穿刺探针定位器结构设计研究

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摘要:以一种多自由度穿刺探针定位器为对象，对其进行了总体方案和结构设计，较详细的地介绍了该定位器的硬件组成，使得该定位器满足准确定位，结构简单，操作方便的辅助装置，以解决目前面临的穿刺探针定位问题。

关键词:多自由度;定位器;穿刺穿刺针

属于介入放射学器材，介入放射学操作中，穿刺皮肤，以进一步引导介入放射学器材进入体内，行血管性与非血管性介入操作的金属针［1］。目前，由于穿刺探针的定位装置在医疗器械中应用较为广泛，工作效率缺不尽完善，而且价格昂贵。一般医院仍然采用人工定位的方式，成功率较低，这样只能增加病人的痛苦。因此要设计一种能够将穿刺探针准确定位，结构简单，操作方便的辅助装置，以解决目前面临的穿刺探针定位问题。

1多自由度穿刺探针定位器总体方案和结构设计

1．1设计要求

设计一种能够将穿刺探针准确定位，结构简单，操作方便的辅助装置，以解决目前面临的穿刺探针定位问题。(1)穿刺探针定位器须能带动探头能在整个诊床范围内停留。(2)检测探头能实现0°～120°的空间自由回转。(3)自定心夹紧机构夹紧直径8～50mm。

1．2结构布局

经过综合考虑和设计比较，多自由度穿刺探针定位器总体结构布局设计如图1所示。

2驱动系统

考虑到驱动能力和控制精度等各方面要求，最终选用德国西门子800W伺服电机，具体型号1FK7同步伺服电机，电机额定转速为3000r/min，额定转矩为2．6N•m，额定电流为2．0A，20位增量式旋转编码器，有制动器。该电机具有很强的过载能力，功率密度大，较低转矩脉动，高动态性能，很高的轴和法兰精度，输出扭矩恒定的特点。由于该电机的额定转速较高，所以需要与减速器配合使用。根据伺服电机的型号，选择伺服驱动器为SINAMICSS120，与该高性能驱动系统的有机结合，可完成速度和位置的精确控制。

3传动系统

该定位器结构设计的关键是如何准确确定空间直线的位置，即如何实现X，Y，Z三个方向的确定位置，并且可以自锁。为了实现结构设计要求，采用步进电机带动滚珠丝杠，滚珠丝杠旋转运动带动滚珠螺母副做直线运动，从而带动工作平台运动，并且为了确保一定的传动稳定性和传动准确度，尽可能使其的摩擦力小，采用滚珠丝杠螺母副［2］。由于滚动导轨的摩擦力小，精度高等特点，因此选用滚动导轨。首先为使该定位器可以很容易移动和控制，采用万向轮结构，为了实现X、Y运动可以采取万向轮带刹车，允许水平方向360°旋转，可采用8轮。移动该定位器到病床前，当到达所需的位置时，踩下万向轮的刹车，将其锁死，则该定位器X、Y方向的位置确定，该结构简单，容易操作，成本也低，可以实现预期效果。实现纵向运动使用滚动导轨，电机带动滚珠丝杠，滚珠丝杠的主要作用是将其旋转运动变成直线运动，由于滚珠丝杠轴与滚珠丝杠螺母中间存在许多的滚珠做滚动运动，因此可以达到比较高的传动效率;具有精度高，轴向刚度高等特点。滚珠丝杠螺母副能够预压，但是由于预压力使沿着轴的方向之间的间隙可变到负值，从而达到非常强的刚度。导轨初步选用了滚动直线导轨，每根导轨上配备两个滑块，可以很好的实现导向的作用，并且摩擦也小，符合设计所预期的效果。由于该定位器不可能一次性就可以运动到准确位置，因此还需要横向进给，横向进给系统同样采用和纵向运动结构一样的结构，实现在横梁上水平运动，使其可以到达确定的位置。当到达大致的位置后，用探头检测所要穿刺的病变部位，由于要求检测探头能实现0°～120°的空间自由回转，为了实现该要求，将探头用球面副结构与纵向运动机构连接，可以容易实现该要求。选取的自定心夹紧机构，采用类似机械手结构，可达到预期的效果。当探头检测到病变部位的确定位置后，就要将其锁死。当需要自锁时，可以将带轴瓦的螺钉拧入，使探头自锁，则穿刺的位置确定。当探头的位置确定后，将探头取下，把探针换上，探针可以做成带模具的，这样很容易定心，并且更换也非常方便。当以上结构的位置确定后，则可以准确定位。

4结语

穿刺介入技术在一定程度上依靠穿刺探针的定位精度，定位器的结构是否合理。穿刺技术能利用装置的精准动作、定位精确高、操作方便等优点辅助外科医生进行很好的手术操作，成功率会显著提高［3］。这样不仅可以减轻医疗工作者的疲劳，并且在提高手术的精度和安全性方面获得更大的进展。如今，依然有许多医疗工作者借助医学成像技术的指引下运用定位器机构来提高穿刺手术方面进行了研究，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 单位:内蒙古工业大学

参考文献:

［1］修雯雯．经皮穿刺手术辅助机器人系统［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2007．

［2］濮良贵，纪名刚．机械设计［M］．北京:高等教育出版社，2006．

［3］刘吉斌．现代介入性超声诊断与治疗［M］．北京:科学技术文献出版社，2004．