Стереотаксический манипулятор

Размещено на http://www.allbest.ru/

Стереотаксический манипулятор

А.М. Синотин

Для автоматизации рабочего места хирурга разработан стереотаксический манипулятор, позволяющий автоматизировать процесс малотравматологического хирургического доступа к любым отделам мозга, используя свойства рентгеновского изображения.

Прогресс медицины вообще, как и отдельных ее направлений, прежде всего, зависит от разработки и применения новых технологий и техники исследований, и лечения.

Целью данной разработки является создание автоматизированного стереотаксического манипулятора позволяющего практически обеспечить возможность малотравматический хирургический доступ к любым отделам мозга, используя свойства рентгеновского изображения.

Разработанное устройство (рис.1) предназначено для автоматизации рабочего места хирурга и достижения необходимой точности ввода зонда в заданную точку головы пациента. Опыт показывает, что возможная предельная погрешность перемещения у опытного хирурга составляет Для средней квалификации погрешность следует снизить до допускаемой, равной Для достижения требуемой точности ввода зонда между электродвигателями и конечным звеном (зонд, косозубое колесо 5) введены понижающие передачи (редуктора ). Контроль за перемещением всех звеньев возложен на компьютер.

Данное устройство состоит из рамы 1, выполненной в форме параллелепипеда. Механизм крепится к голове пациента с помощью пяти установочных винтов 2, которые позволяют одновременно смещение всей рамы продольно относительно головы пациента. В цапфах 3, установленных в высокоточных шарикоподшипниковых узлах 4, закреплено косозубое зубчатое колесо 5, выполненное в виде дуги. На одной из цапф установлен привод, состоящий из разрезного червячного колеса, установленного непосредственно на цапфе, червяка 7 - закреплённого на валу электродвигателя 8. Указанный привод позволяет осуществлять поворот червячного зубчатого колеса, положение которого контролируется визуально с помощью шкалы 9, установленной на раме 1. При установке фотодатчика положение зубчатого колеса может контролироваться с помощью компьютера. манипулятор мозг хирургический рентгеновский

На зубчатом колесе 5 установлен кронштейн 10 с нанесенной шкалой 11, к которому с помощью направляющей 12 крепится двухступенчатый привод состоящий из червяка 13, червячного колеса 14. косозубой шестерни 15, входящей в зацепление с зубчатым колесом 5, электродвигателя 16. Привод крепится к кронштейну с помощью хомута 17, данный привод осуществляет перемещение кронштейна по зубчатому колесу 5.

С лицевой стороны кронштейна закреплена скоба 18, в которой в упорных шарикоподшипниках установлено разрезное червячное колесо 19, входящее в зацепление с червяком 20, неподвижно закреплённым на валу электродвигателя 21.

Внутри ступицы червячного колеса нарезана резьба, по которой проходит пустотелый контейнер 22 с внешней резьбой. Внутрь контейнера загружается зонд 23. Зонд крепится в контейнере с помощью цанги 24 в положении, когда он подведен в заданную точку головы пациента. На контейнере с тыльной стороны установлен фиксатор 25, ограничивающий вращательное движение и обеспечивающий только поступательное движение контейнера. Хвостовик фиксатора входит в паз, выполненный в кронштейне 10, и служит одновременно указателем перемещения зонда.

На скобе 18 встроен фотодатчик 26, состоящий из источника и излучателя. Между источником излучения и фотоприёмником находится червячное зубчатое колесо 19, в котором выполнены специальные отверстия, число которых определяется требуемой точностью перемещения зонда 23.

.

При необходимости, с целью повышения точности и автоматизации проведения работ, такие устройства могут быть размещены и на приводах перемещения зубчатого колеса и кронштейна 10. С целью повышения точности перемещения контейнера 22 установлена вторая опора 27, выполненная в виде стакана, нижняя часть которой имеет четыре паза. На разрезную часть стакана посажена винтовая пружина 28, обеспечивающая ликвидацию зазора между контейнером и стаканом, т.е. устраняет люфт.

Применение разрезных зубчатых колёс с помощью вставленной цилиндрической винтовой пружины 29 для колеса 5 и спиральных пружин 30 для червячных колёс 6, 14, 19 позволяет устранять люфты в зацеплении и обеспечивать точность перемещения.

Применение червячных самотормозящих передач позволяет фиксировать в любой момент положение колёс 5, кронштейна 10, контейнера 22 без применения фиксирующих тормозящих устройств.

Точность настройки манипулятора определяется погрешностью , вносимой в отсчёт всей цепью настройки, и погрешностью отсчётного устройства:

(1).

Погрешность всей цепи настройки при реверсивном характере настройки складывается из погрешности мёртвого хода , погрешности, вызванной неравномерностью хода ( для зубчатого зацепления определяется допуском на кинематическую погрешность ), погрешности скручивания валов, погрешности от зазора в опорах, погрешности муфты и погрешности от нестабильности температуры .Тогда наибольшее значение погрешности механизма настройки:

(2)

Для зубчатой пары в зависимости от величины бокового зазор между зубьями, измеряемого по общей нормали к профилям, мёртвый ход определяется углом поворота подвижного колеса относительно неподвижного, когда боковой зазор между зубьями выбирается полностью:

рад, (3)

где jn - боковой зазор, мм; r - радиус начальной окружности, мм; - угол зацепления, град.

Для цилиндрической прямозубой передачи при

угл.мин., (4)

где jn - в мкм; m - мм.

Мёртвый ход в червячной передаче зависит от бокового зазора между зубьями колеса и витками червяка. При боковом зазоре jn мёртвый ход червяка при неподвижном колесе

рад, (5)

где jn , d1 и d2 - в мм.

Вероятные максимальные значения боковых зазоров для прямозубых цилиндрических колёс с исходным контуром по СТ СЭВ 309-76 (m<1) приведены в СТ СЭВ 642-77 [3].

Так как то (

Отсюда мёртвый ход ведомого колеса z2 в зависимости от его величины у ведущего колеса

 (6)

Суммарный или приведенный мёртвый ход при боковом зазоре для данной конструкции определялся по следующей зависимости

(7)

Диаметральный зазор в опорах зубчатых колёс, равный для каждой из них и , вызывает дополнительный мёртвый ход, величина которого на ведомом валу 2

(8) Суммарный мёртвый ход

(9)

Для устранения мёртвого хода в передачах применяют люфтовыбирающие (разрезные) зубчатые колёса. Основой конструкции таких колёс является сдвоенное зубчатое колесо: одно жёстко закреплено с валом, а другое перемещается за счёт моментной пружины. Что и учтено в данной конструкции. В качестве опор применены высокоточные шарикоподшипники, что исключает появление зазоров в опорах.

Скручивание валиков под действием крутящего момента вызывает упругий мёртвый ход, величина которого в радианах определяется по формуле

(10)

где Ткр - передаваемый крутящий момент; l,Iр,G - соответственно длина рабочей части валика, его полярный момент инерции сечения и модуль сдвига материала. Длина валов выбрана в конструкции таким образом, что длина вала, передающая нагрузку, меньше десятикратного размера его диаметра, т. е. . В этом случае вал считается жёстким, т.е. погрешность принимается равной нулю, так как не происходит его скручивание.

Отсчёт показаний в разработанном устройстве производят по штрихам шкалы путём совмещения отметок шкалы и указателя с помощью верньерно- шкального механизма.

Ошибка снятия отсчёта обычно имеет наибольшую величину по сравнению с другими погрешностями, причём её предельное значение не превышает более половины цены деления шкалы. Все виды ошибок оценивались с помощью расчёта по следующим зависимостям. Так погрешность снятия отсчёта складывается из погрешностей шкалы , погрешностей совмещения отметок шкалы или погрешностей от деления интервала на “глаз” и паралакса ; наибольшее значение погрешности снятия отсчёта принималось равной

(11)

Погрешность шкалы в свою очередь складывается из погрешностей изготовлния шкалы от эксцентриситета расположения отметок на шкале и от эксцентриситета установки шкалы . Погрешность изготовления шкалы зависит от класса точности шкалы и можете быть определена по табл. [2]. Угловые погрешности от эксцентриситета расположения отметок и от эксцентриситета установки шкалы зависят от величины эксцентриситетов ер и еу, допускаемые значения которых приведены в табл. [2]. Наибольшие значения погрешностей и определялись в радианах:

 (12)

Погрешность при совмещении отметок шкалы и указателя

(13)

Величину смещения одной отметки относительно другой в среднем обычно принимают равной 12-15 мкм.

Погрешность от деления интервала “на глаз”

(14)

где длина деления в угловых минутах; 0,1-0,5 - коэффициент относительной погрешности, зависящий от толщины отметок и формы конца указателя.

Погрешность от параллакса возникает от смещения отметок шкалы относительно указателя за счет смещения глаза наблюдателя от правильного наблюдения. Тогда при расстоянии нормального видения угловая ошибка от параллакса

. (15)

Применяя для повышения точности настройки и отсчёта замедляющий механизм с передаточным отношением в зависимости от технических требований, можно получить заданную точность ввода зонда.

Выводы

1.Разработанный стереотаксический манипулятор позволяет полностью автоматизировать процесс малотравматического хирургического доступа к любым отделам мозга.

2.Опыт показывает, что возможная предельная погрешность перемещения зонда у опытного хирурга составляет =0,25-0,350. Разработанный стереотаксический манипулятор, за счет введения передаточных механизмов, позволяет снизить погрешность ввода зонда до 1-1,50, что не требует большого навыка и напряжения от хирурга.

Список литературы

1.Сінотін А.М..Семенець В.В. та інші. Деклараційний патент на винахід. Стереотаксичний апарат. Україна. Державний департамент інтелектуальної власності. (46) Бюл. №4, 2000

2.Рощин Г.И. Несущие конструкции и механизмы РЭА. М.: “Высшая школа” 1981.376 с.

3.Булгаков Н.П. Некоторые направления применения стереотаксического метода в нейрохирургии. Труды 1 Всесоюзн. съезда, т.3. М., 1971., 180 с.

4. Conway L. Stereotaxic diagnosis and treatment of intracranial tumors including an initial experience with cryosurgery for pinealomas.-J. Neurosurg., 1973, v. 38 № 4, р. 453-460.

5. Alksne J. F. Current status of stereotactic magnetic aneurysm thrombosis.- 5 Intern. Conger. Neurosurg. Tokyo. 1973. 270 p.

Харьковский национальный університет радиоэлектрони Поступила в редколегію 00.00.00

Размещено на Allbest.ru