Nguyễn Văn Mướt * , Mo Ha Mach Adan , Hồ Minh Nhị , Nguyễn Văn Khanh Nguyễn Chí Ngôn

* Người chịu trách nhiệm về bài viết: Nguyễn Văn Mướt (email: nvmuot@ctu.edu.vn)

Abstract

In the field of minimally-invasive surgery (MIS) research, a double roller pump is one of the medical therapy devices that have been used as an effective method for automatic pressure control via controlling the flow of rinsing fluid. For example, in knee arthroscopy, the inflated pressure inside the joint of the knee needs to be controlled adaptively with the blood pressure of the patient during the whole operation time. The stability of the pressure control takes an important role in avoiding risky situations like hemorrhages and fluid depletion. This paper is to present an application of the double roller pump which is used for controlling the pressure in the knee arthroscopy process. The pressure inside the knee joint was influenced by the actual flow of the rinsing fluid. The operation of the process was simulated and linearized for controller design. PID (Proportional Integrated Derivative) controller was designed with an anti-windup strategy for reducing overshoot. Some parameters of the controller were adjusted with different sets of pole placement for the output responses comparison. Among these sets of poles simulated, a better result was found for the effectiveness of the double roller pump usage in pressure control of MIS.

Keywords: Minimally-invasive surgery, double roller pump, arthroscopy, pressure control, PID controller

Tóm tắt

Trong nghiên cứu lĩnh vực phẫu thuật nội soi ít xâm lấn, bơm con lăn đôi là một trong những thiết bị y tế được sử dụng như một phương pháp hiệu quả để điều khiển áp suất tự động thông qua việc điều khiển lưu lượng nước rửa tại vùng phẫu thuật. Ví dụ điển hình là khi phẫu thuật nội soi khớp gối, áp suất căng trương bên trong vùng khớp cần được điều khiển thích ứng với huyết áp của bệnh nhân trong suốt thời gian phẫu thuật. Việc điều khiển ổn định áp suất đóng vai trò quan trọng nhằm tránh những tình huống nguy hiểm như xuất huyết, tràn dịch vào mạch máu. Bài báo này trình bày một ứng dụng của bơm con lăn đôi trong điều khiển áp suất bên trong khớp gối của quá trình phẫu thuật nội soi. Áp suất này bị ảnh hưởng bởi lưu lượng nước rửa. Hoạt động của quá trình phẫu thuật đã được mô phỏng và tuyến tính hóa để thiết kế bộ điều khiển. Bộ điều khiển PID (Proportional Integrated Derivative controller) kết hợp giải thuật chống vọt lố đã được thiết kế. Các thông số của bộ điều khiển cũng được điều chỉnh bằng phương pháp phân bố cực tại những vị trí khác nhau để so sánh kết quả đáp ứng ngõ ra...

Từ khóa: Phẫu thuật nội soi ít xâm lấn, bơm con lăn đôi, nội soi khớp, điều khiển áp suất, bộ điều khiển PID

Article Details

Tài liệu tham khảo

Aström, K. J. & Hagglund, T. (1995). PID controllers: Theory, design, and tuning, 2nd Edition. Instrument Society of America.

Aström, K. J. & Hagglund, T. (2006). Advanced PID control. ISA - Instrumentation, Systems, and Automation Society.

Ewing, J. W., Noe, D. A., Kitaoka, H. B. & Askew M. J. (1986). Intra-Articular pressures during arthroscopic knee surgery. Arthroscopy: The Journal of Arthroscopic and Related Surgery, 2(4), 264-269.

Hsiao, M. S., Kusnezov, N., Sieg, R. N., Owens, B. D. & Herzog, J. P. (2016). Use of an irrigation pump system in arthroscopic procedures. Orthopedics,39(3), e474-478. DOI: 10.3928/01477447-20160427-01

Lutz, H. & Wendt, W. (2014). Taschenbuch der Regelungstechnik: mit MATLAB und Simulink, 10., Ergänzte Aufl. Haan-Gruiten: Verl. Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer.

Muellner, T., Menth-Chiari, W. A., Reihsner, R., Eberhardsteiner, J. & Engebretsen, L. (2001). Accuracy of pressure and flow capacities of four arthroscopic fluid management systems. Arthroscopy,17(7), 760-764. DOI: 10.1053/jars.2001.25340

Nguyen, V. M. & Jeinsch, T. (2017). Pressure Control in Minimally Invasive Surgery. International Symposium on Automatic Control. https://fiw.hs-wismar.de/en/autsym/autsym-2017/paper-autsym-2017/

Smolinski, E., Benkmann, A., Westerhoff, P., Nguyen, V. M., Drewelow, W. & Jeinsch T. (2017). A Hardware-In-The-Loop Simulator for the Development of Medical Therapy Devices. IFAC-PapersOnLine, 50(1), 15050-15055. DOI: 10.1016/j.ifacol.2017.08.2517