使用基于模型的设计创建内窥镜手术吻合器原型

对所有外科医生来说，具有直观控制和正确手感的仪器是关键要求。对于通过5到15毫米切口进行手术的腹腔镜外科医生来说，这种仪器是至关重要的。

需要多次设计迭代来完善腹腔镜设备的控制和感觉。每次设计修改都需要数周的时间来实现，这使得传统的设计工作流程变得不可行的。在Ethicon enen - surgery, Inc，我们采用了基于基于模型的设计的快速原型工作流程，使我们能够在几分钟内实现和测试新的设计改进，并将总体开发时间缩短几个月。

使用这个工作流程，我们在短短三个月内设计并制造了下一代内窥镜手术吻合器的原型。我们使用MATLAB^®和仿真软金宝app件^®建模和模拟订书机的电机和控制，然后使用嵌入式编码器生成针对目标的快速原型代码^®．使用这种方法，我们能够创建一个外科医生觉得舒适、稳定和直观的原型，同时完善系统需求，为进入生产做准备。

从缝合线和钉书钉到嵌入式控制

大多数手术包括三个常见步骤:切开，夹紧切口周围的组织，缝合组织。在腹腔镜手术中，这些步骤都是通过微小的切口来完成的，通常使用内窥镜切割机或吻合器，它使用钉书钉而不是缝合线来关闭切口。在20世纪70年代，第一批记录器要求外科医生施加相当大的体力，这导致了疲劳。2011年，Ethicon推出了业界首款电动记录仪，其电机只需按下按钮即可操作，提高了精度和稳定性(图1)。

基于模型的endocumter电机控制设计选择

在开发了最初的动力记录仪后，Ethicon的机械工程师在设备的力学方面拥有相当多的专业知识。然而，我们在开发嵌入式控制系统方面的经验相对较少。在过去需要控制软件的项目中，我们通常外包原型开发工作。这种方法不仅在最初的原型中很慢，在随后的设计修订中也很慢。将我们内部关于该设备如何工作以及外科医生如何使用它的知识转化为一套定义明确的要求也很困难。更重要的是，我们从这个过程中几乎没有学到什么——所有关于控制系统关键功能的见解都是由第三方开发人员获得的。

通过使用基于模型的设计，我们将能够将我们的机械和生物医学领域的专业知识直接应用于电机控制器的预生产原型的开发。

电机的特性及控制模型的建立

我们的第一个任务是在Simulink中为电机开发一个植物模型。金宝app首先，我们将电机连接到运行TI F28335处理器的面包板上。我们为处理器部署了一些简单的代码来刺激电机，并在电机旋转时进行测量。接下来，我们使用Simuli金宝appnk Design Optimization™导入测量数据，并对植物模型进行参数估计。金宝appSimulink设计优化自动解决了电机转矩常数、动态摩擦、惯性矩以及非线性模型的许多其他参数，这些参数通常需要很长时间才能准确地表征。我们后来对模型进行了改进，以考虑间隙，并扩展了植物模型，以包括切割机运行的组织环境。

一旦我们有了一个精确的工厂模型，我们就开始用Simulink和statflow对控制系统建模金宝app^®(图2)。

控制输入包括14个开关，以及测量电机上的电流，电机上的压降和传动系统位置的传感器。通过Sim金宝appulink，我们对传感器进行了建模²C接口，以及一个用于控制电机的脉宽调制器。我们使用statflow来模拟控制器中的状态转换。利用状态空间设计方法和MATLAB软件开发了一种补偿器。

在Simulink中运行闭环仿真以验证和改进控制设计后，我们使用Embedded 金宝appCoder从模型生成C代码。我们编译并将代码部署到TI C2000面包板上，并使用实际电机进行实时测试。

结合外科医生的反馈

我们最初的硬件测试证实了我们在模拟中看到的情况:电机控制器根据命令准确地定位了设备。然而，这一成就只是更重要的测试的前奏，当我们开始在实验室中使用该设备时，测试就开始了。

通过实际使用endocumter，我们可以感觉到它在某些运动中移动得太快或在其他运动中移动得太慢。我们在Simulink中调整控制模型，重新生成代码，并在设计迭代中金宝app快速更新嵌入式软件，直到endocuter对我们的团队感到响应和自然。

然后，我们邀请外科医生来测试这个设备，并给我们反馈，我们使用同样的快速迭代周期将这些反馈纳入到设计中。在外科医生提出建议的几分钟内，我们就有了一个更新的控制系统，准备进行测试。基于模型的设计使这种微调变得很容易。如果我们将设计外包，那么每次迭代都需要花费数周甚至数月的时间。

构建接近生产的原型

我们的第一个原型设计了一个相对高功率的处理器和多个高分辨率传感器。为了准备使用更便宜的组件进行生产，我们开始设计第二个原型机，使用与将用于生产的型号相当的硬件，包括一个功率更适中的Cortex-M4处理器和一个单一的、分辨率更低的传感器。在等待组装这些组件的电路板时，我们修改了Simulink控制器模型以反映这些变化。金宝app例如，我们使用传感器数据表中的规范来更新传感器的子模型。

我们的模拟显示了我们的数字信号处理算法中的错误。我们设计了过滤器来消除这个问题，并通过模拟来验证修复——所有这些都是在硬件准备就绪之前进行的。我们还进行了假设分析，以确定传感器分辨率的下限，使设计仍然能够满足定位的亚毫米公差。

为了支金宝app持目标处理器的代码生成，我们与第三方软件开发小组合作开发了一个软件框架，该框架执行低级任务来初始化电路板的中断和外围设备。该框架充当了嵌入式编码器生成的控制器代码和处理器手工编码外设之间的接口层。如果将来我们选择在不同的嵌入式处理器上实现算法代码，那么算法代码和接口层的分离将增强生成的算法代码的可移植性。

当新的硬件到达实验室时，我们用Simulink进行的模拟和验证得到了回报。金宝app我们在一周内就有了一个稳定版本的控制器，并且我们根据团队和测试新原型的外科医生的反馈，重新在实验室中进行改进。

从原型到生产

使用基于模型的设计，我们在大约三个月内完成了第一个概念验证。在过去，类似的外包项目大约需要18个月才能完成。更重要的是，我们现在对控制器中微妙但重要的设计细节和决策有了深入了解。例如，我们知道处理器应该延迟多少，外科医生觉得什么样的运动速度最舒服。了解这些细节的唯一方法是构建一个原型，而对我们来说，快速完成这一任务的唯一方法是使用基于模型的设计(Model-Based Design)和Simulink。金宝app

在向生产的过渡中，我们计划与一个具有为医疗设备开发软件的直接经验的开发团队合作。我们现在有知识来编写详细和精确的需求，这将简化实现过程。

同时，我们继续开发和增强原型。我们计划在内部使用MATLAB、Simulink和Embedded Coder实现更多的软件。金宝app