穿刺探針定位器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究論文
摘要:以一種多自由度穿刺探針定位器為對象，對其進(jìn)行了總體方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，較詳細(xì)的地介紹了該定位器的硬件組成，使得該定位器滿足準(zhǔn)確定位，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便的輔助裝置，以解決目前面臨的穿刺探針定位問題。
關(guān)鍵詞:多自由度;定位器;穿刺穿刺針
屬于介入放射學(xué)器材，介入放射學(xué)操作中，穿刺皮膚，以進(jìn)一步引導(dǎo)介入放射學(xué)器材進(jìn)入體內(nèi)，行血管性與非血管性介入操作的金屬針［1］。目前，由于穿刺探針的定位裝置在醫(yī)療器械中應(yīng)用較為廣泛，工作效率缺不盡完善，而且價(jià)格昂貴。一般醫(yī)院仍然采用人工定位的方式，成功率較低，這樣只能增加病人的痛苦。因此要設(shè)計(jì)一種能夠?qū)⒋┐烫结槣?zhǔn)確定位，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便的輔助裝置，以解決目前面臨的穿刺探針定位問題。
1多自由度穿刺探針定位器總體方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1．1設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)一種能夠?qū)⒋┐烫结槣?zhǔn)確定位，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便的輔助裝置，以解決目前面臨的穿刺探針定位問題。(1)穿刺探針定位器須能帶動(dòng)探頭能在整個(gè)診床范圍內(nèi)停留。(2)檢測探頭能實(shí)現(xiàn)0°～120°的空間自由回轉(zhuǎn)。(3)自定心夾緊機(jī)構(gòu)夾緊直徑8～50mm。
1．2結(jié)構(gòu)布局
經(jīng)過綜合考慮和設(shè)計(jì)比較，多自由度穿刺探針定位器總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)如圖1所示。
2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
考慮到驅(qū)動(dòng)能力和控制精度等各方面要求，最終選用德國西門子800W伺服電機(jī)，具體型號(hào)1FK7同步伺服電機(jī)，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，額定轉(zhuǎn)矩為2．6Nm，額定電流為2．0A，20位增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，有制動(dòng)器。該電機(jī)具有很強(qiáng)的過載能力，功率密度大，較低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，高動(dòng)態(tài)性能，很高的軸和法蘭精度，輸出扭矩恒定的特點(diǎn)。由于該電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速較高，所以需要與減速器配合使用。根據(jù)伺服電機(jī)的型號(hào)，選擇伺服驅(qū)動(dòng)器為SINAMICSS120，與該高性能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，可完成速度和位置的精確控制。
3傳動(dòng)系統(tǒng)
該定位器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確確定空間直線的位置，即如何實(shí)現(xiàn)X，Y，Z三個(gè)方向的確定位置，并且可以自鎖。為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)滾珠螺母副做直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)工作平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，并且為了確保一定的傳動(dòng)穩(wěn)定性和傳動(dòng)準(zhǔn)確度，盡可能使其的摩擦力小，采用滾珠絲杠螺母副［2］。由于滾動(dòng)導(dǎo)軌的.摩擦力小，精度高等特點(diǎn)，因此選用滾動(dòng)導(dǎo)軌。首先為使該定位器可以很容易移動(dòng)和控制，采用萬向輪結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)X、Y運(yùn)動(dòng)可以采取萬向輪帶剎車，允許水平方向360°旋轉(zhuǎn)，可采用8輪。移動(dòng)該定位器到病床前，當(dāng)?shù)竭_(dá)所需的位置時(shí)，踩下萬向輪的剎車，將其鎖死，則該定位器X、Y方向的位置確定，該結(jié)構(gòu)簡單，容易操作，成本也低，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。實(shí)現(xiàn)縱向運(yùn)動(dòng)使用滾動(dòng)導(dǎo)軌，電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠的主要作用是將其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，由于滾珠絲杠軸與滾珠絲杠螺母中間存在許多的滾珠做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，因此可以達(dá)到比較高的傳動(dòng)效率;具有精度高，軸向剛度高等特點(diǎn)。滾珠絲杠螺母副能夠預(yù)壓，但是由于預(yù)壓力使沿著軸的方向之間的間隙可變到負(fù)值，從而達(dá)到非常強(qiáng)的剛度。導(dǎo)軌初步選用了滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，每根導(dǎo)軌上配備兩個(gè)滑塊，可以很好的實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向的作用，并且摩擦也小，符合設(shè)計(jì)所預(yù)期的效果。由于該定位器不可能一次性就可以運(yùn)動(dòng)到準(zhǔn)確位置，因此還需要橫向進(jìn)給，橫向進(jìn)給系統(tǒng)同樣采用和縱向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)一樣的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在橫梁上水平運(yùn)動(dòng)，使其可以到達(dá)確定的位置。當(dāng)?shù)竭_(dá)大致的位置后，用探頭檢測所要穿刺的病變部位，由于要求檢測探頭能實(shí)現(xiàn)0°～120°的空間自由回轉(zhuǎn)，為了實(shí)現(xiàn)該要求，將探頭用球面副結(jié)構(gòu)與縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，可以容易實(shí)現(xiàn)該要求。選取的自定心夾緊機(jī)構(gòu)，采用類似機(jī)械手結(jié)構(gòu)，可達(dá)到預(yù)期的效果。當(dāng)探頭檢測到病變部位的確定位置后，就要將其鎖死。當(dāng)需要自鎖時(shí)，可以將帶軸瓦的螺釘擰入，使探頭自鎖，則穿刺的位置確定。當(dāng)探頭的位置確定后，將探頭取下，把探針換上，探針可以做成帶模具的，這樣很容易定心，并且更換也非常方便。當(dāng)以上結(jié)構(gòu)的位置確定后，則可以準(zhǔn)確定位。
4結(jié)語
穿刺介入技術(shù)在一定程度上依靠穿刺探針的定位精度，定位器的結(jié)構(gòu)是否合理。穿刺技術(shù)能利用裝置的精準(zhǔn)動(dòng)作、定位精確高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)輔助外科醫(yī)生進(jìn)行很好的手術(shù)操作，成功率會(huì)顯著提高［3］。這樣不僅可以減輕醫(yī)療工作者的疲勞，并且在提高手術(shù)的精度和安全性方面獲得更大的進(jìn)展。如今，依然有許多醫(yī)療工作者借助醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的指引下運(yùn)用定位器機(jī)構(gòu)來提高穿刺手術(shù)方面進(jìn)行了研究，希望可以在提高定位精度方面有所突破。
參考文獻(xiàn):
［1］修雯雯．經(jīng)皮穿刺手術(shù)輔助機(jī)器人系統(tǒng)［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007．
［2］濮良貴，紀(jì)名剛．機(jī)械設(shè)計(jì)［M］．北京:高等教育出版社，2006．
［3］劉吉斌．現(xiàn)代介入性超聲診斷與治療［M］．北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2004．
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