摘要：提出了一種將放射治療和診斷治療相結(jié)合的醫(yī)療設(shè)備創(chuàng)新機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，通過絲杠結(jié)構(gòu)與導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)呈一定角度布置，實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)沿圓弧運(yùn)動(dòng)。采用解析法對(duì)溜板機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，保證溜板沿圓弧運(yùn)動(dòng)的勻速性和連貫性，同時(shí)保證與診斷機(jī)構(gòu)的定位精度;建立擺動(dòng)機(jī)構(gòu)模型并對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，得到擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的變形分布情況和各階固有頻率及振型。結(jié)果表明，擺動(dòng)機(jī)構(gòu)具有較高的速度連貫性和足夠的強(qiáng)度來支撐放射治療和診斷治療相結(jié)合的醫(yī)療設(shè)備的運(yùn)行，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：大型醫(yī)療設(shè)備;擺動(dòng)機(jī)構(gòu);模態(tài)分析;變形;振型

中圖分類號(hào)：R197.39? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）05-0022-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.05.006

引言

隨著人類社會(huì)的創(chuàng)新發(fā)展，社會(huì)生產(chǎn)水平的提高，人們對(duì)健康的需求越來越高，而在各類疾病中，腫瘤治療是一個(gè)世界性難題。當(dāng)前人們常采用放射治療的方法進(jìn)行腫瘤治療。但CT診斷的病灶位置與放射治療的目標(biāo)靶點(diǎn)很難做到一致，即CT診斷出腫瘤后病人進(jìn)行放射治療時(shí)，其位置將發(fā)生轉(zhuǎn)移，影響放射治療效果。國(guó)際上的大型醫(yī)療設(shè)備公司，如美國(guó)GE、德國(guó)西門子、荷蘭飛利浦等，都是將診斷設(shè)備和治療設(shè)備分開。為改變這一現(xiàn)狀，將16排CT圖像引導(dǎo)與6MeV放射治療系統(tǒng)結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，能將CT診斷出來的病灶位置反饋給放射治療設(shè)備，避免了病人改變位置后診斷出來的病灶無法準(zhǔn)確定位的情況，從而解決了病灶位置和目標(biāo)靶點(diǎn)無法一致的難題。

本文針對(duì)CT圖像引導(dǎo)立體定位6MeV放射治療設(shè)備研發(fā)，根據(jù)放療設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種用于該設(shè)備中定位和治療的溜板機(jī)構(gòu)和弧形背板，根據(jù)放療設(shè)備的空間位置及運(yùn)動(dòng)范圍，根據(jù)擺動(dòng)原理使放射機(jī)構(gòu)以弧形方式在導(dǎo)軌上運(yùn)行，從而配合診斷機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

1? ? 放射源擺動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

1.1? ? 空間運(yùn)動(dòng)

根據(jù)前述設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出來的CT影像引導(dǎo)X射線全身放射外科治療系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，創(chuàng)新設(shè)計(jì)的擺動(dòng)式導(dǎo)軌輸送放射源溜板機(jī)構(gòu)如圖2所示，主要由弧軌背板、溜板驅(qū)動(dòng)板、凸輪機(jī)構(gòu)、放射源等裝置組成，具有輸送和放射診斷功能。溜板驅(qū)動(dòng)板在弧軌背板的導(dǎo)軌上進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其上的絲杠在溜板驅(qū)動(dòng)板的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)放射源與診斷機(jī)構(gòu)配合。其運(yùn)動(dòng)關(guān)系簡(jiǎn)圖如圖3所示。設(shè)溜板驅(qū)動(dòng)板原點(diǎn)位于整體機(jī)構(gòu)最左端，其運(yùn)動(dòng)軌跡為A1O1B1;當(dāng)絲杠圍繞O1點(diǎn)擺動(dòng)至與導(dǎo)軌角度為θ時(shí)，溜板驅(qū)動(dòng)板運(yùn)動(dòng)軌跡變?yōu)锳2O2B2，其中A1A2段為一段圓弧線。溜板機(jī)構(gòu)上的絲杠處于同步帶輪張緊力和電機(jī)驅(qū)動(dòng)力共同作用下，擺動(dòng)插頭緊貼弧形導(dǎo)軌底側(cè)彎曲運(yùn)行，由于擺動(dòng)機(jī)構(gòu)具有限位條件，則放射源在以圓弧線運(yùn)行時(shí)可根據(jù)軌跡變化量的最大擺角來確定最大補(bǔ)償值[1]。

根據(jù)絲杠與溜板機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系，當(dāng)絲杠擺動(dòng)到最大角度θ時(shí)，溜板機(jī)構(gòu)上放射源機(jī)構(gòu)運(yùn)行軌跡長(zhǎng)度與處于弧形背板中心處軌跡變化量相等[2]：

式中：R1為弧形背板圓弧導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)半徑;b為弧形背板導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)寬度。

1.2? ? 放射源擺動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在應(yīng)用過程中，溜板機(jī)構(gòu)要保持勻速圓周運(yùn)動(dòng)，就需要導(dǎo)軌移動(dòng)的速度能根據(jù)溜板的位置及時(shí)調(diào)整，如何保持其運(yùn)動(dòng)關(guān)系是需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容。利用溜板機(jī)構(gòu)在軌道上的擺動(dòng)帶動(dòng)放射機(jī)構(gòu)運(yùn)行，其擺動(dòng)角度范圍為±25°。電機(jī)為溜板機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，帶輪帶動(dòng)絲杠沿弧形背板運(yùn)行，擺動(dòng)插頭將絲杠和溜板驅(qū)動(dòng)板固定連接，同時(shí)溜板驅(qū)動(dòng)板在圓弧導(dǎo)軌上運(yùn)行。利用解析法對(duì)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。BC為絲杠，定義為主動(dòng)件，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則主動(dòng)桿件以角速度ω1順時(shí)針旋轉(zhuǎn);AC為從動(dòng)件，由溜板背板C和固定點(diǎn)A相連接。溜板背板C中心與A之間的距離設(shè)為S，絲杠與溜板機(jī)構(gòu)的角位移分別為λ1、λ2，固定點(diǎn)A與電機(jī)B中心點(diǎn)之間的距離為l。

為了研究擺動(dòng)機(jī)構(gòu)沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的情況，將擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)關(guān)系簡(jiǎn)化，如圖4所示。

溜板機(jī)構(gòu)上的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)可視為一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其上的機(jī)構(gòu)構(gòu)成矢量三角形，其矢量方程式為[3]：

擺動(dòng)機(jī)構(gòu)角位移：

C點(diǎn)的坐標(biāo)：

投影到x軸和y軸的矢量方程：

由式（5）可得C點(diǎn)相對(duì)于A點(diǎn)的位移S和絲杠的角位移λ2：

通過對(duì)式（7）求導(dǎo)可得擺動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)絲杠的角速度ω2表達(dá)式：

根據(jù)加速度公式α=■可得ω2的角加速度：

式（9）為擺動(dòng)機(jī)構(gòu)中AC的角加速度。

2? ? 放射源擺動(dòng)機(jī)構(gòu)有限元分析

2.1? ? 靜力學(xué)分析

放射源擺動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由弧軌背板、溜板機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、放射源等裝置組成，而溜板機(jī)構(gòu)作為主要的受力部位，為了獲知其力學(xué)性能，需要對(duì)其進(jìn)行受力分析。擺動(dòng)機(jī)構(gòu)主要承受軸向進(jìn)給力，同時(shí)弧軌背板上的導(dǎo)軌對(duì)于絲杠具有轉(zhuǎn)動(dòng)約束，通過限位塊對(duì)擺動(dòng)插頭位置運(yùn)動(dòng)進(jìn)行限制;擺動(dòng)插頭內(nèi)安裝有轉(zhuǎn)向裝置，連接放射機(jī)構(gòu)和絲杠沿著導(dǎo)軌運(yùn)行。采用有限元方法分析溜板機(jī)構(gòu)在最大載荷下的變形及應(yīng)力分布情況;對(duì)溜板機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模，并將其導(dǎo)入到有限元軟件中進(jìn)行受力分析[4]，對(duì)其中的各個(gè)部件賦予相應(yīng)的材料屬性，如表1所示。

對(duì)各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并按照連接關(guān)系分別定義其接觸屬性，根據(jù)溜板所承受的載荷，在溜板上施加500 kg的載荷。對(duì)擺動(dòng)插頭和弧形背板設(shè)置旋轉(zhuǎn)約束，絲杠受到放射機(jī)構(gòu)的重力，同時(shí)對(duì)溜板的背板和弧形導(dǎo)軌等施加固定約束進(jìn)行分析[5]。

基于以上約束條件以及實(shí)際工況載荷，得出擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)力云圖和變形云圖，如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可知，擺動(dòng)機(jī)構(gòu)上的絲杠在受到最大扭矩和軸向進(jìn)給力時(shí)，溜板機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力為10.15 MPa，最大變形約0.008 393 mm。通過分析可知，擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的最大變形遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，其變形小于設(shè)計(jì)要求。

2.2? ? 模態(tài)分析

2.2.1? ? 模態(tài)分析介紹

放射診斷機(jī)構(gòu)通過溜板機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)做弧形往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)擺動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，并研究其機(jī)械的動(dòng)力特性。由以上設(shè)定可知擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的材料屬性和結(jié)構(gòu)質(zhì)量，由模態(tài)分析確定擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的固有頻率。自由振動(dòng)的基本方程如下[6-9]：

式中：M為質(zhì)量矩陣;C為阻尼矩陣;K為剛度矩陣;為加速度向量;為速度向量;X為位移向量;F為作用力向量;t為時(shí)間。

模型為無阻尼系統(tǒng)時(shí)的微分方程如下：

則假設(shè)微分方程的解為：

式中：A為振幅陣列;ω為角速度;φ為初相位。

通過對(duì)式（12）進(jìn)行二次求導(dǎo)得到廣義加速度矩陣，再將其代入式（11）可得：

通過將式（13）進(jìn)行線性方程式組求解，行列式有非零解的條件為系數(shù)值等于0，即：

2.2.2? ? 模態(tài)分析

通過對(duì)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，為醫(yī)療器械中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和振動(dòng)系統(tǒng)故障診斷及其優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。對(duì)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化部分螺紋孔和圓角等細(xì)微結(jié)構(gòu)。所建模型輸出為stp格式，導(dǎo)入有限元軟件進(jìn)行分析，對(duì)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)無須添加載荷，僅添加約束即可。采用四面體網(wǎng)格劃分，計(jì)算前6階模態(tài)振型。其固有頻率如表2所示，模態(tài)分析結(jié)果如圖7所示。

3? ? 結(jié)語

綜上所述，基于擺動(dòng)機(jī)構(gòu)原理將放射治療機(jī)構(gòu)和CT診斷機(jī)構(gòu)兩者相結(jié)合，起到了精確定位的作用，避免了定位誤差對(duì)放射治療帶來的不利影響，提高了醫(yī)療器械診斷和治療腫瘤的效率及優(yōu)越性。運(yùn)用解析法求得擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)路徑分析，獲得了擺動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位置與運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系，為提高擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的定位精度提供了依據(jù);通過對(duì)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得到溜板機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力為10.15 MPa，最大變形為0.008 393 mm;通過對(duì)溜板機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析，獲得其固有頻率和振動(dòng)特性，其第1階固有頻率為288.47 Hz，遠(yuǎn)高于機(jī)構(gòu)的激振頻率，產(chǎn)生共振的可能性極小，后續(xù)頻率逐漸增大。本文所分析的內(nèi)容對(duì)于醫(yī)療放射診斷治療系統(tǒng)整體的機(jī)械設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

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收稿日期：2021-12-23

作者簡(jiǎn)介：褚國(guó)榮（1966—），男，江蘇南通人，高級(jí)工程師，研究方向：大型醫(yī)療設(shè)備的結(jié)構(gòu)研發(fā)設(shè)計(jì)及功能開發(fā)。