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作者:林浩瑋 (2000-07-06),核可:徐業良 (2000-07-10)
附註:本文為八十八學年度元智大學機械工程研究所林浩瑋碩士論文第三章。

腦部手術用自動進給骨骼鑽孔平台設計

腦部手術用鑽孔平台設計中最關鍵的功能,是自動進給、感測鑽穿骨骼便停止的控制,本研究中這部份的發展歷經三代不同的設計。本章首先介紹這部份功能的設計歷程,並深入介紹最後完成之結合自動與手動進給的第三代骨骼鑽孔器。此項關鍵功能達成後,接下來便設計一夾持用機械手臂,將其與自動進給鑽孔器整合成鑽孔平台,可避免因手術鑽孔時手部抖動而影響到手術安全。

3.1 腦部手術自動進給骨骼鑽孔器設計

3.1.1 設計規範

腦部手術或其他外科手術中,醫師經常必須在骨骼鑽孔。目前醫療上所使用的電鑽都是靠醫生手持進給,全憑醫生的手感來判斷是否已經鑽穿骨骼,本研究便是要設計自動進給並能感測穿過頭骨內硬度不同骨質的訊號的骨骼鑽孔器,且以適用於腦部手術鑽穿頭骨為主要考量。經過與長庚醫院腦神經外科醫生討論,歸納出本骨骼鑽孔器的設計需求如下:

q     鑽穿未知厚度的頭骨時,電鑽停止旋轉鑽孔。

q     鑽穿頭骨時,要停止進給且過衝量(overshoot)不得超過2mm,以免傷及腦膜。

q     結合自動進給與手動進給模式的穩定進給平台。

q     平台的機構動作能靈活的從不同角度進刀。

q     當自動偵測到鑽穿頭骨的訊號時,控制器能聲音或是警告燈號顯示。

q     系統要顯示鑽頭深入骨骼的深度,以利後續醫療處理。

q     骨骼鑽孔器與機械手臂結合介面模組化設計。

q     對於手術安全性的考量比鑽孔時間更具關鍵性。

3.1.2 歷代腦部手術自動進給骨骼鑽孔器概念設計

骨骼是硬骨包圍著質地較軟的海綿骨質形成三層的骨質構造,而並非只有單一骨質組織所形成的,因此醫生對頭骨進行鑽孔時會感覺到在不同骨質時施力難易的變化關係。如圖3.1所示,開始鑽到第一層硬骨質時,必須施較大的力進給;而進入質地較軟的海綿骨質時,可減少施力通過第二層;當進入第三層硬骨質時必須再施較大的力才能通過。因此醫生以鑽孔時遇到的阻力變化,大略得知已鑽穿頭骨的第一層硬骨質,然後繼續往下進給直到進入第三層硬骨,此時醫生必須要謹慎判斷是否鑽穿頭骨,當鑽穿頭骨反作用力會消失而再施力會有過衝(overshoot)的現象,此時電鑽必須立即停止旋轉鑽孔、及停止進給以免傷及顱內的腦神經組織。

3.1 頭骨構造與鑽孔過程施力變化圖

本研究主要進行發展架構如圖3.2所示,共分成三個階段進行,第一階段主要在達成鑽孔器自動進給且鑽穿停止的功能;第二階段則將骨骼鑽孔器機構縮小化,將電路整合於一控制箱,並用醫生提供之人頭蓋骨為被鑽孔的實驗材料,進一步驗證本研究應用於腦部手術鑽孔之可行性;接下來進一步將骨骼鑽孔器設計改為手工具型式,並將手動與自動進給模式整合。最後第三階段的目標是將腦部手術自動進給骨骼鑽孔平台,與醫院現有的無框式光學定位系統整合,使骨骼鑽孔平台具有影像導航的功能,結合手術定位與骨骼鑽孔,達成醫療自動化的目標。

3.2 腦部手術骨骼鑽孔自動進給系統研究發展架構圖

以下便詳細描述開發過程中產生第一、第二代鑽孔機的設計歷程及目的。

q 第一代骨骼鑽孔器:達成自動進給且鑽穿停止的功能

第一代的鑽孔器硬體架構如圖3.3所示,主要利用步進馬達搭配微步進驅動器為自動進給動力來源,透過連軸器及滾珠螺桿,將馬達旋轉運動轉換成軸向自動進給,於滑塊基座上固定一直流馬達電鑽用來鑽孔切削骨骼,再搭配線性電位計來量測軸向位移,以顯示鑽穿骨骼時的深度。利用擷取直流馬達電鑽的電流訊號來判斷骨頭的硬度質地不同的組織。系統感測與進給的控制是應用模糊控制的方式來實現,整體規格如表3.1所示。

3.3 第一代自動進給骨骼鑽孔器硬體結構圖〔陳嘉文,1999

3.1 第一代自動進給骨骼鑽孔器硬體規格表

元件

功能及規格說明

步進馬達

·基本步進角1.8

·扭矩 13.5 kg-cm

·額定電壓4.5V/phase,額定電流2A/phase

步進馬達驅動器

·輸入電源DC24V2A以上

·驅動電流1.5A

·微步進驅動

電源供應器

DC 24V2A以上

滾珠螺桿

·直立時步進馬達無激磁的情形下可支撐3公斤,能自鎖。

·作動行程250mm、雙螺帽(有預壓)、導程10mm

線性電位計(電阻尺)

·準確度為全刻度之±0.05%

·電阻5KW

·最大拉伸長度150mm

電鑽

·直流馬達

·110V直流電源

由於人的頭骨取得不易,故在第一階段被鑽物體是用兩層壓克力板來模擬硬骨質,中間是用較軟的油土來模擬軟骨質,利用鑽孔時直流馬達扭力與電流成正比的特性,以電流變化作為感測訊號。圖3.4是測試結果,橫座標為鑽孔時間,縱座標是將電鑽的電流訊號透過感測器轉換成電壓訊號的變化,由圖形可以看出穿透不同硬度質地(硬骨到軟骨、軟骨到鑽穿第三層硬骨質)時,有兩個陡降的訊號變化,可用以判斷骨骼是否鑽穿。

3.4 電鑽電流訊號圖

第一代骨骼鑽孔器驗證利用電鑽電流值變化作為偵測鑽穿判斷訊號的可行性,接下來就朝著將要整體機構縮小化的目標改良。

q 第二代骨骼鑽孔器:機構縮小化的手工具

第二代骨骼鑽孔器與前一代的最大差別是在硬體架構設計上,將機構縮小化並設計一個型架來夾持電鑽達成自動進給的目標,整體重量大幅減輕為1.5kg,可以手持方式使用。第二代骨骼鑽孔器的設計目標如下:

q     機構縮小化,但仍能提供進給穩定的功能。

q     操作方式模組化(可分為純手動、型架手動進給、型架自動進給三種)。

q     感測到鑽穿頭骨的訊號後,滑座停止進給且電鑽停止鑽孔。

第二代骨骼鑽孔器結構設計的概念如圖3.5所示,為了縮小自動進給動力源的體積,而改採扭力9kg-cm的步進馬達,扭力規格比第一代的13.5kg-cm小。在手動進給模式方面,醫生亦可透過轉動手搖柄的方式,經過連軸器、牙條、及滑座將旋轉運動轉成軸向進給。

3.5 鑽孔器型架結構設計概念圖

第二代的自動進給骨骼鑽孔平台整體系統,是由電鑽、型架、訊號擷取控制盒、及電腦整合而成(如圖3.6所示)。本系統操作模式可分為純手動進給模式(即醫生徒手握持電鑽鑽孔)、型架手動進給、型架自動進給三種操作模式。在型架手動進給模式下,醫生旋轉手搖柄進行骨骼鑽孔(如圖3.7所示),手搖柄每轉動1圈電鑽進給1.5875mm,依醫生操作時的轉動手搖桿的速度不同,進給速率約介於0.19mm/s~1.38mm/s的範圍。

3.6 第二代自動進給骨骼鑽孔平台整合圖

3.7 型架手動進給模式操作圖

而自動進給模式則由步進馬達以微步進驅動方式(每1600個脈波控制訊號,步進馬達旋轉一圈,電鑽進給10mm)進給,進給速率約為0.22mm/s。被鑽物體則是採用長庚醫院所提供的一塊人的頭蓋骨為實驗材料,在鑽孔的過程中,透過感測器將電鑽的電流訊號轉換成電壓訊號變化,再將其對時間的變化趨勢、及鑽孔深度對時間的變化趨勢顯示於圖3.8,由圖形可以觀察到在鑽真正的人骨時,本系統亦可以感測到人骨硬度質地的不同界面,驗證當本系統感測到鑽穿頭骨的訊號時,可達成立即自動停止鑽孔、停止進給、並顯示鑽孔深度的功能。

3.8 第二代自動進給鑽孔器鑽人骨訊號圖

第二代系統可以再改良設計之重點如下:

(1)   型架手動進給操作模式鑽穿頭骨時應能停止進給

型架手動操作時,第二代系統只能在感測到鑽穿訊號時,將電鑽停止鑽孔的動作,而實際的進給是靠醫生的手去轉動手搖柄所控制的,也就是說,即使當鑽穿的警示燈亮時,若醫生繼續轉動手搖柄還是有可能造成軸向的過衝量(手搖柄每轉一圈進給1.58mm)而傷及腦膜。

(2)   人機界面應再改進

第二代系統中電鑽電源開關是屬於常開開關,在操作時必須用手指一直按著,若在鑽孔過程手指沒有緊緊按住,會影響到對於鑽穿訊號的判斷。此外第二代系統整體機構仍不方便醫生握持。

(3)   型架與各元件的空間配置應再改進

由於型架下方有一個步進馬達及一塊底座,可能會影響電鑽鑽孔時與病人頭部界面的安全,可將步進馬達置於型架上方的方式來修正。

3.2 第三代自動進給骨骼鑽孔平台細部設計

第三代骨骼鑽孔器除改善前述第二代設計之缺點,包括手動進給模式修正、電鑽開關、病人頭部與鑽孔器界面之外,更與一小型機械手臂結合,提供空間中靈活的六個自由度,並可將鑽孔器穩定地在手術規劃的點鑽孔進給。在機械手臂或型架適當處貼上至少三個標記,以本系統的標記、病人頭部標記為媒介,再利用長庚醫院從國外引進的無框式光學定位系統進行座標轉換,就能將本系統與斷層掃描座標系統整合,完成定位與自動進給鑽孔整合。

3.2.1 模組化設計概念

第三代自動進給骨骼鑽孔器採用模組化設計的概念,在單一平台整合各種模組,在不同手術場合下提供醫生不同的使用需求。在只需要在適當的位置鑽孔,並顯示鑽孔深度以便後續打骨釘等,而定位的準確性對於手術安全較不具關鍵性的一般骨科手術,醫生可以選擇純手動、型架手動、型架自動進給等三種模式,在已知的固定點鑽孔;而在定位性準確性要求比較高的腦部手術,則可搭配具有六個自由度操作靈活的機械手臂挾持鑽孔器使用,配合醫院現有的無框式光學定位系統,將鑽頭引導到手術規劃軟體所產生的頭骨定點達成穩定鑽孔的目標。在不同模式操作所需之所有器材均設計成容易拆解、結合的模組,且可搭配現有鑽頭,不須將鑽頭做任何改裝。

第三代骨骼鑽孔平台子系統的區分及各子系統的設計需求如圖3.9所示,主要分為骨骼鑽孔器及機械手臂兩部份,鑽孔器又分為硬體機構、軟體控制、及訊號擷取三個子系統,細部的子系統設計將於後續章節詳細介紹。

3.9 骨骼鑽孔平台子系統區分圖

3.2.2 鑽孔器硬體機構設計

鑽孔器硬體機構應具備的功能為穩定自動或手動進給、方便操作,且在模組化的考量下,避免破壞原本的電鑽,設計一個型架來夾住電鑽進給。在考量進給速度規格小於2mm/sec的條件下,由表3.2各式馬達比較表可以得知,步進馬達是適合用於做進給控制的動力來源,而控制步進馬達是藉著脈波數及步進角,所以能慢速驅動,適合低速高扭力的應用場合,再加上步進馬達可以瞬間停止運動的特性,最符合鑽穿時停止進給的目標

3.2 各種馬達的比較

 

三相感應馬達

單相感應馬達

直流馬達

伺服馬達

步進馬達

驅動訊號

交流

交流

直流

直流/交流

脈衝

控制方式

工業電子/變頻器

工業電子/變頻器

工業電子

閉迴路/Encoder

開迴路/步進角

應答時間

 

 

 

0.15sec

0.2sec

優點

高速大轉矩

構造簡單

構造簡單

高速高應答

低價位高精度

缺點

體積龐大

需啟動器

出力較小

複雜、價高

失步、噪音

運用場合

大動力提供

較小動力提供

小動力提供

高速高精度

低速高精度

3.10為腦部手術第三代自動進給鑽孔器的機構設計圖,電鑽本身是靠滑塊的面與長方體鎖住,形成三點固定,此項設計也可以適用外型直徑不同的電鑽。左方有一個橫置的長方柄,為左手扶持處。鑽孔用的是直流馬達鑽頭,可以利用直流馬達扭力跟電流成正比的關係,以量測電流訊號來作為判斷鑽穿骨骼的重要訊號,這項技術已經於前兩代的實驗驗證其可行性。而進給方式是採取步進馬達輸出軸直接透過連軸器帶動牙條,再透過滑塊夾持電鑽做軸向的鑽孔。此外,設計一根頂桿與病人頭部接觸,使電鑽有個頭部法線方向支撐點,可以抵消鑽穿骨骼時向下的軸向慣性力,以減少過衝量的產生。

3.10 腦部手術第三代自動進給鑽孔器配置圖

鑽孔器採用的步進馬達是雙軸的,一軸接連軸器,另一軸接手搖柄。型架手動模式是醫生手握住長方柄穩住電鑽,而一手則轉動手搖柄,步進馬達在鑽穿骨骼時定子全部激磁,而造成轉子被保持(hold)住,形成制動煞車的功能,可避免因為手的過度施力而造成過衝。第三代自動進給鑽孔器整體之功能規格如表3.3所示,其中手動進給速度因不同使用者轉動手搖柄的速度而異;而詳細硬體元件規格如表3.4所示,其中直流馬達轉速、容許鑽孔深度、及鑽頭刀刃最大直徑這三項規格,會隨著挾持不同電鑽的規格而異,本研究之型架採用模組化設計,只要電鑽本體直徑介於2050mm,型架皆可將所挾持的電鑽穩定的固定於滑座上。

3.3 自動進給鑽孔器整體功能規格

整體功能

規格

整體重量(不含電鑽)

1kg

單軸有效進給行程

60mm

可挾持的電鑽本體直徑

2050mm

全長(含可調頂桿長度)

200300mm

自動進給速度

0.5mm/s

手動進給速度

手轉動手搖柄約速度0.2mm/s~1.5mm/s

3.4 自動進給鑽孔器硬體元件規格

細部元件

規格

步進馬達

3 kg-cm

步進馬達驅動器

400 pulse/rev

牙條

導程5/8(1.5875mm)

直流馬達轉速

11500 rpm

容許鑽孔深度

30mm

鑽頭刀刃最大直徑

3mm

3.2.3 第三代鑽孔器訊號擷取及馬達控制系統

整個鑽孔平台需要擷取電位計的位移訊號以顯示在軸向的進給深度,同時並需擷取電鑽的電流訊號作為判斷鑽穿骨骼的依據。經過模糊規則判斷後,控制訊號輸出則包括輸出脈波訊號控制步進馬達自動進給、及轉子全部激磁形成制動力以防止手動進給模式時的過衝量。整個系統訊號流程如圖3.11所示。

3.11 訊號處理流程圖

線性電位計電源及繼電器線圈端電壓為5V穩壓電源電路,其電路圖如3.12所示。整個訊號擷取系統的電路設計如圖3.13所示,電鑽電流訊號及電位計的位置訊號,經過低通濾波器做雜訊處理,再接到類比數位轉換卡的2個頻道(channel 0channel 1),此外透過8255輸出輸入界面卡的類比輸出功能將訊號經過電晶體推動繼電器切斷電鑽電源。

3.12 電位計5V穩壓電源電路圖

3.13 訊號擷取電路圖

步進馬達需搭配驅動器一起使用,驅動器與8255卡接線如圖3.14所示,在驅動器CW+端輸入脈波訊號,則馬達順時針轉(CW);在“Hold off端輸入一個高電位的訊號,則此時步進馬達不具保持力(Hold off),可以用手轉動轉子,亦即在型架手動模式下未鑽穿骨骼時持續進給的動作,在“Hold off端輸入一個低電位的訊號可保持住轉子,產生煞車制動力。

3.14 步進馬達控制接線圖

3.15為控制電路箱的面板說明,在模組化的考量下,將訊號擷取電路整合成控制箱可以將電鑽直接插入,電腦就可以透過類比數位換卡擷取電鑽電流訊號及進給位置訊號,並有一個紅色警示燈來表示鑽頭頂端已經鑽穿頭骨。

3.15 控制電路箱

3.2.5 模糊控制的應用及軟體界面

模糊控制是以人的經驗為基礎,將其經驗之口語化的敘述,透過“IF-THEN”轉換成模糊規則庫,輸入變數經過模糊化、推論、解模糊的步驟產生輸出之控制訊號,來實現模糊控制器。在本研究中,醫生在手術時骨骼鑽孔的經驗是:

(1)    當電鑽鑽穿第一次(硬骨質到軟質骨)時,手可以感受的到阻力變小,此時繼續鑽孔時,進給速度要變慢。

(2)    為了鑽穿最內層的硬骨質,醫生需要施的力較大,當電鑽鑽穿第二次(最內層的硬骨質與腦膜間)時,手持電鑽要停止進給。在突穿的瞬間阻力會變小,醫生要避免因手往下的慣性力造成過衝(overshoot)而傷及腦膜。

將上述醫生的經驗,轉換成模糊規則庫如圖3.16所示,“位置”、“鑽穿次數”、“電鑽電流訊號”是模糊控制的輸入變數;而“電鑽運轉”、“進給速度”是輸出變數。

3.16 模糊控制規則庫

本研究採用「fuzzyTECH」套裝軟體[fuzzyTECH 5.0 user’s manual, 1997建構模糊控制架構,將結果並編譯(complier)C語言來控制硬體,輸入、輸出變數的術語分別以標準歸屬函數來定義,敘述如下。

q 輸入變數

(1)   電鑽電流訊號(drill_signal)

電鑽電流訊號經過感測器轉換成電壓訊號的範圍為05V,根據實驗訂出“高(high)”、“中等(medium)”、“低(low)”三種術語,其歸屬函數如圖3.17所示。

3.17 電鑽電流歸屬函數

(2)   位置(position)

位置是指軸向電位計的位移訊號,本研究所用的電位計全長100mm,將其定義“遠(far)”、“近(close)”兩個術語,“far”表示鑽頭離頭骨的位置較遠,其歸屬函數如圖3.18所示。

3.18 位置的歸屬函數

(3)   鑽穿次數(state_counter)

本研究醫生手持電鑽鑽骨骼時,手部受到鑽孔反力的感覺由大變小,定為鑽穿次數。在鑽孔的過程中,第一次鑽穿的是當鑽頭由硬骨質到軟骨質,以“鑽穿一次(one)”的術語表示;第二次鑽穿是指鑽穿內層的硬骨質,以“鑽穿兩次(two)”的術語表示之,其歸屬函數如圖3.19所示。

3.19 鑽穿次數歸屬函數

q 輸出變數

(1)   電鑽運轉狀態(drill_state)

電鑽運轉用兩種術語定義:“true”表示正常提供電鑽電源,“false”表示切斷電鑽電源,其歸屬函數如圖3.20所示。

3.20 電鑽運轉狀態歸屬函數

(2)   進給速度(feed_rate)

將進給速度分成三種術語:“正向非常快(very_positive)”、“正向正常速度(positive)”、“零(zero)”(如圖3.21所示),其中“very_positive”表示進給速度非常快(最大1mm/s);“zero”表示進給速度為0

3.21 進給速度歸屬函數

將輸出、輸入變數、及醫生的經驗寫成模糊規則庫如圖3.22所示:

3.22 模糊規則庫

模糊規則庫經過Min.-Max.推論法[Mamdani, 1974]及解模糊化(defuzzification)將結果輸出(如圖3.23所示),常用的解模糊化的方式有最大中心法(CoM)及最大平均法(MoM)兩種,輸出語言變數“Feed_rate”是採用最大中心法,因為進給速度以連續性變化來進給可使電鑽進給時較順暢平穩,所以應採用連續性較好的最大中心法(CoM)來解模糊化;而輸出語言變數“drill_state”則是採用最大平均法(MoM)來解模糊化,因電鑽運轉只有開或關兩種動作,較適合用離散性較佳最大平均法(MoM)來結模糊化。

3.23 輸入變數經過推論及解模糊輸出過程圖

本研究軟體控制界面如圖3.24所示,可監控位置訊號(position)、電鑽電流訊號變化(drill)、進給深度(depth)、及存檔,其人機界面是用MATLAB套裝軟體整合各種操作模式,主畫面如圖3.25所示,分為自動進給模式及手動進給模式兩大部份,可輸入號碼進行功能選擇,例如輸入1為自動進給實驗模式,輸入2可以將訊號以圖形方式顯示。

3.24 軟體監控畫面

3.25 選擇操作模式主畫面

3.3 機械手臂結構設計

醫生在鑽孔前要根據手術前所規劃的定點(頭骨表面離病灶最接近的點),將電鑽移到定點以徒手扶持的方式進給鑽孔,若以機械手臂挾持電鑽,可避免因為手部抖動造成的影響,更可以進一步與手術定位系統結合。挾持電鑽的機械手臂設計需求如下:

q     機械手臂與鑽孔器結合界面模組化。

q     機械手臂能夾持骨骼鑽孔器,並在手術空間範圍內從不同角度靈活移動。

q     機械手臂夾持骨骼鑽孔器到定點之後,要能固定不動,以提供單一軸向進給使骨骼鑽孔能穩定地進行。

q     機械手臂要能與醫院現有設備(無框式光學定位系統)整合,協助引導定位。

q     機械手臂要能讓醫生方便操作。

我們針對上述機械手臂功能上的設計需求,提出三個設計概念:

(1) 馬達驅動式機械手臂

工業用馬達驅動式機械手臂具有5個自由度(如圖3.26),在直線及旋轉動皆由馬達控制,電鑽夾持於上臂負責軸向自動進給骨骼鑽孔,其他關節負責定位及提供進給時的穩定性及結構剛性。傳統的工業用馬達驅動的機器人因為體型粗大,不適用於醫療手術方面[Glauser et al., 1991],且需要較多的馬達及位置感測器來達成回授控制,且多軸傳動可能造成定位誤差累積影響精度,對於使用者來說,在操作上方式較不直覺,其優點是整體結構剛性較好。

3.26 馬達驅動式機械手臂示意圖(點選圖形可觀看機構模擬運動)

(2) 半圓形框架式機械手臂

半圓形框架式機械手臂是由一個旋轉軸、半圓形框架、及可沿著框架上移動的單軸向進給系統所組成(如圖3.27所示),用三個自由度就可以完整將電鑽引導到手術空間內的頭骨定點進行骨骼鑽孔。其優點是定位操作容易,且電鑽沿著半圓形框架的軌道運動到定點後,鑽頭頂點較能接近頭骨(半圓形)的法線向量上。其缺點是半圓形框架式可能影響到醫生手術時的操作空間。

3.27 半圓形框架式機械手臂示意圖(點選圖形可觀看機構模擬運動)

(3) 手引導式機械手臂

手引導式機械手臂的關節主要由球型接點組成(如圖3.28所示),由於球型接點可以任意方向運動,故手引導式機械手臂在三度空間具有靈活的自由度,可與醫院現有無框式光學定位系統整合協助引導定位。由醫生手握手持橫桿扶持協助引導到定點之後,將關節固定,再透過單一軸向的自動進給系統進行骨骼鑽孔。其優點是容易與醫院現有設備結合,且使用者可以透過手持橫桿容易直覺地將電鑽移到空間中任意位置,但相對來說,當系統執行單軸向自動進給鑽孔時,就要將各關節(球型接點)的自由度限制住,才能增加結構之剛性。

3.28 手引導式機械手臂示意圖

在操作靈活度、及與醫院現有設備整合容易的考量下,經過上述三種概念評估後,本研究決定以手引導式機械手臂的概念為主,將鑽頭移到定點之前機械手臂需要靈活移動,到定點後手臂各關節需要鎖定以提供穩定的單向自動進給骨骼鑽孔。事實上市面上以可買到現成機構符合此功能,機械手臂的關節採用球形接點能靈活運動到定點,關節鎖定機構如圖3.29所示,手臂外殼內的頂桿向左移動時,透過磨擦件所造成的迫緊力使球形接點鎖定,以增加結構剛性,屬於機械式鎖定裝置。此外還有一種油壓式鎖定裝置,透過油壓出力較大的特性,更能將球形接點鎖定,以提供電鑽穩定地在單軸向自動進給鑽孔,本研究最後即採用此種油壓鎖定之機械手臂。

3.29 關節鎖定機構示意圖

3.4 第三代骨骼鑽孔器與機械手臂整合

將第三代骨骼鑽孔器與機械手臂整合成腦部手術自動進給骨骼鑽孔平台,硬體結構如圖3.30所示,油壓鎖定式機械手臂是由儀辰企業股份有限公司所製造,其底座具有磁性且能產生140kg的吸力,可由底座上之開關切換控制是否消磁,因此相當容易固定於能被磁鐵吸住之平面物體上。醫生的手將自動進給骨骼鑽孔器引導到頭骨上的定點後,將鎖定旋轉鈕鎖緊即可將自動進給骨骼鑽孔器固定於手術空間中,此時電腦程式可以控制步進馬達做單一軸向的自動進給,由電鑽在頭骨上進行鑽孔,鑽穿頭骨時自動停止進給、及電鑽停止轉動。

3.30 腦部手術自動進給骨骼鑽孔平台硬體結構圖(點選圖形可觀看機構模擬運動)

將腦部手術自動進給骨骼鑽孔平台硬體、訊號擷取電路控制盒、及電腦整合成本研究進行實驗的系統(如圖3.31所示),訊號擷取電路控制盒透過彩虹排線與電腦的類比數位轉換卡(AD/DA card)8255輸出輸入界面卡(8255 I/O card)連接;機械手臂將骨骼鑽孔器固定後,驅動步進馬達自動進給使滑座上的電鑽進行軸向鑽孔,圖中的被鑽測試物為醫生提供之真實的人頭蓋骨。

3.31 腦部手術自動進給骨骼鑽孔平台整合圖

腦部手術自動進給骨骼鑽孔平台的規格如表3.5所示,針對其中重要項目特別說明如下。本研究之型架採用模組化設計,只要電鑽本體直徑介於2050mm,型架皆可將所挾持的電鑽穩定的固定於滑座上。訊號擷取電路控制盒有一個插座,直接將電鑽電源插上即可檢測電鑽的電流訊號,要注意單一電鑽耐壓為100伏特,內阻約為100歐姆,若將額外的電鑽轉速控制盒的電源接入,可能無法直接擷取到電鑽的電流訊號。此外表中手動進給操作模式的進給速度因不同使用者轉動手搖柄的速度而異,但建議不要超過1.5mm/s,以免鑽穿時過衝量太大,且可能造成步進馬達之煞車保持力不足而失效。

3.5 腦部手術自動進給骨骼鑽孔平台規格

規格類別

整體功能

規格

機械規格

第三代骨骼鑽孔器重量(不含電鑽)

1 kg

機械手臂重量(不含底座所吸之大鐵片)

2 kg

伸展操作空間(含機械手臂及鑽孔器)

空間圓球半徑400mm

單軸鑽孔有效進給行程

60mm

可挾持的電鑽本體直徑

2050mm

電力規格

訊號擷取電路控制盒

(電源輸出端是提供電鑽所需輸入電源)

電源輸入交流電110伏特

電源輸出直流電110伏特

最大電流1A

操作模式

自動進給速度

0.5mm/s

手動進給速度

手轉動手搖柄約速度0.2mm/s~1.5mm/s

此外,機械手臂可以挾持第三代骨骼鑽孔器做各種姿態的鎖定,圖3.32及圖3.33分別為腦部手術自動進給骨骼鑽孔平台鑽壓克力板及豬骨,由圖中可以看出手引導式機械手臂在三度空間具有靈活的自由度。

3.32 腦部手術自動進給骨骼鑽孔平台鎖定鑽孔姿態(一)

3.33 腦部手術自動進給骨骼鑽孔平台鎖定鑽孔姿態(二)

參考資料

FuzzyTECH 5.0 user’s manual, Inform GmbH inform software corp., 1997.

Glauser, D., Flury, P., Villotte, N., and Burckhardt, C.W., 1991. “Conception of a robot dedicated to neurosurgical operations,” Fifth International Conference on Advanced Robotics. Robots in Unstructured Environment, vol.1, p. 899-904.

Mamdani, E. H., 1974, “Application of fuzzy algorithms for control of a simple dynamic plain,” in Proc. IEEE Control Sci., vol.121, p. 1585-1588.

陳嘉文,「模糊邏輯在機械設計之應用」,碩士論文,元智大學機械工程研究所,民國87年。