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        自動控制多變形超聲診斷床的結(jié)構(gòu)設(shè)計

        2014-11-23 01:11:26陳勝茹
        醫(yī)療衛(wèi)生裝備 2014年6期
        關(guān)鍵詞:床架床體床板

        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(jié)構(gòu)式,床的高度及面板固定,不可調(diào)節(jié),不能適應(yīng)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(diào)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(cè)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(shè)計構(gòu)思進行闡述。

        1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

        診斷床為了實現(xiàn)升降、抬頭、抬背及軀體側(cè)翻等動作,須有升降機構(gòu)、抬頭抬背機構(gòu)、側(cè)翻機構(gòu)??傮w構(gòu)思:機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電動機驅(qū)動、傳感控制運動及總體位姿協(xié)調(diào)等[2]。診斷床不同狀態(tài)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        1.1 診斷床結(jié)構(gòu)

        該診斷床由床面、床架和電動控制部分組成。床腿配有可調(diào)整地腳,床體高度可根據(jù)工作需要隨意調(diào)整,也可選擇自動調(diào)整床體高度。床體左側(cè)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(jié)構(gòu)

        床面分為彼此獨立的7個面板,分別對應(yīng)人體頭部、背部及臀部和下肢,通過各個面板之間的協(xié)調(diào)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(biāo)準(zhǔn)如下:頭部面板擺動角度0~30°,背板擺動角度 0~75°[3],側(cè)身面板擺動角度 0~75°。頭部面板及背板下面設(shè)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(zhuǎn)一定角度。中間可旋轉(zhuǎn)床面兩側(cè)各裝有一對卡扣,兩側(cè)卡扣可分別繞床板兩側(cè)的固定軸左右旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)床面下方也設(shè)有一套自動裝置,通過按鈕操作此裝置使床面自動旋轉(zhuǎn)。

        圖1 診斷不同狀態(tài)的結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn),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?cè)藬?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?qū)崿F(xiàn)側(cè)翻這一動作,設(shè)計中背板中部可旋轉(zhuǎn)面板寬度為260mm,兩側(cè)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(shè)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(jié)構(gòu)

        床架除了固定的機械機構(gòu)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(diào)節(jié)

        2.1 床體高度調(diào)節(jié)

        2.1.1 手動調(diào)節(jié)

        可調(diào)地腳與床腿用M16螺紋連接,旋轉(zhuǎn)可調(diào)地腳上的螺母便可手動調(diào)整床體高度。

        2.1.2 自動調(diào)節(jié)

        自動調(diào)節(jié)裝置是執(zhí)行床體上下調(diào)整的機構(gòu)。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(zhuǎn),減速機驅(qū)動左右2對傳動斜齒輪,在傳動斜齒輪的驅(qū)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(diào)節(jié)(如圖2所示)。

        圖2 升降機構(gòu)原理圖

        2.2 診斷床各面板的調(diào)節(jié)

        2.2.1 頭端床板控制裝置結(jié)構(gòu)

        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(zhuǎn)動通過聯(lián)軸器帶動螺桿旋轉(zhuǎn),螺桿旋轉(zhuǎn)驅(qū)使螺桿滑塊作往復(fù)直線運動使鉸鏈分別產(chǎn)生位移,在鉸鏈的作用下使頭部床板旋轉(zhuǎn)一定角度(如圖3所示)。

        2.2.2 背端床面控制裝置結(jié)構(gòu)

        與頭端床板控制裝置結(jié)構(gòu)相同,工作原理同2.2.1所述。

        2.2.3 中間床板旋轉(zhuǎn)控制裝置

        圖3 頭部床板旋轉(zhuǎn)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(cè)臥位的轉(zhuǎn)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(gòu)原理完成床板的向左或向右旋轉(zhuǎn)動作(如圖4所示)。

        圖4 中間床板旋轉(zhuǎn)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(shè)計中采取雙層床板結(jié)構(gòu),即在組合床板下安裝一層承重床板。

        3 力學(xué)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(zhì)量為m=75 kg。為簡化計算,先將人體質(zhì)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(zhì)量相對于人體總質(zhì)量的比例關(guān)系,可推導(dǎo)出如下關(guān)系[3](F=mg):

        根據(jù)我國成人人體尺寸的比例關(guān)系,可推導(dǎo)出上述3個集中力的作用位置。以人體頭部為基準(zhǔn),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(jié)構(gòu)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(nèi),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(yīng)力,單位為MPa;[σ]為許用應(yīng)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(shè)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(shè)備自重和提高設(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)符合強度條件要求。

        3.3 力學(xué)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(xué)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(yīng)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(shè)備。經(jīng)臨床17 000例患者使用,反應(yīng)良好,設(shè)計尺寸適合患者轉(zhuǎn)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(jié)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(zhuǎn)動體位的患者,床體結(jié)構(gòu)及各部件尺寸符合工效學(xué)要求。該自動控制多變形超聲診斷床提高了超聲檢查的準(zhǔn)確率,降低了操作者的勞動強度,減輕了患者家屬的負擔(dān),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(xué)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(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T10000—1988 中國成年人人體尺寸[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(shè)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(xué)[M].5版.北京:高等教育出版社,2009:156.

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