一種醫(yī)用超聲探頭手柄助力器的設計*

劉記辰，郭榮榮，陳維毅

（太原理工大學生物醫(yī)學工程學院，山西 太原030024）

1 引 言

B超檢測是常用的醫(yī)學診斷手段。據(jù)統(tǒng)計，長期從事B超檢測，存在手部關(guān)節(jié)損傷、病變的醫(yī)務人員在百分之七十以上[1]。

目前，國內(nèi)僅有一種超聲探頭助力器的設計方案，其在增壓方式上，主要是通過液壓或者氣壓方式增壓。這種設計主要是將裝有探頭夾的機械臂與氣壓缸或者液壓缸的驅(qū)動活塞相連接，通過液體壓力能的變化來傳遞能量，經(jīng)過多種控制閥和管路的傳遞，借助于液壓執(zhí)行元件（液壓缸或馬達），把液體壓力能轉(zhuǎn)換為機械能，從而驅(qū)動工作機構(gòu)，實現(xiàn)直線往復運動[2]。

由于采用氣壓或液壓增壓，在控制上反應靈敏度不夠，病體檢測相對耗時，而且在調(diào)控壓力方式上，也沒有足夠的安全保護措施。由于該增壓裝置具有液壓缸和液壓泵，控制閥以及各種密封器件，在裝配精度上要求較高，使得整個系統(tǒng)相對比較龐大，當部件出現(xiàn)故障更換時，更換比較復雜。鑒于此，該設計并未在醫(yī)院得到應用。

針對以上問題，本設計提出了一種新型助力裝置；通過步進電機帶動絲桿運動[3-4]，且整個運動通過單片機控制，由于整個系統(tǒng)都是高集成化的電路以及電子芯片模塊，能夠滿足輸出壓力的步進電機體積質(zhì)量很小，整個系統(tǒng)在體積和靈敏度上占有很大優(yōu)勢。實際操作和醫(yī)生手持探頭病體檢測時區(qū)別不大，習慣上的使用，更容易上手。而且突破性的增加了反饋控制系統(tǒng)，在操作方便的基礎上，加大了安全系數(shù)，防止外加助力裝置由于過度施力對病體造成不必要的損傷。

2 工作原理與實施

新型助力裝置結(jié)構(gòu)圖，見圖1。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig 1 System structure diagram

如圖1所示，醫(yī)用超聲探頭手柄助力器包括支撐底座1，它可以固定到檢查床位上或地面上，支撐桿2通過螺紋連接，固定在支撐底座1上，起到對整個裝置的豎直支撐作用，第一水平臂3套在豎直臂2上，可以在垂直于支撐桿2的平面內(nèi)做三百六十度旋轉(zhuǎn)。第二水平臂5和第一水平臂3通過圓柱銷4聯(lián)接，使其可以繞圓柱銷4轉(zhuǎn)動，第二水平臂5和第一水平臂3在同一水平平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。豎直臂6和第二水平臂5也是通過圓柱銷連接，實現(xiàn)豎直臂6在豎直面內(nèi)擺動。豎直臂6末端固定有步進電機7，步進電機7軸端通過聯(lián)軸器8接有絲桿9。探頭夾10和絲桿9螺紋連接，探頭夾10與探頭11剛性連接，當步進電機轉(zhuǎn)動時，探頭夾10可以帶動探頭在絲桿上下移動。探頭夾10與探頭11連接處裝反饋壓力傳感器，目的是起過載保護作用；當探頭11作用在病體上的壓力達到某個極限值時，通過此處的壓力傳感器，輸出反饋信號給單片機，使單片機控制步進電機停止正轉(zhuǎn)，達到保護作用。探頭夾10前后兩側(cè)分別設置有擋板12，擋板的頂端和豎直臂連接，其作用是在絲桿轉(zhuǎn)動時阻止探頭夾10做圓周轉(zhuǎn)動，通過擋板的作用，探頭夾只能在豎直方向上前進或后退。探頭11手指操作處接有壓力傳感器。病體超聲檢測時，醫(yī)務人員手指稍微對探頭施加一個軸向較小的壓力，通過探頭11處的壓力傳感器發(fā)送給單片機一個信號，單片機瞬時控制步進電機7正轉(zhuǎn)，通過絲桿帶動探頭夾下移，對病體加壓。松開壓力傳感器，改變了施加在壓力傳感器的壓力值，改變的壓力信號傳遞到單片機，單片機瞬時控制步進電機7反轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)壓力減小。

2.1 絲桿螺母副

本設計聯(lián)接部分采用滾珠絲桿螺母副，其結(jié)構(gòu)特點為：有螺旋槽的絲桿螺母間裝有滾珠，將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動時，可以很大程度上減小摩擦，保證了傳動效率。本設計選取絲桿螺母副主要參數(shù)見表1。

表1 絲桿螺母副參數(shù)Table 1 Screw nut pair parameters

2.2 步進電機型號

本設計對傳動的定位精度要求不高，主要目的是電機工作時輸出轉(zhuǎn)矩能夠滿足病體檢測所需。由絲杠上滑塊式探頭夾與步進電機軸間距離L，以及病體檢測所需要的壓力F來確定步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩T，設計中選取滾珠系列直線導軌滑塊，運動副之間的摩擦可以忽略不計，根據(jù)選型公式：

式中，T為阻力矩（N·M），F(xiàn)為阻力（N），L為阻力作用點到轉(zhuǎn)軸距離（mm）。

探頭實際安裝位置距轉(zhuǎn)軸中心170 mm，病體檢測時所需壓力約為30 N，確定所需轉(zhuǎn)矩為5.1 NM。綜合考慮，最終選取步進電機型號FHB3913-H，其主要參數(shù)見表2。

表2 步進電機參數(shù)Table 2 Stepping motor parameters

2.3 驅(qū)動模塊

步進電機不能直接接入工頻交流或者直流電源工作，應使用配套的驅(qū)動器。步進電機與步進電機驅(qū)動器組成步進電機驅(qū)動系統(tǒng)，采用單極性直流電源工作時，通過單片機控制驅(qū)動器將脈沖信號放大，使步進電機各相繞組按一定的時序通電，使其正常旋轉(zhuǎn)[5-6]。根據(jù)步進電機型號，本設計所選驅(qū)動器型號為JB3722，主要參數(shù)見表3。

表3 驅(qū)動模塊參數(shù)Table 3 Driver module parameters

2.4 單片機控制步進電機內(nèi)容

本系統(tǒng)采用51單片機并行控制方法，完成對控制脈沖的分配 ，用單片機的 3條 I/O口P0.0-P0.2直接控制步進電機（A-C相）每一相驅(qū)動電路（A-C相），由單片機按照通電順序向驅(qū)動電路發(fā)出控制脈沖[7-8]，電機采用三相六拍工作方式，運動相對平穩(wěn)，各相繞組通電順序：

A-AB-B-BC-C-CA-A（正轉(zhuǎn)）

A-AC-C-CB-B-BA-A（反轉(zhuǎn)）

步進電機三相六拍制脈沖分配見表4。

表4 三相六拍制脈沖分配Table 4 Pulse distribution

3 系統(tǒng)總控制流程

控制模塊組成結(jié)構(gòu)見圖2，主要由HX711壓力傳感器模塊，stc51單片機，以及驅(qū)動器、步進電機組成，手部傳感器施加一定范圍的小壓力，壓力信號1通過安裝在超聲探頭手柄部位HX711壓力傳感器模塊，將模擬電壓信號經(jīng)過內(nèi)部AD模塊放大、轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出傳遞給單片機處理。此時，信號輸出總線占用單片機2個普通IO口，信號經(jīng)過單片機處理后，通過單片機3條I/O口（P0.0-P0.2）輸出一定時序的脈沖信號[9-11]，脈沖信號經(jīng)過驅(qū)動器模塊JB3722放大，接入步進電機，驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，步進電機正向轉(zhuǎn)動后，帶動絲杠上滑塊探頭夾向下移動，當探頭夾帶動探頭觸碰到傳感器2時，壓力值達到病體檢測時所需的預設值，此時，壓力信號2通過安裝在探頭與探頭夾之間的HX711壓力傳感器模塊，將信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換，放大引入單片機內(nèi)部，實現(xiàn)中斷定時，探頭穩(wěn)壓。之后在達到中斷后預設的時間內(nèi)電機反轉(zhuǎn)，帶動絲桿上探頭夾上移，完成復位。過載保護主要通過單片機檢測傳感器2發(fā)出的信號控制步進電機反轉(zhuǎn)運動完成；當系統(tǒng)出現(xiàn)故障，步進電機一直正傳時，會促使絲桿帶動超聲探頭不斷加壓，達到超過正常病體檢測壓力的某個預設最大值時，安裝在探頭處的傳感器2，可以靈敏的檢測出此時的壓力值，將壓力信號及時傳送給單片機，單片機驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出報警，與此同時，控制步進電機迅速反轉(zhuǎn)，促使絲桿帶動探頭快速上移撤力?？偝绦蛄鞒桃妶D3。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 2 Control system structure diagram

圖3 總程序流程圖Fig 3 Program flow diagram

4 結(jié)束語

本設計第一次將單片機控制步進電機系統(tǒng)作為助力裝置引入到超聲探頭檢測中，而且充分考慮到安全性和經(jīng)濟性。在滿足安全、實用的基礎上，相比傳統(tǒng)助力器大大節(jié)約了成本造價。由于整個裝置集成化程度較高，而且在設計中傳感器、電機時序、轉(zhuǎn)速控制等程序都是模塊化設計，簡單快捷，效率較高。部件搭接過程中，由于沒有傳統(tǒng)的氣壓、液壓裝置，所以安裝精度要求相對較低。目前該裝置在最小系統(tǒng)學習板上采用小功率電機、傳感器等部件搭接以后，功能檢測能夠完全實現(xiàn)[12-15]。下一步將進一步改進完善以提高其可靠性和實用性。