CN111940909B - 一种制备脑深部刺激套管电极微织构的平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备脑深部刺激套管电极微织构的平台，包括底座、空间位姿调整装置、定位夹持装置、在线观测装置、激光加工装置和定位支撑装置；所述空间位姿调整装置包括底板、工作台板、调节螺杆和转臂，所述底板安装于底座上，所述工作台板中部位置与底板转动连接，所述调节螺杆可转动的设置于工作台板上，所述转臂的上端转动连接连接杆，所述调节螺杆与连接杆螺纹连接，所述转臂的下端与底板转动连接，本发明的有益效果：可实现对薄壁中空套管电极的稳定夹持，防止薄壁中空套管电极因夹持而变形；实现薄壁中空套管电极的导向支撑功能，既能保证套管电极的直线度，又能限制套管电极的旋转跳动误差。

Description

一种制备脑深部刺激套管电极微织构的平台
技术领域
本发明属于脑深部穿刺介入技术领域，具体涉及一种套管电极的微织构加工设备。
背景技术
随着人类年龄的增长及压力的增大，大脑深部的某些神经核团会出现功能失调的现象，从而导致一系列的精神活动或运动障碍疾病，其典型病例为帕金森病。目前，脑深部刺激术是治疗该类病症的最佳治疗手段。
在脑深部刺激手术中，套管电极从额中回沿脑实质直线穿刺至靶点区域，穿刺路径的长度约为50mm。穿刺过程中，套管电极表面与脑组织因相对运动而产生穿刺摩擦力。随着穿刺深度的增加，穿刺摩擦力不断增大，且在退针过程中额叶大脑皮质始终与套管电极的圆柱表面存在摩擦。此种穿刺影响会破坏穿刺路径上的脑组织，降低脑深部刺激手术的有效刺激范围，降低手术效果。
大量研究表明，在光滑表面加工一定形貌的微织构可以较好的实现穿刺减摩作用。表面上的微织构不仅能降低摩擦副间的直接接触面积，配合润滑剂还能形成微动压润滑轴承，在摩擦副间形成隔膜，可以进一步减小摩擦副间的有效接触面积。
申请号为2020100657536，名称为一种直线型交错阵列仿生微织构脑深部刺激套管电极的中国发明专利，公开了一种具有仿生微织构的套管电极，具有较好的减摩效果，可以有效的降低在穿刺过程中对脑组织的摩擦损伤。套管电极为Φ1.5 mm的不锈钢中空圆柱，壁厚约为150 µm。由于套管电极的直径较小、长径比较大，且为薄壁中空电极，因此套管电极的夹持、直线度的保持及旋转跳动精度的保证难度较大。因此在套管电极上高质量加工一定尺寸及相貌的微织构具有较高的难度，没有一种专用的方便加工设备。
因此，设计一种套管电极便捷夹持、直线度及旋转跳动精度稳定保证、空间位姿灵活调整的微织构便捷加工平台很有必要。
目前，微织构的最常用加工方法为激光加工。现有的激光微织构加工平台，主要用于加工刀具、导轨等平整的表面，无专用的圆柱形电极加工设备，更不适用于套管电极的微织构加工。
微织构套管电极的加工难度在于：薄壁中空套管电极容易夹持变形，大长径比薄壁中空套管电极的刚性低、直线度难以保持，大长径比套管电极的旋转及跳动精度难以保证，激光束与套管电极上母线的共线性难以灵活调整，微织构加工情况不便实时在线多角度灵活观测等。因此，微织构套管电极上微织构的加工误差较大，加工精度及加工效率难以保证。
发明内容
针对现有技术中没有一种专用的方便加工套管电极上的微织构的设备的问题，提供了一种制备脑深部刺激套管电极微织构的平台。
一种制备脑深部刺激套管电极微织构的平台，包括底座、空间位姿调整装置、定位夹持装置、在线观测装置、激光加工装置和定位支撑装置；
所述空间位姿调整装置包括底板、工作台板、调节螺杆和转臂，所述底板安装于底座上，所述工作台板中部位置与底板转动连接，所述调节螺杆可转动的设置于工作台板上，所述转臂的上端转动连接连接杆，所述调节螺杆与连接杆螺纹连接，所述转臂的下端与底板转动连接，所述调节螺杆的一端同轴连接调节把手；
所述定位夹持装置包括XY微位移台、角度位移电机、三爪卡盘、夹紧块和旋转底座，所述XY微位移台可转动的安装在旋转底座上，由伺服电机精确的控制在旋转底座上旋转运动，所述角度位移电机通过电机座安装在XY微位移台上，其输出轴上安装三爪卡盘，三爪卡盘的每个夹紧爪上安装一个夹紧块，所述夹紧块由夹紧弧形板和安装板组成，安装板上开设安装孔，通过安装板安装在夹紧爪上，夹紧块共三块，三块夹紧弧形板相互对齐拼成一个圆管，中间形成一个与套管电极的外圆柱面相适配的圆形孔；
所述在线观测装置用于实时的观测套管电极的微织构加工情况；
所述激光加工装置包括立柱和横杆，所述立柱设置于底座上，所述横杆一端可上下滑动的设置于立柱上，通过伺服马达精确控制上下移动，另一端设置激光镜头；
所述定位支撑装置包括滑轨、滑块、立管、伸缩杆、轴承座和微小轴承，所述滑轨安装于底座上，所述滑块与滑轨滑动连接，所述立管竖直安装于滑块上，所述伸缩杆插入立管的孔内，可上下滑动，所述立管上螺纹连接顶紧螺栓，所述顶紧螺栓的末端顶紧伸缩杆的外壁，所述轴承座安装于伸缩杆的顶端，所述微小轴承安装于轴承座中。
优选的，的制备脑深部刺激套管电极微织构的平台，所述在线观测装置包括XY微位移机构、立杆、第一支臂、第二支臂和工业相机，所述XY微位移机构设置于底座上，所述立杆竖直设置于XY微位移机构上，所述第一支臂一端与立杆上端转动连接，另一端与第二支臂转动连接，所述第二支臂的另一端设置工业相机；
优选的，的制备脑深部刺激套管电极微织构的平台，所述工作台板的前端上开设弧形长孔，所述底板上具有凸出的定位销轴，定位销轴插入到弧形长孔中，固定旋钮与定位销轴的一端螺纹连接。
优选的，的制备脑深部刺激套管电极微织构的平台，所述滑块上螺纹连接固定螺栓，所述固定螺栓的末端可顶紧滑轨。
优选的，的制备脑深部刺激套管电极微织构的平台，三块夹紧弧形板相互对齐拼接而形成的圆形孔与套管电极为间隙配合或者过盈配合。
本发明的有益效果：
1.可实现对薄壁中空套管电极的稳定夹持，防止薄壁中空套管电极因夹持而变形；
2.实现薄壁中空套管电极的导向支撑功能，既能保证套管电极的直线度，又能限制套管电极的旋转跳动误差；
3.通过数控装置控制步进电机实现薄壁中空套管电极不同旋转角度、速度及方向的加工，以加工不同参数、形貌的微织构；
4.实现薄壁中空套管电极XYαθ四个空间位姿的调整，使套管电极的与激光束进行准确对刀，保证微织构套管电极的加工精度。
5.在线观测装置，通过调节XY微位移机构与支臂，调节工业相机与套管电极加工部位的位置关系，便于实时在线观测套管电极上微织构的加工情况。
附图说明
图1为本发明一实施例的立体结构图；
图2为本发明一实施例空间位姿调整装置示意图；
图3为本发明一实施例导向支撑装置示意图；
图4为本发明一实施例在线观测装置示意图；
图5为本发明一实施例定位夹持装置示意图；
图6为本发明一实施例三爪卡盘示意图；
图7为本发明一实施例夹紧块示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案做进一步说明。
如图1所示，一种制备脑深部刺激套管电极微织构的平台，包括底座1、空间位姿调整装置2、定位夹持装置3、在线观测装置4、激光加工装置5和定位支撑装置6。
如图2所示，所述空间位姿调整装置2包括底板21、工作台板22、调节螺杆23和转臂25，所述底板21安装于底座1上，所述工作台板22中部位置与底板21转动连接，所述调节螺杆23可转动的设置于工作台板22上，所述转臂25的上端转动连接连接杆28，所述调节螺杆23与连接杆28螺纹连接，所述转臂25的下端与底板21转动连接，所述调节螺杆23的一端同轴连接调节把手24，所述工作台板22的前端上开设弧形长孔26，所述底板21上具有凸出的定位销轴，定位销轴插入到弧形长孔26中，固定旋钮27与定位销轴的一端螺纹连接。
如图5、6、7所示，所述定位夹持装置3包括XY微位移台31、角度位移电机32、三爪卡盘33、夹紧块34和旋转底座35，所述XY微位移台31可转动的安装在旋转底座35上，由伺服电机精确的控制在旋转底座35上旋转运动，所述角度位移电机32通过电机座安装在XY微位移台31上，其输出轴上安装三爪卡盘33，三爪卡盘33的每个夹紧爪上安装一个夹紧块34，所述夹紧块34由夹紧弧形板341和安装板342组成，安装板342上开设安装孔，安装板342插入夹紧爪上开设的孔中（也可直接安装固定在外侧位置），通过螺栓紧固在夹紧爪上，夹紧块34共三块，三块夹紧弧形板341相互对齐组成一个圆管，中间形成一个与套管电极7的外圆柱面相适配的圆形孔，该圆形孔与套管电极7为间隙配合或者过盈配合。
在使用的过程中，三爪卡盘向内夹紧时，将三块夹紧块34拼凑到一起，三块夹紧弧形板341选用金属制作，相互接触之后，不会发生弹性形变，此时，即使继续上紧三爪卡盘，不会对圆形孔中的套管电极7进一步夹紧，起到限位的作用，保护套管电极7，防止由于夹紧力过大而使套管电极7发生变形损坏。三爪卡盘的过大的夹紧力由三块夹紧块34承载，而其内孔的直径保持不变。
同时，三块夹紧弧形板341拼接到一起形成的圆形孔，具有较高的精度要求，可以精确的保证其与套管电极7外壁之间的配合，保证对套管电极7的夹紧定位。
如图4所示，所述在线观测装置4包括XY微位移机构41、立杆42、第一支臂43、第二支臂44和工业相机45，所述XY微位移机构41设置于底座1上，所述立杆42竖直设置于XY微位移机构41上，所述第一支臂43一端与立杆42上端转动连接，另一端与第二支臂44转动连接，所述第二支臂44的另一端设置工业相机45。
所述激光加工装置5包括立柱51和横杆52，所述立柱51设置于底座1上，所述横杆52一端可上下滑动的设置于立柱51上，通过伺服马达精确控制上下移动，另一端设置激光镜头。
如图3所示，所述定位支撑装置6包括滑轨61、滑块62、立管64、伸缩杆65、轴承座67和微小轴承68，所述滑轨61安装于底座1上，所述滑块62与滑轨61滑动连接，所述立管64竖直安装于滑块62上，所述伸缩杆65插入立管64的孔内，可上下滑动，所述立管66上螺纹连接顶紧螺栓66，所述顶紧螺栓66的末端顶紧伸缩杆65的外壁，所述轴承座67安装于伸缩杆65的顶端，所述微小轴承68安装于轴承座67中，所述滑块62上螺纹连接固定螺栓63，所述固定螺栓63的末端可顶紧滑轨61。
结构及原理说明：
薄壁中空套管电极的定位夹持装置既保证薄壁中空套管电极的稳定夹持，又避免套管电极的夹持变形。
大长径比套管电极的定位支撑装置6中的内孔直径为1.5mm的微小轴承安装在轴承座上。通过伸缩杆65来调整三爪卡盘轴线与微小轴承轴线的高度差，以便套管电极7能插入微小轴承内孔；可根据微织构加工需要，灵活调整滑块、微小轴承在导轨上的具体位置，并通固定螺栓63来固定具体位置；配合调整空间位姿调整装置和XY微位移台31，调整微小轴承的中心线与三爪卡盘的轴线共线，被定位支撑装置夹持的大长径比套管电极的另一端穿过微小轴承的内孔，两端支撑的方式可保证大长径比套管电极的直线度；当电极旋转时，微小轴承的内圈随电极一起旋转，同时限制套管电极的旋转跳动误差。
角度位移电机32为步进电机。步进电机安装在电机座上，角度分度精度、旋转速度及方向根据微织构的加工需求通过数控装置控制步进电机实现。
空间位姿调整装置2用于调整套管电极7的α角度，使套管电极7的轴线调整到水平面内。
电机座固定在XY微位移台上。通过XY位移台和旋转底座35调整套管电极7与激光束之间的XY坐标位置及轴线夹角θ的关系，使套管电极与激光束在XY轴及轴线夹角θ进行准确对刀，配合激光加工装置的Z轴对焦，便可实现套管电极XYZ、α、θ五个空间位置的调整，满足套管电极与激光束空间位姿的准确调整。
激光加工装置为激光打标机，主要包括激光镜头、Z轴对焦装置和工作台。工作台为上述所有装置的固定基座，其上安装α角度调整装置；激光镜头通过Z轴对焦装置调整其竖直方向的具体位置，以完成激光束与套管电极7上母线的对焦。
微织构加工过程中可通过万向调整支架便捷灵活调整工业相机与套管电极加工部位之间的空间角度姿态及大致位置关系，通过XY微位移机构微调工业相机与套管电极加工部位之间的精确位置关系，通过数控装置的显示器界面实时在线观测套管电极上微织构的加工情况。
使用方法：
1、微织构加工前，本平台的安装调整及套管电极的装夹
将XYθ位移台安装在α角度调整装置的左端，构成空间位姿调整装置2；
XYθ位移台上安装薄壁中空套管电极的定位夹持装置；
三个夹紧块34将薄壁中空套管电极的一端夹持住，定位夹持在三爪卡盘上；将卡爪夹持在夹紧块34上，旋紧三爪卡盘，夹紧薄壁中空套管电极；
将大长径比套管电极7的定位支撑装置6安装在α角度调整装置的右端，使导轨轴线与激光扫描方向一致，保证微小轴承的轴线与激光扫描路径在同一竖直平面；
调整滑块在导轨上的左右位置；调整Z轴高度位置，使套管电极7轴线与微小轴承轴线的高度差为零；通过XYθ位移台调整套管电极的XY坐标位置及与激光扫描路径的夹角θ，使套管电极7轴线与微小轴承轴线共线；向左滑动滑块，使套管电极插入微小轴承的内圈，起到导向支撑作用；
调整激光加工装置的Z轴对焦装置，调整高度位置，完成套管电极的对焦；
通过万向调整支架，调整工业相机的空间角度姿态及大致空间位置，通过XY微位移机构微调工业相机与套管电极加工部位之间的精确位置关系；
通过显示器实时在线观测微织构的加工情况。
2、微织构的激光加工
本平台的安装调整及套管电极的装夹完成后，便可进行所需微织构的加工过程。
直线型微织构套管电极的加工
Figure DEST_PATH_IMAGE002
通过XYθ位移台调整激光束与套管电极右端面的合适距离；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
将激光束设定为线扫描模式；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
设定激光束的加工参数（功率、重复频率、扫描速度、扫描次数）及扫描长度；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
点击激光加工命令，即可在套管电极的上母线完成一条直线型微织构的加工；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
通过数控装置控制旋转分度装置，进行合适分度后，点击激光加工命令，即可在套管电极的下一条上母线进行直线型微织构的加工；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
重复以上步骤，即可完成满足要求的直线型微织构套管电极的加工。
Figure DEST_PATH_IMAGE014
微织构加工结果可通过显示器及在线观测装置实时观测。
环型微织构套管电极的加工
Figure 752326DEST_PATH_IMAGE002
通过XYθ位移台调整激光束与套管电极右端面的合适距离；
Figure 765281DEST_PATH_IMAGE004
将激光束设定为点扫描模式；
Figure 647787DEST_PATH_IMAGE006
设定激光束的加工参数（功率、重复频率）；
Figure 271DEST_PATH_IMAGE008
通过数控装置控制旋转分度装置的转动速度与角位移（旋转圈数）；
Figure 942819DEST_PATH_IMAGE010
配合激光束的点扫描时长，即可完成套管电极上第一条环型微织构的加工；
Figure 208451DEST_PATH_IMAGE012
通过XYθ位移台调整套管电极的X位移，重复上述旋转分度及激光束点扫描方式，即可完成套管电极上下一条环型微织构的加工；
Figure 629068DEST_PATH_IMAGE014
重复以上步骤，即可完成满足要求的环型微织构套管电极的加工。
Figure DEST_PATH_IMAGE016
微织构加工结果可通过显示器及在线观测装置实时观测。
螺旋型微织构套管电极的加工
Figure 101638DEST_PATH_IMAGE002
通过XYθ位移台调整激光束与套管电极右端面的合适距离；
Figure 277404DEST_PATH_IMAGE004
将激光束设定为线扫描模式；
Figure 202635DEST_PATH_IMAGE006
设定激光束的加工参数（功率、重复频率、扫描速度、扫描次数1次）及扫描长度（螺旋区域的长度）；
Figure 426943DEST_PATH_IMAGE008
根据螺距设定旋转分度装置的转动速度；
Figure 488440DEST_PATH_IMAGE010
点击激光加工命令，激光束单次扫描完成后，即可在套管电极上完成螺旋型微织构的加工；
Figure 585840DEST_PATH_IMAGE012
微织构加工结果可通过显示器及在线观测装置实时观测。
点阵微织构套管电极的加工
Figure 998367DEST_PATH_IMAGE002
通过XYθ位移台调整激光束与套管电极右端面的合适距离；
Figure 26366DEST_PATH_IMAGE004
将激光束设定为线扫描模式；
Figure 207948DEST_PATH_IMAGE006
设定激光束的加工参数（功率、重复频率、扫描速度、扫描次数）及扫描长度（点阵区域的长度）；
Figure 397621DEST_PATH_IMAGE008
在激光控制界面绘制一条直线型点阵（形状、尺寸、间距）；
Figure 359761DEST_PATH_IMAGE010
点击激光加工命令，即可在套管电极的上母线完成点阵微织构的加工；
Figure 925871DEST_PATH_IMAGE012
通过数控装置控制旋转分度装置，配合点阵微织构间距进行合适分度后，点击激光加工命令，即可在套管电极的下一条上母线进行点阵微织构的加工；
Figure 227540DEST_PATH_IMAGE014
重复以上步骤，即可完成满足要求的点阵微织构套管电极的加工。
Figure 588114DEST_PATH_IMAGE016
微织构加工结果可通过显示器及在线观测装置实时观测。
本专利申请属于一种制备脑深部刺激微织构套管电极的辅助加工装置，可实现在套管电极上便捷加工所需微织构形貌。
定位夹持装置设有三爪卡盘和夹紧块34，在实现对套管电极的稳定夹持的同时，可以防止由于夹持引起的套管电极变形；定位支撑装置6实现对套管电极的导向支撑，保证套管电极的直线度，进行套管电极旋转加工时，可限制套管电极的旋转跳动误差；步进电机通过数控装置可以控制步进电极的旋转角度、速度及方向，便于加工不同参数、形貌的微织构；空间位姿调整装置2使套管电极与激光束在XY轴及轴线夹角θ进行准确对刀，避免由于对刀不精确而引起的加工误差；在线观测装置4实时在线观测套管电极上微织构的加工情况。
如图5所示，其中XY微位移平台31，由上板、中板和下板组成，上板和中板滑动连接，中板和下板滑动连接，并通过伺服电机、滚珠丝杠实现对滑动精准的控制输出。实现X、Y两个方向的位置调节。
XY位移机构41和XY微位移平台31结构相同。
可理解的是，尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种制备脑深部刺激套管电极微织构的平台，其特征在于，包括底座(1)、空间位姿调整装置(2)、定位夹持装置(3)、在线观测装置(4)、激光加工装置(5)和定位支撑装置(6)；
所述空间位姿调整装置(2)包括底板(21)、工作台板(22)、调节螺杆(23)和转臂(25)，所述底板(21)安装于底座(1)上，所述工作台板(22)中部位置与底板(21)转动连接，所述调节螺杆(23)可转动的设置于工作台板(22)上，所述转臂(25)的上端转动连接连接杆(28)，所述调节螺杆(23)与连接杆(28)螺纹连接，所述转臂(25)的下端与底板(21)转动连接，所述调节螺杆(23)的一端同轴连接调节把手(24)；
所述定位夹持装置(3)包括XY微位移台(31)、角度位移电机(32)、三爪卡盘(33)、夹紧块(34)和旋转底座(35)，所述XY微位移台(31)可转动的安装在旋转底座(35)上，由伺服电机精确的控制在旋转底座(35)上旋转运动，所述角度位移电机(32)通过电机座安装在XY微位移台(31)上，其输出轴上安装三爪卡盘(33)，三爪卡盘(33)的每个夹紧爪上安装一个夹紧块(34)，所述夹紧块(34)由夹紧弧形板(341)和安装板(342)组成，安装板(342)上开设安装孔，通过安装板(342)安装在夹紧爪上，夹紧块(34)共三块，三块夹紧弧形板(341)相互对齐拼成一个圆管，中间形成一个与套管电极(7)的外圆柱面相适配的圆形孔；
所述在线观测装置(4)用于实时的观测套管电极的微织构加工情况；
所述激光加工装置(5)包括立柱(51)和横杆(52)，所述立柱(51)设置于底座(1)上，所述横杆(52)一端可上下滑动的设置于立柱(51)上，通过伺服马达精确控制上下移动，另一端设置激光镜头；
所述定位支撑装置(6)包括滑轨(61)、滑块(62)、立管(64)、伸缩杆(65)、轴承座(67)和微小轴承(68)，所述滑轨(61)安装于底座(1)上，所述滑块(62)与滑轨(61)滑动连接，所述立管(64)竖直安装于滑块(62)上，所述伸缩杆(65)插入立管(64)的孔内，可上下滑动，所述立管(64)上螺纹连接顶紧螺栓(66)，所述顶紧螺栓(66)的末端顶紧伸缩杆(65)的外壁，所述轴承座(67)安装于伸缩杆(65)的顶端，所述微小轴承(68)安装于轴承座(67)中。
2.如权利要求1所述的制备脑深部刺激套管电极微织构的平台，其特征在于，所述在线观测装置(4)包括XY微位移机构(41)、立杆(42)、第一支臂(43)、第二支臂(44)和工业相机(45)，所述XY微位移机构(41)设置于底座(1)上，所述立杆(42)竖直设置于XY微位移机构(41)上，所述第一支臂(43)一端与立杆(42)上端转动连接，另一端与第二支臂(44)转动连接，所述第二支臂(44)的另一端设置工业相机(45)。
3.如权利要求1所述的制备脑深部刺激套管电极微织构的平台，其特征在于，所述工作台板(22)的前端上开设弧形长孔(26)，所述底板(21)上具有凸出的定位销轴，定位销轴插入到弧形长孔(26)中，固定旋钮(27)与定位销轴的一端螺纹连接。
4.如权利要求1所述的制备脑深部刺激套管电极微织构的平台，其特征在于，所述滑块(62)上螺纹连接固定螺栓(63)，所述固定螺栓(63)的末端可顶紧滑轨(61)。
5.如权利要求1所述的制备脑深部刺激套管电极微织构的平台，其特征在于，三块夹紧弧形板(341)相互对齐拼接而形成的圆形孔与套管电极(7)为间隙配合或者过盈配合。
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