Беспроводной хирургический электроинструмент

Полезная модель относится к области хирургии при проведении операций в травматологии и ортопедии, а именно к бесконтактным электродвигателям, используемым в беспроводных хирургических инструментах с электрическим приводом.
За последние несколько десятилетий использование беспроводных электроинструментов значительно возросло. Аккумуляторные электроинструменты обеспечивают удобство работы с электроинструментом в медицинской практике. Как правило, аккумуляторные электроинструменты приводятся в движение электродвигателями, которые получает энергию постоянного тока от аккумуляторной батареи или преобразованную мощность переменного тока. В некоторых случаях это коллекторные электродвигатели, а в некоторых - бесконтактные электродвигатели с постоянными магнитами.
Известно, что бесконтактный электродвигатель с постоянными магнитами, содержащий по меньшей мере 3 фазы и имеющий в своем составе датчики положения ротора (датчики Холла, оптические или иные датчики), имеет лучшую управляемость, чем аналогичный электродвигатель, не имеющий в своем составе датчиков положения ротора.
Как правило, портативные хирургические электроинструменты, снабженные 3-фазными бесконтактными двигателями постоянного тока, имеют 3 датчика положения. Датчики положения обычно устанавливаются так, что они либо обнаруживают пики и нулевые значения магнитного поля постоянных магнитов ротора, либо отслеживают поле от магнитного устройства, прикрепленного к валу ротора.
В результате патентно-информационного поиска отобрана следующая информация.
Известен аккумуляторный хирургический наконечник (US 5207697), который оснащался вращающимися сверлами, развертками или колеблющимися пилами. Корпус устройства выполнен пистолетообразной формы, внутри которой размещен бесконтактный двигатель с ротором из постоянных магнитов. Для управления двигателем используется электронная схема, расположенная непосредственно за бесконтактным двигателем в корпусе устройства. Для приведения устройства в действие на рукоятке корпуса размещен спусковой крючок.
Известен хирургический инструмент, работающий от аккумуляторной батареи (US 5747953). Инструмент по данному изобретению имеет герметичный модуль, в котором находится схема, которая регулирует приведение инструмента в действие. Также в этот модуль встроены бесконтактные датчики, которые контролируют состояния внешних триггеров. К каждому курку и внутри корпуса инструмента прикреплен магнит. Внутри модуля расположены датчики магнитного поля. Каждый датчик генерирует изменяющийся сигнал в зависимости от близости соответствующего одного из пусковых магнитов. Ручное смещение триггера приводит к аналогичному смещению магнита внутри инструмента. Когда триггер и магнит смещены таким образом, что дополнительный датчик генерирует сигнал, который указывает, что движение произошло. После получения этого сигнала схема управления генерирует сигнал, необходимый для подачи тока возбуждения на двигатель. Электропроводящие компоненты узла управления включением-выключением вышеупомянутого инструмента защищены от пересыщенного паром нагретого воздуха среды автоклава. Когда этот инструмент стерилизуется, эти компоненты не пострадают.
Однако, известные аккумуляторные электроинструменты имеют другие чувствительные компоненты, которые остаются открытыми. Эти компоненты обычно включают в себя датчики, которые контролируют работу электродвигателей. Эти датчики подвергаются воздействию коррозии в автоклаве. В настоящее время эти датчики заключены в герметичный состав, чтобы оградить их от резких последствий процесса стерилизации. Тем не менее, со временем пары воды под давлением могут достигать этих датчиков. Как только это происходит, водяной пар имеет тенденцию разъедать датчики, вызывая их неисправность. Даже когда эти датчики остаются экранированными от насыщенного водяного пара, существуют некоторые недостатки, связанные с их использованием.
Известен хирургический инструмент (US 7638958) с применением бесконтактного электродвигателя, не содержащего датчики положения ротора (ДПР, датчики Холла). Данный инструмент выбран за прототип. В хирургическом инструменте источником механической энергии является электродвигатель. Хирургический инструмент имеет корпус, в котором расположен бесконтактный электродвигатель постоянного тока без датчиков положения ротора. Корпус инструмента имеет стакан, в который встроен электродвигатель. Выступая вниз от стакана, корпус инструмента имеет форму ручки. В головке находится соединительный узел, представленный в виде кольца, подвижно установленного в передней части корпуса. Соединительный узел состоит из механического рычага, который разъемно прикрепляет приспособление к двигателю так, что двигатель может приводить в действие режущий инструмент. Соединительный узел состоит из фиксирующего устройства, которое разъемно соединено с валом двигателя, так что режущий инструмент вращается вместе с вращением вала двигателя. Узел редуктора расположен между двигателем и соединительным узлом. Внутри рукоятки, находится герметичный электронный блок управления. Электронный блок управления содержит компоненты, которые регулируют подачу тока на двигатель. Питание двигателя подается от батареи.
В этом патенте утверждается, что отсутствие датчиков положения ротора приводит к устранению проблем, связанных с обслуживанием этих датчиков. В данном изобретении положение ротора электродвигателя отслеживается по сигналам противо-ЭДС, возникающим в обмотках статора при вращении ротора электродвигателя. Элементы, осуществляющие эту функцию, расположены вне электродвигателя, в схеме управления, которая, в свою очередь, герметична и защищена от воздействия вредных факторов (воздействия водяного пара при автоклавировании, высокой температуры более 150°С, возникающей внутри электродвигателя). В схеме управления в данном патенте применяется процессор, контролирующий состояние сигналов противо-ЭДС и генерирующий набор команд управления. Недостатком данного хирургического инструмента является организация дополнительного схемотехнического или программного решения в системе управления электродвигателем, позволяющего отслеживать текущее положение ротора электродвигателя, что существенно усложняет схему и приводит к удорожанию конструкции в целом.
Задачей предлагаемого технического решения является создание хирургического электроинструмента с использованием трехфазного бесконтактного электродвигателя с постоянными магнитами, имеющего в своем составе 3 датчика Холла.
Полученный технический результат состоит в снижении затрат, связанных с переносным хирургическим электроинструментом. Другой результат состоит в снижении возможности выхода из строя датчиков Холла. Еще один результат состоит в облегчении санитарной обработки хирургического инструмента за счет возможности применения наиболее доступных методов стерилизации.
Технический результат достигается за счет использования беспроводного хирургического электроинструмента, содержащего корпус, нижняя части которого выполнена в виде ручки с возможностью установки аккумуляторов, бесконтактный электродвигатель (4), ротор электродвигателя, выполненный из постоянных магнитов (13), установленных на валу (12) внутри статора, узел для установки режущего инструмента (3), электронный блок управления электродвигателем (5), узел управления скоростью и направлением вращения электродвигателя (6). Бесконтактный электродвигатель дополнительно снабжен тремя датчиками Холла (11), расположенными внутри электродвигателя в углублении на обмотке статора (9), залитые компаундом и расположенные под внутренней поверхностью магнитопровода (10), состоящего из набора колец.
Предлагаемое техническое решение иллюстрируется на рисунках 1, 2, 3, 4.
Рисунок 1 - общий вид хирургического электроинструмента. Рисунок 2 - бесконтактный электродвигатель в сборе. Рисунок 3 - электродвигатель, дающий представление о пространственном расположении датчиков Холла. Рисунок 4 - электродвигатель в разобранном виде, дающий представление об устройстве электродвигателя,
где 1 - корпус с рукояткой, 2 - механизм преобразования движения, 3 - узел для установки режущего инструмента, 4 - электродвигатель, 5 - электронный блок управления электродвигателем, 6 - узел управления скоростью и направлением вращения электродвигателя, 7 - электрический разъем для установки аккумулятора, 8 - режущий инструмент, 9 - обмотка фазы, 10 - магнитопровод, 11 - датчик Холла, вместе образующие статор электродвигателя (на рисунках цифрой не обозначен); 12 - вал ротора, 13 - постоянный магнит, 14 - обойма, вместе образующие ротор (на рисунках цифрой не обозначен); 15 - корпус, 16 - крышка, 17 - подшипник, 18 - сквозное отверстие в валу 12, 19 - многоугольник для установки постоянных магнитов 13, 20 - обмотки статора в сборке в виде трубы.
Хотя предлагаемая полезная модель представлена хирургической дрелью, следует понимать, что предлагаемая полезная модель может быть представлена осцилляторной пилой, возвратно-поступательной пилой и любым другим хирургическим инструментом, имеющим в своем составе электродвигатель.
Предлагаемая полезная модель содержит корпус с рукояткой 1 с присоединенным к нему механизмом преобразования движения 2, имеющим узел 3 для установки режущего инструмента 8 или патрона-переходника (на рисунке не изображен), электродвигатель 4, расположенный соосно с механизмом преобразования движения 2, электронный блок управления электродвигателем 6, расположенный в рукоятке корпуса 1, узел управления скоростью и направлением вращения электродвигателя 6, и конструктивно совмещенный с крышкой корпуса 1 электрический разъем 7 для установки аккумулятора.
Механизм преобразования движения 2 может быть представлен конструкцией, преобразующей вращательное движение электродвигателя 4 во вращательное движение узла для установки режущего инструмента 3 со скоростью большей или меньшей, чем у электродвигателя 4, либо конструкцией, преобразующей вращательное движение электродвигателя 4 в колебательное движение узла для установки режущего инструмента, например, лезвия.
Электрический разъем 7, конструктивно совмещенный с крышкой корпуса 1 имеет возможность присоединения как аккумуляторной батареи, так и кабеля питания в качестве источника электрического тока для инструмента.
В настоящей полезной модели предлагается использование трехфазного бесконтактного электродвигателя с постоянными магнитами 13, имеющими обмотку 9, магнитопровод 10, по меньшей мере три датчика 11 положения ротора, использующих эффект Холла (датчики Холла), вместе образующих статор электродвигателя; вал ротора 12, имеющий сквозное осевое отверстие 18, постоянный магнит 13, обойму 14, вместе образующих ротор электродвигателя; корпус 15, крышки 16 и подшипники 17.
Обмотки 9 статора собраны в сборку, напоминающую трубу 20, в которой обмотка каждой фазы соседствует с обмотками двух других фаз.
На границе соседства двух обмоток разных фаз с внешней стороны сборки обмоток сделаны углубления, в которых размещены датчики Холла 11.
В предлагаемом техническом решении датчики Холла 11 интегрированы в состав статора и распределены равномерно по окружности так, что угол между двумя соседними датчиками составляет 120° (рис. 3).
Датчики Холла 11 генерируют сигналы о положении ротора, фиксируя магнитное поле постоянного магнита 13 ротора, при этом дополнительный магнит на валу электродвигателя не требуется. Сигналы от датчиков Холла 11 поступают в схему блока управления электродвигателем 5 для формирования команд управления электродвигателем.
Снаружи сборки 20 обмоток 9 расположен магнитопровод 10, состоящий из набора колец, выполненных из тонколистовой электротехнической стали.
Сборка 20 обмоток 9 вместе с датчиками Холла 11 залита компаундом, который позволяет сохранять форму сборки, а также защищает провода обмоток и датчики Холла от воздействия агрессивной окружающей среды. Указанная сборка установлена в корпусе электродвигателя 15, имеющего цилиндрическую форму.
В торцах корпуса 15 электродвигателя расположены крышки16, в которых установлены подшипники 17. Указанные подшипники удерживают ротор.
Вал ротора 12 электродвигателя представляет собой цилиндрический элемент, имеющий сквозное отверстие 18 вдоль оси электродвигателя, предназначенное для возможности проведения сквозь указанное отверстие элементов хирургического инструмента; имеющий на цилиндрической поверхности грани, образующие в поперечном сечении многоугольник 19, для установки постоянных магнитов 13. Количество граней зависит от количества постоянных магнитов 13, устанавливаемых на вал 12, но всегда два или более. Постоянные магниты 13 могут иметь различную форму, при этом в сборе по наружной поверхности всегда образуют цилиндр. Постоянные магниты 13, имея одинаковую форму, имеют противоположное направление намагничивания, расположенное радиально относительно вала 12 электродвигателя. Сборка указанных магнитов 13 на валу электродвигателя в определенном порядке обеспечивает необходимое число парамагнитных полюсов постоянного магнита ротора электродвигателя. По наружной поверхности магниты 13, образующие в сборе на валу цилиндр, закрыты проницаемой магнитным полем обоймой 14 в форме трубки, предотвращающей разлет постоянных магнитов 13 при вращении ротора электродвигателя. Выступающие за крышку16 электродвигателя части вала 12 сопрягаются с частями механизма хирургического инструмента.