穿刺探針定位器結構設計研究

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摘要:以一種多自由度穿刺探針定位器為對象，對其進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，使得該定位器滿足準確定位，結構簡單，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。

關鍵詞:多自由度;定位器;穿刺穿刺針

屬于介入放射學器材，介入放射學操作中，穿刺皮膚，以進一步引導介入放射學器材進入體內，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探頭能在整個診床范圍內停留。(2)檢測探頭能實現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

經過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驅動系統

考慮到驅動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，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2．6N•m，額定電流為2．0A，20位增量式旋轉編碼器，有制動器。該電機具有很強的過載能力，功率密度大，較低轉矩脈動，高動態性能，很高的軸和法蘭精度，輸出扭矩恒定的特點。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，選擇伺服驅動器為SINAMICSS120，與該高性能驅動系統的有機結合，可完成速度和位置的精確控制。

3傳動系統

該定位器結構設計的關鍵是如何準確確定空間直線的位置，即如何實現X，Y，Z三個方向的確定位置，并且可以自鎖。為了實現結構設計要求，采用步進電機帶動滾珠絲杠，滾珠絲杠旋轉運動帶動滾珠螺母副做直線運動，從而帶動工作平臺運動，并且為了確保一定的傳動穩定性和傳動準確度，盡可能使其的摩擦力小，采用滾珠絲杠螺母副［2］。由于滾動導軌的摩擦力小，精度高等特點，因此選用滾動導軌。首先為使該定位器可以很容易移動和控制，采用萬向輪結構，為了實現X、Y運動可以采取萬向輪帶剎車，允許水平方向360°旋轉，可采用8輪。移動該定位器到病床前，當到達所需的位置時，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，該結構簡單，容易操作，成本也低，可以實現預期效果。實現縱向運動使用滾動導軌，電機帶動滾珠絲杠，滾珠絲杠的主要作用是將其旋轉運動變成直線運動，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運動，因此可以達到比較高的傳動效率;具有精度高，軸向剛度高等特點。滾珠絲杠螺母副能夠預壓，但是由于預壓力使沿著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直線導軌，每根導軌上配備兩個滑塊，可以很好的實現導向的作用，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到準確位置，因此還需要橫向進給，橫向進給系統同樣采用和縱向運動結構一樣的結構，實現在橫梁上水平運動，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現0°～120°的空間自由回轉，為了實現該要求，將探頭用球面副結構與縱向運動機構連接，可以容易實現該要求。選取的自定心夾緊機構，采用類似機械手結構，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，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

穿刺介入技術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。穿刺技術能利用裝置的精準動作、定位精確高、操作方便等優點輔助外科醫生進行很好的手術操作，成功率會顯著提高［3］。這樣不僅可以減輕醫療工作者的疲勞，并且在提高手術的精度和安全性方面獲得更大的進展。如今，依然有許多醫療工作者借助醫學成像技術的指引下運用定位器機構來提高穿刺手術方面進行了研究，希望可以在提高定位精度方面有所突破。

作者:付志忠 武建新 單位:內蒙古工業大學

參考文獻:

［1］修雯雯．經皮穿刺手術輔助機器人系統［D］．哈爾濱:哈爾濱工業大學，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:科學技術文獻出版社，2004．