作者：JIM McNAMARA高級(jí)應(yīng)用工程師BEI Kimco

與需要運(yùn)動(dòng)控制的絕大多數(shù)系統(tǒng)相比，醫(yī)療設(shè)備通常更小更輕，這僅僅是因?yàn)樗鼈兺ǔＪ鞘殖只蚺e起的便攜式/移動(dòng)系統(tǒng)。例如，醫(yī)生使用類似于牙科工具的小型手持設(shè)備進(jìn)行皮膚磨損。因此，在可能的情況下，必須選擇醫(yī)療設(shè)備所需的內(nèi)部組件，以提供最小的整體設(shè)備占用空間。

音圈致動(dòng)器 (VCA) 技術(shù)非常適合醫(yī)療設(shè)計(jì)；然而，盡管 VCA 具有理想的性能特征，但許多人并不熟悉這種運(yùn)動(dòng)控制解決方案，因此經(jīng)常被忽視。VCA 最初用于音頻揚(yáng)聲器，作為一種快速移動(dòng)隔膜以產(chǎn)生氣壓波或聲音的方法，此后，VCA 已被用于許多其他應(yīng)用中，以提供精確的線性或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還提供其他理想屬性，例如低滯后、無齒槽或止動(dòng)，加速度和力高，使用壽命長。

在設(shè)計(jì)需要線性或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制的小型、便攜/移動(dòng)醫(yī)療設(shè)備時(shí)，基本上有三種選擇：VCA、螺線管和帶絲杠的電機(jī)。表 1 比較了工程師在為便攜式/移動(dòng)醫(yī)療應(yīng)用選擇執(zhí)行器時(shí)需要考慮的關(guān)鍵屬性。

音圈致動(dòng)器是非常可控、可重復(fù)和可預(yù)測的，具有低滯后。VCA 的遲滯可低至 10 mN，而步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行器等其他設(shè)備的遲滯為 200 mN 或更高。與使用步進(jìn)作為滯后測量的步進(jìn)電機(jī)的執(zhí)行器相比，VCA 是單相直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備，因此不存在這個(gè)問題。這允許 VCA 與開環(huán)或閉環(huán)控制算法一起使用。與螺線管相比，VCA 在兩個(gè)方向上都是可控的，而不僅僅是通電或不通電。在接下來的部分中，我們將主要檢查與 VCA 相關(guān)的執(zhí)行器屬性。 ?

尺寸、重量和熱量今天，用于便攜式/移動(dòng)醫(yī)療設(shè)備的大多數(shù)執(zhí)行器的直徑只有大約 1.5 英寸或更小，重量僅為 1 磅或更小。在許多情況下，VCA 可以做得比其他運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備更小，以減輕重量并適合緊湊的組件。然而，較小的致動(dòng)器尺寸通常會(huì)減少散熱，從而導(dǎo)致可能的過熱。這就是為什么在考慮尺寸與熱量之間的權(quán)衡時(shí)，重要的是要了解執(zhí)行器的熱特性和集成它的系統(tǒng)。底線權(quán)衡只是較小意味著更熱，而更大意味著更冷。

內(nèi)部熱溫度是需要考慮的重要因素，尤其是如果 VCA 將直接用于患者。致動(dòng)器線圈的位置是產(chǎn)生多少熱量的關(guān)鍵區(qū)別。動(dòng)磁式（相對于動(dòng)圈式）VCA 憑借其固定線圈設(shè)計(jì)（圖 1）非常適合散熱。

圖 1：動(dòng)磁式音圈致動(dòng)器（左）保持線圈固定，與動(dòng)圈式致動(dòng)器（右）相比，線圈組件產(chǎn)生的熱量可以輕松管理。

動(dòng)磁致動(dòng)器允許磁體移動(dòng)并保持線圈固定，從而更容易管理線圈組件產(chǎn)生的熱量；由于線圈位于動(dòng)磁致動(dòng)器的外部，因此產(chǎn)生的熱量也在外部。因此，該致動(dòng)器提供了良好的熱路徑和更好的散熱。然而，另一個(gè)權(quán)衡是增加移動(dòng)質(zhì)量和降低加速度。 ?

安全性 在許多醫(yī)療應(yīng)用中，磁性閂鎖和彈簧用于使 VCA 在未通電時(shí)保持在“原位”位置。換言之，即使沒有通電時(shí)產(chǎn)生的熱量，執(zhí)行器功能也能保持。此安全功能可以防止?jié)撛诘倪^熱導(dǎo)致其燒毀、太熱而無法保持或影響執(zhí)行器附近對溫度敏感的其他物體。

另一個(gè)重要的安全特性可以通過呼吸機(jī)閥門的例子來說明。在這里，如果電源關(guān)閉，閥門可以保持打開狀態(tài)，讓患者繼續(xù)自己呼吸。

不考慮安全問題，磁性閂鎖和彈簧還可以通過消除對外部彈簧或其他類型的控制/安全功能的需求來減小醫(yī)療設(shè)備的整體尺寸。

力/扭矩和沖程然而，要利用這一優(yōu)勢，首先必須確保 VCA 力的能力可以克服所使用的閂鎖或彈簧的力（見圖2）。必須設(shè)計(jì)控制方案，使其不會(huì)無意中超速驅(qū)動(dòng) VCA，因?yàn)?VCA 只會(huì)執(zhí)行被告知的操作。這意味著必須正確配置 VCA 以保護(hù)可能連接到的敏感硬件免受損壞。 ?

圖 2：當(dāng)考慮在執(zhí)行器上使用磁性閂鎖和彈簧時(shí)，重要的是要確保執(zhí)行器能夠克服所使用的閂鎖或彈簧的力。上圖顯示了給定執(zhí)行器本身的能力與其具有內(nèi)置磁性閂鎖（上圖）或磁性彈簧（下圖）時(shí)的性能相比。

VCA 以相對于其尺寸具有較高的力/扭矩而聞名。音圈產(chǎn)生的力/扭矩可用于位置控制或產(chǎn)生加速度。這是確定所需執(zhí)行器尺寸的起點(diǎn)。

行程是 VCA 需要為給定應(yīng)用程序移動(dòng)多遠(yuǎn)，是確定 VCA 大小的另一個(gè)關(guān)鍵因素。在醫(yī)療應(yīng)用中，行程可能小至 0.25 至 0.5 英寸，而其他工業(yè)應(yīng)用的行程范圍為 0.5 至 2 英寸。VCA 沒有最小行程限制；但是，它們的行程能力可能會(huì)受到內(nèi)置或外部位置傳感器的分辨率的限制。 ?

速度和位置精度VCA 可以實(shí)現(xiàn)非常高的速度，這種能力是它們勝過其他運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備的地方。高速還有助于實(shí)現(xiàn)高加速度和振蕩頻率。VCA 的典型峰值速度為 3.3 m/s。

對于醫(yī)療設(shè)計(jì)師來說，了解執(zhí)行器在位置精度、速度和加速度方面的需求，以選擇正確的執(zhí)行器或進(jìn)行定制非常重要。執(zhí)行器是一種模擬設(shè)備，因此它具有無限的精度能力。它的精度僅受命令它的傳感器（或控制器）的限制，無論它是單獨(dú)的還是實(shí)際內(nèi)置在執(zhí)行器本身中。 ?

生物相容性一些醫(yī)療應(yīng)用要求致動(dòng)器中的材料具有生物相容性，以防與患者接觸。在這些情況下，制造商必須向客戶披露所有執(zhí)行器材料，以獲得 FDA 批準(zhǔn)。

可以專門構(gòu)建 VCA 以滿足這些要求。雖然標(biāo)準(zhǔn) VCA 通常與許多化學(xué)品、反應(yīng)流體或低釋氣要求不兼容，但定制工程可以使 VCA 適應(yīng)各種 IP 等級(jí)和/或具有低釋氣材料的結(jié)構(gòu)。

有殼和無殼執(zhí)行器提供執(zhí)行器外殼并不是唯一的，但無殼執(zhí)行器有助于將其集成到組件中。無外殼執(zhí)行器也更便宜，最終可能更小，但它們確實(shí)需要設(shè)計(jì)工程師構(gòu)建機(jī)械結(jié)構(gòu)以保持所需的磁場和線圈同心度。對于設(shè)計(jì)工程師來說，封閉式執(zhí)行器更加方便和交鑰匙。

作為未封裝的設(shè)備，VCA 沒有摩擦或磨損。這意味著設(shè)計(jì)具有 VCA 的產(chǎn)品的工程師可以選擇或設(shè)計(jì)磁場和線圈支撐系統(tǒng)，以滿足他自己的摩擦和磨損要求。工程師通常會(huì)設(shè)計(jì)自己的支持系統(tǒng)，因?yàn)榉庋b的 VCA 不適用于其獨(dú)特的應(yīng)用。?

功率確保有足夠的功率來滿足性能要求非常重要。VCA 的規(guī)格通常顯示力/扭矩、電流和功率的峰值和連續(xù)額定值，通常適用于 5 至 300 V 的直流電壓。在醫(yī)療用途中，相當(dāng)?shù)湫偷?VCA峰值為 232 W ，連續(xù)功率約為 50 W（通常額定在 12 和 48 V 之間）。 ?

功能和限制VCA 可以設(shè)計(jì)為滿足醫(yī)療應(yīng)用（例如手機(jī)、呼吸機(jī)和其他精密醫(yī)療器械）的尺寸和性能要求。（參見邊欄，“醫(yī)療 VCA 示例”。）力和行程要求是 VCA 是否適用于給定醫(yī)療應(yīng)用的決定因素。在需要較長生命周期的應(yīng)用中（如大多數(shù)醫(yī)療要求），選擇 VCA 是因?yàn)槠渌O(shè)備的機(jī)械齒輪不能持久。價(jià)格也可能是一個(gè)因素，因?yàn)?VCA 通常比其他解決方案更昂貴。然而，它們的長壽命、速度和其他優(yōu)勢往往超過價(jià)格因素。

審核編輯 黃昊宇