智能化恒压变流气腹机的制作方法

专利名称：智能化恒压变流气腹机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微压力微流量精密控制设备中的专用医疗仪器。 一种专用微 压微流量精密控制医疗仪器设备。以窥镜术野要求为目的，用一根输气管(通过 穿刺器与硬视管镜间充气间隙)与该设备相连。术中往术腔充气，在体内形成一 个二氧化碳气体术腔空间。这种仪器通称为气腹机。
背景技术：
气腹机是腔镜手术的重要设备，它使手术的部位或腔体充气隆起，便于医生 观察诊治。由于该设备是属微压力微流量精密控制设备(工作压力一般在〈2KPa
〖即为1-15mmHgl!;最大输气量一般小于0. 04ffl3/niin〖即为40L/minH)，技术难 度大；且设备使用存的风险大。气压失控，必将给手术带来严重影响，还可能危
及病员的生命安全(压力过高，脏器不能正常搏动，C02超量渗入血液中，使病员 血栓休克；压力过低，无法形成正常手术视野和空间)。
早期的气腹机采用的是供气与测压分时进行的周期性控制技术，压力调控区 间误差范围大，供气流量变化非线性，在开关阀作用下,会产生压力脉冲。附图15 是这种脉冲调控气腹机控制原理图(详见美国专利5423741)，而附图16是这种脉 冲调控气腹机调控模式的周期控制波形图(详见美国专利5439441)。他们的做法 是l.先打开气输出控制阀(如图15所示"OUTPUT SOLENOID 16")，以确定的
输气量供气，并保持一段时间(如图16 FIG 1B所示"Ton" ); 2.然后关闭气输出 控制阀，中断供气；3.不断检测输气管回送的气压，直到连续n个测量值的偏差 在允许的界限内，则取这n个检测值的平均值为手术腔体的实际压力值4.根据 设定压力值和实际压力值的偏差，求取新的气量控制值，然后回复到"1"，以新的供气量供气。
这种周期性间断的测压或间断的供气调控模式有以下几方面缺陷
1. 回送气压偏差较大，容易过量超调，引发自激振荡。由于我们面对的不是 密闭容器，而是医生在不断操作的手术腔体，手术造成不断地泄气和无规律的扰 动，流量变化无常，因此手术腔体内的实际压力值是动态变化且不可掌控的。
2. 脉冲状供气，容易对手术腔体造成压力冲击，隐藏了不安全的因素。从附 图16脉冲调控模式的周期控制波形图可知，打开气输出控制阀，先给出一个定流 量定脉宽的脉冲气流，关闭气输出控制阀，利用弹性腔体的缓冲吸收使其平和后 获取平均压力值，因此，这种剧烈开关气输出控制阀的调控模式决定了脉冲状供 气。
3. 调控周期长，容易调控失步，控压精度差。为了能使急剧变化的气流平和 下耒，获取连续n个偏差在允许的界限内的测量值，必定要拉长调控周期，如图 16 FIG 1B所示，调控周期竟长达1000ms,这对属非惯性物理量的压力量耒说， 显然是不适宜的。此类气腹机的流量一般为手动分段设置，流量设定量定得太小， 不能满足泄漏需要，压力值到不了控压点。流量设定量定得太大，会产生自激振 荡，因此，流量设定值需要用户现场手动调整。
美国专利5676155提出了供气流量自动调整的改进方案。如附图17中FIG. 1 所示，专利认为，流量为Q1 Q2段的压力误差为AP1 AP2，也就是供气流量值 减少为输出量的10% 40%，这时取得的实际压力值可用于调控。专利还认为，为 了达到较好的效果，最好把流量值控制在15% 30%范围内，检测二个不同流量时 的压力值，就可推算出较精确的腔体内的实际压力值(图17中FIG. 2的2为压力 传感器，3为流量传感器。)。为了精确计算流量，特增加了流量传感器。此方案 供气方法仍为间断周期性的，这种调控模式的三个缺陷依然存在。此种断续供气 方式能减少注气时输气管气阻的影响，但因此拉长了测控周期，降低了控制精度，
6且是脉冲状供气。而且，由于腔体手术孔尺寸形状及与手术器件配合的差异，手 术器械操作时的扰动以及抽液等一系列因素的影响，造成泄漏的不确定性和回传 压力的动态变化，回传压力偏离腔体压力的程度也就更不确定，更加大了控压的 偏差。此类控压方式对工作在小流量供气和泄漏量变化不大的情况下尚可，若需 大流量供气或泄漏量变化较大的情况下就极易自激振荡。因为不同的流量达到压 力稳定的时间是不同的，此值是非线性成倍增长的，且手术中的扰动造成泄漏量 的不确定性，因此很难选取合适的调控周期和获取正确的实际压力值，极易造成 调控失步或超调振荡。
这些调控模式的气腹机由于在检测周期中为获取等效腔体压力值而采用暂灯 供气或大幅度限流供气，气流不可避免是脉冲状的，因此，我们把它通称之为脉 冲调控气腹机。
根据我们的观察和检测，在相对静态的情况下，脉冲压力峰值都远远超出了设 定压力值。而在泄气量变化较大的动态情况下，气腹机输气最高压力甚至可以达 到5. 3KPa〖即为40咖Hg2，远远超出了临床安全压力值界2KPa〖即为15咖Hg〗。 我们认为，此时气腹机呈振荡状态，腹腔内压力始终处于变化和不确定之中，使 手术操作过程中压力变得不可掌控。其极高的脉冲压力伴随着手术时间的延长极 可能会增加患者风险。
脉冲调控式气腹机在硬件构成上一般是比例调节阓连接储气罐，储气罐前部 再设开关阀。采用比例调节阀或定流开关阀(通路一般整定为某一固定流量值，以 大、中、小标设。)作为调控执行件。定流开关阀调流能力是比较粗略的.，比例 调节阀由于其结构的原因存在着不可避免的的特性缺陷。
压力比例调节阀(详见图14一b)或流量比例调节阀(详见图14一a)的输出特 性是扭曲非线性的， 一个控制量却有二个输出量与之对应。调控时要顾及上次控 制点的位置，增量控制与减量控制走的是二条曲线。若控制转向，则会出现一段不敏感区。这是阀的迟滞造成的。控制换向时，虽然控制值变了，但输出值不变。 只有越过不敏感区，移到另一条控制曲线上，才能使输出量得到控制。而且，比 例压力调节阀或比例流量调节阀的输出特性在小控制量段和大控制量段非线性特 别严重，微控制量附近存在一个控制盲区。
由于调控周期长，线性度差，存在迟滞和不敏感区，因此调控精度不高，微 压无法掌控。高端气腹机控压起点一般仅为5mraHglI即为667Pa2，而一些腔镜手 术(如甲状腺或新生儿)气腹机控压一般定为5-8咖Hg l!即〈1066Pa11，当离神经中 枢很近时，控压值5mmHglI即为667Pa2为临床安全压力要求，如有效控压裕度不 足，就会带耒不确定的风险性。

发明内容
为了克服上述现有技术中所存在的缺陷,本发明提供一种压力流量控制精密、 输气持续平稳、安全可靠的、能够极微压控压供气、适应大小术腔的大泄露量下 的控压的智能化恒压变流气腹机。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
一种智能化恒压变流气腹机，包括用于连通外界气源、并向机器供气的减压 阀，还包括
具有缓冲气流、滤波作用的术腔压力等效器，术腔压力等效器呈容器状并通 过一根输气管直接连通手术腔体；
用于控制向手术腔体输气流量的数字化线性比例流量并联控制阀，由N个受
控于微电脑的高速电磁阔同步并联分流，N为电磁阀的个数，N为自然数且N》2，
每个高速电磁阀串接一精密节流阀，各个高速电磁阀对应的精密节流阀的管道通
路流量大小依序设置为2X流量基值、2X流量基值、…2 X流量基值，
其中，流量基值为最低位的流量设定值；
减压阀、流量并联控制阀、压力等效器依次连接；用于测量手术腔体气压的微压传感器，微压传感器的测压点靠近压力等效器 与输气管连接部，微压传感器的输出信号经A/D转换模块输送到微电脑；
数字化线性比例流量并联控制阔、术腔压力等效器、微电脑组成精确模拟术 腔压力的数字化线性流量调控组件；
所述的微电脑内包含压力流量控制单元
由数字化线性比例流量并联控制阀的控制码值换算获取输出流量现值，根据 预存的输气管压力损失AP随流量变化的标定曲线，获取当前流量下的AP值；
计算出术腔压力等效器此瞬时的控压值P控寸设+AP， P设是期望控压值；
压力检测A/D转换模块获取气输出口的压力现值P测，求得压力偏差值AP 差值-P控一P测；
根据压力偏差值AP差值，采用比例积分压力流量闭环法进行调控，使压力偏
差值AP差值趋向于零。
在这里，我们要说明的是，调控过程不是一次到位的，而是连续自适应调节 智能逼近的过程。因为每次调控，流量的输出值就会变化，计算所得的压力损失 A P值也跟着变化，术腔压力等效器下一调控周期的实际控压值P控也就改变了 。
因此，术腔压力等效器的控压值P控是浮动的，是一个不断调整流量输出量以适 应用气量和泄气量变化的连续调控过程。本发明采用高速电磁阀同步并联分流， 系统可以每秒近百次的速率进行调控，很快就能使输出流量与手术腔体用气量相
适应，手术腔体的压力能被牢牢地掌控在期望控压值P设上。本发明采用独特的 调控理念，能提供持续平稳的气体流，确保手术腔体内的实际压力值被牢牢地掌 控在期望值上。
进一步，为了确保恒压平稳供气，给医生稳定的手术视野和空间，不给病人 造成任何额外伤害，所述的微电脑内的压力流量控制单元采用压力偏差值AP差 值分级调压模块。本发明专门编制了以比例、积分闭环控制为核心的控压点分级浮动的具有动 态压力补偿的主控程序(主控程序流图见图5)。跟据用户压力的设定值，设备智 能地确定每次调压的步距，以用户压力的设定值为限，控压值的增量不得超过调 压的步距值。因此，升压过程是阶梯形的，以当时压力的实测值加上调压的步距 值作为下个调控周期的控压值，整个调压过程都是受控的，输出压力过冲量很小。 而且，以限幅增量的形式确定流量的调整量，确保供气持续平稳，不会产生脉冲 状冲击。通过高速精密调控，在术腔压力等效器内建立了与用户压力设定量和用 户动态用气量相对应的精密压力源，确保用户端的流量变化平稳，压力值精确稳 定。
更进一步，分级调压模块的调压的步距P步距，我们是这样确定的。根据用户 设定的期望控压P设分成N份，N为自然数，分别标称为l、 2、 3、 4…N,即P 步距二1/NP设。步距的取值范围为P步距下限《P步距《P步距上限。若求得的P步距 大于上限恒取P步距上限，求得的P步距小于下限则恒取P步距下限。开机后第一个 调控周期动态的期望控压值P动设二P步距，即P控-P步距+AP。以后的调控周期 的动态期望控压值则为P动设二P测+ P步距，直至P动设二P设，以期望的控压值P 设为限。因此，实际上的控压值是动态变化的，控压过程也包含有控压值P控二P 动设+ A P值不断向P设+ A P逼近的过程。N、 P步距上限和P步距下限的取值应综合考 虑气腹机的控压范围、控压精度和流量基值等因素，并通过实验分析确定。
进一步，所述的微电脑包括输气管压力损失AP随流量变化的标定模块AP 采用分段线性拟合，基体的计算公式是APi=KiAIi+Ci，其中I为流量瞬时值; i为分段序数，i为自然数，Ki为该分段的流量补偿系数；Ci为该分段起始点的 补偿量APi-1,即APi-l=Ci; AIi即为流量瞬时值I减去该分段起始点的流量 值Ii后剩下的余值，即厶11=1-11。
所述的微压传感器包括两个压力传感器，所述的两个压力传感器并联，所述
10两个压力传感器连接微电脑主控单元，所述的微电脑主控单元还包括用于接收到 两个压力传感器信号数值异常或数值差异超限时发出切断流量并联控制阀和打开 安全泄压阀指令的故障处理模块。
再进一步，所述的智能化恒压变流气腹机还包括自排水高精度过滤器，所述 气源连接所述自排水高精度过滤器，所述自排水高精度过滤器连接精密减压阀。 自排水高精度过滤器为手术腔提供洁净干燥的气体，防止杂质进入机器内部,延长 数字化线性比例流量并联控制阀寿命。精密减压阀为并联调流提供精密低压源， 确保调流精度。
再进一步，所述的智能化恒压变流气腹机还包括安全泄压阀，所述泄压阀安 装在输气管连接部上。
所述减压阀为带自加热功能高压减压器，所述带自加热功能高压减压器通过 快速插拔自锁接口连接中压气管，所述中压气管与智能化恒压变流气腹机所带的 快速插拔接口相连。
再进一步，所述的智能化恒压变流气腹机还包括液晶触摸屏人机界面，所述 的微电脑连接所述液晶触摸屏人机界面。
更进一步，所述的微电脑还包括用于将压力在显示屏上以动态曲线形式显示
出来的压力动态显示模块，所述压力动态显示模块连接液晶触摸屏人机界面。 本发明的控制原理
用一根输气管(通过穿刺器与硬视管镜间充气间隙)将手术腔体和智能化恒 压变流气腹机相连，在术中连续测压供气。根据手术腔体气体动态泄漏变化，按 设定压力调节流量，使输出流量与手术腔体用气量相适应，完成连续测压供气的 控制。
首先用一根输气管将手术腔体通过气输出口接口和术腔压力等效器直接贯 通，中间无阀门隔离，压力传感器固定在气输出口上。当输气管流量为零时，术腔压力等效器压力与手术腔体压力相等。当输气管 有固定流量通过时，精密压力等效压器压力高于手术腔体压力，存在压差AP。 当输气管流量动态变化时，则AP也动态变化。我们建立了一个数学模型耒动态 拟合气流从术腔压力等效器传输到手术腔体所经管路造成的压力损失AP。必须 指出，输气管要有确定的长度，输气管路要有确定的通径，只有这样，所经管路 所造成的压力损失AP才可精确的拟合。因为，输气管的长度或通径任一变化， 压力损失AP也随之变化。在微电脑控制下，进行高速连续动态拟合调控，动态 跟随手术腔体术中流量、泄漏和压力变化，控压精度不受术腔尺寸的影响，它能 够在微压条件下控压调流供气，可满足腔镜各术种的压力安全需求。
本发明为解决技术问题采用了下列结构
一个自加热高压减压器(参见图18)。在二氧化碳气瓶高压供气时，需配置 带自加热功能高压减压器，防止大流量条件下将减压器件冻住，影响减压功能。 高压减压器将压力降至0.3MPa(中压输出)。利用快速插拔自锁接口连接中压气 管，与智能化恒压变流气腹机所带的快速插拔接口相连。
进一步，所述的智能化恒压变流气腹机的高压或中压供气方式可选，其特征
在于当高压供气即二氧化碳气瓶高压供气时，由自加热高压减压器减压成中压
供气。当选用中压供气即中央供气系统供气时，可用中压气管直接与智能化恒压
变流气腹机所带的快速插拔接口相连。中压供气压力变化范围在0.2MPa
0.6MPa，本发明均能正常工作。
一个自排水高精度过滤器和精密减压阀组合，自排水高精度过滤器为手术腔
提供洁净干燥的气体，防止杂质进入机器内部，延长数字化线性比例流量并联控制
阀寿命。精密减压阀，将压力降到约0.02MPa，为并联调流提供精密低压源，确
保调流精度。
一组数字化线性比例流量并联控制阀、术腔压力等效器、微电脑主控单元组成的数字化线性流量调控组件，在微电脑控制下，进行高速连续动态拟合调控， 动态跟随手术腔体术中流量、泄漏和压力变化，控压精度不受术腔尺寸的影响， 它能够在微压条件下控压调流供气，可满足腔镜各术种的压力安全需求消除气流 波动，精确模拟术腔压力。
一个由双精密集成微压传感器、高精度A/D转换模块，液晶触摸屏人机界面 等组成比例积分压力流量闭环控制系统，完成设备安全自检和流量压力调控。
一个安全泄压阀固定在气输出口(参见图1)，在设备故障时、在输气压力超 上限时或外力挤压手术腔体造成压力突然上冲时，作紧急泄压用，确保供气安全。
本发明的优点在于-
(1) 以触摸屏为媒体，具有双向智能友好的人机界面
中英文界面可供选择(如果需要，可提供几十种语种的界面)，设备运行状态、 帮助信息显示正确清晰，故障报警信息显示智能自动，操作者参数设置简便快捷。 气腹机的主要参数(压力和流量现值)采用数字量和棒形图同时显示，便于观察。 而脉冲调控气腹机一般只有液晶数显。
(2) 采用双传感器并行检测
为确保设备压力检测的稳定可靠，先对检测数据进行滤波处理、分析判断， 确定数据真实可信，再用于控制，确保设备压力检测的安全、稳定、可靠。而脉 冲调控式气腹机一般是单传感器测压，用阀门切换检测控压点或检测管道回送压 力。
(3) 具有智能适应外接器件通径流量变化的功能
内建术腔压力等效器，与用户腔体直接连通，能迅速正确地反映用户腔体的 压力变化和流量需求。根据用气量的变化，精确计算输气通道和管路的压力损失， 智能确定压力补偿值和最佳流量值。以限幅增量的形式调控逼近，确保用户端的 流量变化持续平稳，压力值稳定不变。而脉冲调控式气腹机对大流量、大变化量
13供气极易产生超调自激。 (4)供气持续平稳
本发明能无间断的测压和按需无间断的输气，求取压力偏差值后，通过计算 确定流量的增量，以限幅增量的形式调控，改变流量的输出量。调控连续往复进 行，流量连续提供。而脉冲调控式气腹机采用脉冲的调控方式，在检测管道回送 压力周期时，暂时断流或限流为输出量的10—40%，因此，输气形式不可避免呈 断续脉冲状。
5)可微压微量控压供气，满足所有腔镜手术的安全需求
本发明数字化线性比例流量并联控制阀在微电脑控制下，数字化高速精确调 流。.当术中气流泄漏时，压力反映的动态跟随性和精度不受术腔.尺寸的影响， 控制精确度大大提高。即使把控压点逸定在lnmiHgP卩为133Pa2，.手术腔体容积
为0.5LK即为0.0005ra311时，也能精确控压可靠供气。而脉冲调控式气腹机在 〈3.5mmHg〖即为466Pa2以下是控压盲区，超小腔体供气容易自激振荡。
(6) 压力、流量动态参量可追溯(详见图3)
具有对压力、流量等动态参量的可追溯性，能在显示屏上以动态曲线形式显 示出耒。并可偏移时标获取某一时刻瞬时值。而脉冲调控气腹机无此功能。
(7) 供气洁净干燥
为确保供气洁净干燥，本气腹机内配置高精度自动排水过滤装置。本发明采 用进气高压侧过滤，对出气压力没有影响。过滤方式为立体精细式，过滤面积大， 气阻小，精度高。而脉冲调控气腹机过滤一般设在气输出口，采用平面式过滤， 过滤面积小，气阻大，为减少输气口压力损失，过滤精度只能较低。
(8) 供气方式可选择
本气腹机工作在中压状态下，与医院的中央供气系统相对应，可通过"中压 输气管"直接与中央供气系统相连。若气瓶供气，也可配置一个自加热高压减压
14器(参见图18)。 二种供气方式，气腹机均能正常工作。而脉冲调控气腹机一般是 高压直接供气，与医院的中央供气系统相连接前必须打开机箱，调整内部配置。


图1是智能化恒压变流气腹机结构原理简图2是常规工作状态主控屏；
图3是压力流量动态记录屏；
图4是数字化线性流量调控组件；
图5是主控程序流图
图6是工作状态选择屏；
图7是气腹针穿刺工作状态控制屏；
图8是设备故障屏；
图9是术腔压力等效器简要示意图10是实施例系统原理简图11是八位数字化线性流量调控组件(根据流量及精度设计需求可增加)； 图12是本发明智能化恒压变流气腹机的压力动态曲线； 图13是脉冲调控气腹机的压力动态曲线； 图14是三种调控阀件的输出特性曲线； 图15是一种脉冲调控气腹机控制原理图； 图16是一种脉冲调控气腹机周期控制波形图； 图17是一种改进型脉冲调控气腹机； 图18是自加热高压减压阀。 具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例1参照图l一图12、图14， 一种智能化恒压变流气腹机包括用于连通外界气源、 并向机器供气的减压阀，还包括具有缓冲气流、滤波作用的术腔压力等效器， 压力等效器呈容器状并通过一根输气管直接连通手术腔体；用于控制向手术腔体 输气流量的数字化线性比例流量并联控制阀，由N个受控于微电脑的高速电磁阀 同步并联分流，N为电磁阀的个数，N为自然数且N》2，每个高速电磁阀串接一 精密节流阀，各个高速电磁阀对应的精密节流阀的管道通路流量大小依序设置为
N—l N—2 N—N
2 X流量基值、2 X流量基值、…2 X流量基值，其中，流量基值为最低位 的流量设定值；
精密减压阀、流量并联控制阀、术腔压力等效器依次连接；
用于测量手术腔体气压的微压传感器，微压传感器的测压点靠近压力等效器 与输气管连接部，微压传感器的输出信号经A/D转换模块输送到微电脑；
数字化线性比例流量并联控制阀、术腔压力等效器、微电脑组成精确模拟术 腔压力的流量调控组件；
所述的微电脑内包含压力流量控制单元
由数字化线性比例流量并联控制阀的控制码值换算获取输出流量现值，动态 拟合气流从术腔压力等效器传输到手术腔体途经管路所造成的压力损失AP;计 算出术腔压力等效器此瞬时的控压值 P控二P设+AP， P设是期望控压值；
压力检测A/D转换获取气输出口的压力现值P测，求得压力偏差值AP差值二P 控—P测；
根据压力偏差值AP差值，采用比例积分压力流量闭环法进行调控，使压力偏 差值AP差值趋向于零。
本实施例的调控过程不是一次到位的，而是连续自适应调节智能逼近的过程。 因为每次调控，流量的输出值就会变化，计算所得的压力损失AP值也跟着变化, 术腔压力等效器下一调控周期的实际控压值P控也就改变了。因此，术腔压力等效器的控压值P控是浮动的，是一个不断调整流量输出量以适应用气量和泄气量 变化的连续调控过程。本发明采用高速电磁阀同步并联分流，系统可以每秒近百 次的速率进行调控，很快就能使输出流量与手术腔体用气量相适应，手术腔体的
压力能被牢牢地掌控在期望控压值P设上。本发明采用独特的调控理念，能提供 持续平稳的气体流，确保手术腔体内的实际压力值被牢牢地掌控在期望值上。
本发明专门编制了以比例、积分闭环控制为核心的控压点分级浮动的具有动 态压力补偿的主控程序(主控程序流图见图5)。跟据用户压力的设定值，设备智 能地确定每次调压的步距，以用户压力的设定值为限，控压值的增量不得超过调 压的步距值。因此，升压过程是阶梯形的，以当时压力的实测值加上调压的步距 值作为下个调控周期的控压值，整个调压过程都是受控的，输出压力过冲量很小。 而且，以限幅增量的形式确定流量的调整量，确保供气持续平稳，不会产生脉冲 状冲击。通过高速精密调控，在术腔压力等效器内建立了与用户压力设定量和用 户动态用气量相对应的精密压力源，确保用户端的流量变化平稳，压力值精确稳 定。
为了确保恒压平稳供气，给医生稳定的手术视野和空间，不给病人造成任何 额外伤害，所述的微电脑内的压力流量控制单元对压力偏差值A P差值分级调压模 块。所谓调压的步距P步距，我们是这样确定的。根据用户设定的期望控压P设分 成N份，N为自然数，分别标称为l、 2、 3、 4…N，即p步距二l/N P设。步距的 取值范围为P步距下限《P步距《P步距上限。若求得的P步距大于上限恒取P步距上限， 求得的P步距小于下限则恒取P步距下限。开机后第一个调控周期动态的期望控压值 P动设二P步距，艮卩P控-P步距+AP。以后的调控周期的动态期望控压值则为P动设二P 测+P步距，直至P动设-P设，以期望的控压值P设为限。因此，实际上的控压值是 动态变化的，控压过程也包含有控压值P控^动设+ △ P值不断向P设+ A P逼近的 过程。N、 P步距上限和P步距下限的取值应综合考虑气腹机的控压范围、控压精度和流量基值等因素，并通过实验分析确定。
以下结合本发明智能化恒压变流气腹机结构原理简图作进一步的说明。本发 明是通过智能调流实现闭环控压的。本发明所述的数字化线性比例流量并联控制 阀、精密减压阀和术腔压力等效器组成数字化线性流量调控组件(参见图4，简称 流量调控组件)。它由精密减压阀P提供精密低压稳压源；数字化线性比例流量并 联控制阀是由二个或以上同品种同规格的高速电磁阀作同步并联分流，每个电磁 阀串接一精密节流阀J作精确调流且使输出口综合在一起；数字化线性比例流量 并联控制阀的综合输出口与术腔压力等效器相连接；流量整定的检测点和输出压 力的监控点在气腹机气输出口。调节每一个精密节流阀，并通过该节流阀使每个
N-l
电磁阀管道通路流量大小依序设置为2 X流量基值，其中N为每个电磁阀序 数值，流量基值为最低位的流量设定值。这样,就可以实现各个控制组件平行供流， 组合控流。流量调控组件能很方便地实现二进码控流，为数字化控流，数字化闭 环控压奠定了基础。
数字化线性流量调控组件，其特征在于根据管路现状逐路进行流量整定，
流量控制码与输出流量值一一对应，有效地消除内阻压降VR的影响，能进行精确 的动态流量积算和精确的动态压力补偿。系统发出调控命令后，达到流量稳定的 时间是常量，与流量的变化量无关。
注意，在满足系统最高压力最大流量需求的情况下，把精密减压阀的控压 点设定得尽可能低。压力越低，系统内部的流速就越低，系统调控响应的要求就 越低，系统超调量就越小，系统闭环控制的特性曲线就越好。
本流量调控组件与脉冲调控气腹机采用的调流阀件相比，其优点 1，输出特性曲线线性度好整个控制区都在受控状态，没有迟滞，没有死区， 没有不敏感区，可以用于精密的微压微流量控制。附图14为三种调控阀件的输出 特性曲线。附图14一C为本发明实施例8位并联控制阀的输出特性曲线，线性度
18很好。主控单元给出一个控制码，只有唯一一个输出总流量与之对应。
2，流量控制精度高本流量调控组件是根据管路现状逐路进行流量整定，有
效地消除内阻压降VR的影响，精确输出，最大误差=最低位值的一半+各位电磁 阀流量整定误差。因此，可根据流量瞬时值进行动态压力补偿，也可根据各电磁 阀开通时间积算，较精确地进行总用气量的统计。
3是激励响应快，响应时间恒定选用同品种同规格的高速电磁阀作同步并 联分流。系统发出调控命令后，达到流量稳定的时间是个常量，与流量的变化量 无关，使微压微流量精密闭环控制系统能较容易地获取较合适的调控周期和调控 参量，使系统的抗扰动能力、系统的静态和动态调控性能得到了很大的提升。有 关上述内容的进一步说明可参阅我们申报的发明专利"数字化线性比例流量并联 控制阀"，申请号或专利号为03141700. 0。
本流量调控组件的术腔压力等效器简要示意图见图10。我们是通过精密调控 术腔压力等效器腔体内的等效压力耒保证手术腔体获得期望的压力值。术腔压力 等效器是开放式的，与手术腔体直接贯通，能直接反映手术腔体压力流量变化的 情况。整个调控周期流量输出没有外加的任何阻隔和限制，因此流量是连续的。 我们建立了一个数学模型，耒动态拟合气流从术腔压力等效器传输到手术腔体途 经管路所造成的压力损失AP。必须指出，输气管要有确定的长度，输气管路要 有确定的通径，只有这样，途经管路所造成的压力损失AP才可精确的拟合。期 望控压值Ps是己知的，输出流量现值可由数字化线性比例流量并联控制阀的控制 码值换算获取，由此可计算出此时的AP，进而可计算出术腔压力等效器此瞬时
的控压值 P控-P设+AP。
AP是非线性变化的，为了便于掌控，我们采用分段线性拟合。基体的计算 公式是APi-KiAIi+Ci。其中I为流量瞬时值；i为分段序数，分别标称为l、 2、 3、 4…；Ki为该分段的流量补偿系数；Ci为该分段起始点的补偿量APi-l，
19即APi-l《i; AIi即为流量瞬时值I减去该分段起始点的流量值Ii后剩下的余 值，即Ii。最佳分段点、Ki和Ci等参量需一定量的实验测试后经数学 统计分析后确定。每台气腹机由于其制造和装配误差及精密减压阀压力整定和精 密节流阀流量整定的误差不同，还要作相应的调整。只有这样，我们才能获取精 确的压力损失AP值，达到精确控压的目的。
根据压力检测A/D转换获取气输出口的压力现值P测，我们就可求得压力偏 差值AP差值:P控-P测。根据压力偏差值AP差值，由微电脑主控单元的比例积分 压力流量闭环控制程序进行调控，使压力偏差值AP差值趋向于零。在这里，我们 要说明的是，调控过程不是一次到位的，而是连续自适应调节智能逼近的过程。 因为每次调控，流量的输出值就会变化，计算所得的压力损失AP值也跟着变化， 术腔压力等效器下一调控周期的实际控压值P控也就改变了。因此，术腔压力等 效器的控压值P控是浮动的，是一个不断调整流量输出量以适应用气量和泄气量 变化的连续调控过程。本发明采用高速电磁阀同步并联分流，系统可以每秒近百 次的速率进行调控，很快就能使输出流量与手术腔体用气量相适应，手术腔体的
压力能被牢牢地掌控在期望控压值P设上。本发明釆用独特的调控理念，能提供 持续平稳的气体流，确保手术腔体内的实际压力值被牢牢地掌控在期望值上。
为了确保恒压平稳供气，给医生稳定的手术视野和空间，不给病人造成任何 额外伤害，本发明专门编制了以比例、积分闭环控制为核心的控压点分级浮动的 具有动态压力补偿的主控程序(主控程序流图见图5)。跟据用户压力的设定值， 设备智能地确定每次调压的步距，以用户压力的设定值为限，控压值的增量不得 超过调压的步距值。因此，升压过程是阶梯形的，以当时压力的实测值加上调压 的步距值作为下个调控周期的控压值，整个调压过程都是受控的，输出压力过冲 量很小。而且，以限幅增量的形式确定流量的调整量，确保供气持续平稳，不会 产生脉冲状冲击。通过高速精密调控，在术腔压力等效器内建立了与用户压力设定量和用户动态用气量相对应的精密压力源，确保用户端的流量变化平稳，压力 值精确稳定。
参照图10，此为本发明智能化恒压变流气腹机的实施例系统原理简图。图11 为实施例八位数字化线性流量调控组件。C02高压气源(一般为8MPa)经高压减压 阀(图18为自加热高压减压阀原理简图)初次减压和高精度过滤,成洁净干燥的低 压气体(一般为0. 4MPa,本设备允许为0. 2MPa 0. 6MPa)，输送给数字化线性流量 调控组件，由本发明作二次精密减压和数字化线性流量调控。二次精密减压将压 力降到0.02MPa，形成精密低压气源。
该医用智能化恒压变流气腹机选用0 10 KPa双精密微压传感器并联测压， 以确保测压数据的可信度。系统以嵌入式微电脑系统作为微电脑主控单元，此系 统内置多通道16位A/D转换部分。选用10. 4"彩色液晶触摸屏作为本实施例的 人机界面。系统主控单元的8位开关量输出口作为8位并联高速电磁阀的控制接 口，根据流量控制二进制的码值，并行控制各电磁阀的开关。系统调流范围为0
25. 5L/ min(O. 0255 mVrain),流量控制精度为《士0. 1L / min(O. 0001 mVmin)。 输入控制主控单元的控制程序和触摸屏的图象程序，即组成了调流范围为0 25L
/ min(O. 025 ra3/rain)，控压范围为0 4KPa(30mmHg)的气腹机。 上述实施例的气腹机与脉冲调控气腹机系统相比有明显的优点
1) 即用一根输气管完成无周期变化的连续测压供气，根据泄漏量引起术腔压变 化情况智能化调节流量输出，以设定压为目标完成对压力点的跟踪控制。
2) 激劢响应快，超调量小，压力偏差修正快，抗扰动能力强。从开机启动到压 力达到压力设定点值的动态控制过程时间很短，很快压力就稳定下来，控压 过程不会出现压力脉冲状波动自激振荡现象，气流输出持续平稳。
3) 控流精度高，控流范围宽，可以进行微量输出。由于控制特性曲线线性度好(详 见图14-C本发明实施例输出特性曲线)，没有迟滞，没有死区。以上述实施
21(0.0255 m/min)之间任意值，都能精确 地进行流量控制，流量输出值与其控制码严格对应。 4)控压精度高，控压范围宽，可以进行微压输出。以上述实施例为例，可以把 输出压力设置在0. lKpa，也可设置在0 4KPa之间任意点，都能保证控压精 度。
图12是本发明智能化恒压变流气腹机的压力动态曲线，图13是脉冲调控气腹 机的压力动态曲线。动态控压性能优劣一目了然，在此不作进一步的评价。 实施例2
参照图l、图4、图5、图9~图12，本实施例的微压传感器包括两个压力传 感器，所述的两个压力传感器并联，所述两个压力传感器连接微电脑主控单元， 所述的微电脑主控单元还包括用于接收到两个压力传感器信号数值异常或数值差 异超限时发出切断流量并联控制阀和打开安全泄压阀指令的故障处理模块。
本实施例采用双传感器并行检测。为确保设备压力检测的稳定可靠，先对检 测数据进行滤波处理、分析判断，确定数据真实可信，再用于控制，确保设备压 力检测的安全、稳定、可靠。而脉冲调控式气腹机一般是单传感器测压，用阀门 切换检测控压点或检测管道回送压力。
本实施例的其他结构和工作过程与实施例1相同。
实施例3
参照图l、图4、图5、图9~图12，本实施例的智能化恒压变流气腹机还包
括自排水高精度过滤器，所述气源连接所述自排水高精度过滤器，所述自排水高
精度过滤器连接精密减压阀。
本实施例采用一个自排水高精度过滤器和精密减压阀组合，自排水高精度过
滤器为手术腔提供洁净干燥的气体，防止杂质进入机器内部,延长数字化线性比例
流量并联控制阀寿命。精密减压阀，将压力降到约0.02MPa，为并联调流提供精
22密低压源，确保调流精度。
本实施例的其他结构和工作过程与实施例2相同。 实施例4
参照图l、图4、图5、图9~图12，本实施例的智能化恒压变流气腹机还包
括安全泄压阀，所述泄压阀安装在输气管上。
一个安全泄压阀固定在气输出口(参见图1)，在设备故障时、在输气压力超
上限时或外力挤压手术腔体造成压力突然上冲时，作紧急泄压用，确保供气安全。
本实施例的其他结构和工作过程与实施例3相同。 实施例5
参照图l一图12、图14和图18，所述减压阀为带自加热功能高压减压器， 所述带自加热功能高压减压器通过快速插拔自锁接口连接中压气管，所述中压气 管与智能化恒压变流气腹机所带的快速插拔接口相连。
一个自加热高压减压器(参见图18)。在二氧化碳气瓶高压供气时，需配置 带自加热功能高压减压器，防止大流量条件下将减压器件冻住，影响减压功能。 高压减压器将压力降至0.3MPa(中压输出)。利用快速插拔自锁接口连接中压气 管，与智能化恒压变流气腹机所带的快速插拔接口相连。
本实施例的其他结构和工作过程与实施例4相同。
实施例6
参照图l一图12，本实施例的智能化恒压变流气腹机还包括液晶触摸屏人机 界面，所述的微电脑连接所述液晶触摸屏人机界面。
所述的微电脑还包括用于将压力在显示屏上以动态曲线形式显示出来的压力 动态显示模块，所述压力动态显示模块连接液晶触摸屏人机界面。
本实施例的人机界面包括多语种界面，常规工作状态或气腹针穿刺充气状态的两种可供选择方式。主屏工作控制屏上的设备运行状态、帮助和报警信息显示
正确清晰，操作者参数设置简便快捷。气腹机的主要参数(压力和流量现值)采
用数字量和棒形图同时显示，便于观察。
本实施例增设了压力流量动态记录屏(详见图3)，具有对压力、流量等动态
参量的可追溯性，能在显示屏上以动态曲线形式显示出来。设定控压值，启动气
腹机，控压供气，自动把压力、流量等动态参量记录下来并以动态曲线形式显示
出耒。要观察动态曲线，点触工作控制屏右上角(详见图2常规工作状态主控屏或
图7气腹针穿刺工作状态控制屏)，即自动转到压力流量动态记录屏。在此记录屏
上，可观察压力、流量动态曲线，并可偏移时标获取某一时刻瞬时值。这样，使
用户对本次控压调流的全过程有了形象生动的了解，还可结合呼吸、心率和血压
等参量帮助对病理作量化的分析。
本实施例增设了气腹针穿刺工作状态控制屏。因气腹针通气管径太细一般为 2ram，远小于穿刺器与硬视管镜间充气间隙，管压降气阻增大。根据气腹针穿刺的 特定环境和特定要求，调整了动态补偿控制量，设定气腹针穿刺工作状态控制选 项。
本实施例配置了带有CPU的可编程的具有双向通讯功能的液晶触摸屏(单色、 多色和彩色的均可)，具有友好的人机界面。设备开机自检正常后，即进入工作状 态选择屏(详见图6)，用户可根据医生的习惯和手术的需要，选取工作状态，设 备即自动进入相应的程序分支(气腹针穿刺工作状态控制屏见图7，常规工作状态 主控屏见图2)。若不作选择，待命加法计数满，即自动转向常规工作状态主控屏。 在气腹针穿刺工作状态时，若穿刺后腔体的压力已达到要求，设备也会自动转向 常规工作状态主控屏。如图2或图7所示，在控制屏上，我们可以点触帮助触键， 获取设备当前运行状态信息、设备技术指标和使用维护要点。当设备故障报警时， 帮助触键会闪烁，在主控屏下方会显示故障信息，报警器鸣响，警示用户。若发生测压传感器故障，压力失控等重大故障，设备会自动弹出设备故障屏。(图8 为传感器零位码超差时弹出的设备故障屏，并提示你是否带压启动造成误测 零。)。此时，会立即关闭所有输气阀，封闭任何操作，使用户无法强行使用， 只能关机断电送修。本设备在安全性方面考虑是周密的。
本实施例的其他结构和工作过程与实施例5相同。
权利要求
1、一种智能化恒压变流气腹机，包括用于连通外界气源、并向机器供气的减压阀，其特征在于还包括具有缓冲气流、滤波作用的术腔压力等效器，压力等效器呈容器状并通过一根输气管直接连通手术腔体；用于控制向手术腔体输气的数字化线性比例流量并联控制阀，由N个受控于微电脑的高速电磁阀同步并联分流，N为电磁阀的个数，N为自然数且N≥2，每个高速电磁阀串接一精密节流阀，各个高速电磁阀对应的管道通路流量大小依序设置为2N-1×流量基值、2N-2×流量基值、…2N-N×流量基值，其中，流量基值为最低位的流量设定值；减压阀、流量并联控制阀、压力等效器依次连接；用于测量手术腔体气压的微压传感器，微压传感器的测压点靠近压力等效器与输气管连接部，微压传感器的输出信号经A/D转换模块输送到微电脑；数字化线性比例流量并联控制阀、术腔压力等效器、微电脑组成精确模拟术腔压力的数字化线性流量调控组件；所述的微电脑内包含压力流量控制单元由数字化线性比例流量并联控制阀的控制码值换算获取输出流量现值，根据预存的输气管压力损失ΔP随流量变化的标定曲线，获取当前流量下的ΔP值；计算出术腔压力等效器此瞬时的控压值P控＝P设+ΔP，P设是期望控压值；压力检测A/D转换模块获取气输出口的压力现值P测，求得压力偏差值ΔP差值＝P控-P测；根据压力偏差值ΔP差值，采用比例积分压力流量闭环法进行调控，使压力偏差值ΔP差值趋向于零。
2、 如权利要求1所述的智能化恒压变流气腹机，其特征在于所述的微电脑内的 压力流量控制单元采用压力偏差值AP差值分级调压模块。
3、 如权利要求2所述的智能化恒压变流气腹机，其特征在于所述的压力偏差值 AP差值是分级调压模块根据用户设定的期望控压P设分成N份，N为自然数， 分别标称为l、 2、 3、 4…N，艮卩P步距4/NP设；步距的取值范围为P步距下限《P步距《p步距上限。若求得的p步距大于p步距上限恒取p步距上限，求得的p步距小于p步距下限则恒取P步距下限；开机后第一个调控周期动态的期望控压值P动设二P步距， 即P控-P步距+ AP，以后的调控周期的动态期望控压值则为P动设-P测+ P步距，直 至P动设-P设，以期望的控压值P设为限。
4、 如权利要求1所述的智能化恒压变流气腹机，其特征在于所述的微电脑包括 输气管压力损失AP随流量变化的标定模块AP采用分段线性拟合，基体的计 算公式是APi-KiAIi+Ci，其中I为流量瞬时值；i为分段序数，i为自然数， Ki为该分段的流量补偿系数；Ci为该分段起始点的补偿量APi-l，即APi-l=Ci; AIi即为流量瞬时值I减去该分段起始点的流量值Ii后剩下的余值，即AIi=I-Ii。
5、 如权利要求3所述的智能化恒压变流气腹机，其特征在于所述的微电脑包括 输气管压力损失AP随流量变化的标定模块AP采用分段线性拟合，基体的计 算公式是APi=KiAIi+Ci，其中I为流量瞬时值；i为分段序数，i为自然数， Ki为该分段的流量补偿系数Ci为该分段起始点的补偿量APi-l，即APi-l=Ci;Ali即为流量瞬时值I减去该分段起始点的流量值Ii后剩下的余值，即Mi斗Ii。
6、 如权利要求1所述的智能化恒压变流气腹机，其特征在于所述的微压传感器 包括两个压力传感器，所述的两个压力传感器并联，所述两个压力传感器连接微 电脑主控单元，所述的微电脑主控单元还包括用于接收到两个压力传感器信号数 值异常或数值差异超限时发出切断流量并联控制阀和打开安全泄压阔指令的故障处理模块。
7、 如权利要求5所述的智能化恒压变流气腹机，其特征在于所述的微压传感器 包括两个压力传感器，所述的两个压力传感器并联，所述两个压力传感器连接微 电脑主控单元，所述的微电脑主控单元还包括用于接收到两个压力传感器信号数 值异常或数值差异超限时发出切断流量并联控制阀和打开安全泄压阀指令的故障 处理模块。
8、 如权利要求1-7之所述的智能化恒压变流气腹机，其特征在于所述的智能化 恒压变流气腹机还包括自排水高精度过滤器，所述气源连接所述自排水高精度过 滤器，所述自排水高精度过滤器连接减压阀。
9、 如权利要求8所述的智能化恒压变流气腹机，其特征在于所述的智能化恒压 变流气腹机还包括安全泄压阀，所述泄压阀安装在气输出口上。
10、 如权利要求9所述的智能化恒压变流气腹机，其特征在于所述减压阀为带 自加热功能高压减压器，所述带自加热功能高压减压器通过快速插拔自锁接口连 接中压气管，所述中压气管与智能化恒压变流气腹机所带的快速插拔接口相连。
11、 如权利要求9所述的智能化恒压变流气腹机，其特征在于所述的智能化恒 压变流气腹机还包括液晶触摸屏人机界面，所述的微电脑连接所述液晶触摸屏人 机界面。
12、 如权利要求11所述的智能化恒压变流气腹机，其特征在于所述的微电脑还 包括用于将压力在显示屏上以动态曲线形式显示出来的压力动态显示模块，所述 压力动态显示模块连接液晶触摸屏人机界面。
全文摘要
一种智能化恒压变流气腹机，包括减压阀、术腔压力等效器、数字化线性比例流量并联控制阀和微压传感器，微压传感器的测压点靠近压力等效器与输气管的连接部，微压传感器的输出信号经A/D转换模块输送到微电脑；微电脑内包含压力流量控制单元根据预存的输气管压力损失ΔP随流量变化的标定曲线，获取当前流量下的ΔP值，计算出术腔压力等效器此瞬时的控压值P_控＝P_设+ΔP，P_设是期望控压值；压力检测A/D转换模块获取气输出口的压力现值P_测，求得压力偏差值ΔP_差值＝P_控-P_测，根据压力偏差值ΔP_差值，采用比例积分压力流量闭环法进行调控，使ΔP_差值趋向于零。本发明压力流量控制精密、输气平稳、能够极微压控压供气、适应各种不同术种。
文档编号A61B17/94GK101485591SQ20081003262
公开日2009年7月22日 申请日期2008年1月14日 优先权日2008年1月14日
发明者海 庄 申请人:海 庄