穿刺探針定位器結構設計研究論文

　　摘要:以一種多自由度穿刺探針定位器為對象，對其進(jìn)行了總體方案和結構設計，較詳細的地介紹了該定位器的硬件組成，使得該定位器滿(mǎn)足準確定位，結構簡(jiǎn)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(wèn)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)一步引導介入放射學(xué)器材進(jìn)入體內，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療器械中應用較為廣泛，工作效率缺不盡完善，而且價(jià)格昂貴。一般醫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。因此要設計一種能夠將穿刺探針準確定位，結構簡(jiǎn)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(wèn)題。

　　1多自由度穿刺探針定位器總體方案和結構設計

　　1．1設計要求

　　設計一種能夠將穿刺探針準確定位，結構簡(jiǎn)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(wèn)題。(1)穿刺探針定位器須能帶動(dòng)探頭能在整個(gè)診床范圍內停留。(2)檢測探頭能實(shí)現0°～120°的空間自由回轉。(3)自定心夾緊機構夾緊直徑8～50mm。

　　1．2結構布局

　　經(jīng)過(guò)綜合考慮和設計比較，多自由度穿刺探針定位器總體結構布局設計如圖1所示。

　　2驅動(dòng)系統

　　考慮到驅動(dòng)能力和控制精度等各方面要求，最終選用德國西門(mén)子800W伺服電機，具體型號1FK7同步伺服電機，電機額定轉速為3000r/min，額定轉矩為2．6Nm，額定電流為2．0A，20位增量式旋轉編碼器，有制動(dòng)器。該電機具有很強的過(guò)載能力，功率密度大，較低轉矩脈動(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)。由于該電機的額定轉速較高，所以需要與減速器配合使用。根據伺服電機的型號，選擇伺服驅動(dòng)器為SINAMICSS120，與該高性能驅動(dòng)系統的有機結合，可完成速度和位置的精確控制。

　　3傳動(dòng)系統

　　該定位器結構設計的關(guān)鍵是如何準確確定空間直線(xiàn)的位置，即如何實(shí)現X，Y，Z三個(gè)方向的確定位置，并且可以自鎖。為了實(shí)現結構設計要求，采用步進(jìn)電機帶動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠旋轉運動(dòng)帶動(dòng)滾珠螺母副做直線(xiàn)運動(dòng)，從而帶動(dòng)工作平臺運動(dòng)，并且為了確保一定的傳動(dòng)穩定性和傳動(dòng)準確度，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)導軌的.摩擦力小，精度高等特點(diǎn)，因此選用滾動(dòng)導軌。首先為使該定位器可以很容易移動(dòng)和控制，采用萬(wàn)向輪結構，為了實(shí)現X、Y運動(dòng)可以采取萬(wàn)向輪帶剎車(chē)，允許水平方向360°旋轉，可采用8輪。移動(dòng)該定位器到病床前，當到達所需的位置時(shí)，踩下萬(wàn)向輪的剎車(chē)，將其鎖死，則該定位器X、Y方向的位置確定，該結構簡(jiǎn)單，容易操作，成本也低，可以實(shí)現預期效果。實(shí)現縱向運動(dòng)使用滾動(dòng)導軌，電機帶動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠的主要作用是將其旋轉運動(dòng)變成直線(xiàn)運動(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)運動(dòng)，因此可以達到比較高的傳動(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壓，但是由于預壓力使沿著(zhù)軸的方向之間的間隙可變到負值，從而達到非常強的剛度。導軌初步選用了滾動(dòng)直線(xiàn)導軌，每根導軌上配備兩個(gè)滑塊，可以很好的實(shí)現導向的作用，并且摩擦也小，符合設計所預期的效果。由于該定位器不可能一次性就可以運動(dòng)到準確位置，因此還需要橫向進(jìn)給，橫向進(jìn)給系統同樣采用和縱向運動(dòng)結構一樣的結構，實(shí)現在橫梁上水平運動(dòng)，使其可以到達確定的位置。當到達大致的位置后，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0°～120°的空間自由回轉，為了實(shí)現該要求，將探頭用球面副結構與縱向運動(dòng)機構連接，可以容易實(shí)現該要求。選取的自定心夾緊機構，采用類(lèi)似機械手結構，可達到預期的效果。當探頭檢測到病變部位的確定位置后，就要將其鎖死。當需要自鎖時(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。當以上結構的位置確定后，則可以準確定位。

　　4結語(yǔ)

　　穿刺介入技術(shù)在一定程度上依靠穿刺探針的定位精度，定位器的結構是否合理。穿刺技術(shù)能利用裝置的精準動(dòng)作、定位精確高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)輔助外科醫生進(jìn)行很好的手術(shù)操作，成功率會(huì )顯著(zhù)提高［3］。這樣不僅可以減輕醫療工作者的疲勞，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，依然有許多醫療工作者借助醫學(xué)成像技術(shù)的指引下運用定位器機構來(lái)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:

　�。�1］修雯雯．經(jīng)皮穿刺手術(shù)輔助機器人系統［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007．

　�。�2］濮良貴，紀名剛．機械設計［M］．北京:高等教育出版社，2006．

　�。�3］劉吉斌．現代介入性超聲診斷與治療［M］．北京:科學(xué)技術(shù)文獻出版社，2004．

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