田融冰，郭麗峰，張超建，薛建平

(1.北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124；2.北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，北京 102600；3.北京辛耕普華醫(yī)療科技有限公司，北京 101102)

大型醫(yī)學(xué)影像設(shè)備——單光子發(fā)射斷層成像設(shè)備(Single Photon Emission Computed Tomography，SPECT)具有功能成像和輻射傷害小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于心臟、骨骼和肺等器官的功能研究及多種疾病的診斷。SPECT主要由機(jī)架、平移旋轉(zhuǎn)裝置和探測器等組成，其中機(jī)架為SPECT設(shè)備的主要承載機(jī)構(gòu)。SPECT探測器總質(zhì)量達(dá)數(shù)百公斤，依據(jù)醫(yī)療器械對(duì)安全性的特殊要求(4倍安全系數(shù))[1]，機(jī)架承載能力需達(dá)1 t以上。SPECT通常具有10個(gè)左右的自由度，以滿足不同的測量模式，如180°模式和90°模式等，因此設(shè)計(jì)要求機(jī)架具有高剛度及良好的穩(wěn)定性。

為滿足成像所需的不同測量模式，SPECT機(jī)架機(jī)械系統(tǒng)所承載的探測器需超出機(jī)架前端面0.5 m左右，而機(jī)構(gòu)包含2個(gè)探測器，每個(gè)探測器重達(dá)數(shù)百公斤，探測器及前端各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的負(fù)載重達(dá)1 600 kg，將產(chǎn)生較大的傾覆力矩。當(dāng)探測器處于90°模式，且旋轉(zhuǎn)至機(jī)架一側(cè)時(shí)，負(fù)載會(huì)對(duì)機(jī)架產(chǎn)生較大的偏載，因此設(shè)計(jì)要求機(jī)架具有高承載的特性?？紤]到設(shè)備搬運(yùn)的便捷性和樓板的承載等，設(shè)備要求輕量化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是否合理，是否滿足強(qiáng)度和剛度的要求，將直接影響到整機(jī)的性能，以及整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的安全運(yùn)行；因此，對(duì)SPECT機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析具有重要的意義。

為了尋求既經(jīng)濟(jì)又安全的結(jié)構(gòu)形式，滿足醫(yī)療器械4倍安全系數(shù)及機(jī)構(gòu)的高承載能力，設(shè)計(jì)了SPECT機(jī)架三維模型，應(yīng)用SolidWorks軟件中的Simulation模塊對(duì)其進(jìn)行仿真分析，以獲取更好的靜力學(xué)狀態(tài)特征。Simulation是SolidWorks公司開發(fā)的一種功能強(qiáng)大的有限元分析軟件。它作為嵌入式分析軟件與SolidWorks軟件無縫集成，成為頂級(jí)的銷量產(chǎn)品[2]。SPECT機(jī)架機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的力學(xué)方法很難計(jì)算出機(jī)架的剛度和強(qiáng)度，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元法的應(yīng)用提供了一種新的方法和手段[3]。

1 SPECT機(jī)架模型的建立

1.1 建立機(jī)架數(shù)學(xué)模型

SPECT機(jī)架是單光子發(fā)射斷層成像儀的重要組成部分，其機(jī)架腹板更是承載了該設(shè)備全部負(fù)載產(chǎn)生的傾覆力矩，機(jī)架初期設(shè)計(jì)采用的是槽型結(jié)構(gòu)，利用SolidWorks軟件對(duì)機(jī)架和探測器組件進(jìn)行三維建模，對(duì)兩者的接觸面應(yīng)用“接合”命令，以使兩者裝配為一個(gè)整體。虛擬樣機(jī)的輔助設(shè)計(jì)減少了對(duì)物理樣機(jī)的依賴，為產(chǎn)品的自主研發(fā)提供了有效的分析手段[4]。

該SPECT機(jī)架的空間尺寸(長×寬×高)為1 420 mm×750 mm×1 950 mm，機(jī)架側(cè)面前后距離為230 mm。簡化探測器組件前后長度為0.825 mm，質(zhì)量為1 600 kg。機(jī)架設(shè)計(jì)基本參數(shù)見表1。機(jī)架簡化三維實(shí)體模型和裝配圖分別如圖1和圖2所示。

表1 機(jī)架設(shè)計(jì)基本參數(shù)

圖1 SPECT機(jī)架 圖2 SPECT裝配體

SPECT在工作中探測器有90°模式和180°模式，當(dāng)SEPCT在90°模式時(shí)，2個(gè)探測器相靠最近，假設(shè)此時(shí)2個(gè)探測器為一整體，則機(jī)架負(fù)載產(chǎn)生的徑向偏載力和傾覆力矩要比180°模式大很多；因此，只需考慮受力最大情況，即90°模式。探測器180°模式如圖3所示，探測器90°模式如圖4所示。

圖3 探測器180°模式 圖4 探測器90°模式

在90°模式下，當(dāng)探測器旋轉(zhuǎn)到機(jī)架正上方時(shí)，探測器產(chǎn)生的徑向偏載和傾覆力矩對(duì)機(jī)架的變形影響最大，本文將探測器和傳動(dòng)部件等負(fù)載簡化為一整體。在相同負(fù)載的情況下，對(duì)SPECT機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)分析，查看其變形和應(yīng)力大小；同時(shí)還要考慮醫(yī)療器械對(duì)安全系數(shù)的特殊要求——4倍安全系數(shù)及材料屈服強(qiáng)度，所以機(jī)架允許的最大應(yīng)力應(yīng)≤132.5 MPa。

1.2 建立機(jī)架有限元模型

在建立SPECT機(jī)架機(jī)械系統(tǒng)的有限元模型時(shí)，應(yīng)先對(duì)其機(jī)構(gòu)進(jìn)行必要的簡化。應(yīng)對(duì)主承載件均保留其原結(jié)構(gòu)形狀，以反映其力學(xué)特性，對(duì)非承載件進(jìn)行一定的簡化[5]。在SolidWorks Simulation軟件的實(shí)際應(yīng)用中，一般會(huì)遵循如下過程：創(chuàng)建靜應(yīng)力算例→材料使用→連結(jié)→約束添加→載荷施加→網(wǎng)格劃分→運(yùn)行分析→結(jié)果分析。具體過程如下。

1)材料使用。在機(jī)架零件中右鍵單擊Simulation設(shè)計(jì)樹下的“材料”，選擇“編輯材料”，然后從SolidWorks materials下的“鋼”文件夾中選擇“AISI 1045鋼”，單擊“確定”。對(duì)簡化探測器組件實(shí)施相同操作，對(duì)其應(yīng)用“普通碳鋼”。

2)連結(jié)。在Simulation Study樹中右鍵單擊“連結(jié)”，在彈出的零部件相觸面組中選擇“接合”，以使SPECT機(jī)架和簡化探測器接合在一起。

3)添加約束。在Simulation Study樹中右鍵單擊“夾具”，并選擇“固定幾何體”，對(duì)機(jī)架和地面接觸部位的8個(gè)地腳螺栓孔應(yīng)用固定幾何體約束。

4)施加載荷。在Simulation Study樹中右鍵單擊“外部載荷”，本文只考慮機(jī)架裝配體自身重力，所以選擇“引力”，重力加速度為9.81 m/s2，方向豎直向下。SPECT裝配體受力模型如圖5所示。

圖5 SPECT裝配體受力模型

圖6 SPECT裝配體網(wǎng)格模型

5)網(wǎng)格劃分。在Simulation Study樹中右鍵單擊“網(wǎng)格”，然后選擇“生成網(wǎng)格”，采用高品質(zhì)的單元?jiǎng)澐謾C(jī)架裝配體網(wǎng)格，網(wǎng)格密度選擇良好，網(wǎng)格參數(shù)選擇基于曲率的網(wǎng)格，網(wǎng)格細(xì)節(jié)顯示最大單元大小為71 mm，最小單元大小為14 mm；顯示單元總數(shù)為30 373，節(jié)總數(shù)為54 693。在SolidWorks Simulation中的SPECT裝配體劃分網(wǎng)格后的結(jié)果如圖6所示。

6)運(yùn)行分析。在Simulation菜單欄中單擊“運(yùn)行”命令，在此過程中，可以通過屏幕上的解算器窗口監(jiān)視運(yùn)算過程。分析結(jié)果會(huì)顯示在Simulation Study樹下的結(jié)果中。

2 SPECT機(jī)架仿真分析及驗(yàn)證

2.1 SPECT機(jī)架仿真分析

在對(duì)SPECT機(jī)架裝配體應(yīng)用了材料、連結(jié)、約束、載荷和網(wǎng)格后，應(yīng)用SolidWorks Simulation軟件的求解器來求解有限元模型。仿真分析結(jié)束后，為了更好地觀察SPECT機(jī)架的應(yīng)力和變形情況，將分析結(jié)果中的簡化探測器隱藏，留下機(jī)架單獨(dú)顯示。機(jī)架分析結(jié)果保存在Simulation Study樹中的結(jié)果選項(xiàng)中。

SPECT機(jī)架采用的是槽型結(jié)構(gòu)，在這種情況下進(jìn)行靜應(yīng)力分析，得到隱藏探測器組件的機(jī)架應(yīng)力圖解和位移圖解。SPECT機(jī)架的應(yīng)力圖解如圖7所示，SPECT機(jī)架的位移圖解如圖8所示。分析顯示機(jī)架的最大應(yīng)力發(fā)生在底部的地腳螺栓處，機(jī)架的最大應(yīng)力為25.165 MPa；機(jī)架最大變形發(fā)生在機(jī)架頂部，最大變形量為0.873 mm。已知機(jī)架材料的屈服強(qiáng)度為530 MPa，故機(jī)架的最小安全系數(shù)為21，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于醫(yī)療器械4倍的安全系數(shù)要求。

圖7 機(jī)架應(yīng)力圖解

圖8 機(jī)架位移圖解

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所建模型及有限元分析結(jié)果的精度，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了相應(yīng)的使用工況試驗(yàn)[6]。利用關(guān)節(jié)臂式三坐標(biāo)測量儀對(duì)1臺(tái)現(xiàn)有SPECT產(chǎn)品實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行變形測量。在其機(jī)架頂部選取1個(gè)點(diǎn)，記錄其沒有負(fù)載時(shí)的數(shù)據(jù)；保持三坐標(biāo)測量儀的位置不變，然后將數(shù)百公斤的探測器等負(fù)載安裝上，并將負(fù)載模式調(diào)整為90°模式，記錄此時(shí)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示出實(shí)物樣機(jī)在取下負(fù)載和加上負(fù)載的前、后變形量差為0.9 mm。仿真結(jié)果機(jī)架變形量為0.873 mm，與實(shí)測結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了仿真模型的合理性。

3 SPECT機(jī)架穩(wěn)定性分析

圖9 Motion分析裝配體示意圖

根據(jù)GB 9706.1—2007《醫(yī)用電氣設(shè)備第1部分安全通用要求》可知：SPECT在正常使用時(shí)，將設(shè)備傾斜10°，應(yīng)不失衡。本文對(duì)該設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)定性分析，建立1個(gè)與水平面斜度為10°的零件A，將該設(shè)備放置于零件A的斜坡上。在Motion分析中對(duì)整體施加重力，方向垂直于零件A底面；在設(shè)備和斜坡零件之間添加實(shí)體接觸，Motion分析的裝配體示意圖如圖9所示。分析結(jié)果顯示，該設(shè)備始終保持原始狀態(tài)沒有傾倒，表明該機(jī)架在穩(wěn)定性方面達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)基于SolidWorks Simulation軟件，對(duì)大

型醫(yī)學(xué)影像設(shè)備SPECT進(jìn)行了參數(shù)化建模，并對(duì)SPECT機(jī)架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真分析。在滿足該設(shè)備設(shè)計(jì)要求的前提下，研究證明該結(jié)構(gòu)機(jī)架的最大應(yīng)力始終滿足條件，機(jī)架變形量為0.873 mm，而通過關(guān)節(jié)臂式三坐標(biāo)測量儀測量可知現(xiàn)有實(shí)物樣機(jī)機(jī)架變形量為 0.9mm，仿真分析結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本一致，說明此SPECT設(shè)備機(jī)架仿真模型的設(shè)計(jì)是合理的。Motion分析顯示，該設(shè)備機(jī)架穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。SPECT機(jī)架更小的變形量擴(kuò)大了整套設(shè)備成像系統(tǒng)中探測器對(duì)病人圖像采集所覆蓋的區(qū)域，提高了SPECT產(chǎn)品的綜合性能和市場競爭力。另外，該實(shí)驗(yàn)的三維模型和靜應(yīng)力分析都是在同一平臺(tái)操作，操作過程簡單方便，對(duì)以后的優(yōu)化設(shè)計(jì)和復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)分析具有很好的參考價(jià)值。

[1] 全國醫(yī)用電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB 9706.1—2007 醫(yī)用電氣設(shè)備 第1部分：安全通用要求[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[2] SolidWorks公司. SolidWorks Simulation高級(jí)教程[M]. 杭州新迪數(shù)字工程系統(tǒng)有限公司，譯. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3] 包家漢，潘紫微，包瑋，等. HFCG120輥壓機(jī)機(jī)架優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2007, 24(5)：64-66.

[4] 岳雙杰,范秀敏,馬彥軍,等. 圓錐破碎機(jī)虛擬樣機(jī)參數(shù)化建模與仿真分析[J]. 中國機(jī)械工程, 2011, 22(1)：2712-2716.

[5] 陳國榮，唐紹華. 汽車驅(qū)動(dòng)橋橋殼強(qiáng)度與模態(tài)的有限元分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2012(2): 42-44.

[6] 陳晨，周志雄，黃向明，等. 一種起重機(jī)伸縮臂多目標(biāo)優(yōu)化方法及實(shí)驗(yàn)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2013，29(5):131-135.

*北京市教育委員會(huì)市屬高校創(chuàng)新能力提升計(jì)劃項(xiàng)目(TJSHG201310017035)