大型醫學影像設備SPECT機架結構設計與分析*

田融冰，郭麗峰，張超建，薛建平

(1.北京工業大學 機械工程與應用電子技術學院，北京 100124；2.北京石油化工學院 機械工程學院，北京 102600；3.北京辛耕普華醫療科技有限公司，北京 101102)

大型醫學影像設備——單光子發射斷層成像設備(Single Photon Emission Computed Tomography，SPECT)具有功能成像和輻射傷害小等優點，廣泛應用于心臟、骨骼和肺等器官的功能研究及多種疾病的診斷。SPECT主要由機架、平移旋轉裝置和探測器等組成，其中機架為SPECT設備的主要承載機構。SPECT探測器總質量達數百公斤，依據醫療器械對安全性的特殊要求(4倍安全系數)[1]，機架承載能力需達1 t以上。SPECT通常具有10個左右的自由度，以滿足不同的測量模式，如180°模式和90°模式等，因此設計要求機架具有高剛度及良好的穩定性。

為滿足成像所需的不同測量模式，SPECT機架機械系統所承載的探測器需超出機架前端面0.5 m左右，而機構包含2個探測器，每個探測器重達數百公斤，探測器及前端各傳動機構組成的負載重達1 600 kg，將產生較大的傾覆力矩。當探測器處于90°模式，且旋轉至機架一側時，負載會對機架產生較大的偏載，因此設計要求機架具有高承載的特性。考慮到設備搬運的便捷性和樓板的承載等，設備要求輕量化設計。設計結構是否合理，是否滿足強度和剛度的要求，將直接影響到整機的性能，以及整個機械系統的安全運行；因此，對SPECT機架結構進行仿真分析具有重要的意義。

為了尋求既經濟又安全的結構形式，滿足醫療器械4倍安全系數及機構的高承載能力，設計了SPECT機架三維模型，應用SolidWorks軟件中的Simulation模塊對其進行仿真分析，以獲取更好的靜力學狀態特征。Simulation是SolidWorks公司開發的一種功能強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，成為頂級的銷量產品[2]。SPECT機架機械系統結構復雜，傳統的力學方法很難計算出機架的剛度和強度，隨著計算機技術的發展，有限元法的應用提供了一種新的方法和手段[3]。

1 SPECT機架模型的建立

1.1 建立機架數學模型

SPECT機架是單光子發射斷層成像儀的重要組成部分，其機架腹板更是承載了該設備全部負載產生的傾覆力矩，機架初期設計采用的是槽型結構，利用SolidWorks軟件對機架和探測器組件進行三維建模，對兩者的接觸面應用“接合”命令，以使兩者裝配為一個整體。虛擬樣機的輔助設計減少了對物理樣機的依賴，為產品的自主研發提供了有效的分析手段[4]。

該SPECT機架的空間尺寸(長×寬×高)為1 420 mm×750 mm×1 950 mm，機架側面前后距離為230 mm。簡化探測器組件前后長度為0.825 mm，質量為1 600 kg。機架設計基本參數見表1。機架簡化三維實體模型和裝配圖分別如圖1和圖2所示。

表1 機架設計基本參數

圖1 SPECT機架 圖2 SPECT裝配體

SPECT在工作中探測器有90°模式和180°模式，當SEPCT在90°模式時，2個探測器相靠最近，假設此時2個探測器為一整體，則機架負載產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，當探測器旋轉到機架正上方時，探測器產生的徑向偏載和傾覆力矩對機架的變形影響最大，本文將探測器和傳動部件等負載簡化為一整體。在相同負載的情況下，對SPECT機架進行靜力學分析，查看其變形和應力大小；同時還要考慮醫療器械對安全系數的特殊要求——4倍安全系數及材料屈服強度，所以機架允許的最大應力應≤132.5 MPa。

1.2 建立機架有限元模型

在建立SPECT機架機械系統的有限元模型時，應先對其機構進行必要的簡化。應對主承載件均保留其原結構形狀，以反映其力學特性，對非承載件進行一定的簡化[5]。在SolidWorks Simulation軟件的實際應用中，一般會遵循如下過程：創建靜應力算例→材料使用→連結→約束添加→載荷施加→網格劃分→運行分析→結果分析。具體過程如下。

1)材料使用。在機架零件中右鍵單擊Simulation設計樹下的“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”。對簡化探測器組件實施相同操作，對其應用“普通碳鋼”。

2)連結。在Simulation Study樹中右鍵單擊“連結”，在彈出的零部件相觸面組中選擇“接合”，以使SPECT機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”，對機架和地面接觸部位的8個地腳螺栓孔應用固定幾何體約束。

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裝配體網格模型

5)網格劃分。在Simulation Study樹中右鍵單擊“網格”，然后選擇“生成網格”，采用高品質的單元劃分機架裝配體網格，網格密度選擇良好，網格參數選擇基于曲率的網格，網格細節顯示最大單元大小為71 mm，最小單元大小為14 mm；顯示單元總數為30 373，節總數為54 693。在SolidWorks Simulation中的SPECT裝配體劃分網格后的結果如圖6所示。

6)運行分析。在Simulation菜單欄中單擊“運行”命令，在此過程中，可以通過屏幕上的解算器窗口監視運算過程。分析結果會顯示在Simulation Study樹下的結果中。

2 SPECT機架仿真分析及驗證

2.1 SPECT機架仿真分析

在對SPECT機架裝配體應用了材料、連結、約束、載荷和網格后，應用SolidWorks Simulation軟件的求解器來求解有限元模型。仿真分析結束后，為了更好地觀察SPECT機架的應力和變形情況，將分析結果中的簡化探測器隱藏，留下機架單獨顯示。機架分析結果保存在Simulation Study樹中的結果選項中。

SPECT機架采用的是槽型結構，在這種情況下進行靜應力分析，得到隱藏探測器組件的機架應力圖解和位移圖解。SPECT機架的應力圖解如圖7所示，SPECT機架的位移圖解如圖8所示。分析顯示機架的最大應力發生在底部的地腳螺栓處，機架的最大應力為25.165 MPa；機架最大變形發生在機架頂部，最大變形量為0.873 mm。已知機架材料的屈服強度為530 MPa，故機架的最小安全系數為21，遠遠高于醫療器械4倍的安全系數要求。

圖7 機架應力圖解

圖8 機架位移圖解

2.2 試驗驗證

為了驗證所建模型及有限元分析結果的精度，對該設備進行了相應的使用工況試驗[6]。利用關節臂式三坐標測量儀對1臺現有SPECT產品實物樣機進行變形測量。在其機架頂部選取1個點，記錄其沒有負載時的數據；保持三坐標測量儀的位置不變，然后將數百公斤的探測器等負載安裝上，并將負載模式調整為90°模式，記錄此時的數據。數據顯示出實物樣機在取下負載和加上負載的前、后變形量差為0.9 mm。仿真結果機架變形量為0.873 mm，與實測結果基本一致，驗證了仿真模型的合理性。

3 SPECT機架穩定性分析

圖9 Motion分析裝配體示意圖

根據GB 9706.1—2007《醫用電氣設備第1部分安全通用要求》可知：SPECT在正常使用時，將設備傾斜10°，應不失衡。本文對該設備進行穩定性分析，建立1個與水平面斜度為10°的零件A，將該設備放置于零件A的斜坡上。在Motion分析中對整體施加重力，方向垂直于零件A底面；在設備和斜坡零件之間添加實體接觸，Motion分析的裝配體示意圖如圖9所示。分析結果顯示，該設備始終保持原始狀態沒有傾倒，表明該機架在穩定性方面達到設計要求。

4 結語

本實驗基于SolidWorks Simulation軟件，對大

型醫學影像設備SPECT進行了參數化建模，并對SPECT機架進行了結構設計和仿真分析。在滿足該設備設計要求的前提下，研究證明該結構機架的最大應力始終滿足條件，機架變形量為0.873 mm，而通過關節臂式三坐標測量儀測量可知現有實物樣機機架變形量為 0.9mm，仿真分析結果與實測結果基本一致，說明此SPECT設備機架仿真模型的設計是合理的。Motion分析顯示，該設備機架穩定性滿足設計要求。SPECT機架更小的變形量擴大了整套設備成像系統中探測器對病人圖像采集所覆蓋的區域，提高了SPECT產品的綜合性能和市場競爭力。另外，該實驗的三維模型和靜應力分析都是在同一平臺操作，操作過程簡單方便，對以后的優化設計和復雜機械結構分析具有很好的參考價值。

[1] 全國醫用電器標準化技術委員會. GB 9706.1—2007 醫用電氣設備 第1部分：安全通用要求[S]. 北京：中國標準出版社，2007.

[2] SolidWorks公司. SolidWorks Simulation高級教程[M]. 杭州新迪數字工程系統有限公司，譯. 北京：機械工業出版社，2009.

[3] 包家漢，潘紫微，包瑋，等. HFCG120輥壓機機架優化設計[J]. 機械設計，2007, 24(5)：64-66.

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

[5] 陳國榮，唐紹華. 汽車驅動橋橋殼強度與模態的有限元分析[J]. 機械設計與制造, 2012(2): 42-44.

[6] 陳晨，周志雄，黃向明，等. 一種起重機伸縮臂多目標優化方法及實驗[J]. 機械設計與研究，2013，29(5):131-135.

*北京市教育委員會市屬高校創新能力提升計劃項目(TJSHG201310017035)