用于电外科附件的RFID识别的系统和方法与流程

用于电外科附件的rfid识别的系统和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求本发明人于2018年10月17日提交的美国临时专利申请序列号62/746,825的申请日的权益。
3.上述临时专利申请的全部内容通过引用并入本文。
4.关于联邦的声明
5.资助的研究或开发
6.无
7.发明的背景
技术领域
8.本发明涉及电外科系统，更具体地，涉及用于自动识别用于电外科系统的附件、用于电外科系统的公司品牌线外科设备/附件的认证和一次性使用的系统和方法。


背景技术：

9.已经开发了用于自动识别用于电外科系统的附件的各种系统和方法。一种类型的这样的系统和方法是射频(rfid)识别。在rfid系统中，rfid标签或应答器被物理地附接或嵌入到电外科附件中。然后使用rfid阅读器以无线方式读取存储在rfid标签中的数据和/或将信息写入附件中的rfid标签。通常，rfid标签具有射频天线和集成电路。rf天线既接收来自阅读器的电力和数据，又用于将数据从标签发送到阅读器。集成电路通常具有用于处理数据以及用于调制和解调rf信号的处理器，以及用于存储数据的存储器。rfid标签可以是只读的，也可以是可读写的，这样标签上的存储器中的至少一些数据可以被更改或删除。
10.某些类型或型号的读写rfid标签——在此称为安全rfid标签——提供安全或保护特征或机制，使得标签的读取和/或写入受到控制并以一个或更多个密码的成功通信为条件。在这些安全的rfid标签中，密码被存储在只写存储器中；也就是说，可以通过写操作设置或更改密码，但不能通过任何读操作显示。为了让阅读器可以访问安全rfid标签中的数据，任何读取或写入操作都必须在密码操作之前进行，其中标签将询问器(interrogator)提供的密码与标签存储的密码进行比较。安全rfid标签通常在其对密码操作的响应中指示密码比较的成功或失败。密码的成功匹配将暂时启用后续的读取或写入操作，直到标签被重置，无论是被询问器故意(在操作结束时)，还是在从询问器附近移除无源标签时偶然断电。
11.rfid标签可用于各种目的。一个这样的目的是认证附件设备(例如，手术器械)以确定附件(accessory)设备或器械设备是否适合与主要设备(例如，电外科或微波发生器)一起使用。通过在附接或附加到附件设备的标签中生成和存储(或“编程”)一条秘密信息来准备或提供认证。这个秘密，称为“认证签名”，旨在仅由rfid标签的程序员和制造商、供应商或要认证的主要和附件设备的所有者知道或确定。在旨在通过认证保护的后续使用中，认证签名必须在询问器和安全rfid标签之间进行通信以进行比较。如果认证代码/签名作
为密码发送，则安全rfid标签可以执行加密或解密。在阅读器与标签之间发送加密密码，加密密码由标签解密以计算出从阅读器发送的实际密码。然而，如果认证签名存储或写入标签的用户存储器中，认证签名可以在认证事件期间通过rf通信以明文(plaintext)形式暴露。因此，攻击者可能会尝试使用容易获得的装置(例如rfid询问器和rf信号捕获或记录设备(“嗅探器”))来发现认证签名。
12.如果认证签名是由一组设备中的附件设备的所有实例共同共享的简单秘密(密钥或密码)，则攻击者对一个认证签名的任何发现——无论通过什么方式——都将中断对无限数量的附件设备的认证。
13.在现有技术系统中，认证签名被存储在rfid标签的读写存储器中的已知位置。在这些系统中，试图认证附件的主设备将从与附件相关联的rfid标签读取uid，并使用与最初可能用于对标签进行编程的秘密密钥相同的秘密密钥执行相同的计算。然后从附件的rfid标签中读取存储的认证签名，并将其与计算出的认证签名进行比较。如果确认匹配，则判断该附件是认证了的。
14.这种现有技术系统具有缺点，因为它们需要消耗读写存储器，而读写存储器是rfid标签中的稀缺资源；并且因为rfid读写存储器可以由拥有容易获得的rfid询问器的任何一方访问，因此给定rfid芯片的认证签名可以容易地读取。这种可读性的另一个缺点是，可以读取一定数量的认证签名的对手可能能够推断或推导出大量附件设备的多样化模式或规则，从而使认证系统失效。
15.美国专利第9,489,785号公开了另一种用于电外科系统的附件的rfid识别，该专利涉及安全的rfid认证系统、装置和相关使用方法。通常与密码功能相关联的rfid标签的存储器区域适于存储认证签名，从而释放读写存储器以分配给应用程序使用。在一些实施例中，rfid标签包括对读取和/或写入功能的密码控制的访问。通过将认证签名存储为读取、写入、读写或其他密码，可以防止读取、写入或进一步操作rfid标签或与rfid标签通信的能力，因此，与此类标签相关联的设备的使用可能也更可靠和安全地控制。例如，但不限于，根据本公开的rfid标签可用于控制设备的互操作性，以允许使用经认证的设备和/或附件，并禁止使用未经授权的设备和/或附件，与容易受到攻击和妥协的现有技术方法相比，具有更高的确定性和可靠性。


技术实现要素：

16.在优选实施例中，本发明是一种用于认证电外科系统的附件的方法，包括步骤：通过电外科发生器上的用户界面启动外科手术，自动确定电外科附件是否插入到电外科发生器的插座中，响应于确定附件已插入到电外科发生器的插座中，激活连接到电外科发生器的rfid阅读器，通过rfid阅读器从发生器向标签发送隐私密码，将单元识别码从rfid标签通过阅读器发送到发生器，在发生器的显示器上显示与发送的单元识别码相关联的设备类型，通过从标签中的存储器读取状态码来检查附件的状态，如果从标签存储器读取的状态代码指示该附件先前已被使用，则显示警告，如果读取的状态代码指示该附件先前尚未被使用，则解锁标签存储器管理，从标签存储器读取编码的数据，计算生成器中来自标签存储器编码的数据的设备认证码，将计算出的认证码从生成器发送到标签，并且响应于计算出的认证码与存储在标签的存储器中的标签认证码之间的匹配而启用附件。该方法还可以包
括：无线地在rfid标签存储器中进行改变以指示附件已经被使用。更进一步地，该方法可以包括：如果用户尝试重新使用已经使用过的一次性手术设备，即使在检测到附件标签中使用过的警告已显示之后，无线地永久禁用(或“杀死”)附件中的rfid标签。在启用附件之后，系统可以在用户界面上显示指示附件被接受使用的消息。
17.更进一步地，响应于rfid标签存储器管理的解锁，该方法可以包括：从rfid标签存储器读取编码的数据，编码的数据包括指示附件制造日期和附件到期日中的至少一个的数据，采用电外科发生器中的处理器或cpu将附件制造日期和附件到期日中的至少一个与实时数据进行比较，以确定附件是否到期，如果附件已到期，则在显示器上显示到期消息；如果附件未到期，则前进至从rfid标签存储器读取编码的数据的步骤。
18.在替代实施例中，本发明是一种用于认证电外科系统的附件的方法。该方法包括：自动确定电外科附件是否插入到电外科发生器的插座中，响应于附件被检测到插入到电外科发生器的插座中，从发生器通过rfid阅读器向附件中的rfid标签发送隐私密码，通过从rfid标签中的存储器读取状态代码来检查附件的状态，如果从标签存储器读取的状态代码指示附件先前已被使用，则在电外科发生器中的显示器上显示警告，如果读取的状态代码指示附件以前尚未被使用，则解锁rfid标签存储器的存储器管理，从rfid标签存储器读取编码的数据，在电外科发生器中由从rfid标签存储器读取的编码的数据计算设备认证码，将计算出的认证码从电外科发生器发送到rfid标签；响应于计算出的认证码与存储在rfid标签的存储器中的rfid标签认证码之间的匹配，启用附件。该方法还可以包括：通过rfid阅读器将单元识别码从rfid标签发送到电外科发生器，在电外科发生器中的显示器上显示与所发送的单元识别码相关联的设备类型，以及用电外科发生器中的处理器或cpu确定与单元识别码相关联的设备类型是否与在与电外科发生器相关联的图形用户界面上选择的外科手术兼容。
19.本发明的其他方面、特征和优点仅通过说明优选实施例和实现方式从以下详细描述中显而易见。本发明还可以有其他不同的实施例，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在各种明显的方面对其若干细节进行修改。因此，附图和描述在本质上被认为是说明性的，而不是限制性的。本发明的其他目的和优点将部分地在随后的描述中阐述，并且从描述中部分将是显而易见的，或者可以通过本发明的实践而获知。
附图说明
20.为了更完整地理解本发明及其优点，现参考以下描述和附图，其中：
21.图1a是气体增强型电外科发生器的优选实施例的透视图。
22.图1b是气体增强型电外科发生器的优选实施例的前视图。
23.图1c是气体增强型电外科发生器的优选实施例的后视图。
24.图1d是气体增强型电外科发生器的优选实施例的左视图。
25.图1e是气体增强型电外科发生器的优选实施例的右视图。
26.图1f是气体增强型电外科发生器的优选实施例的俯视图。
27.图1g是气体增强型电外科发生器的优选实施例的仰视图。
28.图2a是根据本发明的气体增强型电外科发生器的压力控制系统的优选实施例的框图，其被配置为执行氩增强的电外科手术。
29.图2b是根据本发明的气体增强型电外科发生器的压力控制系统的优选实施例的框图，其被配置为执行冷大气等离子体手术。
30.图3是根据本发明的优选实施例的图形用户界面的图。
31.图4a和图4b是根据本发明优选实施例的用于电外科附件的rfid识别的系统和方法的流程图。
32.图5是根据本发明的用于电外科附件的rfid识别的系统和方法的替代实施例的流程图。
具体实施方式
33.本发明的系统和方法可以与例如在pct/us2018/026892中公开的电外科系统一起使用，其在此通过引用并入本文。在该系统中，气体增强型电外科发生器100在图1a
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图1g中示出。气体增强型发生器具有外壳110，其由坚固的材料制成，例如塑料或金属，类似于用于常规电外科发生器的外壳的材料。外壳110具有可移除的盖114。外壳110和盖114具有用于将盖可移除地固定到外壳的装置，例如螺钉119、榫舌和凹槽或其他结构。盖114可仅包括外壳的顶部或多个侧面，例如外壳110的顶部、右侧和左侧。外壳110可具有附接到外壳底部的多个脚或腿140。外壳110的底部116可具有多个排气口118，用于从气体增强型发生器的内部排气。
34.在外壳114的面112上有触摸屏显示器120和多个连接器132、134，用于将各种附件连接到发生器，例如氩等离子体探针、混合等离子体探针、冷大气等离子探针或任何其他电外科附件。具有气体连接器136，用于连接例如co2供应，用于向腹部吹气。外壳110的面112相对于外壳110的顶部和底部成90度以外的角度，以向用户提供更容易查看和使用触摸屏显示器120。
35.一个或更多个气体控制模块可以安装在气体增强型电外科发生器100内。用于控制气体增强型电外科发生器内的多个气体控制模块220、230、240的气压控制系统200参照图2a
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图2b描述。多个气体供应源222、232、242连接到气压控制系统200，更具体地，连接到气压控制系统200内的各个气体控制模块220、230、240。气压控制系统200具有电源202，用于向系统的各种组件供电。cpu 210根据通过显示器120上的图形用户界面输入系统的设置或指令来控制气压控制模块220、230、240。系统显示为具有用于co2、氩气和氦气的气体控制模块，但是该系统不限于那些特定的气体。在图2a
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图2b所示的实施例中，co2被显示为作为用于向腹部(或患者的其他区域)吹气的气体。气体压力控制系统200具有连接到气体控制模块220的三通比例阀。虽然图2a示出了仅连接到co2控制模块220的三通比例阀，但三通比例阀也可以连接到不同的气体控制模块230或240。气压控制系统200还具有hf功率模块250，用于为各种类型的电外科手术提供高频电能。hf功率模块包含常规的电子设备，例如已知用于在电外科发生器中提供hf功率。示例性系统包括但不限于美国专利第4,040,426号和美国专利第4,781,175号中公开的那些。该系统还可以具有用于将hf功率转换为较低频率的转换器单元，例如可以用于冷大气等离子体并且在美国专利申请公开号2015/0342663中进行了描述。
36.气体控制模块220的出口端口连接到发生器外壳上的连接器136。虽然连接器136和其他连接器被示出为在外壳110的前面，但它们可以在外壳上的其他地方。气体控制模块
230、240的出口端口均连接至到连接器的管道或其他通道。如图2a中所示，控制模块230所连接到的连接器132具有气体增强型电外科器械160，该气体增强型电外科器械160具有连接到其中的连接器162。在图2a中，气体控制模块230控制氩气的流动，因此器械160是氩气增强型电外科工具，例如美国专利第5,720,745号中公开的氩等离子体探针，例如在美国专利申请公开号2017/0312003或美国专利申请公开号2013/0296846中公开的混合等离子体切割附件，或如在美国专利申请公开号2016/0235462中公开的单极密封剂。类似地可以使用其他类型的氩手术设备。如图2b中所示，控制模块240所连接到的连接器132具有气体增强型电外科器械170，该气体增强型电外科器械170具有连接到其中的连接器172。在图2b中，气体控制模块240控制氦气的流动，因此器械170是例如冷大气等离子体附件，诸如在美国专利申请公开号2016/0095644中公开的。
37.该系统提供对患者腹内压的控制。压力控制阀280在其中具有腔室。该腔室中的压力由压力传感器284测量。co2从气体控制模块220经由三通比例阀260供应到压力控制阀280内的腔室。压力控制阀280内的该腔室中的压力也可以经由三通比例阀260释放。以这种方式，系统可以使用压力传感器284和三通比例阀在压力控制阀280内的腔室中实现期望的压力(通过用户界面设置)。压力传感器282感测管道中的压力(并因此感测腹内压力)。压力控制阀280然后通过其排气释放压力，以使传感器282读取的腹内压力与压力传感器284读取的压力控制阀内的腔室中的压力同步。来自传感器282、284的读数可以提供给cpu 210，它反过来可以控制co2以及氩气和氦气之一的流量，这取决于正在执行的手术，以实现稳定的所需的腹内压力。
38.如图3所示，发生器还可以具有图形用户界面300，用于使用触摸屏显示器120控制系统的组件。例如，图形用户界面300可以控制机器人311、氩
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单极切割/凝固312、混合等离子体切割313、冷大气等离子体314、双极315、等离子体密封剂316、血液动力学317或语音激活318。图形用户界面还可以与荧光引导手术302一起使用。例如，j.elliott等人，“回顾荧光引导手术可视化和叠加技术(review of fluorescence guided surgery visualization and overlay techniques)，”生物医学光学速递(biomedical optics express)3765(2015)，概述了显示方向、颜色图、透明度/阿尔法函数、动态范围压缩和颜色感知检查的五个实用建议。另一个讨论荧光引导手术的例子是k.tipirneni等人，“适合荧光引导手术的肿瘤手术(oncologic procedures amenable to fluorescence
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guided surgery)”，外科年鉴(annals of surgery)，第266卷，第1期，2017年7月)。图形用户界面(gui)还可以用于引导成像，例如ct、mri或超声。图形用户界面可以通过rfid阅读器320(例如可以在各种电外科附件中找到的)与外围设备或附件设备通信，并且可以收集使用数据330并将其存储在存储介质中。rfid阅读器可以在发生器中，如图2a和图2b所示，或者可以附接到发生器并与发生器中的cpu通信。图形用户界面300与fpga 340通信，fpga 340可以控制灌溉泵352、吹气器354、pfc 362、用于调节功率输出的全桥364、用于调节功率(dc到ac)的回扫366和脚踏板370。
39.rfid系统的操作参考图4a和图4b进行描述。发生器触摸屏上的gui提供触摸屏按钮，以开始或启动设备识别过程。在制造过程中，设备将被分配唯一的设备识别码，这些设备识别码将由阅读器无线地读取并发送到电外科发生器的处理器或cpu，以在gui中显示。rfid系统跟踪在标签内部存储器中编码的设备识别码。rfid标签将嵌入所有手术附件中。
40.可选地，用户可以将将要使用的附件输入到电外科发生器中的图形用户界面中(402)。这可以通过触摸屏上的按钮列表来完成，通过触摸屏上显示的键盘或在键盘或其他附接到发生器的图形用户界面的输入设备(有线或无线)上来输入设备标识符。可选地，用户可以在图形用户界面上选择特定的外科手术，并且电外科发生器中的处理器或cpu可以确定对所选手术的可接受附件的选择。
41.电外科发生器中的处理器或cpu检查发生器上附件插座中的电子开关、按钮、传感器或信号，以确定设备是否插入插座中(404)。在这一步，处理器或cpu可能正在检查是否从多个插座中的任何一个接收到信号，或者可以只检查适合于在步骤402输入的设备类型的插座。如果没有发现任何设备插入，则处理器或者cpu停止过程(406)并且在触摸屏上播放消息(408)或者通过一些其他方式通知用户，例如指示没有附件附接的声音或警报。
42.如果在步骤404发现附件附接到发生器，则在发生器中或附接到发生器的rfid阅读器320被激活(405)并与附件中的rfid标签配对。rfid阅读器320与cpu 210进行双向通信。取决于rfid标签是否具有电池，配对可包括也可不包括给标签上电。一旦rfid阅读器320和标签配对，则阅读器通过发送隐私密码来解锁标签隐私模式(410)。
43.rfid阅读器320然后从标签检索单元标识符(uid)和设备分类代码(412)并且可以在发生器触摸屏或其他显示器上显示与检索到的代码相对应的设备类型(413)。例如，设备类型可以是单极、内探针、双极、冷等离子体、氩等离子体、混合等离子体或其他类型。此外，电外科发生器中的处理器或cpu可以例如通过访问存储的数据库来确定与设备分类代码相关联的设备类型对于通过图形用户界面选择的外科手术是否可接受。同样，可以在显示器上显示响应消息，指示这种确定的结果。
44.rfid阅读器320然后通过追踪在标签中编码的密码来检查设备状态(首次使用/非首次使用)(420)。如果状态不是第一次使用，则禁用附件的使用(422)，并且在触摸屏或其他显示器上显示拒绝访问或停止消息(414)或发出声音信号以指示用户之前已经使用过该附件(424)。
45.如果是第一次使用该设备，则rfid阅读器用64位用户存储器密码保护解锁标签存储器(430)。然后，阅读器从标签中读取有关附件的编码的数据，并将其提供给发生器中的处理器或cpu(432)。处理器或cpu然后由用户存储器编码的数据和用于认证码生成的算法计算设备认证码(434)。然后认证代码作为加密密码从rfid阅读器被发送到标签(436)。
46.标签中的处理器然后检查在发送的密码和在标签中编码的密码之间是否存在密码匹配(440)。如果不存在匹配，则设备被禁用(442)并且在触摸屏上显示该设备未被识别为真正的设备的消息(444)。
47.如果发现设备是真正的(450)，则该设备被系统接受并且反映接受的消息显示在触摸屏上(452)。然后，系统通过修改受密码保护的密码来将附件标记为已使用，以便该设备以后不能再使用(454)。然后系统将向标签发送隐私密码以启用隐私模式(456)。此时，系统将关闭rfid阅读器功能(458)。
48.根据发生器上的用户设置，插入的经认证的附件设备现在对于切割/凝固/电力输送是有效的(460)。fpga持续监控已认证设备的插入状态(462)。如果设备被拔掉，fpga控制器会使得系统切断供电。
49.系统监视或检查是否存在来自用户的任何进一步输入以重新激活rfid阅读器
(470)。如果有进一步的用户输入并且不结束手术过程，则继续手术过程(472)。如果手术过程要结束，则系统返回到步骤402以等待新的附件识别(474)。如果用户尝试使用以前使用过的附件，系统会激活阅读器并发送加密的销毁密码以杀死嵌入在附件中的标签，使其无法重复使用。例如，可以通过将标签标记为在rfid标签存储器中使用来“杀死”标签。
50.图5示出了替代实施例，其中在图4a中的步骤430和432之间插入了几个附加步骤，以阻止系统使用到期的手术附件。在该替代实施例中，在步骤430之后，从标签存储器读取编码的数据以跟踪插入的设备510的到期日和制造日期。从手术发生器系统520读取实时日期数据。系统(例如，手术发生器系统中的处理器或cpu)检查在步骤510中读取的附件的到期日是否在步骤520中从手术发生器系统中读取的实时日期之内(之后)。附件的到期日不在从手术发生器系统读取的实时日期内(即，早于)，则设备被视为到期540并被拒绝。在gui 550上显示附件拒绝通知。如果附件的到期日在从手术发生器系统读取的实时日期内，则系统移动到步骤432。
51.出于说明和描述的目的，已经呈现了本发明的优选实施例的前述描述。并不意图穷举或将本发明限制于所公开的精确形式，根据上述教导可以进行修改和变化，或者可以从本发明的实践中获得修改和变化。选择和描述实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，以使本领域技术人员能够在适合于预期的特定用途的各种实施例中利用本发明。本发明的范围旨在由所附权利要求及其等同物来定义。前述文件中的每一个的全部内容通过引用并入本文。