大型醫(yī)療設(shè)備中用于立體定位的一種擺動部件的創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)用研究

摘要：提出了一種將放射治療和診斷治療相結(jié)合的醫(yī)療設(shè)備創(chuàng)新機構(gòu)設(shè)計方法，通過絲杠結(jié)構(gòu)與導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)呈一定角度布置，實現(xiàn)擺動機構(gòu)沿圓弧運動。采用解析法對溜板機構(gòu)進行運動學(xué)分析，保證溜板沿圓弧運動的勻速性和連貫性，同時保證與診斷機構(gòu)的定位精度;建立擺動機構(gòu)模型并對其進行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，得到擺動機構(gòu)的變形分布情況和各階固有頻率及振型。結(jié)果表明，擺動機構(gòu)具有較高的速度連貫性和足夠的強度來支撐放射治療和診斷治療相結(jié)合的醫(yī)療設(shè)備的運行，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：大型醫(yī)療設(shè)備;擺動機構(gòu);模態(tài)分析;變形;振型

中圖分類號：R197.39? 文獻標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）05-0022-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.05.006

引言

隨著人類社會的創(chuàng)新發(fā)展，社會生產(chǎn)水平的提高，人們對健康的需求越來越高，而在各類疾病中，腫瘤治療是一個世界性難題。當(dāng)前人們常采用放射治療的方法進行腫瘤治療。但CT診斷的病灶位置與放射治療的目標(biāo)靶點很難做到一致，即CT診斷出腫瘤后病人進行放射治療時，其位置將發(fā)生轉(zhuǎn)移，影響放射治療效果。國際上的大型醫(yī)療設(shè)備公司，如美國GE、德國西門子、荷蘭飛利浦等，都是將診斷設(shè)備和治療設(shè)備分開。為改變這一現(xiàn)狀，將16排CT圖像引導(dǎo)與6MeV放射治療系統(tǒng)結(jié)合在一起，設(shè)計了能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位的擺動機構(gòu)，能將CT診斷出來的病灶位置反饋給放射治療設(shè)備，避免了病人改變位置后診斷出來的病灶無法準(zhǔn)確定位的情況，從而解決了病灶位置和目標(biāo)靶點無法一致的難題。

本文針對CT圖像引導(dǎo)立體定位6MeV放射治療設(shè)備研發(fā)，根據(jù)放療設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點，創(chuàng)新設(shè)計了一種用于該設(shè)備中定位和治療的溜板機構(gòu)和弧形背板，根據(jù)放療設(shè)備的空間位置及運動范圍，根據(jù)擺動原理使放射機構(gòu)以弧形方式在導(dǎo)軌上運行，從而配合診斷機構(gòu)實現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

1? ? 放射源擺動機構(gòu)設(shè)計原理

1.1? ? 空間運動

根據(jù)前述設(shè)計要求，設(shè)計出來的CT影像引導(dǎo)X射線全身放射外科治療系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，創(chuàng)新設(shè)計的擺動式導(dǎo)軌輸送放射源溜板機構(gòu)如圖2所示，主要由弧軌背板、溜板驅(qū)動板、凸輪機構(gòu)、放射源等裝置組成，具有輸送和放射診斷功能。溜板驅(qū)動板在弧軌背板的導(dǎo)軌上進行往復(fù)運動，其上的絲杠在溜板驅(qū)動板的驅(qū)動下帶動放射源與診斷機構(gòu)配合。其運動關(guān)系簡圖如圖3所示。設(shè)溜板驅(qū)動板原點位于整體機構(gòu)最左端，其運動軌跡為A1O1B1;當(dāng)絲杠圍繞O1點擺動至與導(dǎo)軌角度為θ時，溜板驅(qū)動板運動軌跡變?yōu)锳2O2B2，其中A1A2段為一段圓弧線。溜板機構(gòu)上的絲杠處于同步帶輪張緊力和電機驅(qū)動力共同作用下，擺動插頭緊貼弧形導(dǎo)軌底側(cè)彎曲運行，由于擺動機構(gòu)具有限位條件，則放射源在以圓弧線運行時可根據(jù)軌跡變化量的最大擺角來確定最大補償值[1]。

根據(jù)絲杠與溜板機構(gòu)的幾何關(guān)系，當(dāng)絲杠擺動到最大角度θ時，溜板機構(gòu)上放射源機構(gòu)運行軌跡長度與處于弧形背板中心處軌跡變化量相等[2]：

式中：R1為弧形背板圓弧導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)半徑;b為弧形背板導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)寬度。

1.2? ? 放射源擺動機構(gòu)運動學(xué)分析

在應(yīng)用過程中，溜板機構(gòu)要保持勻速圓周運動，就需要導(dǎo)軌移動的速度能根據(jù)溜板的位置及時調(diào)整，如何保持其運動關(guān)系是需要重點研究的內(nèi)容。利用溜板機構(gòu)在軌道上的擺動帶動放射機構(gòu)運行，其擺動角度范圍為±25°。電機為溜板機構(gòu)提供動力，帶輪帶動絲杠沿弧形背板運行，擺動插頭將絲杠和溜板驅(qū)動板固定連接，同時溜板驅(qū)動板在圓弧導(dǎo)軌上運行。利用解析法對擺動機構(gòu)進行運動學(xué)分析。BC為絲杠，定義為主動件，長度為L，則主動桿件以角速度ω1順時針旋轉(zhuǎn);AC為從動件，由溜板背板C和固定點A相連接。溜板背板C中心與A之間的距離設(shè)為S，絲杠與溜板機構(gòu)的角位移分別為λ1、λ2，固定點A與電機B中心點之間的距離為l。

為了研究擺動機構(gòu)沿導(dǎo)軌運動的情況，將擺動機構(gòu)和導(dǎo)軌的運動關(guān)系簡化，如圖4所示。

溜板機構(gòu)上的擺動運動可視為一個曲柄滑塊機構(gòu)，其上的機構(gòu)構(gòu)成矢量三角形，其矢量方程式為[3]：

擺動機構(gòu)角位移：

C點的坐標(biāo)：

投影到x軸和y軸的矢量方程：

由式（5）可得C點相對于A點的位移S和絲杠的角位移λ2：

通過對式（7）求導(dǎo)可得擺動機構(gòu)內(nèi)絲杠的角速度ω2表達(dá)式：

根據(jù)加速度公式α=■可得ω2的角加速度：

式（9）為擺動機構(gòu)中AC的角加速度。

2? ? 放射源擺動機構(gòu)有限元分析

2.1? ? 靜力學(xué)分析

放射源擺動機構(gòu)主要由弧軌背板、溜板機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、放射源等裝置組成，而溜板機構(gòu)作為主要的受力部位，為了獲知其力學(xué)性能，需要對其進行受力分析。擺動機構(gòu)主要承受軸向進給力，同時弧軌背板上的導(dǎo)軌對于絲杠具有轉(zhuǎn)動約束，通過限位塊對擺動插頭位置運動進行限制;擺動插頭內(nèi)安裝有轉(zhuǎn)向裝置，連接放射機構(gòu)和絲杠沿著導(dǎo)軌運行。采用有限元方法分析溜板機構(gòu)在最大載荷下的變形及應(yīng)力分布情況;對溜板機構(gòu)進行參數(shù)化建模，并將其導(dǎo)入到有限元軟件中進行受力分析[4]，對其中的各個部件賦予相應(yīng)的材料屬性，如表1所示。

對各部件進行網(wǎng)格劃分，并按照連接關(guān)系分別定義其接觸屬性，根據(jù)溜板所承受的載荷，在溜板上施加500 kg的載荷。對擺動插頭和弧形背板設(shè)置旋轉(zhuǎn)約束，絲杠受到放射機構(gòu)的重力，同時對溜板的背板和弧形導(dǎo)軌等施加固定約束進行分析[5]。

基于以上約束條件以及實際工況載荷，得出擺動機構(gòu)的應(yīng)力云圖和變形云圖，如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可知，擺動機構(gòu)上的絲杠在受到最大扭矩和軸向進給力時，溜板機構(gòu)最大應(yīng)力為10.15 MPa，最大變形約0.008 393 mm。通過分析可知，擺動機構(gòu)的最大變形遠(yuǎn)低于材料的屈服強度，其變形小于設(shè)計要求。

2.2? ? 模態(tài)分析

2.2.1? ? 模態(tài)分析介紹

放射診斷機構(gòu)通過溜板機構(gòu)的帶動做弧形往復(fù)運動，對擺動結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，并研究其機械的動力特性。由以上設(shè)定可知擺動機構(gòu)的材料屬性和結(jié)構(gòu)質(zhì)量，由模態(tài)分析確定擺動機構(gòu)的固有頻率。自由振動的基本方程如下[6-9]：

式中：M為質(zhì)量矩陣;C為阻尼矩陣;K為剛度矩陣;為加速度向量;為速度向量;X為位移向量;F為作用力向量;t為時間。

模型為無阻尼系統(tǒng)時的微分方程如下：

則假設(shè)微分方程的解為：

式中：A為振幅陣列;ω為角速度;φ為初相位。

通過對式（12）進行二次求導(dǎo)得到廣義加速度矩陣，再將其代入式（11）可得：

通過將式（13）進行線性方程式組求解，行列式有非零解的條件為系數(shù)值等于0，即：

2.2.2? ? 模態(tài)分析

通過對擺動機構(gòu)進行模態(tài)分析，為醫(yī)療器械中的結(jié)構(gòu)設(shè)計和振動系統(tǒng)故障診斷及其優(yōu)化設(shè)計提供重要依據(jù)。對擺動機構(gòu)進行簡化，簡化部分螺紋孔和圓角等細(xì)微結(jié)構(gòu)。所建模型輸出為stp格式，導(dǎo)入有限元軟件進行分析，對擺動機構(gòu)無須添加載荷，僅添加約束即可。采用四面體網(wǎng)格劃分，計算前6階模態(tài)振型。其固有頻率如表2所示，模態(tài)分析結(jié)果如圖7所示。

3? ? 結(jié)語

綜上所述，基于擺動機構(gòu)原理將放射治療機構(gòu)和CT診斷機構(gòu)兩者相結(jié)合，起到了精確定位的作用，避免了定位誤差對放射治療帶來的不利影響，提高了醫(yī)療器械診斷和治療腫瘤的效率及優(yōu)越性。運用解析法求得擺動機構(gòu)的運動學(xué)關(guān)系，并對其進行運動路徑分析，獲得了擺動機構(gòu)運動位置與運動速度的關(guān)系，為提高擺動機構(gòu)的定位精度提供了依據(jù);通過對擺動機構(gòu)進行有限元分析，得到溜板機構(gòu)的最大應(yīng)力為10.15 MPa，最大變形為0.008 393 mm;通過對溜板機構(gòu)的模態(tài)分析，獲得其固有頻率和振動特性，其第1階固有頻率為288.47 Hz，遠(yuǎn)高于機構(gòu)的激振頻率，產(chǎn)生共振的可能性極小，后續(xù)頻率逐漸增大。本文所分析的內(nèi)容對于醫(yī)療放射診斷治療系統(tǒng)整體的機械設(shè)計具有重要的參考價值。

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收稿日期：2021-12-23

作者簡介：褚國榮（1966—），男，江蘇南通人，高級工程師，研究方向：大型醫(yī)療設(shè)備的結(jié)構(gòu)研發(fā)設(shè)計及功能開發(fā)。