基于Solidworks的微波消融冷卻泵的設(shè)計(jì)

李寧 袁航

摘? 要：微波消融儀冷卻泵的作用是將微波消融手術(shù)時(shí)冷卻用的生理鹽水輸入到微波針頭部位，使其通過(guò)微波消融針頭形成循環(huán)流動(dòng)，從而使針頭溫度處于合理范圍。采用當(dāng)前廣泛應(yīng)用的3D設(shè)計(jì)軟件Solidworks設(shè)計(jì)冷卻泵，設(shè)計(jì)了一種偏心輪機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)壓塊的自動(dòng)抬起動(dòng)作。通過(guò)電子樣機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，避免了通過(guò)制造物理樣機(jī)反復(fù)修改測(cè)試，節(jié)約了大量設(shè)計(jì)時(shí)間。最后對(duì)物理樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果證明使用Solidworks設(shè)計(jì)的冷卻泵符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：微波消融儀;冷卻泵;蠕動(dòng)泵;Solidworks

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.7? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）03-0175-03

Abstract：The function of the cooling pump of the microwave ablation instrument is to input the normal saline used for cooling during the microwave ablation operation into the position of the microwave needle，so that it can form circulation flow through the microwave ablation needle，so that the temperature of the needle is in a reasonable range. The 3D design software Solidworks，which is widely used at present，is used to design the cooling pump，and an eccentric mechanism is designed to realize the automatic lifting action of the pressure block. Through the design optimization of the electronic prototype，it avoids the repeated modification and test of the physical prototype，and saves a lot of design time. Finally，the physical prototype is tested，and the results show that the cooling pump designed by Solidworks meets the design objectives.

Keywords：microwave ablation instrument;cooling pump;peristaltic pump;Solidworks

0? 引? 言

微波消融術(shù)是一種常見(jiàn)的微創(chuàng)手術(shù)，具有創(chuàng)面小、操作簡(jiǎn)單、副作用小、恢復(fù)快的優(yōu)點(diǎn)，從而在治療腫瘤方面有廣泛的應(yīng)用[1]。冷卻泵是微波消融儀必不可少的一部分[2]，它的作用是將冷卻用生理鹽水打到微波消融針頭內(nèi)使其循環(huán)流動(dòng)，避免因溫度過(guò)高而燒壞正常組織[3]，控制微波天線針頭的溫度范圍在合理范圍[4]。因?yàn)槿鋭?dòng)泵具有精度高、無(wú)污染、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)微波消融儀的冷卻系統(tǒng)一般都采用蠕動(dòng)泵作為冷卻泵[5]。微波消融針內(nèi)部的冷卻水路非常狹窄，大概只有0.5 mm的直徑，長(zhǎng)度則可以達(dá)到300.0 mm～500.0 mm。所以要精確控制針頭的溫度，需要一個(gè)冷卻泵使水以一定的流量通過(guò)冷卻水路，循環(huán)流動(dòng)帶走針頭過(guò)多的熱量[6]，因?yàn)樗藩M窄，存在很大阻力，這就需要冷卻泵有比較大的壓力才能保持一定的流量。這個(gè)壓力一般需要4～6 bar。因該泵為醫(yī)療用產(chǎn)品，設(shè)計(jì)應(yīng)盡量使其使用方便。Solidworks作為一種先進(jìn)的機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，因其簡(jiǎn)單易用而得到了廣泛應(yīng)用。用它來(lái)進(jìn)行三維建模、干涉檢查、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析非常方便快捷。使用Solidworks設(shè)計(jì)的一般步驟為：主要參數(shù)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、干涉檢查或碰撞檢查等驗(yàn)證、出工程圖、物理樣機(jī)制造、物理樣機(jī)驗(yàn)證。

1? 冷卻泵整體方案設(shè)計(jì)

因?yàn)槔鋮s泵是一種蠕動(dòng)泵，蠕動(dòng)泵的原理就是用滾輪交替擠壓軟管，使內(nèi)部液體被排出。軟管是其易耗品，需要經(jīng)常更換，則需要在設(shè)計(jì)上盡量使更換軟管容易。由于冷卻泵需要較大的出口壓力，還需要精確控制壓管間隙，保證打壓性能。

為了方便更換軟管，設(shè)計(jì)了一種曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的變異機(jī)構(gòu)，即偏心輪滑塊機(jī)構(gòu)，使其通過(guò)前蓋的打開(kāi)關(guān)閉來(lái)帶動(dòng)壓塊的抬起和落下動(dòng)作。具體方案如圖1、圖2所示，前蓋與偏心輪固連，偏心輪的一個(gè)銷(xiāo)軸與壓塊旋轉(zhuǎn)配合，滑塊則有導(dǎo)向槽限制只能上下滑動(dòng)。偏心輪中心圓則與一個(gè)固定的U型槽相切配合，則偏心輪具有旋轉(zhuǎn)和水平移動(dòng)2個(gè)自由度。壓塊只有一個(gè)上下運(yùn)動(dòng)的自由度。當(dāng)搬動(dòng)前蓋使偏心輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)則壓塊被抬起，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)則落下。機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是保證工作時(shí)壓塊不會(huì)由于振動(dòng)自動(dòng)抬起，即該機(jī)構(gòu)處于自鎖位置，O1處于O2正下方位置。

如圖1、圖2所示，壓塊能抬起的高度為：

A=a1+a2，a2=e（偏心輪的偏心距）。

圖3為使用Solidworks繪制的開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)三維圖。開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)主要由機(jī)架、偏心輪、壓塊和前蓋組成，圖中只顯示了一個(gè)偏心輪，對(duì)稱(chēng)位置還有一個(gè)，來(lái)保證壓塊兩端受力均衡，從而保證上下運(yùn)動(dòng)靈活。

2? 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

冷卻泵所用的軟管外徑為6.4 mm，為了方便裝管，需保證打開(kāi)時(shí)滾輪與壓塊的間隙最少為6.4 mm，為了方便需要更大一些，因此定為7.0 mm。為了確保打開(kāi)時(shí)最小間隙使用軟件自帶的間隙驗(yàn)證功能最為方便，偏心輪的偏心距暫定3.5 mm。

如圖4所示，使用間隙驗(yàn)證功能校核本方案的最小打開(kāi)間隙為7.4 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。另外，為了實(shí)現(xiàn)打壓還需確保工作時(shí)的壓管間隙為2.2 mm～2.7 mm之間。具體的數(shù)值需要實(shí)測(cè)得到，打壓能力跟滾輪、工作圓尺寸，軟管幾何參數(shù)、材質(zhì)等有關(guān)系。將前蓋放下，使壓塊處于工作位置，則壓塊的工作圓圓心應(yīng)該與滾輪組件同心，其最小間隙即為壓管間隙。為了保證滾輪組件的圓心與壓塊的幾何中心重合需要有凸臺(tái)配合定位保證同心度。

3? 其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

其他結(jié)構(gòu)包括壓塊導(dǎo)向、壓管裝置、電機(jī)與滾輪組件連接，減震措施等。

壓塊必須保證只有1個(gè)自由度，限制除上下移動(dòng)外的其他5個(gè)自由度，可以通過(guò)使用2個(gè)導(dǎo)向鍵實(shí)現(xiàn)。如圖5所示，使用2個(gè)導(dǎo)向鍵，與機(jī)架的2個(gè)導(dǎo)向槽配合，則可以實(shí)現(xiàn)壓塊的正確導(dǎo)向。為了使運(yùn)動(dòng)靈活，則導(dǎo)向鍵與機(jī)架之間留有間隙，所以在設(shè)計(jì)上還需避免導(dǎo)向的自鎖問(wèn)題。

壓管機(jī)構(gòu)的主要作用是保證工作時(shí)軟管處于正確位置，原則是保證軟管處于滾輪的中間位置，而且軟管不會(huì)由于滾輪對(duì)其滾動(dòng)摩擦產(chǎn)生的力而跑管。所以壓管機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則是盡量加大摩擦力。但是由于蠕動(dòng)泵所用的軟管有一定彈性，軟管安裝時(shí)處于放松狀態(tài)，一旦運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，由于摩擦力的作用，軟管一端會(huì)處于拉緊狀態(tài)，而另一端則會(huì)處于放松狀態(tài)，而且由于滾輪將泵腔內(nèi)的管擠向一端，容易在出口處造成軟管堆積，從而導(dǎo)致軟管過(guò)度扭曲，造成液路阻塞。所以需要壓管機(jī)構(gòu)入口處于壓緊狀態(tài)，出口處只限制軟管的水平位移而不限制軸向移動(dòng)，避免出口處堆積。所以要求入口處壓管力要大一些，出口處要小一些。保證在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不會(huì)跑管，而且出口處管子不會(huì)由于擠壓而堆積在泵腔內(nèi)。

如圖6所示，入口壓管采用雙刀管卡，使軟管處于過(guò)壓狀態(tài)，出口壓管采用單刀壓管，軟管處于放松狀態(tài)。這種夾管形式只支持泵的單向運(yùn)轉(zhuǎn)，所以在壓塊上進(jìn)行方向標(biāo)記。當(dāng)客戶需要反向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)只需要將管卡拆下來(lái)調(diào)換一下位置即可。方向標(biāo)記的目的是提示用戶不可以反轉(zhuǎn)，否則會(huì)導(dǎo)致跑管而不能使用。管卡和底座共同形成夾管機(jī)構(gòu)，管卡與壓塊固連，當(dāng)壓塊抬起后管卡隨之抬起從而自動(dòng)放松軟管，使軟管容易更換。

為了減少震動(dòng)噪音，降低磨損，壓塊與偏心輪的銷(xiāo)軸中間加了塑料軸承。前蓋與機(jī)架之間添加了塑料墊片。其他機(jī)構(gòu)還包括開(kāi)蓋停機(jī)觸發(fā)裝置、電機(jī)安裝結(jié)構(gòu)等等，此處從略。為了能在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)時(shí)觀察蠕動(dòng)泵工作情況，前蓋采用了透明的PMMA材料，機(jī)身主要部件采用了鋁并進(jìn)行陽(yáng)極化處理。為了在電子樣機(jī)階段就看到產(chǎn)品的效果，需要進(jìn)行樣機(jī)的渲染，經(jīng)過(guò)設(shè)置材料、表面紋理等等步驟，可以渲染出非常逼真的圖片，從而不必制作樣機(jī)即可讓客戶看到實(shí)際產(chǎn)品效果圖，大大加快了產(chǎn)品上市進(jìn)度。

4? 物理樣機(jī)試驗(yàn)

使用Solidworks能方便地設(shè)計(jì)泵的結(jié)構(gòu)，并繪制出工程圖。設(shè)計(jì)完成后還需進(jìn)行模擬運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是否符合預(yù)期目標(biāo)。如開(kāi)關(guān)蓋的角度跟壓塊抬起的高度之間的關(guān)系。碰撞檢查可以方便地檢查運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否存在干涉情況，比如開(kāi)關(guān)蓋過(guò)程是否有可能出現(xiàn)零件相互碰撞情況等。干涉檢查可以單獨(dú)檢查某一個(gè)靜止?fàn)顟B(tài)下的干涉情況，如處于工作狀態(tài)和開(kāi)啟最大角度狀態(tài)是否有其他干涉等。另外對(duì)某些重要零件如機(jī)架，可進(jìn)行力學(xué)分析，校核其受力狀態(tài)下的強(qiáng)度是否滿足要求，此處從略。確認(rèn)沒(méi)有問(wèn)題后進(jìn)行物理樣機(jī)制作。物理樣機(jī)制作完成后方可進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性。通過(guò)測(cè)試，壓塊抬起機(jī)構(gòu)、壓管機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。為了打壓6 bar流量不下降，需要通過(guò)試驗(yàn)，確定最小的壓管間隙。可以通過(guò)在工作圓上粘貼不同厚度的膠帶來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的壓管間隙，來(lái)進(jìn)行打壓試驗(yàn)。確定壓管間隙后就可以返回微調(diào)模型，可以調(diào)整滾輪盤(pán)尺寸或者滾輪尺寸來(lái)獲得所需壓管間隙，從而設(shè)計(jì)出具體其他參數(shù)，諸如滾輪尺寸、工作圓尺寸等等，這樣就完成了整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

5? 結(jié)? 論

通過(guò)使用Solidworks設(shè)計(jì)軟件能方便地進(jìn)行冷卻泵的參數(shù)設(shè)計(jì)驗(yàn)證、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真、干涉檢查、最小間隙驗(yàn)證和最后的產(chǎn)品效果圖制作。大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程，提高了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率。冷卻泵的最主要參數(shù)為壓管間隙，為了一定的冷卻效果，必須保證出口壓力高達(dá)6 bar時(shí)流量不下降，則需要冷卻泵的機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠。為了操作方便，使用了一種偏心輪機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)蓋壓塊自動(dòng)抬起，方便安裝軟管。通過(guò)實(shí)際物理樣機(jī)的驗(yàn)證，說(shuō)明了設(shè)計(jì)的產(chǎn)品符合預(yù)期目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊平平，葉欣.微波消融技術(shù)及臨床應(yīng)用研究進(jìn)展 [J].泰山醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，31（4）：308-312.

[2] 李靚.分叉血管周?chē)⒉岑煖囟葓?chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究 [D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2008.

[3] 葛夢(mèng)軻，周玉福，祁甫浪，等.一種磁共振兼容的微波消融儀：CN107095719A [P].2017-08-29.

[4] 王衛(wèi)中，江榮華，鄭銳，等.一種微波消融針體、微波消融針及微波消融方法：CN109953824A [P].2019-07-02.

[5] 孫良俊.一種智能微波消融電極：CN203564330U [P]. 2014-04-30.

[6] W·J·迪克漢斯.用于確定流體冷卻的微波消融系統(tǒng)的狀態(tài)的系統(tǒng)和方法：CN108778176A [P].2018-11-09.

作者簡(jiǎn)介：李寧（1987-），男，漢族，河北保定人，機(jī)械工程師，碩士研究生，研究方向：機(jī)械制造及其自動(dòng)化、機(jī)電一體化。