自動控制多變形超聲診斷床的結構設計

張 慧，陳勝茹

0 引言

超聲檢查無創(chuàng)、方便，可動態(tài)觀察人體器官的情況，是常用的檢查方法[1]。然而，目前臨床上使用的超聲診斷床多采用平板整體結構式，床的高度及面板固定，不可調節(jié)，不能適應不同患者的診斷體位及上下床的需要。自動控制多變形超聲診斷床能隨意調節(jié)指定面板的角度，操作者可以通過床邊的控制按鈕進行操作，實現(xiàn)患者的坐立位姿、側身位姿等，滿足不同檢查體位的需求，尤其適用于重癥及活動不便的患者，操作方便。本文將就該床的設計構思進行闡述。

1 整體結構設計

診斷床為了實現(xiàn)升降、抬頭、抬背及軀體側翻等動作，須有升降機構、抬頭抬背機構、側翻機構。總體構思：機械結構設計、電動機驅動、傳感控制運動及總體位姿協(xié)調等[2]。診斷床不同狀態(tài)的結構如圖1所示。

1.1 診斷床結構

該診斷床由床面、床架和電動控制部分組成。床腿配有可調整地腳，床體高度可根據(jù)工作需要隨意調整，也可選擇自動調整床體高度。床體左側裝有一個懸掛式操作按鈕控制盒，操作者可手持操控檢測床。

1.2 床面結構

床面分為彼此獨立的7個面板，分別對應人體頭部、背部及臀部和下肢，通過各個面板之間的協(xié)調運動，采用單動或聯(lián)動方式來實現(xiàn)超聲檢查操作所需的各種體位位姿。

根據(jù)醫(yī)療檢查操作要求和患者的舒適感，各面板擺動角度及標準如下：頭部面板擺動角度0～30°，背板擺動角度 0～75°[3]，側身面板擺動角度 0～75°。頭部面板及背板下面設有一套自動裝置，由按鈕操作，通過此自動裝置控制頭部面板或背板旋轉一定角度。中間可旋轉床面兩側各裝有一對卡扣，兩側卡扣可分別繞床板兩側的固定軸左右旋轉床板0～75°，便于對人體多個層面的檢測，而無需患者本人移動身體。在可旋轉床面下方也設有一套自動裝置，通過按鈕操作此裝置使床面自動旋轉。

圖1 診斷不同狀態(tài)的結構圖

參照百分位人體尺寸、根據(jù)GB 10000—1988《中國成人人體尺寸》標準，95百分位（百分位表示具有某一人體尺寸和小于該尺寸的人占統(tǒng)計對象總人數(shù)的百分比。以第5百分位、人體身高尺寸為例，表示有5%的人身高等于或小于該尺寸）中國成年男子的身高為1 775mm，肩寬為330～415mm[4]。根據(jù)需要，整體床面尺寸確定為2 000 mm×900mm；床的中間段面板要盡可能窄，使患者能夠實現(xiàn)側翻這一動作，設計中背板中部可旋轉面板寬度為260mm，兩側分別為320mm。查閱手冊得人體的坐高大約800mm，所以檢測床背板的長度設計為860mm，其中頭部面板長300 mm。床面板為五合板，厚度為15mm。五合板表面蒙上一層海面皮革面，柔軟、舒適。

1.3 床架結構

床架除了固定的機械機構以外，還包括各個電動機安裝模塊。床架包括2個端支腿和1個中部支腿[5]，用35mm×35mm高強度方管焊接完成。2個端支腿與中部支腿通過4根中間橫撐用六角頭螺栓聯(lián)接。床架表面噴塑處理，使床體美觀、耐用。

2 使用調節(jié)

2.1 床體高度調節(jié)

2.1.1 手動調節(jié)

可調地腳與床腿用M16螺紋連接，旋轉可調地腳上的螺母便可手動調整床體高度。

2.1.2 自動調節(jié)

自動調節(jié)裝置是執(zhí)行床體上下調整的機構。它由電動機、減速機、傳動齒輪、傳動絲桿等部件組成。其工作原理為：電動機帶動減速機旋轉，減速機驅動左右2對傳動斜齒輪，在傳動斜齒輪的驅動下使傳動絲杠上下運動，從而帶動床體上下運動，實現(xiàn)床體的自動調節(jié)（如圖2所示）。

圖2 升降機構原理圖

2.2 診斷床各面板的調節(jié)

2.2.1 頭端床板控制裝置結構

頭端床板的控制裝置由電動機、聯(lián)軸器、螺桿、鉸鏈等部件組成。電動機轉動通過聯(lián)軸器帶動螺桿旋轉，螺桿旋轉驅使螺桿滑塊作往復直線運動使鉸鏈分別產生位移，在鉸鏈的作用下使頭部床板旋轉一定角度（如圖3所示）。

2.2.2 背端床面控制裝置結構

與頭端床板控制裝置結構相同，工作原理同2.2.1所述。

2.2.3 中間床板旋轉控制裝置

圖3 頭部床板旋轉控制裝置原理圖

中間床板可通過機械運動系統(tǒng)的控制裝置，使面板連接、組合運動，實現(xiàn)由平臥位到左、右側臥位的轉換。控制裝置由電動機、聯(lián)軸器、螺桿、鉸鏈等部件組成。利用連桿傳動機構原理完成床板的向左或向右旋轉動作（如圖4所示）。

圖4 中間床板旋轉控制裝置原理圖

2.2.4 承重板

診斷床雖然滿足了床板多變形的要求，但卻降低了床板的承重性能。為彌補其不足，設計中采取雙層床板結構，即在組合床板下安裝一層承重床板。

3 力學計算

3.1 床體框架、床架和斜撐板

床體框架、床架和斜撐板是診斷床的主要承載部分，由于床面近似為剛性體，可認為床體框架受垂直載荷的作用。

根據(jù)GB 10000—1988，95百分位的中國成年男子體質量為m=75 kg。為簡化計算，先將人體質量簡化為3個集中載荷，用符號F1、F2、F3表示，分別作用在人體的頭部、胸部和臀部。根據(jù)人體各部位（頭、軀干、四肢等）質量相對于人體總質量的比例關系，可推導出如下關系[3]（F=mg）：

根據(jù)我國成人人體尺寸的比例關系，可推導出上述3個集中力的作用位置。以人體頭部為基準，分別為：

診斷床在使用時承受分段均布載荷，因此根據(jù)診斷床結構的計算模型和力的作用位置，將3個集中力作用均布在3段區(qū)域內，施加方法如圖5所示。

圖5 施加載荷

3.2 強度分析

米塞斯等效強度理論：

式中，σmax表示床架中最大等效應力，單位為MPa；[σ]為許用應力，單位為 MPa；σ0.2為屈服極限；n 為安全系數(shù)。

超聲診斷床的框架采用35 mm×35 mm方管（Q235），屈服極限由《機械設計手冊》查知為σ0.2=235MPa。塑性材料在靜載荷下，安全系數(shù)n可取1.5～2，從對減輕設備自重和提高設備機動性的要求考慮，取 n=1.5，得[σ]= σ0.2/n=235/1.5=156.7MPa。

查資料知，等效應力值最大為σmax=102.61MPa＜156.7MPa[6]。因此，強度條件 σm≤[σ]成立，診斷床結構符合強度條件要求。

3.3 力學測試

通過承載能力、垂直沖擊跌落、端部承載穩(wěn)定性、背板支撐強度、鉸鏈折疊等各項力學性能試驗[7]，考核自動控制多變形超聲診斷床的各項性能，均達到臨床要求。

4 臨床應用

自動控制多變形功能的超聲診斷床是臨床超聲檢查必不可少的設備。經(jīng)臨床17 000例患者使用，反應良好，設計尺寸適合患者轉體、躺臥，舒適、安全可靠。診斷床一人操作，展收快速，操作靈活方便，明顯減輕了操作者的勞動強度，疲勞感下降。

5 結論

自動控制多變形超聲診斷床可根據(jù)檢查需要選擇任意體位，適合骨折、外傷、交流困難及重癥不能自行轉動體位的患者，床體結構及各部件尺寸符合工效學要求。該自動控制多變形超聲診斷床提高了超聲檢查的準確率，降低了操作者的勞動強度，減輕了患者家屬的負擔，使用方便、安全、可靠，操作簡單，值得推廣使用。

[1] 李向群.急診超聲檢查及診斷[J].中華現(xiàn)代影像學雜志，2007，4（1）：73.

[2] 張慧，陳濤，陳勝茹，等.一種具有自動控制多邊形功能的超聲診斷床：中國，ZL201120327301.7[P].2012-05-30.

[3] 杜振杰，高萬玉，秦英杰.便攜式野戰(zhàn)急救診斷床的研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2002，23（5）：21.

[4] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T10000—1988 中國成年人人體尺寸[S].北京：中國標準出版社，1988：39.

[5] 杜振杰，高振海，徐新喜，等.利用COSMOS/M完成野外急救診斷床床體結構的有限元分析[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2001（8）：46.

[6] 聞邦椿.機械設計手冊[M].5版.北京：機械工業(yè)出版社，2010：232-233.

[7] 胡增強，郭力，江曉禹，等.材料力學[M].5版.北京：高等教育出版社，2009：156.