孫瑞峰，張通化，管付銀

雙C型臂X射線機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫瑞峰，張通化，管付銀

（長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安710064）

通過(guò)分析當(dāng)前C型臂X射線機(jī)設(shè)備的工作形式，提出了一種新型的C型臂機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。采用雙C型臂結(jié)構(gòu)，將大小C臂分別作為兩套獨(dú)立的成像機(jī)構(gòu)并存于設(shè)備中，通過(guò)兩個(gè)C型臂獨(dú)立的進(jìn)行同中心回轉(zhuǎn)，兩套成像系統(tǒng)相結(jié)合，可以形成立體診斷圖像，更加直觀便捷。同時(shí)設(shè)計(jì)出了C型臂的驅(qū)動(dòng)和鎖緊結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用SolidWorks軟件中建立結(jié)構(gòu)模型。

C型臂X射線機(jī)；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；鎖緊機(jī)構(gòu)

C型臂X射線機(jī)是一種為醫(yī)生使用數(shù)字減影技術(shù)(DSA)進(jìn)行介入式手術(shù)治療提供載體的醫(yī)療器械[1]。現(xiàn)有的C型臂X射線機(jī)為單C型臂產(chǎn)品，在進(jìn)行手術(shù)時(shí)需要頻繁的調(diào)整C型臂位置來(lái)交替獲得患者手術(shù)部位的不同側(cè)位的圖像，在調(diào)整C型臂的操作過(guò)程中容易失去手術(shù)部位的影像，重新恢復(fù)成像需要繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)和定位，調(diào)整過(guò)程費(fèi)時(shí)且成像不穩(wěn)定[2]。目前國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)手段主要是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和附加簡(jiǎn)單計(jì)算的設(shè)計(jì)，對(duì)制造工藝、制造成本、運(yùn)輸?shù)确矫嫣岢龊芨叩囊?，同時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多角度成像，不利于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

本文給出一種雙C臂結(jié)構(gòu)，其大C臂可以沿托架做圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)小C臂也能進(jìn)行相對(duì)于大C臂同回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)的圓周運(yùn)動(dòng)，手術(shù)時(shí)可同時(shí)獲得正面和側(cè)面影像，減小了設(shè)備調(diào)整對(duì)醫(yī)生手術(shù)的干擾，能夠縮短手術(shù)的時(shí)間。

1 雙C型臂結(jié)構(gòu)

雙C型臂的結(jié)構(gòu)須在保證大小C臂同中心旋轉(zhuǎn)的前提下，能夠準(zhǔn)確的獲得X射線機(jī)旋轉(zhuǎn)極限范圍的內(nèi)任意位置的X線影像。并且大小C臂能在各自的軌道內(nèi)做相對(duì)自由的滑動(dòng)，無(wú)阻滯現(xiàn)象。

1.1 雙C型臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

使用TRIZ創(chuàng)新理論[3]對(duì)實(shí)現(xiàn)大小C型臂的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解，將大小C臂作為兩套單獨(dú)的成像機(jī)構(gòu)同時(shí)安裝在整個(gè)設(shè)備中，大小C臂分別固聯(lián)球管和發(fā)射器實(shí)現(xiàn)獨(dú)立成像。大小C臂截面結(jié)構(gòu)相同，如圖1所示，通過(guò)軸承軌道安裝于支撐回轉(zhuǎn)托架上，并將開(kāi)口同步帶兩端分別固定于C臂軸承軌道的兩端，利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制C臂沿軸承軌道做圓周方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。小C臂的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)方式和大C臂相同。雖然體積有一定增加，但是避免了在大直徑圓弧面上進(jìn)行齒輪齒面加工，具有較好的加工工藝性，并且這種方案的傳動(dòng)比較簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)；雙C結(jié)構(gòu)使球管和探測(cè)器的安裝和固定變得方便；雙C臂的結(jié)構(gòu)工作時(shí)可以進(jìn)行同中心旋轉(zhuǎn)成像。

圖1 C型臂截面

1.2 C臂回轉(zhuǎn)托架結(jié)構(gòu)

C型臂在工作過(guò)程中，由于醫(yī)生需要患者手術(shù)部位不同角度的影像，因此大小C臂將會(huì)處于不同的工作角度位置間。當(dāng)C型臂與水平面之間為90°夾角時(shí)，C臂應(yīng)與回轉(zhuǎn)托架鏈接穩(wěn)定，不發(fā)生垂直于平面的攢動(dòng)，否則會(huì)影響成像的質(zhì)量，增加C臂的調(diào)整時(shí)間。為消除攢動(dòng)在回轉(zhuǎn)托架上增加浮動(dòng)軸承組[4]，使C臂型腔側(cè)面始終與浮動(dòng)軸承組接觸，從而在保證運(yùn)動(dòng)需要的間隙的同時(shí)使C臂平穩(wěn)地沿回轉(zhuǎn)托架運(yùn)動(dòng)到指定角度位置。

C臂不但能夠沿回轉(zhuǎn)托架做圓周運(yùn)動(dòng)同時(shí)還能夠隨回轉(zhuǎn)托架一起進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)和小角度擺動(dòng)以適應(yīng)不同的工作位置要求，C臂處于這種位置時(shí)會(huì)使C臂型腔與回轉(zhuǎn)托架的垂直方向產(chǎn)生間隙，造成C臂的晃動(dòng)。通過(guò)C臂型腔與回轉(zhuǎn)托架完全契合的方式消除間隙所需要的加工精度難以滿(mǎn)足，所以為了達(dá)到消除間隙的目的，在回轉(zhuǎn)托架中安裝可調(diào)徑向軸承。通過(guò)調(diào)整徑向軸承的位置減小C臂型腔與浮動(dòng)軸承組的間隙，降低加工精度的要求，避免垂直于回轉(zhuǎn)托架方向的攢動(dòng)（具體結(jié)構(gòu)如圖2所示）。

圖2 回轉(zhuǎn)托架結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在簡(jiǎn)化零部件加工工藝性的同時(shí)使設(shè)備的結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化，而且對(duì)大小C臂的支撐具有較好的穩(wěn)定性，避免了C臂與回轉(zhuǎn)托架之間因間隙產(chǎn)生的晃動(dòng)。并且大小C臂運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠繞同一個(gè)回轉(zhuǎn)中心做同中心旋轉(zhuǎn)，保證成像系統(tǒng)在工作時(shí)能夠準(zhǔn)確的獲得患者任意角度的立體診斷圖像。

2 雙C方案的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、同步帶驅(qū)動(dòng)輪、同步帶壓輪組成。大小C臂與回轉(zhuǎn)托架通過(guò)C臂型腔和軸承組聯(lián)接起來(lái)，將開(kāi)口同步帶的兩端分別固定在C臂的兩端，使同步帶與C臂連接為一個(gè)整體?；剞D(zhuǎn)托架上裝有同步帶輪，伺服電機(jī)通過(guò)它驅(qū)動(dòng)固定同步帶的C臂繞著圓弧中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)通過(guò)控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)力的輸入從而控制C型臂旋轉(zhuǎn)的速度并保證其位置精度。同步帶輪同時(shí)驅(qū)動(dòng)編碼器，將位移信息反饋至控制系統(tǒng)，保證旋轉(zhuǎn)的精度，提高成像的精確性。見(jiàn)圖3.

圖3 C臂驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

為增大同步帶在同步帶輪上的包角從而增大驅(qū)動(dòng)力，在同步帶輪兩側(cè)分別安裝有兩個(gè)同步帶壓輪。在回轉(zhuǎn)托架的兩端同樣安裝有同步帶壓輪，這里的同步帶壓輪主要是保證同步帶不與回轉(zhuǎn)托架發(fā)生摩擦，實(shí)現(xiàn)同步帶的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。同步帶傳動(dòng)不僅保證了傳動(dòng)的準(zhǔn)確可靠還簡(jiǎn)化了設(shè)備的結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備的整體重量。

3 鎖緊機(jī)構(gòu)

C臂在工作過(guò)程中會(huì)處于任意的角度，為了防止C臂在工作的過(guò)程中，由于伺服電機(jī)損壞或者某種突發(fā)狀況導(dǎo)致不能固定C臂的位置，從而出現(xiàn)C臂失控滑動(dòng)的危險(xiǎn)，因此在同步帶驅(qū)動(dòng)輪軸安裝偏心鎖緊機(jī)構(gòu)避免失控滑動(dòng)的危險(xiǎn)。

3.1 鎖緊機(jī)構(gòu)原理

鎖緊機(jī)構(gòu)安裝在同步帶驅(qū)動(dòng)輪軸上，此機(jī)構(gòu)原理主要是通過(guò)偏心輪與圓形卡箍之間形成的摩擦力對(duì)C型臂的鎖緊。卡箍一端固定，另一端與偏心輪接觸，偏心輪利用自鎖原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，使偏心機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的正壓力始終作用在圓形卡箍上，圓形卡箍與同步帶驅(qū)動(dòng)輪軸之間會(huì)產(chǎn)生足夠大的沿卡箍?jī)?nèi)圓切線方向的摩擦力，圓形卡箍與同步帶驅(qū)動(dòng)輪軸形成的摩擦力作為預(yù)緊力作用在同步帶驅(qū)動(dòng)輪軸上，鎖緊摩擦力的大小可以通過(guò)調(diào)整偏心輪的行程進(jìn)行調(diào)節(jié)，行程越大摩擦力越大。見(jiàn)圖4.

圖4 鎖緊機(jī)構(gòu)

3.2 鎖緊條件

如圖5所示，O為偏心輪回轉(zhuǎn)軸的中心，B為偏心輪的中心，OB=e為偏心距，偏心輪與夾緊表面接觸點(diǎn)P的回轉(zhuǎn)半徑為OP，OP的垂線AP與夾緊表面間的夾角λ.

圖5 鎖緊原理

偏心機(jī)構(gòu)能形成自鎖的條件為λ≤φ1+φ2，式中φ1為偏心輪與夾緊表面之間的摩擦角，φ2為偏心輪與回轉(zhuǎn)軸之間的摩擦角。忽略偏心輪與回轉(zhuǎn)軸之間的摩擦力，并考慮最大時(shí)能形成自鎖，則自鎖條件是≥，f1為偏心輪與夾緊表面之間的摩擦系數(shù)。

本文根據(jù)自鎖條件設(shè)計(jì)出偏心圓的直徑為40 mm，偏心行程為2 mm.經(jīng)過(guò)試驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證，鎖緊安全可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合現(xiàn)有的C型臂X射線機(jī)的使用，對(duì)現(xiàn)有的C型臂X射線機(jī)的不足進(jìn)行分析，給出了能夠?qū)崿F(xiàn)立體診斷圖像的雙C型臂X射線機(jī)的C臂結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上對(duì)雙C型臂結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)和鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)C型臂X射線機(jī)的C臂設(shè)計(jì)有一定的借鑒價(jià)值。

[1]陳小松.DSA醫(yī)學(xué)圖像的增強(qiáng)技術(shù)及應(yīng)用研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2005.

[2]張正國(guó).C型臂X射線機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2013.

[3]根里奇-阿奇舒勒著.發(fā)明家誕生了—TRIZ，創(chuàng)造性解決問(wèn)題的理論和方法[M].范怡紅，黃玉霖，譯.成都：西南交通大學(xué)出版社，2004.

[4]王夢(mèng)熊，王家鄞.醫(yī)用X射線定位設(shè)備“C”形臂結(jié)構(gòu)的計(jì)算與設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，1993（1）：25-27.

Structural Design of Double C Arm X Ray Machine

SUN Rui-feng，ZHANG Tong-hua，GUAN Fu-yin
（College of Engineering and Mechanical Engineering，Chang’an University，Xi’an Shaanxi 710064，China）

Based on the analysis of the current working mode of the C arm X ray machine，this paper presents a new design scheme of the C arm mechanical structure.The double C type arm structure，the size of the C arm respectively as two independent institutions coexist in the imaging device，through two C arm independent with the rotary center，two sets of imaging system are combined，can form a three-dimensional image diagnosis，more intuitive and convenient.At the same time，the drive and locking structure of C arm is designed，and the structural model is established by using SolidWorks software.

C arm X ray machine；driving mechanism；locking mechanis

TH774

A

1672-545X（2017）07-0124-03

2017-04-20

孫瑞峰（1990-），男，山東日照人，碩士研究生（在讀），研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。