用于外科手术电动机系统的驱动控制装置和驱动控制方法

摘要

本公开涉及一种用于外科手术电动机系统的驱动控制装置，所述驱动控制装置包括用于以开环和/或闭环控制电动机(M)的电动机控制单元(MS)，所述电动机驱动外科手术工具(W)。为了能够将所述驱动控制装置用于最多样的应用情况，本发明建议在所述电动机控制单元(MS)的上游设置参数指定装置(PV)。所述参数指定装置基于所述外科手术电动机系统具体是所述电动机(M)的检测状态或状态历史确定当前医疗应用，选择适于所述医疗应用的控制模式，并且向所述电动机控制单元(MS)给予这类开环或闭环参数，以使得所述电动机(M)的开环或闭环控制特征与所述选择的控制模式对应。

权利要求

1.一种用于外科手术电动机系统的驱动控制装置，所述驱动控制装置包括用于以开环和/或闭环控制电动机(M)的电动机控制单元(MS)，所述电动机驱动外科手术工具(W)，其中，参数指定装置(PV)，所述参数指定装置(PV)设置在所述电动机控制单元(MS)的上游，并且基于所述外科手术电动机系统的电动机(M)的已检测到的状态或状态历史确定当前医疗应用，选择适于所述医疗应用的控制模式，并向所述电动机控制单元(MS)给予这类开环或闭环参数，以使得所述电动机(M)的开环或闭环控制特征与所述选择的控制模式对应。

2.如权利要求1所述的驱动控制装置，其中所述参数指定装置(PV)从存放并指配给相应的医疗应用的多种控制模式中选择所述控制模式。

3.如权利要求1所述的驱动控制装置，其中所述参数指定装置(PV)根据所采用的外科手术工具(W)来选择与所述外科手术工具相关联的控制模式。

4.如权利要求1所述的驱动控制装置，其中将所述电动机(M)的预先确定的扭矩/速度特征指配给每种控制模式。

5.如前述权利要求1所述的驱动控制装置，其中所述参数指定装置(PV)通过检测所述电动机(M)的电动机电流(I)和电动机电压(U)的相应的瞬时值来确定所述外科手术电动机系统的相应状态。

6.如权利要求5所述的驱动控制装置，其中所述参数指定装置(PV)通过整合所述电动机(M)的电动机电流(I)和电动机电压(U)的所述检测的瞬时值来确定所述电动机(M)的温度(T)。

7.如权利要求1所述的驱动控制装置，其中至少一种控制模式提供对所述电动机(M)的旋转速度调节，并且至少一种控制模式不进行对所述电动机(M)的旋转速度调节。

8.如前述权利要求1所述的驱动控制装置，还包括转子位置确定装置，所述转子位置确定装置用于确定所述电动机的转子位置，其中，为了确定所述电动机的所述转子位置，在预先确定的时间间隔内，将电动机绕组中的至少一个与能量源切断。

9.一种外科手术电动机系统，所述外科手术电动机系统包括：

用于驱动外科手术工具(W)的电动机(M)，所述外科手术工具(W)可以直接地或间接地以可拆卸的方式连接至所述电动机，以及如权利要求1至8中任一项所述的控制装置。

10.如权利要求9所述的外科手术电动机系统，其中所述外科手术工具(W)可以通过插入工具适配器或手持件而直接地或间接地以可拆卸的方式连接至所述电动机。

11.如权利要求9所述的外科手术电动机系统，还包括用于检测所述电动机(M)的实际速度的旋转速度检测装置，和/或手持件识别或工具识别装置。

12.如权利要求11所述的外科手术电动机系统，其中所述用于检测所述电动机(M)的实际速度的旋转速度检测装置是Hall传感器。

13.一种以开环和/或闭环控制外科手术电动机系统的电动机(M)的方法，所述电动机(M)驱动外科手术工具(W)，所述方法包括以下步骤：

检测所述外科手术电动机系统的所述电动机(M)的状态和/或状态历史；

基于所述检测的状态或状态历史确定所述外科手术工具(W)的当前医疗应用；

基于所述确定的医疗应用选择控制模式；以及

调整开环或闭环参数以使得所述电动机(M)的开环或闭环控制特征与所述选择的控制模式对应。

说明书

用于外科手术电动机系统的驱动控制装置和驱动控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述用于外科手术电动机系统的驱动控制装置，所述驱动控制装置包括用于以开环和/或闭环控制电动机的电动机控制单元，所述电动机驱动外科手术工具。本发明的另外的方面涉及电动机系统本身。

[0002] 另外，本发明涉及一种如权利要求11的前序部分所述触发外科手术电动机系统的方法，其中所述外科手术工具由借助于电动机控制单元以开环和/或闭环来控制的电动机驱动。

背景技术

[0003] 已知一般类型的外科手术电动机系统存在众多变型，特别是与呈钻铣床或锯子形式的工具结合在一起的变型。所述外科手术电动机系统由电动机控制单元对电动机生成控制信号以便以特定的旋转速度操作所述电动机来操作，所述特定的旋转速度可以由驱动控制装置来设定。根据电动机的类型，可以实现每分钟多达80000转的旋转速度。如果所述电动机是具有至少两个与转子分开的电动机绕组的无刷DC电动机，那么这种类型的电动机系统是特别成本有效且维护成本低的。

[0004] 例如从WO 2006/012991 A1或DE 10 2009 018 143 A1已知了用于一般类型的外科手术电动机系统的驱动控制装置。关于这些已知驱动控制装置，相关外科手术工具的旋转速度是以闭环控制，其中，使用例如脉宽调制(PWM)或空间矢量脉宽调制(SVPWM)。与常规的脉宽调制相比较，SVPWM方法所具有的优点是所有电动机绕组可以同时通电，使得在特别低的旋转速度下也可以实现电动机的平稳的且无急动的操作。

[0005] 从EP2324779A1已知了一种外科手术电动机系统，意图用于各种医疗应用，并且包括驱动控制单元，该驱动控制单元包括用于以开环和/或闭环控制电动机系统的旋转速度的电路。以开环和/或闭环控制旋转速度的方式依据附装至该外科手术电动机系统的工具保持件而变化。

[0006] 除了它们的平稳操作之外，这些已知的闭环控制方法的最重要的区别特征在于可以非常迅速地重新调整相应的旋转速度。然而，已经证明，例如在极限负载改变的情况下，非常迅速地重新调整旋转速度不仅仅带来优点，如从以下比较中可以看出：

[0007] 如果，例如，用压缩空气操作的不受控的电动机在驱动铣刀期间因可能被绊住而经历短期旋转速度下降，这将导致在铣刀松开之后电动机速度再次提升。此处不会产生另外的温度升高。

[0008] 另一方面，如果这种铣刀由以闭环控制的电动机驱动，则电动机控制单元在这种情形中在非常短的时间内进行重新调整以对抗旋转速度的急剧下降。这会导致问题，特别是在工具被连续多次绊住并且旋转速度必须反复重新调整的情况下。如果在这种情形中更详细地检查当前特征，将测量到另外的通电脉冲(I2x R)。因此，这些非常迅速的动态闭环控制方法伴随另外的损失。由于连续的重新调整和相关联的电流峰值，电动机产生了大量热量并且存在会过热的风险。

[0009] 存在需要或甚至要求这种迅速重新调整的许多应用(例如，在穿颅术中)，其中由于穿颅术中可比较地短的激活时间，可以简单地接受所描绘的另外的损失的缺点。然而，存在焦点并不过多集中在迅速重新调整上而是集中在最低的可能热损失上的应用如耗时的铣削骨段的过程。

[0010] 如果在铣削骨段的过程中使用上述例如从WO 2006/012991 A1或DE 102009 018 143 A1已知的驱动控制装置，则存在电动机会过热或甚至可能损坏的风险。因此，出于安全原因，用于外科手术器械或设备的先前已知的驱动控制装置的使用领域受限于特定目的。
这就是不同的外科手术电动机系统或包括相应地合适的驱动电动机的那些迄今为止根据应用领域使用的原因。这妨碍了处理并且还增加了成本。然而，将期望使用一种电动机系统用于各种各样的医疗应用。

发明内容

[0011] 本发明基于以下目的：进一步开发一种如权利要求1的前序部分所述的驱动控制装置，以使得相关联的外科手术电动机系统的使用领域可以被扩大。同样地，还将提供一种对应的控制方法以及一种外科手术电动机系统。

[0012] 这个目的利用具有如权利要求1所述的特征的驱动控制装置、利用具有如权利要求9所述的特征的外科手术电动机系统以及利用具有如权利要求11所述的方法步骤的方法来实现。有利的另外的发展是从属权利要求的主题。

[0013] 据此，本发明建议提供一种参数指定装置，所述参数指定装置布置在电动机控制单元的上游并且允许设定电动机控制单元的开环参数或闭环参数，以使得电动机的开环或闭环控制特征可以适应于电动机的相应状态。替代针对不同的应用使用不同的电动机系统，本发明基于以下理念：改变控制模式或电动机的开环或闭环控制特征，其方式为所述电动机最佳地适应于相应的应用，以便实现所采用的电动机系统的一个更大的使用范围。选择开环或闭环参数的基础是电动机的检测状态或状态历史，借助于所述检测状态或状态历史，参数指定装置能够确定当前医疗应用。在合适的参数选择的情况下，将会实现的是，所得开环或闭环控制特征安全地防止了过载如电动机的不被允许的温度升高。根据本发明的触发方法因此可以用于大多数变化的外科手术目的，而不需要利用不同的电动机。各种控制模式或触发特征可以通过纯软件工程解决方案来实现，而硬件即控制电子器件和电动机可以保持不变。因此，明显提高了可管理性并且相对应地降低了成本。

[0014] 通过改变开环或闭环参数，可以改变电动机的开环或闭环控制特征以使得所得的扭矩/速度特征最佳地适应于相应的负载条件。

[0015] 在本发明的意义上，控制模式影响或改变设定点或试验值(pilot values)和/或开环或闭环控制特征本身。在不要求迅速重新调整(如例如在铣削骨段期间)的应用情况的情况下，在控制过程中可以减小P比例并且可以增大I比例以便避免高电流峰值。替代地或另外地，可以总体降低最大电流的水平。另外，参数指定装置允许相应地降低设定点或目标旋转速度，特别是在超过临界电流之后或在可能超限运行的情况下。

[0016] 优选的是，电动机或工具首先可以根据默认控制模式或手动可调节的控制模式来操作，并且之后可以根据检测状态或识别的当前医疗应用来改变或切换至更合适的控制模式。

[0017] 取决于应用情况，还有可能在存在旋转速度调节的操作与不存在旋转速度调节(纯开环控制)的操作之间切换，以针对旋转速度调节使用不同的控制参数或根据控制参数不变的情形适应设定点的幅值。另外的替代方案是改变电动机的内电阻，其中电动机的输出电压与测量的电流成比例地相对应地降低或增大。

[0018] 不同的开环或闭环控制特征以控制模式形式存放，可以根据情形从所述控制模式选择一种合适的控制模式。根据本发明，以自动化方式进行选择和切换。

[0019] 根据本发明，动态地检测外科手术电动机系统的相应的状态以便能够对应于相应的需求以准连续的方式改变开环或闭环控制特征。

[0020] 根据一个实施方案，可能存放多种不同的控制模式，即，电动机的开环和/或闭环参数或特征曲线，它们各自与对应的医疗应用相关联。根据电动机的检测状态或检测状态历史，参数指定装置之后能够从这些中选择合适的控制模式。

[0021] 替代地或另外地，可以根据所采用的外科手术工具或工具适配器来进行控制模式的选择。归因于优选地自动检测，可以选择适合于工具的一种或多种控制模式。举一个例子，不同的工具以不同的旋转速度操作，例如以最大20000rpm或最大多达80000rpm操作。工具的识别确保以对应的方式限制最大电动机速度和/或最大扭矩。

[0022] 每种控制模式可以具有与其相关联的电动机的预先确定的扭矩/速度特征。

[0023] 替代永久存放的控制模式或除了所述永久存放的控制模式之外，还可以基于训练算法生成合适的控制模式。

[0024] 在一个实施方案中，还可以根据每单位时间的检测控制发生率(指示具有许多负载波动的应用)来选择控制模式。

[0025] 可能进一步有利的是，通过优选地连续检测电动机的电动机电流和电动机电压的相应的瞬时值来确定外科手术电动机系统的相应状态。总之，如果提供闭环控制器作为电动机控制单元，其优势在于，所述控制过程所需的传感器已经是可利用的，所以不产生另外的成本。

[0026] 另外地或替代地，可以通过优选地连续检测电动机(M)的温度来确定外科手术电动机系统的相应状态，存在以下选项：在缺少对应的传感器下，还可以通过整合电动机电流和电动机电压的相应的瞬时值来间接地检测温度。

[0027] 还有利的是，至少一种控制模式提供对电动机的旋转速度调节并且至少一个其它控制模式不提供对电动机的旋转速度调节。以此方式，可能通过软件工程化模拟受控的以及不受控的操作，特别是压缩空气电动机的不受控的操作。

[0028] 在开环和/或闭环控制方法中，电动机控制单元可以执行脉宽调制或空间矢量脉宽调制(SVPWM)，其中所有电动机绕组都同时通电。

[0029] 为了能够识别电动机的状态，可以提供转子位置确定装置用于确定电动机的转子位置；出于确定电动机的转子的位置的目的，针对预先确定的时间间隔，将电动机绕组中的至少一个与电源切断。在旋转速度为80000rpm并且三个电动机绕组被依次切断的情况下，可以每秒4000次测量转子的位置和电动势。这允许在非常短的时间内检测电动机的状态，并且选择对应的控制模式。

[0030] 根据本发明的外科手术电动机系统包括用于驱动外科手术工具的电动机，所述外科手术工具可以直接地或间接地，特别是通过插入工具适配器或手持件来可拆除地连接到所述电动机上；以及如上所述的驱动控制装置。

[0031] 所述外科手术电动机系统还可以包括用于检测电动机的实际速度的旋转速度检测装置，具体是Hall传感器，和/或手持件或工具识别装置。这允许自动识别电动机的状态以及所采用的工具或工具系统，并且选择对应的控制模式。

[0032] 根据本发明的以开环和/或闭环控制驱动外科手术工具的外科手术电动机系统的电动机(M)的方法的特征在于以下步骤：检测外科手术电动机系统具体是电动机的状态和/或状态历史；基于所检测的状态或状态历史选择控制模式；并且调整开环或闭环参数，以使得电动机的开环或闭环控制特征与所选择的控制模式对应。

[0033] 关于本发明的另外的优点和另外的发展，参考从属权利要求。

附图说明

[0034] 下文基于实施方案的描述参考附图来解释本发明，在附图中：

[0035] 图1示出根据本发明的包括驱动控制装置的外科手术电动机系统的方块图；

[0036] 图2示出根据本发明的参数指定装置PV的方块图；并且

[0037] 图3示出作为外科手术电动机系统的开环或闭环控制特征实现的若干特征曲线。

具体实施方式

[0038] 根据图1，根据本发明的外科手术电动机系统包括电动机M，所述电动机M通过工具离合器机械地连接至工具W并驱动所述工具W；工具W可以是钻机、铣刀、锯子、穿颅术或环钻术工具、切除器或另一种外科手术工具。工具的基础触发通过(未示出)手动或脚动控制单元来进行。此处，电动机M通过电动机控制单元MS来触发。对于电动机M的每个相或绕组，所述电动机控制单元生成脉宽调制信号(PWM)或空间矢量脉宽调制信号(SVPWM)；在后一种情况下，所有电动机绕组都同时通电。

[0039] 如果电动机控制单元MS处于以闭环方式控制旋转速度的模式，则所述电动机控制单元的输入提供有实时值信号IST，所述实时值信号指示以闭环方式控制旋转速度所需的瞬时值。提供传感器(未示出)，具体为Hall传感器形式的传感器，用于检测旋转速度。如果由电动机控制单元MS执行的闭环控制需要任何其它反馈值，如具体是供应的电流或施加的电压，实时值信号IST含有对应的信息。

[0040] 根据图1，在电动机控制单元MS的上游设置参数指定装置PV并且生成开环或闭环参数RP，除了实时值信号IST之外所述开环或闭环参数RP作为试验值也在电动机控制单元MS的输入处应用。基于相应地应用的开环或闭环参数RP的类型，调节或设定由电动机控制单元MS提供的开环或闭环控制特征。首先，根据默认控制模式或由用户手动输入的控制模式来进行工具W的开环或闭环控制。

[0041] 根据图1，进一步提供传感器系统S，所述传感器系统S的输入被馈入了若干传感器的信号，即，表示目前的电动机电流的信号I、表示电动机电压的信号U以及旋转速度信号n。旋转速度信号n表示电动机M的当前旋转速度，并且是例如由已提及的Hall传感器产生。另外，可能提供信号T，所述信号T由温度探针生成并且指示电动机M的当前温度。由于在外科手术领域中相应的机器和工具非常小，放置这种温度探针并传输它的输出信号T经常导致大问题。因此，在本发明的一个实施方案中，通过整合电动机M的电动机电流和电动机电压的所检测的瞬时值来确定温度信号T。最后，当前医疗或外科手术治疗的持续时间，即当前工具插入件的当前持续时间，可以被测量并输出作为时间信号t。

[0042] 此外，电动机系统可以另外地包括传感器系统，所述传感器系统自动地识别当前使用的工具的类别并且传送对应的类型信号TYP。根据图1，传感器系统产生传感器输出信号SAS，所述传感器输出信号SAS被供应至参数指定装置PV。

[0043] 在参数指定装置PV或另一个存储装置中，存放输入信号U、I、n、T、t、TYP的应用相关状态变量和历史。借助于前文中的各种测试系列和测量系列，或借助于训练算法，可能确定状态变量和历史中的哪一些对相应的工具插入件而言是典型的。状态变量和医疗应用的这种分配使得参数指定装置PV能够基于目前的输入变量或测量值来确定当前应用。

[0044] 如在开始处所描述，所有应用和工具插入件需要不同的驱动器。就铣削应用而言，例如，可以期望范围为至多1A的较小电动机电流以及至多1.5Ncm的力矩，而在穿颅术中，更可能出现多达约3.5A的电流以及多达3.5Ncm的力矩。

[0045] 除了自动识别当前应用之外，参数指定装置PV还在第二步骤中选择适当的控制模式。将应用与控制模式之间的这种相关性也存放在参数指定装置PV或另一个存储装置中。

[0046] 图2中以“铣削术”和“穿颅术”为例基于电流I的时间进展示意性地示出了通过参数指定装置PV执行的所述两个步骤。为了增强分配可靠性，可以将测量值或确定值中的若干或全部与对应存放的特征比较并且进行评价。

[0047] 选择了面向应用的控制模式后，参数指定装置PV向电动机控制单元MS传送对应的开环和/或闭环控制参数，并且以此方式改变电动机控制单元MS的开环或闭环控制行为。因此，参数指定装置PV自动地从控制模式(起初默认或手动设定的控制模式)切换至更合适的控制模式。这意味着参数指定装置PV能够向电动机控制单元MS提供这种开环或闭环控制特征，所述开环或闭环控制特征最适于由信号U、I、n、T、t和/或TYP表示的电动机M的当前负载条件。如果，例如，测量值或它们的时间进展表明外科手术工具W即将执行穿颅术，那么参数指定装置PV在电动机控制单元MS上调整闭环控制特征，从而产生图3中的电动机特征1，例如，即，在全功率下电动机M的旋转速度保持恒定或尽可能迅速地重新调整。另一方面，如果检测到用工具W执行的活动更像耗时的铣削骨段的过程，那么优选设定图3中的特征曲线3至5中的一种，其中电动机M的温度升高要小得多。

[0048] 图3示例性地示出了呈电动机M的扭矩/旋转速度曲线形式的一些电动机特征，由电动机控制单元MS施加在电动机M上的所述扭矩/旋转速度随着参数指定装置PV的相应的开环或闭环参数RP的变化而变化。用1标记的特征是旋转速度调节特征，其中除了从9.5Ncm开始的非常小的范围之外，旋转速度都可以保持恒定。用2和3表示的特征曲线是旋转速度调节特征曲线，其中旋转速度在稍较早的时间点上开始下降，如可以在图中看到。然而，关于用4和5标记的特征曲线，未进行旋转速度调整，如可以直接看到。

[0049] 根据外科手术工具W的应用情况或识别的负载条件，可能合理的是以除了从图3的图中显而易见的方式之外的一些其它方式设定电动机控制单元MS的开环或闭环控制特征。以下开环或闭环控制特征作为实例进行引用：

[0050] 1.)不使用旋转速度调节；

[0051] 2.)使用具有修改的控制参数的旋转速度调节；

[0052] 3.)具有最佳协调的参数的旋转速度调节，但根据情形来调整旋转速度调节的设定点；

[0053] 4.)改变电动机的内电阻：

[0054] 与所测量的电动机电流成比例，电动机控制单元MS如下降低电动机M的输出电压。

[0055] U改正＝U正常-ΔU

[0056] ΔU＝R x I电动机

[0057] 针对具有高内电阻的电动机M，电压ΔU在整个绕组的内电阻上下降。这就是为什么电动机控制单元MS传送减少了ΔU的电压，以便实现与内电阻没有那么高的电动机内相同的效果。

[0058] 5.)在参数指定装置PV中实施的是根据电动机的训练负载条件来设定电动机的控制特征的合适训练算法。举例来说，参数指定装置PV通过温度模型检测电动机的温度升高。尤其是在与铣削期间情况相同的电动机的延长操作情况下，得出结论：工具W用于铣削操作，随之电动机控制单元MS切换至最合适的开环或闭环控制特征。

[0059] 由于根据电动机控制单元MS的类型(如在图1中由虚线指示)，所述电动机控制单元MS需要由传感器系统S产生的信号作为反馈值，单个传感器系统对根据本发明的电动机控制单元MS和参数指定装置PV而言是足够的。由于此处要求的类型的电动机控制单元MS通常已包括传感器系统，根据本发明的参数指定装置PV在大多数情况下不需要另外的传感器。