Nghiên cứu thiết kế, điều khiển bàn phẫu thuật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - TRÂN THANH TRƯƠNG HAO 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 năm 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - TRÂN THANH TRƯƠNG HAO NGHIÊN CỨU THIÊT KÊ, ĐIÊU KHIÊN 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 TÂN TIÊN TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2015 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS, TS Nguyễn Tân Tiên (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 16 tháng 08 năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: TT Họ tên Chức danh Hội đồng TS Nguyễn Thanh Phương Chủ tịch TS Võ Hoàng Duy Phản biện TS Nguyễn Duy Anh Phản biện PGS TS Lê Hữu Sơn Ủy viên TS Nguyễn Hùng Ủy viên, Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TS Nguyễn Thanh Phương TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP HCM CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự – Hạnh phúc TP.HCM, Ngày 12 Tháng 08 Năm 2015 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Trân Thanh Trương Hao Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 16/05/1987 Nơi sinh: Đồng Nai Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử MSHV: 1341840010 I- Tên đề tài: Nghiên cứu thiêt kê, điêu khiên bàn phẫu thuật II- Nhiệm vụ nội dung: - Tìm hiểu vấn đề liên quan đến nghiên cứu thiết kế, điều khiển bàn phẫu thuật - Đề xuất lựa chọn phương án thiết kế - Thiết kế điều khiển hệ thống - Thực nghiệm kiểm tra kết - Kết luận hướng phát triển III- Ngày giao nhiệm vụ: 18/8/2014 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 12/08/2015 V- Cán hướng dẫn: PGS TS Nguyên Tân Tiên CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) PGS TS Nguyên Tân Tiên KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn PGS TS.Nguyễn Tân Tiên, số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Trân Thanh Trương Hao ii LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường Đại Học Cơng Nghệ TP.HCM tận tình dạy, truyền đạt, giúp trang bị kiến thức vơ q báu để tơi hồn thành khóa học Tơi xin gửi đến PGS.TS Nguyễn Tân Tiên lòng tri ân sâu sắc nhất, khoảng thời gian làm luận văn không nhiều kiến thức quý báu thầy giúp em hoàn thành luận văn Thạc Sĩ Tôi xin gửi lời cảm ơn đến anh lớp 13SCD11 sát cánh suốt khóa học Thạc Sỹ trường, khoảng thời gian không dài để lại nhiều kỉ niệm phai mờ Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thành viên HitechMechatronicsLab sát cánh tơi suốt q trình thực luận văn Trân Thanh Trương Hao TÓM TẮT Luận văn: “Nghiên cứu thiết kế, điều khiển bàn phẫu thuật” đề tài có mục tiêu thiết kế thiết bị dùng bệnh viện, điều khiển để thay đổi tư bệnh nhân nhằm phục vụ trình phẫu thuật Luận văn giải giải vấn đề sau: tính tốn để lựa chọn vị trí đặt cấu chấp hành, xây dựng giải thuật điều khiển điều khiển có độ ổn định chế độ điều khiển linh hoạt Kết cấu khí thiết kế dựa tầm vóc trung bình người Việt Nam, cấu bố trị gọn gàng tạo thuận lợi cho thao tác bác sĩ Yếu tố vệ sinh – an toàn lĩnh vực y tế yêu cầu quan tâm suốt trình thực đề tài Cấu tạo, vật liệu, tính an tồn độ cứng vững phải đảm bảo tiêu chuẩn quốc gia bàn mổ đa (TCVN 6733: 2000) ABSTRACT 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) MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii TÓM TẮT iii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .1 1.1.Đặt vấn đề 1.2 Lịch sử nghiên cứu 1.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động bàn phẫu thuật 1.4 Kết luận CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.1 Đề xuất lựa chọn phương án khả thi phần 2.1.1 Các phương án khả thi .8 2.1.2 Tính tốn thiết kế khí 14 2.2 Đề xuất lựa .21 chọn phương án khả thi phần điện 2.2.1 Tính tốn sơ độ thay đổi góc cấu 23 2.2.2 Đề xuất lựa chọn phương án khả thi 27 2.2.2.1 Nguồn cung cấp dự phòng .28 2.2.2.3 Khối hiển thị 34 bàn phím điều khiển 2.2.2.4 Bộ điều khiển cho cấu chấp hành 34 2.2.2.5 Cảm biến đo góc quay 36 2.2.2.6 Bộ xử 37 2.2.2.7 Giao tiếp 42 I2C lý [14] CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 44 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC [1] Mark Adrian van Rij (Dec, 2001) The Design of A New bed Adjustability Mechanism Master Dissertation, Department of Mechanical Engineering, The University of Auckland [2] Brian Catalano et al (Oct/2006) Evaluation and Design of a Hospital Bed to be Manufactured and Used in China Degree of Bachelor of Science, Huazhong Uni of Science and Tech., China [3] Rung Kittipichai et al (2011) ‘The Sizing Optimization of Hospital Bed Structure for Independently Supporting Left and or Right Leg Using Generic Algorithms’, Int'l Journal of Moldeling and Optimization, Vol 1, No 2, pp 122128 [4] David A Winter (2009) Biomechanics and Motor Control of Human Movement Fourth Edition John Wiley & Sons, United States of America [5] Viện dinh dưỡng quốc gia (2010) Tổng điều tra dinh dưỡng 2009-2010 Nhà xuất Y học, Hà Nội [6] Ban kỹ thuật tiêu chuẩn TCVN/TC150 (2008) Tiêu chuẩn Việt Nam bàn mổ đa năng, Bộ Khoa học Công nghệ, TCVN 6733 : 2000 [7] Schaerer Medical AG (2013) Mobile operating tables for all weight categories and surgical applications (Axis 400-800) [online], từ < http://www.schaerermedical.ch/ > [8] Schaerer Medical AG (2012) Mobile operating tables (Arcus 601) For all surgical applications [online], từ < http://www.schaerermedical.ch/ > [9] BERCHTOLD Corporation (2011) Operon® d 850 surgical tables (Berchtold Operon D850) [online], từ < www.berchtoldusa.com > [10] Alvo Medical (2011) Operating table (Alvo Menuet 4-00) [online], từ < www.alvo.plc > 71 [11] BERCHTOLD Corporation (2011) Operon® d 820 surgical tables (Operon D820) [online], từ < www.berchtoldusa.com > [12] Skytron Elite series surgical tables Model elite 6000n/6001n Maintenance manual (Skytron 6000) [online], từ < http://www.berchtold.biz/en > [13] Eschmann Holdings Ltd Operating table [online], từ < www.eschmann.co.uk > [14] Philips Semiconductors (2003) Application note [online], từ < http://www.semiconductors.philips.com/i2c > 72 PHỤ LỤC A HÌNH PHÂN BỐ TRỌNG LƯỢNG TRÊN CƠ THỂ NGƯỜI 73 PHỤ LỤC B HÌNH PHÂN BỐ CHIỀU CAO TRÊN CƠ THỂ NGƯỜI 74 PHỤ LỤC C SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN CHO VI ĐIỀU KHIỂN ĐẢM NHIỆM MASTER 75 PHỤ LỤC D SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN CHO VI ĐIỀU KHIỂN ĐẢM NHIỆM SLVAE 76 PHỤ LỤC E TIÊU CHUẨN QUỐC GIA TCVN 6733 : 2000 BÀN MỔ ĐA NĂNG Universal operating table Lời nói đầu TCVN 6733 : 2000 Ban kỹ thuật tiêu chuẩn TCVN/TC150 "Trang thiết bị y tế” biên soạn, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đề nghị, Bộ Khoa học, Công nghệ Môi trường (nay Bộ Khoa học Công nghệ) ban hành Tiêu chuẩn chuyển đổi năm 2008 từ Tiêu chuẩn Việt Nam số hiệu thành Tiêu chuẩn Quốc gia theo quy định khoản Điều 69 Luật Tiêu chuẩn Quy chuẩn kỹ thuật điểm a khoản Điều Nghị định số 127/2007/NĐ-CP ngày 1/8/2007 Chính phủ quy định chi tiết thi hành số điều Luật Tiêu chuẩn Quy chuẩn kỹ thuật BÀN MỔ ĐA NĂNG Universal operating table Phạm vi áp dụng Tiêu chuẩn áp dụng cho bàn mổ đa điều khiển thủy lực (sau gọi bàn mổ), sử dụng cho ca mổ từ đơn giản đến phức tạp Bàn mổ điều chỉnh để cố định người bệnh cách nhanh chóng, xác suốt q trình phẫu thuật, đảm bảo hạn chế tới mức tối đa rủi ro xảy Tiêu chuẩn trích dẫn TCVN 1691 - 75 Mối hàn hồ quang điện tay 77 Hình dáng kích thước Hình dáng phận kích thước bàn mổ minh họa Hình Sai lệch kích thước cho phép ± % Kích thước tính milimét Vật liệu 4.1 Các loại thép dùng làm bàn mổ thép khơng gỉ thép thường 4.2 Mặt bàn cụm đỡ chân, đỡ tay, đỡ đầu bọc lớp đệm mút dày 50 mm, đệm bọc vật liệu không thấm nước 4.3 Tất cụm đỡ vai, đỡ sườn, đỡ tay, đỡ đùi bọc lớp đệm mút độ dày ÷ 12 mm, đệm bọc vật liệu không thấm nước 4.4 Các bánh xe làm vật liệu chịu mài mòn chịu áp lực lớn vật liệu khác có độ bền tương đương 4.5 Dầu dùng cho bàn mổ hoạt động dầu cơng nghiệp 90 dầu khác có độ nhớt tương đương Yêu cầu kỹ thuật 5.1 Yêu cầu chung 78 5.1.1 Bàn mổ phải điều chỉnh dễ dàng theo phương phải cố định chắn tư điều chỉnh, cho bệnh nhân cố định chắn vị trí thuận lợi để phẫu thuật Phạm vi điều chỉnh quy định sau: - Góc quay mặt bàn quanh trụ đỡ, độ: 360; - Chiều cao mặt bàn, mm: 750 ÷ 1030 (tính từ mặt sàn); - Góc nghiêng ngang mặt bàn, độ: (-25) ÷ (+25); - Góc nghiêng dọc mặt bàn, độ: (-27) ÷ (+27); - Góc nghiêng khung đỡ đầu, độ: (-22) ÷ (+22) - Góc nâng khung đỡ lưng, độ: ÷ 70; - Chiều cao mổ thận, mm: ÷ 130 (tính từ mặt bàn); - Góc quay khung đỡ đầu, độ: ÷ (+25) 5.1.2 Bàn mổ phải chịu tải trọng 100 kg giữ nguyên vị trí suốt trình phẫu thuật Các khung giá đỡ phụ phải chịu tải trọng tương ứng quy định sau: - Giá đỡ chân chịu tải trọng: 20 kg/giá; - Giá đỡ đùi chịu tải trọng: 20 kg/giá; - Giá đỡ tay chịu tải trọng: 10 kg/giá; - Giá đỡ đầu chịu tải trọng: 10 kg/giá; - Giá đỡ vai chịu tải trọng: 50 kg/2giá; - Giá đỡ sườn chịu tải trọng: 50 kg/3giá Trong suốt trình phẫu thuật, tất khung giá đỡ phụ không tự xoay, tụt nới lỏng 5.1.3 Các mối hàn phải ngấu, không khuyết lõm, rỗ nứt, theo TCVN 1691 - 75 79 5.1.4 Bàn mổ phải đủ cứng vững đảm bảo không bị biến dạng rung lắc vị trí điều chỉnh 5.1.5 Tồn chi tiết lộ ngồi, góc cạnh, vít, đai ốc phải làm cùn cạnh sắc vát mép, vê tròn đầu, làm ba via Tồn chi tiết thép khơng gỉ đánh bóng phương pháp điện hóa Tồn chi tiết thép cacbon lộ sơn phủ lớp sơn bột tĩnh điện mạ niken-crom, lớp mạ dày 10 ÷ 15 m Lớp mạ sáng bóng, đều, khơng bong chân kim 5.1.6 Bàn mổ phải có khả chịu mơi trường nóng ẩm mà khơng bị gỉ, chi tiết mạ sơn không bị bong rộp 5.1.7 Các khung, giá đỡ phụ lắp ráp tháo rời khỏi bàn cách dễ dàng, thuận lợi 5.1.8 Bàn mổ sau lắp ráp phải cân xứng, vững cố định vị trí điều chỉnh thích hợp Khi mặt bàn vị trí nằm ngang tất khung đỡ chân, đỡ tay, đỡ đầu mặt bàn phải đồng phẳng, song song với mặt sàn cân trụ đỡ bàn 5.2 Yêu cầu phận 5.2.1 Các đệm mút phải cố định chắn với mặt bàn đỡ phụ khác Đệm mút phải có kết cấu tháo lắp dễ dàng dễ lau rửa, không ngấm nước chất lỏng khác Đệm phải không giữ mùi sau làm 5.2.2 Chiều cao mặt bàn phải nâng hạ theo yêu cầu bác sỹ phẫu thuật Bơm dầu nâng hạ bàn phải làm việc nhẹ nhàng, không kẹt cứng rơ lỏng Hành trình nâng lên bàn sau lần đạp phải đạt mm ÷ 10 mm Lực đạp có tải 100 kg khơng lớn 50 N 80 5.2.3 Đế bàn mổ phải chắn, đảm bảo bàn ổn định vị trí điều chỉnh mặt bàn Đế bàn lắp bốn bánh xe vật liệu chịu mài mòn Bốn bánh xe phải tiếp xúc phẳng Các bánh xe quay trơn nhẹ, không kẹt cứng rơ lắc Khi hãm, bàn phải cố định chắn 5.2.4 Tất tay quay, cần đạp, núm vặn để điều chỉnh phải để vị trí thuận lợi cho việc thao tác, không ảnh hưởng tới người phục vụ bác sỹ phẫu thuật Các thao tác điều chỉnh phải nhẹ nhàng, không kẹt cứng rơ lỏng Lực quay điều chỉnh không lớn 10 N Các cấu điều chỉnh phải êm nhẹ, không gây tiếng ồn không rung động mạnh Phương pháp thử 6.1 Trước kiểm tra, bàn mổ lắp ráp theo hướng dẫn nhà sản xuất 6.2 Kiểm tra hình dáng, kích thước mối hàn mắt thường dụng cụ đo thông thường (thước lá, thước cặp, thước đo độ) 6.3 Kiểm tra khả chịu tải Đặt bàn mổ phẳng Nâng bàn lên vị trí cao Đặt tải trọng 400 kg, phân bố mặt bàn thời gian 60 s Lần lượt đặt tải trọng 200 kg lên cụm đỡ chân, đỡ tay, đỡ đầu, đỡ đùi, đỡ vai, đỡ sườn thời gian 60 s Kết coi đạt nếu: Các khung không bị biến dạng Các mối hàn không bị bong Các mối ghép không bị nới lỏng Các lớp sơn mạ khơng bị bong tróc 6.4 Kiểm tra độ bền 6.4.1 Kiểm tra độ vững mặt bàn (Hình 2) Dùng tải thử vật hình cầu, bán kính khoảng 125 mm, khối lượng 10 kg gỗ cứng vật liệu tương đương Đệm thử mút mềm bọc polyetylen, dày 50 mm 81 Để bàn mổ nằm ngang Đặt đệm thử lên mặt bàn Cho tải thử rơi tự 000 lần, với tốc độ lần/phút từ độ cao 150 mm tính từ điểm rơi xuống mặt bàn Điểm rơi bốn góc bàn, tâm bàn đầu cụm đỡ chân Kết coi đạt nếu: Bàn mổ không bị bong nứt mối hàn Tại điểm tác dụng lực, lớp mạ lớp sơn không bong tróc Các mối ghép khơng bị nới lỏng Mặt bàn bị võng khơng lớn mm Hình - Sơ đồ vị trí điểm rơi 6.4.2 Kiểm tra độ bền va đập (Hình 3) Dùng tải thử vật hình cầu gỗ có khối lượng kg làm lắc, bán kính lắc 300 mm Đặt bàn phẳng, bốn bánh xe có lăn cao 15 mm Đặt lắc vị trí nằm ngang, cho rơi tự đập vào thân bàn 10 lần điểm khung bàn Kết coi đạt nếu: Khung bàn điểm lực tác dụng không bị biến dạng Các mối hàn không bị bong Các phận khác không bị hư hỏng 82 6.5 Kiểm tra ổn định vị trí 6.5.1 Đặt bàn mổ phẳng Đặt tải trọng 200 kg điều chỉnh bàn vị trí cao thời gian 24 h Kết coi đạt nếu: Mặt bàn hạ xuống không lớn mm 6.5.2 Điều chỉnh bàn vị trí cao Đặt bàn mổ mặt phẳng nghiêng 10° so với mặt ngang (Hình 4) Bốn chân bánh xe chặn chặn cao 15 mm Trên mặt bàn đặt tải trọng 100 kg Điều chỉnh cho mặt bàn tư ổn định Kết coi đạt nếu: Bàn mổ không bị nghiêng đổ Các bánh xe phía đối diện khơng bị nhấc lên khỏi mặt sàn Các phận điều chỉnh không bị mắc kẹt Bơm dầu hoạt động tốt 83 6.6 Kiểm tra khả chống gỉ Kiểm tra khả chống gỉ điều kiện: đặt bàn mổ mơi trường thử có nhiệt độ 28 °C, độ ẩm 90 % 16 h liền Sau phun nước khử ion (nước mềm) có nhiệt độ 40 °C ngày Kiểm tra coi đạt nếu: Các bề mặt bàn mổ không bị gỉ Các chi tiết mạ không bị bong rộp Ghi nhãn bao gói 7.1 Nhãn hiệu hàng hóa sở sản xuất gắn nơi dễ nhận biết 7.2 Trước bao gói, tồn phận gá phụ (đỡ chân, đỡ tay, đỡ sườn, đỡ vai khung chân) tháo rời 7.2.1 Các chi tiết kim loại phủ lớp dầu bảo quản mỏng, bọc lớp giấy chống ẩm đựng túi polyetylen 7.2.2 Thân bàn mổ cho vào hòm gỗ khơng mối mọt Đế bàn cố định chắn với đáy hòm, xung quanh chèn bìa cactong chống xô lệch 84 7.2.3 Đệm mút đựng túi polyetylen dán kín để hòm với thân bàn 7.2.4 Các phận đỡ phụ phụ tùng kèm theo đặt hòm gỗ khơng mối mọt Các phận buộc chặt với để tránh xây xước vận chuyển 7.3 Mỗi thùng phải kèm theo túi đựng tài liệu: hướng dẫn lắp ráp phiếu bao gói, dụng cụ tháo lắp kèm theo (clê, tuốc-nơ-vít, kìm ) 7.4 Ngồi thùng bao bì phải có nhãn ghi rõ nội dung sau: - Tên sản phẩm; - Tên địa sở sản xuất; - Khối lượng tịnh, khối lượng bì sản phẩm; - Số đăng ký; - Số lô sản xuất; - Tên tiêu chuẩn áp dụng; - Ngày tháng xuất xưởng; - Dấu hiệu bảo quản: tránh mưa, tránh va đập ... chân d) Nghiêng dọc mặt bàn e) Nâng hạ toàn mặt bàn f) Dang hai chân 36 0° g) Nghiêng ngang mặt bàn h Xoay mặt bàn 360˚ Hình 1.8 Chức bàn phẫu thuật Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật bàn phẫu thuật Tên... để thiết kế bàn phẫu thuật 1.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động bàn phẫu thuật Bàn phẫu thuật gồm có phận chính: + Mặt bàn: phần mà bệnh nhân nằm lên, thay đổi tư cho phù hợp với tư phẫu thuật khác... Hình 1.4 Bàn phẫu thuật Berchtold Operon D850 [9] Hình 1.5 Bàn phẫu thuật Alvo Menuet 4-00 [10] Hình 1.6 Bàn phẫu thuật Operon D820 [11] Hình 1.7 Bàn phẫu thuật Skytron