孫瑞峰，張通化，管付銀

雙C型臂X射線機結(jié)構(gòu)設(shè)計

孫瑞峰，張通化，管付銀

（長安大學(xué)工程機械學(xué)院，陜西西安710064）

通過分析當(dāng)前C型臂X射線機設(shè)備的工作形式，提出了一種新型的C型臂機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。采用雙C型臂結(jié)構(gòu)，將大小C臂分別作為兩套獨立的成像機構(gòu)并存于設(shè)備中，通過兩個C型臂獨立的進行同中心回轉(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。同時設(shè)計出了C型臂的驅(qū)動和鎖緊結(jié)構(gòu)，并運用SolidWorks軟件中建立結(jié)構(gòu)模型。

C型臂X射線機；驅(qū)動機構(gòu)；鎖緊機構(gòu)

C型臂X射線機是一種為醫(yī)生使用數(shù)字減影技術(shù)(DSA)進行介入式手術(shù)治療提供載體的醫(yī)療器械[1]?，F(xiàn)有的C型臂X射線機為單C型臂產(chǎn)品，在進行手術(shù)時需要頻繁的調(diào)整C型臂位置來交替獲得患者手術(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)動和定位，調(diào)整過程費時且成像不穩(wěn)定[2]。目前國內(nèi)的設(shè)計手段主要是經(jīng)驗設(shè)計和附加簡單計算的設(shè)計，對制造工藝、制造成本、運輸?shù)确矫嫣岢龊芨叩囊?，同時，無法實現(xiàn)多角度成像，不利于市場競爭。

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動，同時小C臂也能進行相對于大C臂同回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)的圓周運動，手術(shù)時可同時獲得正面和側(cè)面影像，減小了設(shè)備調(diào)整對醫(yī)生手術(shù)的干擾，能夠縮短手術(shù)的時間。

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)做相對自由的滑動，無阻滯現(xiàn)象。

1.1 雙C型臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

使用TRIZ創(chuàng)新理論[3]對實現(xiàn)大小C型臂的運動結(jié)構(gòu)進行求解，將大小C臂作為兩套單獨的成像機構(gòu)同時安裝在整個設(shè)備中，大小C臂分別固聯(lián)球管和發(fā)射器實現(xiàn)獨立成像。大小C臂截面結(jié)構(gòu)相同，如圖1所示，通過軸承軌道安裝于支撐回轉(zhuǎn)托架上，并將開口同步帶兩端分別固定于C臂軸承軌道的兩端，利用伺服電機驅(qū)動控制C臂沿軸承軌道做圓周方向的旋轉(zhuǎn)運動。小C臂的結(jié)構(gòu)與運動方式和大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比較簡單容易實現(xiàn)；雙C結(jié)構(gòu)使球管和探測器的安裝和固定變得方便；雙C臂的結(jié)構(gòu)工作時可以進行同中心旋轉(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，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，否則會影響成像的質(zhì)量，增加C臂的調(diào)整時間。為消除攢動在回轉(zhuǎn)托架上增加浮動軸承組[4]，使C臂型腔側(cè)面始終與浮動軸承組接觸，從而在保證運動需要的間隙的同時使C臂平穩(wěn)地沿回轉(zhuǎn)托架運動到指定角度位置。

C臂不但能夠沿回轉(zhuǎn)托架做圓周運動同時還能夠隨回轉(zhuǎn)托架一起進行轉(zhuǎn)動和小角度擺動以適應(yīng)不同的工作位置要求，C臂處于這種位置時會使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。通過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足，所以為了達到消除間隙的目的，在回轉(zhuǎn)托架中安裝可調(diào)徑向軸承。通過調(diào)整徑向軸承的位置減小C臂型腔與浮動軸承組的間隙，降低加工精度的要求，避免垂直于回轉(zhuǎn)托架方向的攢動（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)計在簡化零部件加工工藝性的同時使設(shè)備的結(jié)構(gòu)得到了簡化，而且對大小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。并且大小C臂運動時能夠繞同一個回轉(zhuǎn)中心做同中心旋轉(zhuǎn)，保證成像系統(tǒng)在工作時能夠準(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)動機構(gòu)

驅(qū)動機構(gòu)由伺服電機、同步帶驅(qū)動輪、同步帶壓輪組成。大小C臂與回轉(zhuǎn)托架通過C臂型腔和軸承組聯(lián)接起來，將開口同步帶的兩端分別固定在C臂的兩端，使同步帶與C臂連接為一個整體。回轉(zhuǎn)托架上裝有同步帶輪，伺服電機通過它驅(qū)動固定同步帶的C臂繞著圓弧中心進行旋轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)通過控制伺服電機驅(qū)動力的輸入從而控制C型臂旋轉(zhuǎn)的速度并保證其位置精度。同步帶輪同時驅(qū)動編碼器，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。見圖3.

圖3 C臂驅(qū)動結(jié)構(gòu)

為增大同步帶在同步帶輪上的包角從而增大驅(qū)動力，在同步帶輪兩側(cè)分別安裝有兩個同步帶壓輪。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，實現(xiàn)同步帶的正常運轉(zhuǎn)。同步帶傳動不僅保證了傳動的準(zhǔn)確可靠還簡化了設(shè)備的結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備的整體重量。

3 鎖緊機構(gòu)

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

3.1 鎖緊機構(gòu)原理

鎖緊機構(gòu)安裝在同步帶驅(qū)動輪軸上，此機構(gòu)原理主要是通過偏心輪與圓形卡箍之間形成的摩擦力對C型臂的鎖緊?？ü恳欢斯潭ǎ硪欢伺c偏心輪接觸，偏心輪利用自鎖原理進行設(shè)計，使偏心機構(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)動輪軸之間會產(chǎn)生足夠大的沿卡箍內(nèi)圓切線方向的摩擦力，圓形卡箍與同步帶驅(qū)動輪軸形成的摩擦力作為預(yù)緊力作用在同步帶驅(qū)動輪軸上，鎖緊摩擦力的大小可以通過調(diào)整偏心輪的行程進行調(diào)節(jié)，行程越大摩擦力越大。見圖4.

圖4 鎖緊機構(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)計出偏心圓的直徑為40 mm，偏心行程為2 mm.經(jīng)過試驗樣機驗證，鎖緊安全可靠。

4 結(jié)束語

結(jié)合現(xiàn)有的C型臂X射線機的使用，對現(xiàn)有的C型臂X射線機的不足進行分析，給出了能夠?qū)崿F(xiàn)立體診斷圖像的雙C型臂X射線機的C臂結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上對雙C型臂結(jié)構(gòu)的驅(qū)動和鎖緊機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，對C型臂X射線機的C臂設(shè)計有一定的借鑒價值。

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

[2]張正國.C型臂X射線機的研發(fā)設(shè)計[D].西安：長安大學(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]王夢熊，王家鄞.醫(yī)用X射線定位設(shè)備“C”形臂結(jié)構(gòu)的計算與設(shè)計[J].機械設(shè)計與研究，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），研究方向為機械設(shè)計及理論。