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]
(1)BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
-
TRẦN THANH TRƯỜNG HÀO
NGHIÊN CỨU THIẾ T KẾ , ĐIỀU KHIỂ N BÀN
PHẪU THUẬT
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số ngành: 60520114
(2)
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
-
TRẦN THANH TRƯỜNG HÀO
NGHIÊN CỨU THIẾ T KẾ , ĐIỀU KHIỂ N 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
(3)CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN 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 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
1 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
5 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
(4)TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự – 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơđiện tử MSHV: 1341840010 I- Tên đề tài:
Nghiên cứu thiết kế, điều khiển 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 bộđiều 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 Nguyễn Tấn Tiến
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký)
(5)LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn PGS TS.Nguyễn Tấn Tiến, 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
Trần Thanh Trường Hào
(6)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 vô quý báu để tơi hồn thành khóa học
Tơi xin gửi đến PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến lịng 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
(7)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
(8)ABSTRACT
(9)MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CÁM ƠN ii
TÓM TẮT iii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
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
2.1.2 Tính tốn thiết kế khí 14
2.2 Đề xuất lựa chọn phương án khả thi phần điện 21
2.2.1 Tính tốn sơ bộđộ 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 bàn phím điều khiển 34
2.2.2.4 Bộđiều khiển cho 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
(10)3.1 Mục tiêu bộđiều khiển 44
3.2 Màn hình hiển thị nhút nhấn chọn chức 44
3.3 Sơđồ khối bộđiều khiển 46
3.4 Giao tiếp Master Slave 46
3.5 Giải thuật điều khiển 47
CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM 57
4.1 Thực nghiệm phần 57
4.2 Thực nghiệm phần điện 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
(11)DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ADC: Analog-to digital Converter AC: Alternating current
DC: Direct Curent
UPS: Uninterruptible Power Supply g_nd góc nghiêng đầu
g_nl góc nghiêng lưng
(12)DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật bàn phẫu thuật
Bảng 2.1 Khảo sát cấu nâng hạ chân phần mềm SAM 15
Bảng 2.2 Khảo sát cấu nâng hạ lưng phần mềm SAM 16
Bảng 2.3 Khảo sát cấu nâng hạđầu phần mềm SAM 17
Bảng 2.4 Khảo sát cấu nghiêng bàn phẫu thuật phần mềm SAM 18
Bảng 2.5 Thông số cấu nâng hạ chân, lưng đầu 24
Bảng 2.6 Giá trị thay đổi chiều dài đoạn thẳng AB 25
Bảng 2.7 Thông số 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 cấu chấp hành 27
Bảng 2.10 Bảng thơng số dịng điện tiêu thụ 29
Bảng 2.11 Bảng thống kê chi tiết sử dụng phương án 31
Bảng 2.12 Bảng thời gian lưu điện theo chếđộ hoạt động (phương án 2) 32
Bảng 2.13 Bảng thống kê chi tiết sử dụng phương án 33
Bảng 2.14 Bảng chọn mạch điều khiển động 35
Bảng 2.15 Số chân cần sử dụng đểđiều khiển cấu chấp hành 37
Bảng 2.16 Tính số chuẩn giao tiếp [14] 39
Bảng 3.1 Các chức chương trình điều khiển bàn phẫu thuật 45
Bảng 3.2 Giá trị truyền từ master xuống slave 46
Bảng 3.3 Góc nghiêng cấu chếđộ tựđộng 56
(13)(14)DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Cấu tạo chung bàn phẫu thuật
Hình 1.2.Bàn phẫu thuật Axis 400-800 [7]
Hình 1.3.Bàn phẫu thuật Arcus 601 [8]
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 6000 [12]
Hình 1.8 Chức bàn phẫu thuật
Hình 2.1 Minh họa cấu nâng hạ chân, lưng, đầu, nghiêng ngang mặt bàn nghiêng dọc mặt bàn
Hình 2.2 Nguyên lý sử dụng cấu tay quay trượt
Hình 2.3 Nguyên lý sử dụng cấu culit lắc
Hình 2.4 Khảo sát nguyên lý nâng hạ chân phần mềm SAM
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 Sơđồ 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 tuyến tính 14
(15)Hình 2.13a, b Cơ cấu nâng hạ lưng phần mềm SAM mơ hình 3D 16
Hình 2.14a, b Cơ cấu nâng hạđầu phần mềm SAM mơ hình 3D 17
Hình 2.15 a, b Cơ cấu nghiêng ngang mặt bàn phần mềm SAM mô hình 3D 19
Hình 2.16 a, b Cơ cấu nghiêng dọc mặt bàn phần mềm SAM mơ hình 3D 19 Hình 2.17a, b Cơ cấu xoay mặt bàn ngun lý mơ hình 3D 20
Hình 2.18a, b Cơ cấu nâng hạ mặt bàn ngun lý mơ hình 3D 21
Hình 2.19 Sơ đồ tổng quát hệ thống điện 22
Hình 2.20a, b, c Hình minh họa góc xoay cấu nâng hạ chân, lưng, đầu 24
Hình 2.21a, b Khảo sát sơ bộđộ thay đổi góc cấu nghiêng ngang mặt bàn, nghiêng dọc mặt bàn 26
Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý nguồn điện lưới ổn định 28
Hình 2.23 Sơ đồ nguyên lý nguồn điện lưới khơng ổn định 28
Hình 2.24 Sơ đồ hệ thống điện dùng bàn phẫu thuật 29
Hình 2.25 Mạch nguồn 5V-3A 31
Hình 2.26 Sơ đồ mạch điện nút nhấn 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 Master 40
Hình 2.32 Các chức Slave 40
Hình 2.33 Các chức Slave 41
(16)Hình 2.35 Hoạt động đọc ghi I2C 43
Hình 3.1 Bàn phím điều khiển LCD hiển thị 44
Hình 3.2 Sơđồ khối bộđiều khiển bàn phẫu thuật 46
Hình 3.3a, b Giải thuật chọn chếđộ Auto / Manual, Giải thuật qt phím 48
Hình 3.4 Giải thuật chọn chếđộđiều khiển Manual 49
Hình 3.5 Giải thuật chọn chếđộ Auto 50
Hình 3.6a,b Giải thuật chương trình điều khiển nâng hạđầu, nâng hạ lưng 51
Hình 3.7a,b Giải thuật chương trình điều khiển chân phải, chân trái 52
Hình 3.8a,b Giải thuật chương trình điều khiển nghiêng ngang, ngiêng dọc mặt bàn 53
Hình 3.9a,b Giải thuật chương trình điều khiển xoay mặt bàn nâng hạ mặt bàn 54
Giải thuật chương trình cho chếđộ tựđộng 55
Hình 3.10 Giải thuật chương trình cho chếđộ tựđộng 55
Hình 4.1a, 4.1b Mơ hình thiết kế 3D bàn phẫu thuật thực tế 58
Hình 4.2 Sơđồ khối thực nghiệm 61
Hình 4.3 Mơ hình thực nghiệm bộđiều khiển 61
Hình 4.4a, b, c Hình đọc ADC vị trí đầu, cuối, vị trí 62
Hình 4.5a Biểu đồ góc alpha hành trình động tuyến tính nâng hạ chân 63
Hình 4.6 Biểu đồ góc alpha hành trình động tuyến tính nâng hạ lưng 63
Hình 4.7 Biểu đồ góc alpha hành trình động tuyến tính nâng hạđầu 64
(17)Hình 4.9 Biểu đồ góc alpha hành trình động tuyến tính Nghiêng dọc mặt bàn 64
Hình 4.10a Biểu đồđáp ứng hệ thống chếđộ tựđộng cấu nâng hạđầu 65 Hình 4.10b Biểu đồđáp ứng hệ thống chếđộ tựđộng cấu nâng hạ lưng 65 Hình 4.10c Biểu đồđáp ứng hệ thống chếđộ tựđộng cấu nâng hạ chân trái 66
Hình 4.10d Biểu đồ đáp ứng hệ thống chế độ tự động cấu nâng hạ chân phải 66 Hình 4.10e Biểu đồ đáp ứng hệ thống chế độ tự động cấu nghiêng ngang mặt bàn 67 Hình 4.10f Biểu đồ đáp ứng hệ thống chếđộ tựđộng cấu nghiêng dọc mặt bàn 67
Hình 4.10g Biểu đồđáp ứng hệ thống chếđộ tựđộng cấu nâng hạ mặt bàn 68
(18)CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Ngày nay, với phát triển kinh tế xã hội đời sống vật chất tinh thần người quan tâm Trong đó, lĩnh vực y tế có vai trị quan trọng nhiệm vụ chăm lo sức khỏe cộng đồng Do trang thiết bị y tế địi hỏi có thay đổi nhằm nâng cao chất lượng phòng bệnh, khám bệnh điều trị bệnh Thiết bị hỗ trợ phẫu thuật đóng vai trị quan trọng q trình điều trị bệnh bàn phẫu thuật thiết bị Năm 2000, Bộ Khoa học Công nghệ ban hành Tiêu chuẩn Quốc gia Bàn MổĐa Năng (TCVN 6733 : 2000) Tuy nhiên số lượng nghiên cứu Bàn MổĐa Năng nước ta cịn Do đó, nghiên cứu dựa vào Tiêu chuẩn Quốc gia Bàn MổĐa Năng để xây dựng chức năng, cấu tạo bàn phẫu thuật nhằm tạo thiết bị “Bàn phẫu thuật” để ứng dụng nước
1.2 Lịch sử nghiên cứu
Tình hình nghiên cứu giới
Hiện nay, giới có nhiều nghiên cứu liên quan đến bàn phẫu thuật, sau nghiên cứu sản phẩm tiêu biểu:
+ “The Design of A New bed Adjustability Mechanism” nghiên cứu tác giả Mark Adrian van Rij, University of Auckland, năm 2001 Nghiên cứu với mục đích để chế tạo giường có thểđiều chỉnh được, có thểđiều chỉnh dễ dàng giá thành thấp Nghiên cứu thử nghiệm với loại truyền
động khác (Linear Actuator, Rotational Actuator, Duomat) để tìm truyền động phù hợp với thiết kế Nghiên cứu ưu điểm truyền động Duomat (một loại thiết bị truyền động hãng Dewert) giúp đơn giản hóa kết cấu giá thành thấp loại cấu chấp hành [1]
(19)of China Giường chịu 500 pound nhiều mẫu mã khác Giường sử dụng động cơđiện 120 V, 7A để thay đổi tư nằm có bàn
điều khiển nút nhấn [2]
+ “The Sizing Optimization of Hospital Bed Structure for Independently Supporting Left and or Right Leg Using Generic Algorithms” nghiên cứu tác giả: Rung Kittipichai Atthaphon Ariyarit, 6/2011 Nghiên cứu tập trung vào giường bệnh viện điều khiển độc lập chân trái phải Nghiên cứu sử dụng phương pháp Algorithms (GAS) FEA để giảm khối lượng giường kích thước giường [3]
+ “Biomechatronics and motor control of human movement” nghiên cứu tác giả David A Winter, University of Waterloo Nghiên cứu có phân bố trọng lượng chiều cao thể người [4]
+ Viện dinh dưỡng quốc gia (2010) Tổng điều tra dinh dưỡng 2009-2010 Nhà xuất Y học [5]
+ TCVN 6733:2000, Tiêu chuẩn quốc gia bàn mổđa Bộ tiêu chuẩn quy định yêu cầu sau: hình dáng kích thước bản, vật liệu, yêu cầu kỹ thuật, phương pháp thử, ghi nhãn đóng gói [6]
Một số sản phẩm có thị trường
Trên giới có nhiều hãng sản xuất loại bàn phẫu thuật khác như: Maquet, Steris, Trumpf, Berchtold, Schmitz, Schaerer, Medivaara, Alvo, Mediland, Inpromed, Sordina… Nghiên cứu sản phẩm có thị trường giúp tìm ưu, nhược điểm tảng
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 Bộ phận thường gồm cấu tương ứng với vị trị thể người: đầu, lưng, đùi chân
(20)+ Chân bàn: phần giữ cho mặt bàn thân bàn thăng Bộ phần tách rời với bàn gắn bánh xe để tiện di chuyển
1
1 Khâu đỡđầu Khâu đỡ lưng Khâu đỡđùi Khâu đỡ chân Khâu đỡ mặt bàn
5
Mặt bàn Thân bàn
Chân bàn
Hình 1.1 Cấu tạo chung bàn phẫu thuật
Trong đa số loại bàn phẫu thuật cấu đỡđầu, đùi chân thiết kế theo phận rời tháo lắp thay đổi vị trí cho nhau, tùy theo loại ca phẫu thuật Góc nghiêng cấu đỡ chân đầu điều chỉnh tay khơng điều chỉnh được, góc nghiêng cấu lại, chiều cao bàn phẫu thuật điều khiển
Kiểu không nâng hạ, không trượt
Hình 1.2.Bàn phẫu thuật Axis 400-800 [7]
Với loại kết cấu kiểu nhược điểm chiều cao không thay đổi