对所有外科医生来说，具有直观控制和手感良好的器械是关键要求。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，此类器械至关重要。
需要多次设计迭代才能完善腹腔镜设备的控制和感觉。每次设计修改可能需要数周时间才能实施，这使得传统的设计工作流程变得不可行。在Ethicon Endo Surgery，Inc.公司，我们采用了基于模型设计的快速原型工作流程，使我们能够实施和测试新的设计参考在几分钟内完成任务，并将总体开发时间缩短几个月。
利用这一工作流程，我们在短短三个月内设计并构建了下一代内镜外科吻合器的原型。我们使用了MATLAB®和Sim万博1manbetxulink®对订书机的电机和控制进行建模和仿真，然后使用嵌入式编码器生成目标快速原型代码®使用这种方法，我们能够创建一个外科医生感到舒适、稳定和直观的原型，同时改进系统需求，为进入生产做准备。
从缝合线和订书钉到嵌入式控件
大多数手术包括三个常见步骤：切开、夹紧切口周围的组织以及缝合组织。在腹腔镜手术中，这些步骤是通过小切口完成的，通常使用内窥镜切割缝合器或内窥镜切割缝合器，使用内窥镜切割缝合器代替缝线闭合切口。上世纪70年代开发的第一种内窥镜需要外科医生施加相当大的手动力，从而导致疲劳。2011年，Ethicon推出了业界第一款电动内切割器，其电机通过按下按钮进行操作，提高了精度和稳定性（图1）。
图1所示。Ethicon的ECHELON FLEX™驱动的ENDOPATH®订书机。
基于模型的endocter电机控制设计
Ethicon的机械工程师开发了最初的电动内切割器，在该设备的机械方面拥有相当丰富的专业知识。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，我们通常将原型开发工作外包。这种方法不仅对最初的原型很慢，而且对随后的设计修订也很慢。也很难将我们关于该设备如何工作以及外科医生如何使用的内部知识转化为一系列明确的要求。更重要的是，我们从这个过程中学到的东西很少，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新endocter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。
描述电机特性并建立控制模型
我们的第一项任务是在Simulink中开发电机的工厂模型。我们首先将电机连接到运行TI F28335处理器的试验板上。我们为处理器部署了一万博1manbetx些简单的代码来刺激马达，并在马达旋转时对其进行测量。接下来，我们使用Simulink设计优化™ 导入测量数据并对设备模型执行参数估计。Simulink设计优化自动解决了电机转矩常数、动态摩擦、惯性矩和许多其他非线性模型参数的优化问题，这些参数通常需要很长时间才能准确表征。后来，我们对模型进行了改进，以考虑齿隙，并扩展了植物模型，以包括切割器工作的组织环境。
一旦我们有了一个精确的工厂模型，我们就开始用Simulink和Stateflow对控制系统进行建模万博1manbetx®（图2）。
控制输入包括14个开关以及传感器，用于测量电机上的电流消耗、电机上的压降以及传动系的位置。通过Simulink，我们对传感器进行了建模万博1manbetx2.C接口，和一个用于控制电机的脉宽调制器。我们使用statflow在控制器中建模状态转换。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完善控制设计后，我们使用Embedded 万博1manbetxCoder从模型生成C代码。编写并部署代码到TI C2000电路板上，并使用实际电机进行实时测试。
整合来自外科医生的反馈
我们最初的硬件测试证实了我们在模拟中看到的情况：电机控制器根据指令准确定位设备。然而，这一成就只是更重要测试的前奏，测试始于我们开始在实验室使用该设备。
通过实际使用endocutter，我们可以感觉到它在某些动作中移动得太快，或者在其他动作中移动得太慢。我们在Simulink中调整了控制模型，重新生成了代码，并在设计迭代中快速更新了嵌入式软件，直到endocutter对我们的团队感到响应和自然。万博1manbetx
然后我们邀请外科医生来测试这个设备，并给出他们的反馈，我们使用相同的快速迭代循环将反馈整合到设计中。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，可以进行测试。基于模型的设计使得进行这种微调变得很容易。如果我们将设计外包，那么每次迭代都可能需要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有一个相对高性能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，使用与生产中使用的类型相当的硬件，包括功率更适中的Cortex-M4处理器和单个低分辨率传感器。在等待组装带有这些组件的电路板时，我们修改了Simulink控制器模型以反映变化。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。万博1manbetx
我们的模拟揭示了我们的数字信号处理算法的错误。我们设计了过滤器来消除这个问题，并在硬件准备就绪之前通过模拟验证了修复方案。我们还进行了假设分析，以确定传感器分辨率的下限，使设计仍能满足其亚毫米定位公差。
为了支万博1manbetx持目标处理器的代码生成，我们与第三方软件开发团队合作开发了一个软件框架，该框架执行低级任务，以初始化电路板的中断和外围设备。该框架充当由嵌入式编码器生成的控制器代码与处理器的手动编码外围设备之间的接口层。如果我们选择在不同的嵌入式处理器上实现，则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将来
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。万博1manbetx我们在一周内便创造出了稳定的控制器版本，并根据团队和测试新原型的外科医生的反馈重新开始了实验室优化。
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次概念验证。过去类似的项目都是外包的，大约需要18个月才能完成。更重要的是，我们现在对进入控制器的微妙但重要的设计细节和决策有了深入的了解。例如，我们知道预期的处理器延迟有多大，以及外科医生感觉最舒服的电机速度。了解这些细节的唯一方法是构建原型，而对我们来说，快速实现这一点的唯一方法是使用Simulink进行基于模型的设计。万博1manbetx
对于向生产的过渡，我们计划与一个在开发医疗设备软件方面有直接经验的开发团队合作。我们现在有了编写详细而精确的需求的知识，这将简化实施过程。
同时，我们继续开发和改进原型。我们计划使用MATLAB、Simulink和嵌入式编码器在内部实现更多的软件。万博1manbetx
