УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ ДЛЯ ХИРУРГИЧЕСКОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
ACTUATOR CONTROL DEVICE AND METHOD OF ACTUATOR CONTROL FOR SURGICAL MOTOR SYSTEM

Настоящее изобретение относится к устройству управления приводом для хирургической двигательной системы, соответствующей ограничительной п. 1 формулы изобретения, содержащей блок управления двигателем для управления электродвигателем в разомкнутом или замкнутом контуре, причем упомянутый электродвигатель приводит в действие хирургический инструмент. Дополнительный вариант изобретения относится к самой моторной системе.
Дополнительно, настоящее изобретение относится к способу переключения хирургической двигательной системы, соответствующей ограничительной части п. 11 формулы изобретения, в котором хирургический инструмент приводится в действие электродвигателем, управляемым блоком управления двигателем в разомкнутом и/или замкнутом контуре.
Хирургические двигательные системы общего вида известны в многочисленных вариантах, в частности, вместе с инструментами в виде сверлильных и фрезерных машин или пил. Они приводятся в действие блоком управления двигателем, формирующим сигналы управления для электродвигателя, чтобы заставить его работать с заданной скоростью вращения, которая может быть установлена устройством управления приводом. В зависимости от типа электродвигателя, могут быть достигнуты скорости вращения до 80000 оборотов в минуту. Двигательная система этого типа является особенно экономически эффективной и не требующей особого обслуживания, если электродвигатель является бесщеточным двигателем постоянного тока, имеющим две двигательные обмотки помимо ротора.
Устройства управления приводом для хирургических двигательных систем общего вида известны, например, из документов WO 2006/012991 A1 или DE 102009018 143 A1. С помощью этих известных устройств управления приводом скорость вращения соответствующего хирургического инструмента управляется в замкнутом контуре, в котором, например, используется широтно-импульсная модуляция (PWM) или пространственная векторная широтно-импульсная модуляция (SVPWM). По сравнению с традиционной широтной импульсной модуляцией, способ SVPWM обладает тем преимуществом, что все обмотки двигателя могут возбуждаться одновременно, так что возможна плавная и без рывков работа электродвигателя, в частности, также при низких скоростях вращения.
Из документа ЕР 2324779 А1 известна хирургическая двигательная система, предназначенная для различных медицинских применений и содержащая блок управления приводом, содержащий электронную схему, служащую для управления скоростью вращения двигательной системы в разомкнутом и/или замкнутом контуре. Способ управления скоростью вращения в разомкнутом и/или замкнутом контуре изменяется в зависимости от держателя инструмента, прикрепляемого к хирургической двигательной системе.
Помимо их плавной работы, эти известные способы управления в замкнутом контуре отличаются от всех перечисленных выше тем, что соответствующая скорость вращения может перенастраиваться очень быстро. Однако выход за пределы, который, например, в случае изменений предельной нагрузки очень быстро перестраивает скорость вращения, приносит не только преимущества, как можно видеть из следующего сравнения.
Если, например, неуправляемый пневматический двигатель испытывает кратковременное падение скорости вращения во время приведения в движение фрезы из-за ее возможного захвата, это может в результате привести к резкому увеличению скорости двигателя после того, как фреза будет освобождена. При этом дополнительный рост температуры не происходит.
2
С другой стороны, если такая фреза приводится в действие двигателем, управляемым в замкнутом контуре, блок управления двигателем в такой ситуации выполняет перенастройку в пределах очень короткого времени, чтобы противодействовать резкому падению скорости вращения. Это в результате приводит к проблемам, в частности, когда инструмент захватывается несколько раз подряд и скорость вращения должна перестраиваться снова и снова. Если текущий профиль в такой ситуации исследуется более подробно, то будут измеряться дополнительные импульсы электропитания (I × R). Как следствие, эти очень быстрые, динамичные процессы управления в замкнутом контуре сопровождаются дополнительными потерями. Из-за непрерывной перестройки и соответствующих токовых пиков электродвигатель выделяет большее количество тепла и существует риск его перегрева.
Существуют многочисленные применения (например, при краниотомии), где такая быстрая перенастройка желательна или даже требуется, и на описанный недостаток в виде дополнительных потерь можно с легкостью не обращать внимания, благодаря сравнительно короткому времени активации при краниотомии.
Однако существуют применения, такие как времязатратный процесс выфрезеровывания сегмента кости, при котором основное внимание следует уделять не столько быстрой перенастройке, сколько минимально возможным тепловым потерям.
Если упомянутые выше устройства управления приводом, известные, например, из документов WO 2006/012991 A1 или DE 102009018 143 A1, используются в процессе выфрезеровывания сегмента кости, существует риск, что электродвигатель будет перегреваться или даже выходить из строя.
Соответственно, область использования ранее известных устройств управления приводом для хирургических инструментов или устройств по причинам безопасности ограничивается конкретными целями. Поэтому различные хирургические двигательные системы или системы, содержащие соответственно пригодные приводные двигатели, используются до настоящего времени в зависимости от области применения. Это затрудняет работу с ними, а также увеличивает затраты. Поэтому было бы желательно использовать одну моторную систему для широкого разнообразия медицинских применений.
Изобретение основано на задаче дальнейшего совершенствования устройства управления приводом, соответствующего ограничительной части п. 1 формулы изобретения, так, чтобы область использования соответствующей хирургической двигательной системы могла быть расширена. Аналогично, должны также обеспечиваться соответствующий способ управления, а также хирургическая моторная система.
Эта задача решается в отношении устройства управления приводом с признаками по п. 1 формулы изобретения, в отношении хирургической двигательной системы с признаками по п. 9 формулы изобретения и в отношении способа с этапами способа по п. 11 формулы изобретения. Предпочтительные дополнительные разработки являются предметом подпунктов формулы изобретения.
В соответствии с этим, изобретение предлагает обеспечить устройство технического описания параметров, располагающееся перед блоком управления двигателем и позволяющее устанавливать параметры разомкнутого или замкнутого контура блока управления двигателем, так что профиль управления в разомкнутом или замкнутом контуре может адаптироваться к состоянию электродвигателя. Вместо использования различных двигательных систем для различных применений, изобретение основано на идее изменения режима управления или профиля управления в разомкнутом или замкнутом контуре электродвигателя таким образом, что он оптимально адаптируется к соответствующему применению, чтобы позволять больший диапазон применения используемой моторной системы. Основой для выбора параметров разомкнутого или замкнутого контура является определенное состояние или предыстория состояния электродвигателя, посредством которых устройство технических характеристик параметров способно определять текущее медицинское применение. При соответствующем выборе параметров достигается, что результирующий профиль управления в разомкнутом или замкнутом контуре безопасно предотвращает перегрузку, такую как недопустимое повышение температуры электродвигателя. Процесс инициирования, соответствующий изобретению, может поэтому использоваться для множества различных хирургических целей, не требуя иметь различные двигатели. Различные режимы управления или переключение профилей могут реализовываться чисто программными техническими решениями, при этом оставляя аппаратурное обеспечение, то есть, электронные устройства управления, неизменными. Таким образом, управляемость явно улучшается и соответственно сокращаются затраты.
Изменяя параметры разомкнутого или замкнутого контура, профиль управления в разомкнутом или замкнутом контуре электродвигателя может изменяться таким образом, что, результирующая характеристика вращающего момента/скорости оптимально адаптируется к соответствующему режиму нагрузки.
С точки зрения изобретения режим управления оказывает влияние или изменяет значения установки или контрольные значения и/или характеристики управления самого разомкнутого или замкнутого контура. В случае применения, в котором быстрая перестройка не требуется (как, например, во время фрезерования сегмента кости), в процессе управления соотношение P может быть уменьшено и соотношение I может быть увеличено, чтобы избежать высоких пиков тока. Как альтернатива или в дополнение, уровень максимального тока может быть в целом снижен. Дополнительно, устройство описания параметров позволяет соответственно снижать точку установки или целевую скорость вращения, в частности, после превышения критического тока или, если ожидается заброс скорости.
Предпочтительно, электродвигатель или инструмент может действовать сначала в соответствии с режимом управления по умолчанию или режимом управления с ручным регулированием и затем может переходить или переключаться в более соответствующий режим управления в зависимости от определенного состояния или идентифицированного текущего медицинского применения.
В зависимости от случая применения также возможно переключение между работой со стабилизацией скорости вращения и работой без стабилизации скорости вращения (чистое регулирование в разомкнутом контуре), чтобы использовать различные параметры управления для стабилизации скорости вращения или адаптации значения точки установки в зависимости от ситуации с неизменными параметрами управления. Дополнительная альтернатива должна состоять в изменении внутреннего сопротивления двигателя, когда выходное напряжение для двигателя соответственно снижается или увеличивается пропорционально измеренному току.
Различные профили управления разомкнутого или замкнутого контура закладываются в форме режимов управления, среди которых подходящий режим может быть выбран в зависимости от ситуации. В соответствии с изобретением, выбор и переключение выполняются автоматическим способом.
В соответствии с изобретением, относительное состояние хирургической двигательной системы обнаруживается динамически, чтобы иметь возможность в квазинепрерывной форме изменять профиль управления в разомкнутом или замкнутом контуре согласно соответствующим требованиям.
В соответствии с одним из вариантов осуществления, возможно введение множества различных режимов управления, то есть параметров разомкнутого и/или замкнутого контура или характеристик двигателя, каждая из которых связана с соответствующими медицинскими применениями. В зависимости от определенного состояния или определенной предыстории состояний электродвигателя, устройство описания параметров затем способно выбрать из них подходящий режим управления.
Как альтернатива или в дополнение, выбор режима управления может быть выполнен в зависимости от используемого хирургического инструмента или переходника инструмента. Благодаря предпочтительно автоматическому определению, могут быть выбраны один или более режимов управления, пригодных для инструмента. Например, различные инструменты работают с различными скоростями вращения, например, максимум 20000 об/мин или максимум до 80000 об/мин. Идентификация инструмента дает уверенность, что максимальная скорость двигателя и/или максимальный вращающий момент ограничиваются соответствующим образом.
Каждый режим управления может иметь связанную с ним заданную характеристику вращающего момента/скорости электродвигателя.
Вместо или в дополнение к постоянно установленным режимам управления, соответствующий режим управления может формироваться на основе учебного алгоритма.
В одном из вариантов осуществления режим управления может также быть выбран как функция обнаруживаемых событий управления в единицу времени, являющаяся признаком применения с множеством колебаний нагрузки.
Дополнительным преимуществом может быть определение соответствующего состояния хирургической двигательной системы предпочтительно путем непрерывного обнаружения соответствующего мгновенного значения тока и напряжения электродвигателя. Если каким-либо образом в качестве блока управления двигателем обеспечивается контроллер замкнутого контура, то это имеет то преимущество, что датчики, требующиеся для упомянутого процесса управления, уже имеются, так что никакие дополнительные затраты не требуются.
Дополнительно или как альтернатива, соответствующее состояние хирургической двигательной системы может быть определено предпочтительно путем непрерывного определения температуры электродвигателя (M) с вариантом, в котором при отсутствии соответствующего датчика температура может также косвенно определяться интегрированием соответствующих мгновенных значений тока и напряжения электродвигателя.
Также предпочтительно, когда по меньшей мере один режим управления обеспечивает стабилизацию скорости вращения электродвигателя и по меньшей мере один другой режим управления не предусматривает стабилизацию скорости вращения электродвигателя. Таким образом, можно посредством способов программного обеспечения моделировать управляемую, а также неуправляемую операцию, в частности, неуправляемую работу пневматического двигателя.
При способе управления в разомкнутом и/или замкнутом контуре блок управления двигателем может осуществлять либо широтно-импульсную модуляцию, либо пространственную векторную широтно-импульсную модуляцию (SVPWM), при которой все обмотки двигателя возбуждаются одновременно.
Чтобы иметь возможность идентификации состояния электродвигателя, может обеспечиваться средство определения положения ротора, чтобы определять положение ротора электродвигателя; с целью определения положения ротора электродвигателя по меньшей мере одна из обмоток двигателя отключается от источника электропитания на заданный период времени. При скорости вращения 80000 об/мин и трех обмотках двигателя, которые отключаются поочередно, положение ротора и электродвижущая сила могут измеряться 4000 раз в секунду. Это позволяет обнаруживать состояние электродвигателя за очень короткое время и выбирать соответствующий режим управления.
Хирургическая двигательная система, соответствующая изобретению, содержит электродвигатель для привода хирургического инструмента, который может с возможностью снятия соединяться с ним прямо или косвенно, в частности, вставляя переходник инструмента или наконечник, а также устройство управления приводом, как описано выше.
Хирургическая двигательная система может также содержать средство определения скорости вращения для определения действительной скорости электродвигателя, в частности, датчики Холла и/или наконечник или средство идентификации инструмента. Это позволяет автоматически идентифицировать состояние электродвигателя и используемый инструмент или систему инструментов и выбирать соответствующий режим управления.
Способ, соответствующий изобретению, для разомкнутого и/или замкнутого контурного управления электродвигателем (M) хирургической двигательной системы, которая приводит в движение хирургический инструмент, характеризуется следующими этапами, на которых: определяют состояние и/или предысторию состояния хирургической двигательной системы, в частности, электродвигателя; выбирают режим управления на основе определенного состояния или предыстории состояния; и регулируют параметры разомкнутого или замкнутого контура, так что профиль управления в разомкнутом или замкнутом контуре электродвигателя соответствует выбранному режиму управления.
Что касается дополнительных преимуществ и дальнейшего развития изобретения, то ссылка делается на подпункты формулы изобретения.
Ниже изобретение объясняется на основе описания варианта осуществления со ссылкой на чертежи, на которых:
Фиг. 1 - блок-схема хирургической двигательной системы, содержащей устройство управления приводом, соответствующее изобретению;
Фиг. 2 - блок-схема устройства PV описания параметров, соответствующего изобретению; и
Фиг. 3 - несколько характеристик, которые реализуются как профиль управления в разомкнутом или замкнутом контуре хирургической моторной системы.
В соответствии с Фиг. 1, хирургическая двигательная система, соответствующая изобретению, содержит электродвигатель М, который механически связывается с инструментом W через зажимное устройство инструмента и приводит его в движение; инструмент W может быть дрелью, фрезой, пилой, краниотомическим инструментом или инструментом для трепанации черепа, шевером или другим хирургическим инструментом. Основное инициирование инструмента выполняется посредством (не показанного) блока управления, приводимого в действие рукой или ногой. Здесь, электродвигатель М переключается блоком MS управления двигателем. Для каждой фазы или обмотки электродвигателя М упомянутый блок управления двигателем формирует либо сигнал широтно-импульсной модуляции (PWM), либо сигнал пространственной векторной широтно-импульсной модуляции (SVPWM); в последнем случае все обмотки двигателя возбуждаются одновременно.
Если блок MS управления двигателем находится в режиме управления скоростью вращения в режиме замкнутого контура, ввод на него подается с помощью сигнала IST реального значения, который указывает мгновенное значение, требующееся для управления скоростью вращения в контуре замкнутого типа. Датчики (не показаны), в частности, в форме датчиков Холла, обеспечиваются для определения скорости вращения. Если управление в замкнутом контуре, выполняемое блоком MS управления двигателем, требует каких-либо других значений обратной связи, таких как, в частности, подаваемый ток или подаваемое напряжение, сигнал IST реального значения содержит соответствующую информацию.
В соответствии с Фиг. 1, устройство PV описания параметров устанавливается перед блоком MS управления двигателем и формирует параметры RP разомкнутого или замкнутого контура, которые подаются в качестве начального значения на вход блока MS управления двигателем в дополнение к реальному сигналу IST. Основываясь на типе соответственно поданных параметров RP разомкнутого или замкнутого контура, регулируется или устанавливается профиль управления разомкнутым или замкнутым контуром, обеспечиваемый блоком MS управления двигателем. Сначала управление в разомкнутом или замкнутом контуре инструмента W выполняется в соответствии с режимом управления по умолчанию или режимом управления, веденным вручную пользователем.
В соответствии с Фиг. 1, дополнительно обеспечивается система S датчиков, чьи входные сигналы подаются в виде сигналов нескольких датчиков, а именно, сигнала I, представляющего текущий ток двигателя, сигнала U, представляющего напряжение двигателя, а также сигнала n скорости вращения. Последний представляет собой текущую скорость вращения электродвигателя М и создается, например, датчиком Холла, как уже было упомянуто. Дополнительно, может обеспечиваться сигнал Т, который формируется температурным датчиком и указывает текущую температуру электродвигателя М. Поскольку в области хирургии соответствующие машины и инструменты очень малы, размещение такого температурного датчика, а также передача его выходного сигнала Т часто влекут за собой большие проблемы. Поэтому сигнал Т температуры определяется в одном из вариантов осуществления изобретения, интегрируя определенные мгновенные значения тока и напряжения электродвигателя М. В конечном счете, продолжительность текущего медицинского или хирургического лечения, то есть текущая продолжительность вставки текущего инструмента может быть измерена и выведена в качестве временного сигнала t.
Кроме того, двигательная система может дополнительно содержать систему датчиков, которая автоматически идентифицирует вид используемого в данный момент инструмента, и подает соответствующий сигнал типа TYP. В соответствии с Фиг. 1, система датчиков создает выходной сигнал SAS датчиков, который подается в устройство PV описания параметров.
В устройство PV описания параметров или в другое запоминающее устройство помещаются переменные состояния, связанные с применением, и предыстории входных сигналов U, I, n, T, t, TYP. Посредством различных серий испытаний и серий измерений перед началом работы или при помощи учебного алгоритма можно определить, какие из переменных состояния и предысторий типичны для соответствующих инструментальных вставок. Это распределение переменных состояния и медицинского применения позволяет устройству PV описания параметров на основе настоящих входных переменных или измеренных значений определить текущее применение.
Как описано в начале, все применения и инструментальные вставки требуют различных приводов. В случае фрезерования, например, могут ожидаться меньшие токи двигателя в диапазоне, самое большее, до 1 A и моменты, самое большее, 1,5 Нсм, тогда как при трепанации черепа могут возникать токи приблизительно до 3,5 A и моменты до 3,5 Нсм.
Кроме автоматической идентификации текущего применения, устройство PV описания параметров на втором этапе выбирает соответствующий режим управления. Эта корреляция между применением и режимом управления также помещается в устройство PV описания параметров или в другое запоминающее устройство.
Упомянутые два этапа, выполняемые устройством PV описания параметров, схематично показаны на Фиг. 2, беря "фрезерование" и "трепанацию черепа" в качестве примера на основе временного изменения тока I. Чтобы повысить надежность распределения, несколько или все измеренные или определенные значения могут сравниваться с соответствующими введенными профилями и оцениваться.
Выбрав режим управления, ориентированный на применение, устройство PV описания параметров подает соответствующие параметры управления в разомкнутом и/или замкнутом контуре на блок MS управления двигателем и, таким образом, изменяет поведение управления в разомкнутом и/или замкнутом контуре блока MS управления двигателем. Таким образом, устройство PV описания параметров автоматически переключается из режима управления (который в первом случае был установлен по умолчанию или вручную) на более подходящий режим управления. Это означает, что устройство PV описания параметров способно предоставить блоку MS управления двигателем такой профиль управления в разомкнутом или замкнутом контуре, который лучше всего подходит для текущего режима нагрузки электродвигателя М, представляясь сигналами U, I, n, T, t и/или TYP. Если, например, измеренные значения или их изменение во времени указывают, что хирургический инструмент W собирается выполнить краниотомию, устройство PV описания параметров регулирует на блоке MS управления двигателем профиль регулирования в замкнутом контуре, который приводит в результате, например, к характеристике 1 двигателя, показанной на Фиг. 3, то есть скорость вращения электродвигателя М сохраняется постоянной при полной мощности или как можно быстрее перенастраивается. С другой стороны, если обнаруживается, что действиями, выполняемыми с помощью инструмента W, более вероятно является времязатратный процесс фрезерования сегмента кости, предпочтительно установить одну из характеристик 3-5, показанных на Фиг. 3, для которых рост температуры электродвигателя М намного меньше.
На Фиг. 3 в качестве примера показаны несколько характеристик двигателя в форме кривых вращающего момента/скорости вращения электродвигателя М, сообщаемых блоком MS управления двигателем электродвигателю М, как функция соответствующего параметра RP разомкнутого или замкнутого контура устройства PV описания параметров. Характеристика, обозначенная как "1", является характеристикой стабилизации скорости вращения, при которой скорость вращения может оставаться постоянной, за исключением очень малого диапазона, начинающегося с 9,5 Нсм. Характеристики, обозначенные как "2" и "3", являются характеристиками стабилизации скорости вращения, при которых скорость вращения начинает падать уже в несколько более ранней точке во времени, как можно видеть на чертеже. Для характеристик, обозначенных как "4" и "5", стабилизация скорости вращения, однако, не выполняется, как можно непосредственно видеть на чертеже.
В зависимости от случая применения или идентифицированного режима нагрузки хирургического инструмента W может быть разумным установить профиль управления в разомкнутом или замкнутом контуре блока MS управления двигателем каким-то другим способом, отличным от показанного на Фиг. 3. В качестве примеров профилей управления разомкнутого или замкнутого контура можно привести следующее:
1. Стабилизация скорости вращения не используется.
2. Использование стабилизации скорости вращения с помощью модифицированных параметров управления.
3. Стабилизация скорости вращения с наилучшими скоординированными параметрами, но с регулировкой точки установки стабилизации скорости вращения в зависимости от ситуации.
4. Изменение внутреннего сопротивления двигателя:
Пропорционально измеренному току двигателя блок MS управления двигателем понижает выходное напряжение для электродвигателя М следующим образом.
corrected
normal
U = U – ΔU
motor
ΔU = R × I
Для электродвигателя М с высоким внутренним сопротивлением напряжение ΔU падает на внутреннем сопротивлении обмотки. Поэтому блок MS управления двигателем подает напряжение, уменьшенное на ΔU, чтобы достигнуть того же самого эффекта в двигателе, внутреннее сопротивление которого не настолько высоко.
5. Алгоритм, реализуемый в устройстве PV описания параметров, является соответствующим алгоритмом обучения, который устанавливает профиль управления электродвигателем в соответствии с обучением режимам нагрузки электродвигателя. Для примера, устройство PV описания параметров обнаруживает повышение температуры двигателя посредством температурной модели. Особенно в случае длительной работы двигателя, как это имеет место во время фрезерования, делается вывод, что инструмент W используется для операции фрезерования, после чего блок MS управления двигателем переключается на наиболее подходящий профиль управления в разомкнутом или замкнутом контуре.
Поскольку сигналы, создаваемые системой S датчиков, требуются в качестве значений обратной связи для блока MS управления двигателем в зависимости от типа последнего (как показано на Фиг. 1 пунктирной линией), единая система датчиков достаточна для блока MS управления двигателем и устройства PV описания параметров, соответствующего изобретению. Поскольку блок MS управления двигателем типа, требуемого здесь, обычно уже содержит систему датчиков, устройство PV описания параметров, соответствующее изобретению, в большинстве случаев не нуждается в дополнительных датчиках.