一种适用于无针注射系统的迁移控制方法及其应用

本发明属于医疗控制相关，更具体地，涉及一种适用于无针注射系统的迁移控制方法及其应用。

背景技术：

1、无针注射是一种经皮注射手段，通过高速射流将有效药物注射到皮肤内吸收并发挥作用。无针注射不会引起强烈疼痛，药液扩散速度快、范围广，药物吸收更加高效，被评价为是当前最具有前景的给药系统之一。

2、目前，已经有研究成功开发了使用安培力驱动的无针喷射注射器，可以在注射过程中进行反馈控制，通过设置控制制动器的高速脉冲的大小和持续时间来控制射流速度。基于对无针注射的生理机制的研究，有研究提出“分段注射”的策略，用于提高穿刺精度及输送效率。“分段注射”策略将注射过程分为“穿刺阶段”及“输送阶段”：穿刺阶段采用较高的射流速度，在人体皮肤组织中产生一定深度的通道；“输送阶段”采用较低的射流速度，使药液通过通道进入皮肤内，但不会进一步穿透皮肤。有研究已经采用该策略高效地将药物输送到皮肤的真皮、皮下和肌肉层。

3、但是无针注射系统模型具有非线性的特点，使得精确控制射流速度和活塞位置变得困难，系统中的非线性使反馈增益不能修正与受控电机的“理想模型”的偏差。注射效果与理想的分段效果仍有差距，就需要进一步优化射流控制方案与技术。

4、此外，不同使用场景对注射性能有不同的需求，需要根据皮肤状况、注射深度、药液类型等因素对射流控制策略进行调整。例如，儿童的皮肤具有较低的杨氏模量与断裂韧性，此时要使用较为保守的注射策略；不同药物的有效吸收部位不同，有的药物在真皮层吸收效率高，有的药物需要进入皮下组织层才能起效。因此，无针注射的应用场景较为复杂，想要实现无针注射技术的广泛适用性，就要开发出一款能够满足不同使用场景的需求的无针注射系统的控制方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于无针注射系统的迁移控制方法及其应用，其旨在提高控制方法的适用性。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于无针注射系统的迁移控制方法，该控制方法包括以下步骤：

3、s1，构建音圈电机驱动的无针注射系统的数学模型，所述数学模型的表达式为：

4、

5、式中，x为安瓿活塞推杆位移，m为电机动子及安瓿活塞的重量，fp为负载力，ffric为摩擦力；

6、s2，基于所述数学模型设计基于bp-ladrc的无针注射控制系统，无针注射控制系统使用bp神经网络动态整定ladrc控制器参数kp、kd；kp、kd为反馈率系数；

7、s3，采用所述基于无针注射控制系统的仿真模型得到理想控制效果所需的ladrc参数最优控制序列以及电压最优控制序列，采用电压最优控制序列进行开环迁移控制预补偿，并将ladrc参数最优控制序列迁移至ladrc控制器中进行在线补偿跟踪误差。

8、进一步地，负载力fp＝pap，压强p可由下式计算得出：

9、

10、其中，ρ是药液密度，ap是安瓿腔体横截面积，s是安瓿注射推杆行程的有效长度，x是注射过程中安瓿活塞行走的距离，ao是安瓿末端喷嘴的横截面积，e为药液弹性模量。

11、进一步地，建立音圈电机驱动的无针注射系统的电压平衡方程，进而得到电流；所述电压平衡方程为：

12、

13、其中，ke为电机械能转换常数，kr为反电动势电压；u(t)、i、r、l分别为电机端电压、电枢电流、电枢电阻、电枢电感。

14、进一步地，将音圈电机的动力学方程简化为：

15、

16、其中，

17、进一步地，设计无针注射控制系统的降阶扩张状态观测器：将音圈电机驱动的无针注射系统状态表示为：x1＝x，通过动力学方程得到系统状态方程：

18、

19、引入扩张状态x3：

20、x3＝-a1x2-fd

21、将x3视为集中扰动，从而设计降阶扩张状态观测器为：

22、

23、其中，β1＝2ω，β2＝ω2，ω是降阶扩张状态观测器的参数。

24、进一步地，设计无针注射控制系统的线性状态误差反馈控制律(lsef)为：

25、

26、其中，r、分别为参考信号、参考速度信号和参考加速器信号，它们都是连续可微的，r和是有界的。

27、进一步地，bp神经网络为三层结构3-8-2，输入层信号为r，输出层信号为系统反馈率系数kp、kd。

28、进一步地，隐含层的激励函数表示为：

29、

30、输出层的激励函数表示为：

31、

32、进一步地，采用梯度下降法修改连接权值，取bp神经网络的指标函数为：

33、

34、因此，隐含层与输出层之间的权值写成：

35、

36、其中，η是学习率；为连接输出层和隐藏层的权值，l＝1,2，j＝1,2,3,4。

37、本发明还提供了一种如上所述的适用于无针注射系统的迁移控制方法的应用，采用所述控制方法得到各种射流压强曲线所需的adrc参数最优控制序列以及电压最优控制序列以组成最优控制策略，并将得到的最优控制策略存储到微处理器中且分类设置为不同注射模式，以供用户注射时进行自行选择注射模式。

38、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的适用于无针注射系统的迁移控制方法及其应用主要具有以下有益效果：

39、1.该方法分为控制算法的仿真优化与迁移控制两个环节，首先，建立无针注射bp-ladrc系统仿真模型，经离线仿真优化得到理想控制效果所需的最优控制策略；其中，电压最优控制序列可以提供控制过程所需的电压，参数最优控制序列将被迁移至ladrc控制器中参与主动控制，对抗控制过程中的扰动。

40、2.本发明为了提高射流控制的稳定性，将“仿真到实际的迁移”与ladrc结合起来，在离线优化的开环电压迁移控制的基础上，迁移ladrc可以实时对抗系统扰动，提高鲁棒性；该方法使得系统在不同工作条件下既能保持稳定性，同时实现更好的性能。

41、3.基于无针注射bp-ladrc控制系统的仿真模型，优化不同参考射流压强曲线的最优控制策略，经实验验证效果最佳的最优控制策略编组储存到便携式无针注射设备的迁移模块中；将不同参考射流压强设置为不同注射模式，实际使用前可进行主动选择注射模式，满足不同使用场景下对射流压强的控制要求，极大提高了无针注射技术的适用性。

技术特征：

1.一种适用于无针注射系统的迁移控制方法，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的适用于无针注射系统的迁移控制方法，其特征在于：负载力fp＝pap，压强p由下式计算得出：

3.如权利要求2所述的适用于无针注射系统的迁移控制方法，其特征在于：建立音圈电机驱动的无针注射系统的电压平衡方程，进而得到电流；所述电压平衡方程为：

4.如权利要求3所述的适用于无针注射系统的迁移控制方法，其特征在于：将音圈电机的动力学方程简化为：

5.如权利要求1所述的适用于无针注射系统的迁移控制方法，其特征在于：设计无针注射控制系统的降阶扩张状态观测器：将音圈电机驱动的无针注射系统状态表示为：x1＝x，通过动力学方程得到系统状态方程：

6.如权利要求5所述的适用于无针注射系统的迁移控制方法，其特征在于：设计无针注射控制系统的线性状态误差反馈控制律为：

7.如权利要求1-6任一项所述的适用于无针注射系统的迁移控制方法，其特征在于：bp神经网络为三层结构3-8-2，输入层信号为r，输出层信号为系统反馈率系数kp、kd。

8.如权利要求7所述的适用于无针注射系统的迁移控制方法，其特征在于：隐含层的激励函数表示为：

9.如权利要求8所述的适用于无针注射系统的迁移控制方法，其特征在于：采用梯度下降法修改连接权值，取bp神经网络的指标函数为：

10.一种权利要求1-9任一项所述的适用于无针注射系统的迁移控制方法的应用，其特征在于：采用所述控制方法得到各种射流压强曲线所需的adrc参数最优控制序列以及电压最优控制序列以组成最优控制策略，并将得到的最优控制策略存储到微处理器中且分类设置为不同注射模式，以供用户注射时进行自行选择注射模式。

技术总结本发明属于医疗控制相关技术领域，其公开了一种适用于无针注射系统的迁移控制方法及其应用，该控制方法包括以下步骤：S1，构建音圈电机驱动的无针注射系统的数学模型；S2，基于所述数学模型设计基于BP‑LADRC的无针注射控制系统，无针注射控制系统使用BP神经网络动态整定LADRC控制器参数K<subgt;p</subgt;、K<subgt;d</subgt;；S3，采用所述基于无针注射控制系统的仿真模型得到理想控制效果所需的LADRC参数最优控制序列以及电压最优控制序列，采用电压最优控制序列进行开环迁移控制预补偿，并将LADRC参数最优控制序列迁移至LADRC控制器中进行在线补偿跟踪误差。本发明提高适用性。技术研发人员：熊良才,张铖森,梅元涛受保护的技术使用者：华中科技大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9