一種醫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學工程學院，山西 太原030024）

1 引 言

B超檢測是常用的醫學診斷手段。據統計，長期從事B超檢測，存在手部關節損傷、病變的醫務人員在百分之七十以上[1]。

目前，國內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動活塞相連接，通過液體壓力能的變化來傳遞能量，經過多種控制閥和管路的傳遞，借助于液壓執行元件（液壓缸或馬達），把液體壓力能轉換為機械能，從而驅動工作機構，實現直線往復運動[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，使得整個系統相對比較龐大，當部件出現故障更換時，更換比較復雜。鑒于此，該設計并未在醫院得到應用。

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量很小，整個系統在體積和靈敏度上占有很大優勢。實際操作和醫生手持探頭病體檢測時區別不大，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，在操作方便的基礎上，加大了安全系數，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

新型助力裝置結構圖，見圖1。

圖1 系統整體結構圖Fig 1 System structure diagram

如圖1所示，醫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的平面內做三百六十度旋轉。第二水平臂5和第一水平臂3通過圓柱銷4聯接，使其可以繞圓柱銷4轉動，第二水平臂5和第一水平臂3在同一水平平面內轉動。豎直臂6和第二水平臂5也是通過圓柱銷連接，實現豎直臂6在豎直面內擺動。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，達到保護作用。探頭夾10前后兩側分別設置有擋板12，擋板的頂端和豎直臂連接，其作用是在絲桿轉動時阻止探頭夾10做圓周轉動，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處的壓力傳感器發送給單片機一個信號，單片機瞬時控制步進電機7正轉，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反轉從而實現壓力減小。

2.1 絲桿螺母副

本設計聯接部分采用滾珠絲桿螺母副，其結構特點為：有螺旋槽的絲桿螺母間裝有滾珠，將回轉運動轉化為直線運動時，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見表1。

表1 絲桿螺母副參數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，根據選型公式：

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

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

表2 步進電機參數Table 2 Stepping motor parameters

2.3 驅動模塊

步進電機不能直接接入工頻交流或者直流電源工作，應使用配套的驅動器。步進電機與步進電機驅動器組成步進電機驅動系統，采用單極性直流電源工作時，通過單片機控制驅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[5-6]。根據步進電機型號，本設計所選驅動器型號為JB3722，主要參數見表3。

表3 驅動模塊參數Table 3 Driver module parameters

2.4 單片機控制步進電機內容

本系統采用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）每一相驅動電路（A-C相），由單片機按照通電順序向驅動電路發出控制脈沖[7-8]，電機采用三相六拍工作方式，運動相對平穩，各相繞組通電順序：

A-AB-B-BC-C-CA-A（正轉）

A-AC-C-CB-B-BA-A（反轉）

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 系統總控制流程

控制模塊組成結構見圖2，主要由HX711壓力傳感器模塊，stc51單片機，以及驅動器、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，將模擬電壓信號經過內部AD模塊放大、轉換為數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]，脈沖信號經過驅動器模塊JB3722放大，接入步進電機，驅動步進電機轉動，步進電機正向轉動后，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AD轉換，放大引入單片機內部，實現中斷定時，探頭穩壓。之后在達到中斷后預設的時間內電機反轉，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發出的信號控制步進電機反轉運動完成；當系統出現故障，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，單片機驅動蜂鳴器發出報警，與此同時，控制步進電機迅速反轉，促使絲桿帶動探頭快速上移撤力。總程序流程見圖3。

圖2 控制系統結構圖Fig 2 Control system structure diagram

圖3 總程序流程圖Fig 3 Program flow diagram

4 結束語

本設計第一次將單片機控制步進電機系統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濟性。在滿足安全、實用的基礎上，相比傳統助力器大大節約了成本造價。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[12-15]。下一步將進一步改進完善以提高其可靠性和實用性。