CC BY
83
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных исследований (РФФИ). Грант № 99-Q2-17575.
УДК 631.
УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ СКАНЕРЫ СИСТЕМЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ И ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ЛИТОТРИПТЕРА ЛУ-1
П.В. Иванов, Е.И. Ситало
НИИ физики Ростовского государственного университета Россия, 344090, г.Ростов-на-Дону, пр.Стачки, 194.
Тел: (8632)-285815,285055, факс: (8632)-285044, E-mail: [email protected]
Введение
Литотриптер ЛУ-1 предназначен для экстракорпорального разрушения почечных конкрементов (камней) размером от 6 мм и более в условиях стационаров[1]. В литотриптере применен многоэлементный пьезоэлектрический осесимметричный кольцевой фокусирующий излучатель ультразвуковых волн -силовая антенная решетка. Наведение фокуса силовой антенной решетки на конкремент и его разрушение проводится под контролем ультразвукового визуализатора. Датчики системы визуализации (далее - сканеры) снабжены устройствами позиционирования, с помощью которых определяются пространственные координаты сканера относительно фокуса силовой антенной решетки. В данной работе рассмотрены принципы построения одного из важнейших функциональных узлов литотриптера - системы сканирования и позиционирования.
Назначение
Система сканирования и позиционирования литотриптера предназначена
для:
-углового перемещения ультразвукового излучателя внешнего сканера визуализатора в заданных пределах с определенной точностью;
-измерения угла смещения ультразвукового излучателя внешнего сканера визуализатора;
-измерения пространственных координат ультразвукового излучателя внешнего сканера визуализатора в заданных пределах с определенной точностью;
-углового перемещения ультразвукового излучателя центрального сканера визуализатора в заданных пределах с определенной точностью;
-измерения угла смещения ультразвукового излучателя центрального сканера визуализатора;
-поворота плоскости сканирования излучателя центрального сканера визуализатора вокруг оси симметрии силовой антенной решетки и измерения угла поворота с определенной точностью.
Состав
В состав системы сканирования и позиционирования входят:
1) внешний сканер;
2) устройство позиционирования внешнего сканера;
3) центральный сканер;
4) устройство позиционирования центрального сканера.
Внешний сканер
В качестве внешнего сканера применен разработанный сканер механический, секторный. Сканер представляет собой компактное малогабаритное устройство, предназначенное для излучения и приема ультразвуковой энергии.
Для обеспечения сканирования излучателя на ±30 или ±45 град. предусмотренмеханизм, преобразующий вращение входного вала в качание излучающего элемента. Механизм размещён в головке сканера, входной вал его герметизирован резиновым уплотнением. Входной вал головки сочленен с приводом через шлицевую муфту, позволяющую компенсировать некоторую несоосность вала привода механизма сканирования и выходного вала редуктора.
Приводом устройства сканирования служит электродвигатель постоянного тока, питаемый безопасным для оператора и пациента напряжением (6-12 В). Так как двигатель имеет достаточно высокую скорость вращения выходного вала, а для нормального сканирования излучателя необходима более низкая, между этими частями устройства размещен редуктор, согласующий скорости вращения вала привода механизма сканирования и вала двигателя.
Редуктор выполнен в виде двухступенчатой зубчатой прямозубой передачи с общим передаточным отношением 8. Дополнительно (кроме зубчатой передачи) в корпусе редуктора размещены два инфракрасных фотодиода системы съема угловых координат излучателя.
Ультразвуковой излучатель размещен в герметичной, заполненной звукопроводящей жидкостью, головке сканера. Колпачок головки выполнен из материала, слабо поглощающего ультразвук. Кроме функции герметизации объёма головки, колпачок дополнительно обеспечивает механическую защиту излучателя от внешних механических воздействий и качественный акустический контакт с телом пациента. Ввод и вывод электрических сигналов излучателя обеспечен наличием в головке герметизированных проходных контактов, изолированных от корпуса устройства.
Головка,редуктор и двигатель объединены в одно целое с помощью двух корпусов. Корпуса определяют взаимное положение этих устройств и, кроме этого, служат для размещения двух инфракрасных светодиодов системы съема угловых координат излучателя.
На входном и выходном валах редуктора установлены диски с расположенными по окружности окнами. Вращаясь между соосно расположенными парами свето- и фотодиодов, диски, за счет наличия в них окон, механическим путем модулируют поток инфракрасного излучения. Этот модулированный сигнал в дальнейшем используется для определения угловых координат излучателя.
Дополнительно к этим основным узлам сканера, в корпусе размещены две платы, содержащие электронную схему фильтрации напряжения питания электродвигателя и усиления сигнала фотодатчиков. Платы выполнены методом печатного монтажа и закреплены на корпусе двумя кронштейнами. Провода объемного монтажа объединяются в общий жгут и через отверстие в задней стенке корпуса выводятся во внешний объем.
Конструктивно сканер размещен в разъемном пластмассовом корпусе, обеспечивающем удобство размещения в руке оператора во время работы. Материалы корпуса сканера нетоксичны и позволяют производить дезинфицирование внешней поверхности холодным способом по ОСТ 42-21-1-85.
Массогабаритные характеристики сканера превосходят известные отечественные аналоги.
Устройство позиционирования внешнего сканера Это устройство предназначено для измерения пространственных координат излучателя внешнего сканера в заданных пределах с определенной точностью.
Кинематическая схема
Устройство позиционирования состоит из четырех звеньев и сканера. Звенья соединены между собой с помощью шарнирного устройства, являющегося одновременно механизмом отсчета (рис.1).
Звено 1 неподвижно. Звенья 2 и 3 позволяют перемещать и вращать сканер в вертикальной плоскости, звено 4 позволяет вращать сканер вокруг оси,
перпендикулярной указанной плоскости. Укрепленное в звене 4 отсчетное устройство соединено с помощью втулки-корпуса со сканером и позволяет вращать последний вокруг своей оси.
' Звено 4 '
Сигналы, численно равные величине угла поворота звена, усиливаются с помощью схемы, размещенной на плате внутри корпуса звена. Монтажные провода проходят внутри корпуса звеньев к неподвижному звену 1.
Отсчетное устройство Отсчетное устройство должно обеспечить требуемую точность отсчета угла поворота звена. Отсчетное устройство состоит из трех пар зубчатой передачи Z6 и Z5 , Z4иZ3,Z2иZh расположенных в едином корпусе на осях (рис.2):
IV
III
И
ф
Рис. 2
на оси I - 2Ь
на оси II - 22 и 23,
на оси III - 24 и 25,
на оси IV - Ъ6.
Ось IV является опорной осью звена. На оси I расположен диск Д с окнами, расположенными по окружности. Диск разделяет две соосно расположенные пары светодиод-фотодиод, вырабатывающие сигналы при вращении диска. Количество выработанных сигналов определяет угол поворота звена. Пары светодиод-фотодиод расположены по углу с шагом, не кратным шагу окон на диске, что дает возможность определить направление вращения звена.
Передаточное отношение отсчетного устройства равно 180 и распределено следующим образом:
Z6 Z4 Z2
- =6 — =6 — =5.
Z5 Z3 ^
При 21=23=25=12:
г6 =72; г4 =72; г2=60.
На диске Д равномерно расположено 64 окна на диаметре 26 мм. Наружный
диаметр диска - 28 мм.
Модуль зубчатых колес 26 и 25 - 0,5мм; 24, 23, 22, 21 - 0,3мм.
Габаритные размеры отсчетного устройства: 82x44x50 мм. Размер 50 включает подшипниковые опоры оси IV.
Проведенный расчет погрешности механизма отсчетного устройства
позволяет сделать следующие выводы:
- трехступенчатый механизм отсчетного устройства с коэффициентом передачи 180 обеспечивает точность отсчета ±0,002 рад или ±1мм на плече 0,5 м;
- наибольшую погрешность вносит кинематическая точность передачи, поэтому зубчатые колеса 26 и 25 должны быть изготовлены по третьей степени точности и быть безлюфтовыми;
- достаточно иметь шарикоподшипники пятого класса точности.
Центральный сканер и устройство его позиционирования Центральный сканер и устройство его позиционирования выполнены в виде единой сборочной единицы, устанавливаемой в отверстие в днище зеркала силовой антенной решетки через герметизирующую прокладку.
Сканер имеет возможность регулировки угла наклона по отношению к оси симметрии силовой антенной решетки в пределах ±2 град. с точностью 0,2 град.
Сканер обеспечивает возвратно-качательное движение излучателя ультразвуковых колебаний в иммерсионной среде с частотой 3...12 Гц в пределах рабочего сектора ±12 град. и обеспечивает определение положения излучателя в процессе его движения в пределах рабочего сектора ±12 град. с точностью ±0,05 град.
Конструкция крепления датчика угла обеспечивает возможность юстировки начального углового положения датчика угла смещения пьезопреобразователя в пределах ±5 град. Регулировка начального положения сканера и угла наклона излучателя производится на работающем литотрипторе.
Устройство позиционирования центрального сканера предназначено для поворота плоскости сканирования центрального сканера вокруг оси симметрии силовой антенной решетки и измерение угла этого поворота.
Поворот плоскости сканирования достигается поворотом центрального сканера вокруг его продольной оси. Позиционирование производится электромеханическим устройством поворота и обеспечивает поворот плоскости сканирования вокруг оси симметрии силовой антенной решетки на 180 град. со скоростью до 10 град./с и измерение положения с точностью 1 град. В качестве измерителя угла поворота использован СКВТ, аналогичный примененным в устройстве позиционирования внешнего сканера.
В состав центрального сканера входят: ультразвуковой излучатель; механизм сканирования; редукторы; двигатели.
Излучатель выполнен аналогично излучателю внешнего сканера, имеет аналогичный ему редуктор и двухвальный двигатель. Ввиду того, что излучатель размещен непосредственно в рабочей жидкости, которой заполнена силовая антенная решетка, для изготовления деталей механизма применены материалы и покрытия стойкие в имерсионной жидкости, заполняющей рабочий объем силовой антенной решетки. Для предотвращения проникновения иммерсионной жидкости в зону размещения редукторов, двигателей и элементов электрической схемы, применены резиновые кольцевые защитные уплотнения.
Угол сканирования излучателя ±12 или ±30 градусов обеспечивается механизмом, который преобразует вращение входного вала в колебательные движения излучателя. Определение угла поворота механизма качания излучателя осуществляется датчиком 2,5 БВТ. Датчик присоединен ко второму валу двигателя через редуктор, идентичный редуктору привода механизма качания излучателя для обеспечения равенства углов поворота.
Система позиционирования (поворота) сканера вокруг своей продольной оси на ±90 градусов состоит из поводкового устройства, редуктора и двигателя. Выход угла поворота сканера за пределы ±90 градусов исключается конечными выключателями. Опоры вращения выполнены на шарикоподшипниках, которые обеспечивают необходимые требования по радиальным биениям устройства во время работы. Для согласования скорости поворота корпуса и скорости вращения вала электродвигателя, между ними размещен редуктор с передаточным числом 3125. Поводковая муфта позволяет механически разъединить устройство привода и поворотную часть механизма для вывода жгута управления из визуализатора и выборки люфтов. Уплотнение поворотной части визуализатора выполняется резиновым кольцом.
Монтаж центрального сканера с системой позиционирования в силовой антенной решетке производится за фланец. Для юстировки положения оси сканера на фланце размещено устройство, позволяющее смещать ось сканера на угол ±2 град. в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях с последующей фиксацией в выбранном положении. Герметичность обеспечивается резиновыми уплотняющими прокладками. Провода питания, управления, сигнальные цепи выведены во внешний объем через отверстие во фланце. Фланец крепится к отверстию в днище зеркала силовой антенной решетки на винтах, затяжкой которых обеспечивается одновременно как фиксация устройства, так и герметизация стыка крепежных плоскостей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Цихоцкий Е.С., Иванов П.В., Ситало Е.И., Усанов В.А., Калмычек А.А. Дистанционный ударно-волновой литотриптер с пьезоэлектрической генерацией ЛУ-1 // Материалы Всероссийской научно-технической конференции
“Медицинские информационные системы - МИС-98”, Таганрог, 1998г. / Изв. ТРТУ, 1998, №4, С150-153.
