楊志永，謝賢詩，李思遠，姜?杉

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后裝機源纜傳送機構(gòu)的改進設(shè)計及精度研究

楊志永，謝賢詩，李思遠，姜?杉

(天津大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300350)

本文旨在改善近距離后裝式放射治療機在使用過程中易出現(xiàn)的放射源卡源的問題，同時為了提高后裝治療機放射源的源到位精度，針對后裝放射治療機的關(guān)鍵治療機構(gòu)——源纜傳送機構(gòu)，進行了結(jié)構(gòu)改進設(shè)計．首先，針對機構(gòu)中的關(guān)鍵零部件繞絲輪的槽形進行了改進設(shè)計，經(jīng)過對比分析，選用三角形槽的設(shè)計方案，并通過計算60°夾角的三角槽對源纜的摩擦驅(qū)動力，證明三角形槽能夠提供足夠的摩擦驅(qū)動力．基于以上所做出的改進，實現(xiàn)了源纜傳送機構(gòu)中片基帶對源纜的完全包覆，保證了源纜在出絲和收絲的過程中不出現(xiàn)亂絲的問題；其次，對源纜傳送機構(gòu)的彈簧張緊力進行了設(shè)計與計算，通過摩擦傳動受力模型計算出張緊彈簧的最小張緊力值，確定了片基帶與繞絲輪之間不出現(xiàn)滑移的條件；再次，設(shè)計了一種浮動導(dǎo)向管用于輔助源纜的出絲、收絲過程，分析了浮動導(dǎo)向管對提高源到位精度的影響；最后，基于電磁定位儀、光纖傳感器以及直線導(dǎo)軌等元器件，創(chuàng)新搭建驗證改進結(jié)果的實驗平臺，通過設(shè)置使用不同的彈簧張緊力、繞絲輪槽形以及浮動導(dǎo)向管的實驗組別，進行對照實驗．實驗得到的數(shù)據(jù)顯示，改進后的后裝治療機的源到位精度得到了提升，其精度為≤±0.6mm，同時，后裝治療機出絲、收絲過程中的卡源現(xiàn)象顯著減少．

后裝治療機；源到位精度；源纜傳送機構(gòu)；繞絲輪

近距離放射治療配合手術(shù)治療以及藥物治療，在癌癥治療方面能起到顯著臨床療效[1]．內(nèi)放療作為當(dāng)前的主要放射治療手段之一，是把放射源輸送到人體自然管腔或者植入到腫瘤內(nèi)部，以此起到放射治療作用的方法[2]．近距離后裝治療機(后裝機)就是用于腔內(nèi)放療的機器，該機器的治療原理是通過人體的自然管腔或組織間插植導(dǎo)管，將放射源輸送至病灶處，繼而依靠放射源192Ir衰變產(chǎn)生的高能γ射線對病人腫瘤靶區(qū)進行短時近距離放射治療，起到消滅腫瘤細(xì)胞的作用[3]．在后裝機的臨床應(yīng)用中，備受醫(yī)學(xué)界關(guān)注的是如何避免放射源在后裝機中出現(xiàn)故障卡住的問題(稱之為卡源)，以及后裝機的放射源到位精度．卡源，即在后裝機運行時，放射源在輸送或返回過程中出現(xiàn)運動停滯，不能正確運行到治療計劃中的安全位置，發(fā)生醫(yī)療事故[4]．而放射源的到位精度決定了后裝機對腫瘤的治療效果，若放射源在病區(qū)停留的位置與治療計劃所設(shè)定的位置出入較大，則不能達到預(yù)期的治療效果．當(dāng)前，臨床上對后裝機的源到位精度要求為≤±1mm[5]．本課題組已完成了后裝樣機的制作，樣機的源到位精度及卡源問題仍有待改善[6-7].筆者針對后裝機的關(guān)鍵機構(gòu)——源纜傳送機構(gòu)進行了改進，改善卡源情況，提高了源到位精度，并進行了相應(yīng)的精度測試實驗．

1?后裝機的工作原理

后裝機工作原理如圖1所示．放射源步進電機和模擬源步進電機上各有一個繞絲輪，輪上繞有放射源纜和模擬源纜．在放射源纜的末端焊有微型放射源192Ir．繞絲輪的步進電機帶動繞絲輪的旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動微型源穿過“Y”導(dǎo)管，通過分度頭的指定通道，在放置于人體內(nèi)的治療導(dǎo)管或者施源器中行進和駐留，進行照射，起到殺死病區(qū)腫瘤細(xì)胞的作用．由于所用放射源具有的高劑量近距離的治療特點，即放射源的照射劑量大小與治療位置和放射源中心的距離有關(guān)，距離較小時，照射劑量較大，但隨著距離的增長，劑量較快衰減[8]．源纜傳送機構(gòu)需要具備的功能是能夠準(zhǔn)確驅(qū)動柔性源纜并使其精確到位．

圖1?后裝機工作原理

2?源纜傳送機構(gòu)的設(shè)計

本文中，源纜傳送機構(gòu)采用張緊帶摩擦驅(qū)動源纜的設(shè)計方案．源纜傳送機構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)為：機構(gòu)上裝有4組導(dǎo)輪，這些導(dǎo)輪固定著片基帶，將其中一個導(dǎo)輪進行偏心安裝．通過調(diào)整張緊彈簧的預(yù)緊圈數(shù)，實現(xiàn)該導(dǎo)輪與繞絲輪相對位置的調(diào)整，從而張緊片基帶．片基帶包裹著繞絲輪，使得纏繞在繞絲輪上的源纜緊密貼合在輪的螺旋槽壁上．驅(qū)動步進電機，繞絲輪旋轉(zhuǎn)，帶動片基帶運動．模擬源與放射源驅(qū)動部分的結(jié)構(gòu)是對稱的，單側(cè)源纜傳送機構(gòu)的具體情況如圖2所示．

圖2?槽輪摩擦傳送機構(gòu)

2.1?繞絲輪槽形的設(shè)計及分析

2.1.1?槽形設(shè)計

為增加源纜傳送機構(gòu)的可靠性，筆者設(shè)計了一種新型繞絲輪槽形，如圖4所示．在收絲過程中，三角形槽為源纜回歸槽內(nèi)提供了一個更大的開口空間，同時槽的傾斜壁面使得源纜在收絲回歸槽內(nèi)時，有一種滑入槽內(nèi)的趨勢．

圖3?半圓形槽繞絲輪與片基帶配合

圖4?三角形槽繞絲輪與片基帶配合

2.1.2?三角形槽參數(shù)設(shè)計

設(shè)定源纜與片基帶之間的摩擦系數(shù)為1，源纜與槽之間的摩擦系數(shù)為2，則根據(jù)圖5可得

(1)

(2)

(3)

(4)

片基帶的包裹力給定后，1保持不變．由式(1)、(3)、(4)可以看出，隨著的減小，3和4逐漸增大，故繞絲輪帶動源纜前進的驅(qū)動力3和4也逐漸增大，有利于源纜的傳送更精確．但是若過小，槽的深度將會過大，致使繞絲輪的直徑過大．

選定＝60°，則3＝4＝1，1＝11，3＝4＝21．查表得，1＝0.3，2＝0.18．因此

(5)

(6)

式中1是片基帶對源纜的摩擦力．由式(5)和(6)可以看出，此時半圓槽壁面無法為源纜提供克服來自片基帶摩擦阻力的摩擦驅(qū)動力，而＝60°的三角槽壁面為源纜提供的驅(qū)動摩擦力要大于源纜受到來自片基帶的摩擦阻力，源纜能夠順利傳送．

2.2?源纜傳送機構(gòu)張緊力計算

槽輪摩擦傳送機構(gòu)運行時，依靠繞絲輪與片基帶之間的摩擦力，將輪與帶有機地聯(lián)系起來，以實現(xiàn)二者間的同步運動．由于片基帶存在黏彈性，在源纜傳送機構(gòu)正常運轉(zhuǎn)、啟動和制動時，片基帶在繞絲輪上經(jīng)常會發(fā)生打滑現(xiàn)象．為了保證機構(gòu)的正常運轉(zhuǎn)，通過張緊彈簧向片基帶施加張緊力，確保源纜傳送的精確性．啟動、制動時的張緊力一般應(yīng)為正常運行時的1.2～1.6倍，若此時張緊力太小，容易使片基帶打滑，源纜傳送精度下降，需要較大的張緊力以增大片基帶和繞絲輪的摩擦力，從而使片基帶在啟動時有足夠大的啟動加速度．若片基帶的張緊力太大，則需要提高片基帶的強度，同時增大繞絲輪的直徑[9-10]．因此，確定合理的片基帶張緊力對于提高源纜傳送機構(gòu)的精度是十分關(guān)鍵的．該機構(gòu)的摩擦傳動原理如圖6所示．

圖6?摩擦傳動原理

設(shè)繞絲輪此時的輸出牽引力為u，片基帶在與繞絲輪即將分離點處，其張緊力為1，在即將相遇點處，其張緊力為2(2≥1)．為片基帶在繞絲輪上所對應(yīng)的圍包角，在片基帶包弧段上選取微弧段作為研究對象，段所對應(yīng)的圍包角為d，其受力分析如圖6所示．

由微弧段力的平衡可得

(7)

(8)

式中：和＋d分別為片基帶在點和點的張力；3為繞絲輪與片基帶之間的摩擦系數(shù)；d為微弧段所受的法向反力．

將式(7)和(8)聯(lián)立解方程，由于d很小，可以認(rèn)為sin(d/2)＝d/2，cos(d/2)＝1，得

(9)

(10)

忽略式(9)中的二次微量項d(d/2)，得

(11)

兩邊同時積分，可得

(12)

式中是常數(shù)．由邊界條件(＝0)＝1，得

(13)

由式(13)可知隨著增大而增大，所以在繞絲輪包弧段上，2為片基帶最大張緊力，此時，＝，

(14)

繞絲輪輸出的圓周牽引力u是通過摩擦傳遞到片基帶上的(見圖6)，為保證片基帶運轉(zhuǎn)時不打滑，需保證1的最小值滿足下列條件[10]：

(15)

式中umax為源纜傳送機構(gòu)啟動或制動時出現(xiàn)的最大圓周牽引力．

因此，張緊彈簧需要提供的張緊力[11]為

(16)

2.3?浮動導(dǎo)向管的設(shè)計

為保證源纜傳送機構(gòu)準(zhǔn)確將源纜輸送到“Y”導(dǎo)管中，在圖2所示的出絲口與“Y”導(dǎo)管入口之間設(shè)置了一種浮動導(dǎo)向管，其作用是約束源纜的前進方向，使得源纜只能夠沿著設(shè)定的方向準(zhǔn)確進入“Y”導(dǎo)管．浮動導(dǎo)向管的工作原理如圖7所示．該裝置與源纜傳送機構(gòu)的配合關(guān)系如圖8所示．

圖7?浮動導(dǎo)向管工作原理

圖8?浮動導(dǎo)向管空間裝配

(17)

式中：是浮動導(dǎo)向管的長度；是繞絲輪上出絲最高點與點在豎直方向上的距離．

在這種情況下，源到位精度的誤差＝Δ，要遠大于臨床上≤±1mm的要求．

為改善這一偏差對后裝機源到位精度的影響，筆者對浮動導(dǎo)向管和繞絲輪的結(jié)構(gòu)進行了改進，目的在于使浮動導(dǎo)向管隨著繞絲輪的轉(zhuǎn)動進行同步的精確運動．為此，筆者在浮動導(dǎo)向管的右端添加了一段鋼絲，如圖9所示．同時，在繞絲輪原有的槽形設(shè)計上增加了螺旋定位槽，具體的改進措施如圖10所示．裝配時，將浮動導(dǎo)向管右端處的鋼絲放置于繞絲輪的定位槽中，當(dāng)繞絲輪轉(zhuǎn)動時，位于定位槽中的鋼絲將驅(qū)動浮動導(dǎo)向管跟隨著繞絲輪的轉(zhuǎn)動而同步上下浮動．因此，導(dǎo)向管右端的通道口將始終位于當(dāng)前源纜所在的槽位的高度，使得出絲和收絲過程中，導(dǎo)向管不再出現(xiàn)下垂的現(xiàn)象，故能夠始終維持源纜在正確的傳輸軌跡上，消除了Δ帶來的影響，保證了后裝機的源到位精度．

圖9?浮動導(dǎo)向管的改進設(shè)計

圖10?繞絲輪槽形的改進設(shè)計

3?改進效果驗證實驗

3.1?精度實驗方法及裝置

現(xiàn)階段所采用的驗證后裝機源到位精度的方法有直接測量法[12]、膠片法[13]以及電離室法[14]等．鑒于直接測量法在讀數(shù)時是基于人眼讀數(shù)，容易產(chǎn)生誤差，同時，膠片法和電離室法成本較高，故在實驗室條件下設(shè)計了一套用于測量后裝機源到位精度的實驗裝置，其原理如圖11所示．

圖11?到位精度實驗原理

后裝機出絲，絲在透明導(dǎo)管中前進．透明導(dǎo)管固定在刻度尺上保持直線狀態(tài)．導(dǎo)軌上安放有光纖傳感器的探頭以及電磁定位儀的傳感器，用于反饋絲的行進距離．PLC控制器中的程序?qū)崿F(xiàn)的功能是驅(qū)動導(dǎo)軌帶動光纖探頭以及電磁探頭的啟動、停止和前進、后退．初始時刻，導(dǎo)軌處于靜止?fàn)顟B(tài)，將絲的末端與光纖探頭中心調(diào)至平齊，此時位置為出絲零點．后裝機出絲一段距離，光纖探頭檢測到絲，反饋一個高電平給PLC，PLC驅(qū)動直線導(dǎo)軌前進，由于絲的行進速度大于導(dǎo)軌運行速度，所以絲先停止運動，然后光纖探頭再次檢測到絲的末端，反饋一個低電平給PLC，使得導(dǎo)軌停止運動．在兩次分別靜止的時候，電磁定位儀通過電磁探頭檢測到對應(yīng)的兩個坐標(biāo)，通過兩個坐標(biāo)可以計算出絲的前進距離，將多組計算所得值與設(shè)定的絲的前進距離進行比較，即可獲得源到位精度．搭建的實驗平臺如圖12所示．

3.2?精度實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本文中所采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由光纖傳感器E3X-DA21F、電磁定位儀3D Guidance trakSTAR以及電磁定位儀配套軟件Ascension組成的．電磁探頭采集到絲末端的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，傳給電磁定位儀，繼而傳給計算機．該電磁定位儀的精度是0.01mm．E3X-DA21F的動作響應(yīng)時間是46μs，導(dǎo)軌的速度為2mm/s，故在光纖傳感器檢測到絲的末端并且反饋信號制動導(dǎo)軌的過程中，導(dǎo)軌前進距離理論上僅為0.92nm，對坐標(biāo)采集的影響可以忽略不計，因此采集到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)可以表示絲的真實前進距離．

圖12?實驗平臺

3.3?精度驗證實驗及數(shù)據(jù)處理

本文中后裝樣機所使用的治療導(dǎo)管長度為1000mm，配合使用的宮頸癌施源器的宮腔管長度為330mm，宮腔管頭部的壁厚為1mm．故最大出絲距離＝1329mm．實驗分為以下組別．

(1)實驗a．彈簧張緊力＝30N，分別驗證在是否使用帶有定位結(jié)構(gòu)的浮動導(dǎo)向管情況下，槽形在改進前和改進后的后裝樣機的源到位精度．使用不帶定位結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向管：半圓形槽繞絲輪(a-1)，＝60°的三角形槽繞絲輪(a-2)；使用帶定位結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向管：半圓形槽繞絲輪(a-3)，＝60°的三角形槽繞絲輪?(a-4)．

(2)實驗b．彈簧張緊力＝41N，分別驗證在是否使用帶有定位鋼絲的浮動導(dǎo)向管情況下，槽形在改進前和改進后的后裝樣機的源到位精度．使用不帶定位鋼絲的導(dǎo)向管：半圓形槽繞絲輪(b-1)，＝60°的三角形槽繞絲輪(b-2)；使用帶定位鋼絲的導(dǎo)向管：半圓形槽繞絲輪(b-3)，＝60°的三角形槽繞絲輪?(b-4)．

(3)實驗c．彈簧張緊力＝50N，分別驗證在是否使用帶有定位鋼絲的浮動導(dǎo)向管情況下，槽形在改進前和改進后的后裝樣機的源到位精度．使用不帶定位鋼絲的導(dǎo)向管：半圓形槽繞絲輪(c-1)，＝60°的三角形槽繞絲輪(c-2)；帶定位鋼絲的導(dǎo)向管：半圓形槽繞絲輪(c-3)，＝60°的三角形槽繞絲輪(c-4)．

每次操作后裝樣機以最大出絲距離出絲10次，將10個計算所得值的平均值作為樣機本次最大出絲距離的真實值r．每組實驗中，操作后裝樣機以最大出絲距離出絲100次，計算獲得10個r，定義出絲距離誤差Δ＝|－r|，以此分析本文中后裝樣機的源到位精度．

實驗所得數(shù)據(jù)如表1所示．表1中所得數(shù)據(jù)已剔除發(fā)生卡源時候產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并且補齊實驗次數(shù).出絲距離誤差及標(biāo)準(zhǔn)差直方圖如圖13所示．

表1?出絲距離誤差數(shù)據(jù)

Tab.1?Cable feeding distance error data

3.4?卡源次數(shù)統(tǒng)計實驗及數(shù)據(jù)處理

重復(fù)精度驗證實驗中的步驟．不同點在于：在卡源次數(shù)統(tǒng)計實驗中，保留了卡源情況下的實驗結(jié)果，實驗中所得的卡源次數(shù)如表2所示．

圖13?出絲距離誤差及標(biāo)準(zhǔn)差直方圖

表2?卡源次數(shù)統(tǒng)計

Tab.2?Number statistics of source sticking

4?實驗數(shù)據(jù)分析

在分別考慮3個影響因素，即張緊彈簧張緊力、浮動導(dǎo)向管以及繞絲槽形的情況下，進行了精度驗證實驗．將出絲距離誤差值視為源到位精度．由表1和圖13可以看出，在不使用帶有定位鋼絲的浮動導(dǎo)向管時，出絲距離誤差值較大，且變化范圍大，不穩(wěn)定．原因在于沒有定位鋼絲的浮動導(dǎo)向管在源纜傳輸過程中，出現(xiàn)下垂現(xiàn)象．而在使用帶有定位鋼絲的浮動導(dǎo)向管時，誤差值要明顯小于前者且呈現(xiàn)較穩(wěn)定的狀態(tài)，這是由于定位鋼絲的存在使得導(dǎo)向管不再出現(xiàn)下垂的現(xiàn)象，從而大大減小了誤差值．同時，在使用帶有定位鋼絲的導(dǎo)向管的基礎(chǔ)上，使用＝60°三角形槽繞絲輪的出絲距離誤差小于使用半圓形槽繞絲輪時產(chǎn)生的誤差．另外，當(dāng)張緊彈簧張緊力＜min，源到位精度不能滿足≤±1mm的設(shè)計要求；而當(dāng)≥min，源到位精度符合要求，達到≤±0.6mm，并且此時的增大對于提高精度無明顯影響．

在分別考慮3個影響因素，即張緊彈簧張緊力、浮動導(dǎo)向管以及繞絲槽形的情況下，進行了卡源次數(shù)統(tǒng)計實驗．表2數(shù)據(jù)表明，在使用帶有定位鋼絲的浮動導(dǎo)向管情況下，后裝機卡源次數(shù)減少．此外，張緊力也是發(fā)生卡源的重要因素之一．當(dāng)張緊彈簧張緊力＜min，使用帶定位鋼絲的浮動導(dǎo)向管也不能有效減少卡源次數(shù)；而當(dāng)≥min，配合使用帶有定位鋼絲的浮動導(dǎo)向管，卡源次數(shù)顯著減少，并且此時的增大對于減少卡源次數(shù)無明顯影響．同時，相較之下，使用三角形槽也能有效減少卡源的發(fā)生．

5?結(jié)?語

對后裝治療機的源纜傳送機構(gòu)進行了改進設(shè)計，設(shè)計了一種新的三角形槽繞絲輪以及浮動導(dǎo)向管，計算了最優(yōu)的彈簧張緊力，使得出絲收絲的精確性得到提高，改善了卡源的情況．通過源到位精度實驗，驗證了使用最優(yōu)張緊力、三角形槽繞絲輪以及新型浮動導(dǎo)向管提高了該后裝治療機的源到位精度，達到了?≤±0.6mm，并且大幅度地減少了卡源現(xiàn)象的發(fā)生.經(jīng)過分析，仍還有卡源現(xiàn)象發(fā)生的原因在于送絲過程中，源纜的頭部在分度頭處受到了阻礙，后續(xù)可通過設(shè)計更有助于源纜順利通過分度頭的用于連接治療導(dǎo)管與分度頭的機構(gòu)，來進一步改善卡源現(xiàn)象．

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Improved Design and Study of the Accuracy of the Source-Cable Transmission Mechanism of Afterloader

Yang Zhiyong，Xie Xianshi，Li Siyuan，Jiang Shan

(School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China)

The goals of this paper are to mitigate the situation involving the radioactive source being attached to an undesired location during the operation of an afterloader and to increase the source-to-position accuracy of the radioactive source. An improved structural design was developed for the source-cable transmission mechanism，which is the key treatment mechanism of the afterloader. First，the design of the groove shape of the reel，which is the key component of this mechanism，was improved. In this paper，after performing a comparative analysis，the design scheme of the triangular groove was selected，and the friction driving force of the source cable was calculated based on a triangular groove angle of 60°；this result proved that the triangular groove can provide sufficient friction driving force. To prevent the source cable from appearing disordered during the process of cable feeding or winding，it was completely wrapped in the tension belt based on the aforementioned improvement measures. Second，the spring tension of the source-cable transmission mechanism was designed and calculated. The minimum tension value of the tension spring was calculated using the friction transmission force model；for the conditions determined by the model，no slip was found to exist between the tension belt and the reel. Third，a floating guide tube was designed to assist in feeding or withdrawing the cable，and the influence of the floating guide tube on improving the source-to-position accuracy was analyzed. Finally，based on components such as the electromagnetic locator，the fiber optic sensor，and the linear guide rail，an innovative experimental platform was set up for improved verification of results. The control experiments were performed by setting up experimental groups using different values of spring tension，different grooved reels，and different floating guide tubes. The experimental data show that the source-to-position accuracy of the afterloader has been improved to be ≤±0.6mm. Moreover，the occurrences of the source being attached to an undesired location are significantly reduced when the cable feeds or withdraws.

afterloader；source-to-position accuracy；source cable transmission mechanism；source reel

the Key Program of the National Natural Science Foundation of China(No. 51775368)，the Technology Planning Project of Guangdong Province，China(No. 2017B020210004).

TH122

A

0493-2137(2019)09-0900-08

2018-10-15；

2018-12-29.

楊志永（1972—），男，博士，教授，meyang@tju.edu.cn.

謝賢詩，xsxie@tju.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金重點項目(51775368)；廣東省省級科技計劃資助項目(2017B020210004)．

10.11784/tdxbz201810018

(責(zé)任編輯：金順愛)