申请的有益技术效果是：
44、本申请设计的智能化穿刺手术微操作系统，通过建立在考虑驱动滑台的压电粘滑驱动时的运动控制模型，设计控制律并利用自适应径向基神经网络对控制律中的系统参数未知项进行估计并补偿，使得实时接触力对期望接触力的力跟踪误差在有限时间内收敛到零，以降低受检者目标组织的变形程度，减少额外损害。
45、本申请还设计了图像评估控制方法，当确定电子内窥镜的成像清晰度达到清晰度阈值时，利用穿刺手术微操作系统对受检者进行穿刺手术，否则调整电子内窥镜直至成像清晰度达到清晰度阈值。通过评估穿刺手术的过程中的实时图像，保证了本申请的微机电系统在每一步手术操作时的图像清晰度，通过清晰的图像能够做出更加合理的判断，避免对受检者产生额外损伤。
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1.一种智能化穿刺手术微操作系统，其特征在于，所述智能化穿刺手术微操作系统包括医用机械臂、微机电系统和上位机，所述微机电系统包括驱动滑台、连接所述驱动滑台的压电驱动操作臂以及安装在所述压电驱动操作臂末端的手术执行器，所述微机电系统还包括安装在所述手术执行器处的力传感器以及安装在所述驱动滑台处的光电位置感应器，所述力传感器和所述光电位置感应器分别电性连接所述上位机，所述上位机通过驱动器连接并控制所述驱动滑台带动所述手术执行器运动；
2.根据权利要求1所述的穿刺手术微操作系统，其特征在于，所述建立所述微机电系统在考虑所述驱动滑台的压电粘滑驱动时的运动控制模型：
3.根据权利要求2所述的穿刺手术微操作系统，其特征在于，根据所述运动控制模型构建所述控制律包括：
4.根据权利要求3所述的穿刺手术微操作系统，其特征在于，所述基于力跟踪误差在有限时间内收敛到零的目标设计得到所述控制律包括：
5.根据权利要求4所述的穿刺手术微操作系统，其特征在于，补偿量的更新律为
6.根据权利要求5所述的穿刺手术微操作系统，其特征在于，设计得到的所述控
7.根据权利要求6所述的穿刺手术微操作系统，其特征在于，基于估计误差利用反步法设计得到所述控制律包括：
8.根据权利要求7所述的穿刺手术微操作系统，其特征在于，所述根据李雅普诺夫函数V1、V2、V3利用反步法设计得到所述控制律包括：
9.根据权利要求1所述的穿刺手术微操作系统，其特征在于，所述压电驱动操作臂的末端还安装有电子内窥镜，所述电子内窥镜用于在利用所述穿刺手术微操作系统对受检者进行穿刺手术的过程中获取实时图像并反馈给所述上位机。
10.根据权利要求9所述的穿刺手术微操作系统，其特征在于，所述上位机执行的控制方法还包括：
...【技术特征摘要】
1.一种智能化穿刺手术微操作系统，其特征在于，所述智能化穿刺手术微操作系统包括医用机械臂、微机电系统和上位机，所述微机电系统包括驱动滑台、连接所述驱动滑台的压电驱动操作臂以及安装在所述压电驱动操作臂末端的手术执行器，所述微机电系统还包括安装在所述手术执行器处的力传感器以及安装在所述驱动滑台处的光电位置感应器，所述力传感器和所述光电位置感应器分别电性连接所述上位机，所述上位机通过驱动器连接并控制所述驱动滑台带动所述手术执行器运动；
2.根据权利要求1所述的穿刺手术微操作系统，其特征在于，所述建立所述微机电系统在考虑所述驱动滑台的压电粘滑驱动时的运动控制模型：
3.根据权利要求2所述的穿刺手术微操作系统，其特征在于，根据所述运动控制模型构建所述控制律包括：
4.根据权利要求3所述的穿刺手术微操作系统，其特征在于，所述基于力跟踪误差在有限时间内收敛到零...
【专利技术属性】
技术研发人员：樊启高，俞子牛，刘跃跃，毕恺韬，艾建，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：
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