In this study: “Research to design, control Surgical Table”, the study is purpose to design an equipment in hospitals, Surgical Table can be change the patient's posture t[r]
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
-
TRẦN THANH TRƯỜNG HÀO
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, ĐIỀU KHIỂN BÀN
PHẪU THUẬT
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
Mã số ngành: 60520114
TP HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2015
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
-
TRẦN THANH TRƯỜNG HÀO
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, ĐIỀU KHIỂN BÀN
PHẪU THUẬT
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
Mã số ngành: 60520114
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN TẤN TIẾN
TP HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2015
Trang 3CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS, TS Nguyễn Tấn Tiến
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 16 tháng 08 năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
1 TS Nguyễn Thanh Phương Chủ tịch
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
TS Nguyễn Thanh Phương
Trang 4TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP.HCM, Ngày 12 Tháng 08 Năm 2015
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Trần Thanh Trường Hào Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 16/05/1987 Nơi sinh: Đồng Nai
I- Tên đề tài:
Nghiên cứ u thiết kế, điều khiển bàn phẫu thuật
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Tìm hiểu về các vấn đề liên quan đến nghiên cứu thiết kế, điều khiển bàn phẫu thuật
- Đề xuất và lựa chọn các phương án thiết kế
- Thiết kế bộ điều khiển hệ thống
- Thực nghiệm và kiểm tra kết quả
- Kết luận và hướng phát triển
III- Ngày giao nhiệm vụ: 18/8/2014
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 12/08/2015
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)
PGS TS Nguyễn Tấn Tiến
Trang 5LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS TS.Nguyễn Tấn Tiến, các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực
và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc
Trần Thanh Trường Hào
Trang 6LỜI CÁM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM đã tận tình chỉ dạy, truyền đạt, giúp tôi trang bị những kiến thức vô cùng quý báu để tôi
có thể hoàn thành khóa học
Tôi xin gửi đến PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến lòng tri ân sâu sắc nhất, khoảng thời
gian làm luận văn tuy không nhiều nhưng những kiến thức quý báu của thầy đã giúp
em hoàn thành luận văn Thạc Sĩ
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các anh lớp 13SCD11 đã cùng tôi sát cánh trong suốt khóa học Thạc Sỹ tại trường, khoảng thời gian tuy không dài nhưng cũng để lại nhiều kỉ niệm không thể phai mờ
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thành viên HitechMechatronicsLab đã sát cánh cùng tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này
Trang 7
TÓM TẮT
Luận văn: “Nghiên cứu thiết kế, điều khiển bàn phẫu thuật” là đề tài có mục tiêu thiết kế một thiết bị dùng trong bệnh viện, được điều khiển để thay đổi tư thế của bệnh nhân nhằm phục vụ quá trình phẫu thuật Luận văn đã giải giải quyết các vấn
đề sau: là tính toán để lựa chọn vị trí đặt cơ cấu chấp hành, xây dựng giải thuật điều
khiển và bộ điều khiển có độ ổn định và các chế độ điều khiển linh hoạt Kết cấu cơ khí được thiết kế dựa trên tầm vóc trung bình của người Việt Nam, các cơ cấu được
bố trị gọn gàng tạo thuận lợi cho thao tác của bác sĩ Yếu tố vệ sinh – an toàn trong lĩnh vực y tế là yêu cầu luôn được quan tâm trong suốt quá trình thực hiện đề tài Cấu tạo, vật liệu, tính an toàn và độ cứng vững phải đảm bảo tiêu chuẩn quốc gia về bàn
mổ đa năng (TCVN 6733: 2000)
Trang 8ABSTRACT
In this study: “Research to design, control Surgical Table”, the study is purpose
to design an equipment in hospitals, Surgical Table can be change the patient's posture to serve surgical process The study solved: the calculated choice actuator placement, building control algorithms and controller stability and flexible control mode Structural engineering design is based on the average stature of Vietnamese, the structures are neatly arranged to facilitate the manipulation of an operator Medical’s standard is concerned throughout the process to implement the project Components, materials, safety and rigidity to ensure national standards for Universal operating table (TCVN 6733: 2000)
Trang 9MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CÁM ƠN ii
TÓM TẮT iii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1
1.1.Đặt vấn đề 1
1.2 Lịch sử nghiên cứu 1
1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bàn phẫu thuật 2
1.4 Kết luận 5
CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 8
2.1 Đề xuất và lựa chọn phương án khả thi phần cơ 8
2.1.1 Các phương án khả thi 8
2.1.2 Tính toán thiết kế cơ khí 14
2.2 Đề xuất và lựa chọn phương án khả thi phần điện 21
2.2.1 Tính toán sơ bộ độ thay đổi góc của các cơ cấu 23
2.2.2 Đề xuất và lựa chọn phương án khả thi 27
2.2.2.1 Nguồn cung cấp và dự phòng 28
2.2.2.3 Khối hiển thị và bàn phím điều khiển 34
2.2.2.4 Bộ điều khiển cho cơ cấu chấp hành 34
2.2.2.5 Cảm biến đo góc quay 36
2.2.2.6 Bộ xử lý 37
2.2.2.7 Giao tiếp I2C [14] 42
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 44
Trang 103.1 Mục tiêu của bộ điều khiển 44
3.2 Màn hình hiển thị và nhút nhấn chọn chức năng 44
3.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển 46
3.4 Giao tiếp giữa Master và Slave 46
3.5 Giải thuật điều khiển 47
CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM 57
4.1 Thực nghiệm phần cơ 57
4.2 Thực nghiệm phần điện và điều khiển 60
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 69
5.1 Kết luận 69
5.2 Hướng Phát triển 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO 70
PHỤ LỤC 70
Trang 11DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ADC: Analog-to digital Converter AC: Alternating current
DC: Direct Curent UPS: Uninterruptible Power Supply g_nd là góc nghiêng đầu
g_nl là góc nghiêng lưng
g_ct là góc nghiêng của chân trái
g_cp là góc nghiêng của chân phải
g_ngn là góc nghiêng ngang mặt bàn
g_ngd là góc nghiêng dọc mặt bàn
h là chiều cao của bàn phẫu thuật
g_x là góc xoay của mặt bàn
Trang 12DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật của bàn phẫu thuật 6
Bảng 2.1 Khảo sát cơ cấu nâng hạ chân bằng phần mềm SAM 15
Bảng 2.2 Khảo sát cơ cấu nâng hạ lưng bằng phần mềm SAM 16
Bảng 2.3 Khảo sát cơ cấu nâng hạ đầu bằng phần mềm SAM 17
Bảng 2.4 Khảo sát cơ cấu nghiêng bàn phẫu thuật bằng phần mềm SAM 18
Bảng 2.5 Thông số của các cơ cấu nâng hạ chân, lưng và đầu 24
Bảng 2.6 Giá trị thay đổi chiều dài đoạn thẳng AB 25
Bảng 2.7 Thông số của các cơ cấu nghiêng dọc mặt bàn, nghiêng ngang mặt bàn 26 Bảng 2.8 Giá trị thay đổi chiều dài đoạn thẳng AB 27
Bảng 2.9 Bảng thông số kỹ thuật của cơ cấu chấp hành 27
Bảng 2.10 Bảng thông số dòng điện tiêu thụ 29
Bảng 2.11 Bảng thống kê chi tiết sử dụng ở phương án 1 31
Bảng 2.12 Bảng thời gian lưu điện theo từng chế độ hoạt động (phương án 1 và 2) 32
Bảng 2.13 Bảng thống kê chi tiết sử dụng ở phương án 2 33
Bảng 2.14 Bảng chọn mạch điều khiển động cơ 35
Bảng 2.15 Số chân cần sử dụng để điều khiển các cơ cấu chấp hành 37
Bảng 2.16 Tính năng của một số chuẩn giao tiếp [14] 39
Bảng 3.1 Các chức năng của chương trình điều khiển bàn phẫu thuật 45
Bảng 3.2 Giá trị truyền từ master xuống slave 46
Bảng 3.3 Góc nghiêng các cơ cấu ở chế độ tự động 56
Bảng 4.1 Thông số kiểm tra về góc quay của các cơ cấu quay và độ cao mặt bàn 59
Trang 13Bảng 4.2 Thông số kiểm tra về kích thước bàn và độ cao mặt bàn 59
Trang 14DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Cấu tạo chung của bàn phẫu thuật 3
Hình 1.2.Bàn phẫu thuật Axis 400-800 [7] 3
Hình 1.3.Bàn phẫu thuật Arcus 601 [8] 4
Hình 1.4 Bàn phẫu thuật Berchtold Operon D850 [9] 4
Hình 1.5 Bàn phẫu thuật Alvo Menuet 4-00 [10] 4
Hình 1.6 Bàn phẫu thuật Operon D820 [11] 5
Hình 1.7 Bàn phẫu thuật Skytron 6000 [12] 5
Hình 1.8 Chức năng cơ bản của bàn phẫu thuật 6
Hình 2.1 Minh họa cơ cấu nâng hạ chân, lưng, đầu, nghiêng ngang mặt bàn và nghiêng dọc mặt bàn 8
Hình 2.2 Nguyên lý sử dụng cơ cấu tay quay con trượt 9
Hình 2.3 Nguyên lý sử dụng cơ cấu culit lắc 9
Hình 2.4 Khảo sát nguyên lý nâng hạ chân bằng phần mềm SAM 9
Hình 2.5 Cơ cấu dạng cột 10
Hình 2.6 Cơ cấu dạng xếp 11
Hình 2.7 Cơ cấu hình bình hành 11
Hình 2.8 Cơ cấu xoay mặt bàn 12
Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý đề xuất cho bàn phẫu thuật 13
Hình 2.10 Một loại xi lanh thủy lực 13
Hình 2.11 Một loại động cơ tuyến tính 14
Hình 2.12 a, b Cơ cấu nâng hạ chân khảo sát cơ cấu nâng bằng phần mềm SAM và mô hình 3D 15
Trang 15Hình 2.13a, b Cơ cấu nâng hạ lưng bằng phần mềm SAM và mô hình 3D 16
Hình 2.14a, b Cơ cấu nâng hạ đầu bằng phần mềm SAM và mô hình 3D 17
Hình 2.15 a, b Cơ cấu nghiêng ngang mặt bàn bằng phần mềm SAM và mô hình 3D 19
Hình 2.16 a, b Cơ cấu nghiêng dọc mặt bàn bằng phần mềm SAM và mô hình 3D 19 Hình 2.17a, b Cơ cấu xoay mặt bàn nguyên lý và mô hình 3D 20
Hình 2.18a, b Cơ cấu nâng hạ mặt bàn nguyên lý và mô hình 3D 21
Hình 2.19 Sơ đồ tổng quát hệ thống điện 22
Hình 2.20a, b, c Hình minh họa góc xoay của cơ cấu nâng hạ chân, lưng, đầu 24
Hình 2.21a, b Khảo sát sơ bộ độ thay đổi góc của các cơ cấu nghiêng ngang mặt bàn, nghiêng dọc mặt bàn 26
Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý nguồn khi điện lưới ổn định 28
Hình 2.23 Sơ đồ nguyên lý nguồn khi điện lưới không ổn định 28
Hình 2.24 Sơ đồ hệ thống điện dùng trên bàn phẫu thuật 29
Hình 2.25 Mạch nguồn 5V-3A 31
Hình 2.26 Sơ đồ mạch điện nút nhấn và LCD 34
Hình 2.27 Sơ đồ gắn potentiometer 36
Hình 2.28 Hình nguyên lý Potentiometer J45S-5K 37
Hình 2.29 Hệ thống mạch điều khiển bàn phẫu thuật 38
Hình 2.30 Hệ thống điều khiển bàn phẫu thuật 39
Hình 2.31 Các chức năng của Master 40
Hình 2.32 Các chức năng của Slave 40
Hình 2.33 Các chức năng của Slave 41
Hình 2.34 Định dạng địa chỉ 7-bit và 10-bit trong I2C 42
Trang 16Hình 2.35 Hoạt động đọc và ghi trong I2C 43
Hình 3.1 Bàn phím điều khiển và LCD hiển thị 44
Hình 3.2 Sơ đồ khối bộ điều khiển bàn phẫu thuật 46
Hình 3.3a, b Giải thuật chọn chế độ Auto / Manual, Giải thuật quét phím 48
Hình 3.4 Giải thuật chọn chế độ điều khiển Manual 49
Hình 3.5 Giải thuật chọn chế độ Auto 50
Hình 3.6a,b Giải thuật chương trình con điều khiển nâng hạ đầu, nâng hạ lưng 51
Hình 3.7a,b Giải thuật chương trình con điều khiển chân phải, chân trái 52
Hình 3.8a,b Giải thuật chương trình con điều khiển nghiêng ngang, ngiêng dọc mặt bàn 53
Hình 3.9a,b Giải thuật chương trình con điều khiển xoay mặt bàn và nâng hạ mặt bàn 54
Giải thuật chương trình con cho các chế độ tự động 55
Hình 3.10 Giải thuật chương trình con cho các chế độ tự động 55
Hình 4.1a, 4.1b Mô hình thiết kế 3D và bàn phẫu thuật thực tế 58
Hình 4.2 Sơ đồ khối thực nghiệm 61
Hình 4.3 Mô hình thực nghiệm bộ điều khiển 61
Hình 4.4a, b, c Hình đọc ADC ở vị trí đầu, cuối, và vị trí bất kỳ 62
Hình 4.5a Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính nâng hạ chân 63
Hình 4.6 Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính nâng hạ lưng 63
Hình 4.7 Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính nâng hạ đầu 64
Hình 4.8 Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính Nghiêng ngang mặt bàn 64
Trang 17Hình 4.9 Biểu đồ góc alpha và hành trình động cơ tuyến tính Nghiêng dọc mặt bàn 64 Hình 4.10a Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ đầu 65 Hình 4.10b Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ lưng 65 Hình 4.10c Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ chân trái 66 Hình 4.10d Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ chân phải 66 Hình 4.10e Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nghiêng ngang mặt bàn 67 Hình 4.10f Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nghiêng dọc mặt bàn 67 Hình 4.10g Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu nâng hạ mặt bàn 68 Hình 4.10h Biểu đồ đáp ứng của hệ thống ở chế độ tự động cơ cấu xoay mặt bàn 68
Trang 18CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Ngày nay, cùng với sự phát triển về kinh tế xã hội thì đời sống vật chất cũng như tinh thần của con người càng được quan tâm Trong đó, lĩnh vực y tế có vai trò quan trọng trong nhiệm vụ chăm lo sức khỏe cộng đồng Do đó các trang thiết bị y tế cũng đòi hỏi có sự thay đổi nhằm nâng cao chất lượng phòng bệnh, khám bệnh và điều trị bệnh Thiết bị hỗ trợ phẫu thuật đóng vai trò quan trọng trong quá trình điều trị bệnh và bàn phẫu thuật là một trong những thiết bị đó Năm 2000, Bộ Khoa học và Công nghệ đã ban hành Tiêu chuẩn Quốc gia về Bàn Mổ Đa Năng (TCVN 6733 : 2000) Tuy nhiên số lượng nghiên cứu về Bàn
Mổ Đa Năng ở nước ta còn ít Do đó, nghiên cứu này dựa vào Tiêu chuẩn Quốc gia về Bàn Mổ Đa Năng để xây dựng các chức năng, cấu tạo của bàn phẫu thuật nhằm tạo ra một thiết bị “Bàn phẫu thuật” để ứng dụng trong nước
1.2 Lịch sử nghiên cứu
Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Hiện nay, trên thế giới đã có khá nhiều các nghiên cứu liên quan đến bàn phẫu thuật, sau đây là những nghiên cứu và sản phẩm tiêu biểu:
+ “The Design of A New bed Adjustability Mechanism” là nghiên cứu của tác giả Mark Adrian van Rij, University of Auckland, năm 2001 Nghiên cứu này với mục đích để chế tạo ra giường có thể điều chỉnh được, có thể điều chỉnh
dễ dàng và giá thành thấp Nghiên cứu này đã thử nghiệm với 3 loại bộ truyền
động khác nhau (Linear Actuator, Rotational Actuator, Duomat) để tìm ra bộ
truyền động phù hợp nhất với thiết kế này Nghiên cứu này đã chỉ ra ưu điểm của bộ truyền động Duomat (một loại thiết bị truyền động của hãng Dewert) sẽ giúp đơn giản hóa kết cấu và giá thành thấp hơn 2 loại cơ cấu chấp hành kia [1] + “Evaluation and Design of a Hospital Bed to be Manufactured and Used
in China” là nghiên cứu của 2 tác giả Brian Catalano, Todd Coolidge và các thành viên Huazhong University of Science and Tech, 10/2006 Nghiên cứu với mục tiêu tạo ra giường bệnh viện hiện đại nhằm phục vụ trong nước Republic
Trang 19of China Giường có thể chịu được 500 pound và nhiều mẫu mã khác nhau Giường sử dụng 3 động cơ điện 120 V, 7A để thay đổi các tư thế nằm và có bàn
điều khiển bằng nút nhấn [2]
+ “The Sizing Optimization of Hospital Bed Structure for Independently Supporting Left and or Right Leg Using Generic Algorithms” là nghiên cứu của
2 tác giả: Rung Kittipichai và Atthaphon Ariyarit, 6/2011 Nghiên cứu này sẽ tập trung vào chiếc giường bệnh viện có thể điều khiển độc lập chân trái hoặc phải Nghiên cứu sử dụng phương pháp Algorithms (GAS) và FEA để giảm khối lượng giường và kích thước giường [3]
+ “Biomechatronics and motor control of human movement” là nghiên cứu của tác giả David A Winter, University of Waterloo Nghiên cứu này có chỉ ra
sự phân bố trọng lượng và chiều cao trên cơ thể người [4]
+ Viện dinh dưỡng quốc gia (2010) Tổng điều tra dinh dưỡng 2009-2010 Nhà xuất bản Y học [5]
+ TCVN 6733:2000, Tiêu chuẩn quốc gia về bàn mổ đa năng Bộ tiêu chuẩn này quy định những yêu cầu cơ bản như sau: hình dáng và kích thước
cơ bản, vật liệu, yêu cầu kỹ thuật, phương pháp thử, ghi nhãn và đóng gói [6]
Một số sản phẩm có trên thị trường
Trên thế giới đã có nhiều hãng sản xuất các loại bàn phẫu thuật khác nhau như: Maquet, Steris, Trumpf, Berchtold, Schmitz, Schaerer, Medivaara, Alvo, Mediland, Inpromed, Sordina… Nghiên cứu những sản phẩm hiện có trên thị trường sẽ giúp chúng ta tìm được những ưu, nhược điểm và đây sẽ là nền tảng
để thiết kế bàn phẫu thuật
1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bàn phẫu thuật
Bàn phẫu thuật gồm có 3 bộ phận chính:
+ Mặt bàn: là phần mà bệnh nhân nằm lên, có thể thay đổi tư thế cho phù hợp với từng tư thế phẫu thuật khác nhau Bộ phận này thường gồm 4 cơ cấu tương ứng với 4 vị trị trên cơ thể người: đầu, lưng, đùi và chân
+ Thân bàn: là phần thay đổi chiều cao, góc nghiêng của bàn