基于絲傳動技術的乳腺X射線診斷設備的C形臂回轉結構設計

劉保華，鞠鵬，謝艷霞，姚建義

1.中國疾病預防控制中心 a.設備條件處；b.應急中心，北京 102206；2.邦盛醫療裝備（天津）股份有限公司，天津301726

基于絲傳動技術的乳腺X射線診斷設備的C形臂回轉結構設計

劉保華1a，鞠鵬2，謝艷霞2，姚建義1b

1.中國疾病預防控制中心 a.設備條件處；b.應急中心，北京 102206；2.邦盛醫療裝備（天津）股份有限公司，天津301726

0 前言

乳腺癌是女性常見的惡性腫瘤之一。目前乳腺癌發病率已躍居女性惡性腫瘤首位，且發病年齡趨于年輕化。乳腺癌對人類健康的嚴重危害引起了世界衛生組織和醫療界人士的高度重視，乳腺癌早期發現、早期診斷、早期治療是降低乳腺癌死亡率的關鍵[1-2]。

乳腺癌的診斷方法很多，乳腺癌病變在發生浸潤前，其X射線圖像就會有比較明顯的特征，故乳腺癌X射線診斷被醫院廣泛采用，是乳腺癌診斷的常用方法[3-5]。用于乳腺癌X射線診斷的醫療器械主要為高頻乳腺X射線機，該類產品主要由C形臂和立柱兩大部分組成，由轉軸將兩部分連接在一起。目前大部分高頻乳腺X射線機的C形臂旋轉機構大概有兩種：一種通過“電機-蝸桿蝸輪傳動-同步帶輪傳動”帶動C形臂及X射線源組件[6]；另一種通過“蝸桿減速電機-同步帶輪傳動”帶動C形臂及X射線源組件[7]。前者的優點是結構緊湊、支臂寬度小、簡潔美觀，但蝸桿蝸輪傳動對加工和裝配的要求較高，因此總的制造成本反而比購買專業廠家大批量生產的標準規格減速器的成本高；后者使用標準蝸桿減速器，對加工和裝配的要求較低,總的制造成本也較低，但由于減速器的寬度尺寸比單獨的蝸輪寬度尺寸大，因此傳動機構總的橫向尺寸也大，會造成支臂寬度尺寸大或者支臂的一側因裝減速器而鼓出一大塊，使得支臂與整機的組合不協調、不簡潔、不美觀。

近幾年，一種新興的傳動技術——絲傳動技術迅速發展起來[8]。絲傳動技術相對于傳統的機械傳動系統具有如下優點：適用于遠距離傳遞動力，能夠將動力源布置在遠離執行部件的地方，從而簡化運動結構；在長距離傳動中易于改變傳動方向；傳動結構簡單、緊湊，適用于在小空間內多自由度布置；對結構加工精度誤差不敏感；張緊的情況下無回差；可以緩沖減震，使末端工具的運動更平穩等。

本文提出了一種結構緊湊易于安裝調節的，用于一種乳腺機C形臂回轉的絲傳動機構，可實現絲傳動系統中的鋼絲繩始終在所需預緊力狀態下運行；并且可采用粗調和微調兩種調節方式對鋼絲繩進行調節，從而提高調節精度。

1 乳腺機結構

乳腺機整機結構示意圖，見圖1。其內部龍骨架主要由方鋼焊接而成，用以支撐整個機器的結構；平面導軌用以輔助C形臂垂直運動；筋板部分為C形臂上X射線儀器支撐骨架；檢查臺即成像托盤是病人檢查接觸部分；配重塊用以保證機器整體的支撐平衡；鏈輪、平帶、張緊輪等組成C形臂整體垂直運動系統；絲傳動配合電磁制動器用以控制C形臂回轉動作。

圖1 乳腺機整機結構示意圖

2 C形臂結構方案設計

乳腺機C形臂一般可實現上下運動和左右運動，即從各個方向對乳房進行掃描檢測，以便更詳細地檢測患者病灶所在[9]。為了使受檢者以舒適的身姿查體及全方位進行檢測，C形臂除了保證傳統的上下運動和左右運動，還應實現傾斜體位攝像。故而乳腺機C形臂還需實現垂直運動和回轉動作，其中回轉動作為等軸回轉，即C形臂與成像托盤的整體回轉和C形臂獨立回轉。

對于C形臂垂直運動，相比于帶傳動和齒輪傳動，鏈傳動具有能保持平均傳動比不變，傳動效率高；張緊小，作用于軸上的壓力較小；可用于中心距較大的場合，對制造精度要求較低，成本小等優點。因而本文采用鏈傳動方式輔以平面導軌實現C形臂的垂直運動。

傳動鏈有齒形鏈和滾子鏈兩種。齒形鏈是利用特定齒形的鏈片和鏈輪相嚙合來實現傳動的。齒形鏈制造成本高、重量大。為降低成本，本文采用應用最廣泛的套筒滾子鏈傳動，帶減速器的交流電機驅動，使C形臂傳動小車行駛在平面導軌之間，小車內安裝絲傳動機構。

傳統的C形臂回轉運動傳動結構不是制造成本較高，就是整體尺寸較大，難以達到理想效果。而絲傳動方式傳動結構簡單、緊湊、安裝調節簡便，故本文采用鋼絲繩傳動方式以實現C形臂回轉運動。為提高鋼絲繩的承載力，防止出現打滑現象，鋼絲繩以8字纏繞兩輪。同時，采用具有蝸輪蝸桿減速器的直流電機實現成像托盤等軸回轉和二級防護。再通過電磁制動器的控制實現C形臂與成像托盤的整體回轉和C形臂獨立回轉兩種模式的切換。C形臂結構方案以及整體示意圖，見圖2～3。

圖2 C形臂結構方案圖

圖3 C形臂整體結構示意圖

3 C形臂回轉結構

3.1 絲傳動組件結構

3.1.1 鋼絲繩摩擦傳動結構

該結構由驅動輪（主動輪）和從動輪以及連接兩輪的鋼絲繩組成，兩輪上分別開有鋼絲繩導向凹槽[10]。8字纏繞方式具體是指鋼絲繩在主動輪上纏繞n周，然后交叉固定在從動輪上，使鋼絲繩與傳動軸的包角近似于4π×nrad。在纏繞時要順著有繩槽的方向，同時保證鋼絲繩在兩輪上的旋向是相反的。由于絲傳動承載的是C形臂檢測臺，C形臂的回轉扭矩能達到170 Nm，鋼絲繩傳動機構從動輪直徑為160 mm，則作用于鋼絲繩上的力即2125 N[11]。因而鋼絲繩的最小直徑為：

鋼絲繩捻向為右捻向，則繩槽應為左旋，由右手定則判定。

3.1.2 鋼絲繩固定及張緊調節機構

鋼絲繩固定方法較多，如編結法、繩卡固定法、壓套法、斜鐵固定法等。這些方法雖普遍使用，但是對于C形臂結構來說，方法仍較為繁瑣，安裝尺寸也偏大，運行安全可靠性無法得到較好保證。本結構對鋼絲繩采用三級固定，以最大程度保證系統結構的安全性。鋼絲繩固定及張緊力調節機構示意圖，見圖4。

圖4 鋼絲繩固定及張緊力調節機構示意圖

鋼絲繩固定銷采用螺紋連接，鎖緊固定在絲傳動從動輪上，鋼絲繩穿過鋼絲繩固定銷，通過螺栓對鋼絲繩進行初步固定。經過初步固定的鋼絲繩穿過鋼絲繩鎖緊塊端面處的L形通孔，打結鎖緊，進行再次固定。最后鋼絲繩還可將末端打結固定于鋼絲繩鎖緊塊上，使鋼絲繩末端不至脫離從動輪，導致前端C形臂失控，發生危險。

絲傳動系統張緊力調節過程如下：鋼絲的起始端打結后壓于鋼絲繩壓板下，由螺栓鎖緊固定，將鋼絲繩反復纏繞在絲傳動從動輪與主動輪外壁的飼槽內，鋼絲繩的末端穿過鋼絲繩固定銷的通孔，經鋼絲繩鎖緊塊側壁的穿絲孔，由頂端面穿出，打結固定。鋼絲繩鎖緊塊側壁開有12個定位孔，通過不同孔位的設定，可對鋼絲繩進行張緊力粗調節。然后將鋼絲繩固定好后，通過轉動調節鋼絲繩鎖緊塊的位置，可對鋼絲繩的張緊力進行細調節，調節好后由鋼絲繩鎖緊塊定位銷將其固定于絲傳動從動輪上。

3.1.3 螺旋形繩槽

設主輪螺旋槽螺距為p1，從輪螺旋槽螺距為p2，則主從輪的繩槽螺距關系為：p2=i×p1（其中i為減速比，本文取值為2）。因為大輪轉動一圈，小輪轉動的圈數是i，這樣繩在小輪軸就向上前進了i×p1的距離[12]。

若選擇的鋼絲繩的直徑為6 mm，將主輪螺距p1設置為6 mm，則從動輪的螺距p2為2×6=12 mm。主動輪接在減速器上，本文設置的主動輪轉速為35 rpm，則從動輪的轉速為35 rpm/2=17.5 rpm，具體轉速可通過調速器調節電機實現。螺旋槽典型槽形示意圖，見圖5。

圖5 螺旋槽典型槽形示意圖

根據經驗，鋼絲繩繩槽夾角的最佳角度β為30°～45°，本文采用圖5(b)所示深槽的開槽方法。鋼絲繩與繩槽底部接觸可以有效防止脫槽，同時也不像圖5(a)那樣容易磨損鋼絲繩。

基于上述設計,螺旋升角為：

國家標準規定:α≤1o30 '，對光面卷筒放寬到α≤2o。但在具體傳動機構中，為了使機械結構緊湊或因加工制造及工藝問題，有時不能嚴格保證α≤1o30 '，通常α的角度增大，其后果是鋼絲繩上的有害分力Fr增大，鋼絲繩的壽命降低。在鋼絲繩摩擦傳動中的設計中,要嚴格保證偏角α≤1o30’，必要時可以減小鋼絲繩的直徑。

3.2 絲傳動整體結構

絲傳動整體結構示意圖，見圖6。該結構采用減速齒輪箱對步進電機輸出的動力進行減速，具有結構緊湊、輸出扭矩大和轉動平穩等優點，絲傳動主動輪與減速器鎖緊固定并且在主動輪外側壁開有右旋，螺距8 mm，槽深3 mm，螺紋長度32 mm的螺旋圓弧絲槽，將鋼絲繩纏繞在絲槽內，起到導向固絲的作用。鋼絲繩的另一端纏繞在開有同樣絲槽的絲傳動從動輪上，絲傳動從動輪與絲傳動從動回轉軸采用雙鍵連接，避免了輪與軸間間隙的產生，提高了輪與軸間的傳遞扭矩，即使在超過動載載荷的情況下，也不會對動載荷穩定產生影響，延長了整機的使用壽命。絲傳動從動回轉軸安裝在帶方形座軸承內，可以提高承載能力。絲傳動從動回轉軸與C形臂回轉軸通過電磁制動器連接在一起，正常工作狀態下，電磁制動器吸合，將動力傳遞到C形臂回轉軸，當系統過載或急停按鈕按下時，電磁制動器失電，從而可最大限度地保證人身安全。

圖6 絲傳動整體結構示意圖

4 結論

本文介紹了一種基于絲傳動技術的C形臂回轉結構，并簡單闡述了可適用的乳腺機的整體構架。該結構采用絲傳動技術，配合電磁制動器，實現了C形臂與成像托盤的整體回轉和C形臂獨立回轉兩種模式的切換；采用粗細調結合的調節方式對鋼絲繩進行調節中，并采用三級固定對鋼絲繩進行固定，安全性能和調節精度較高，且結構緊湊，易于安裝調節；相較于傳統乳腺機C形臂回轉傳動機構，簡化了傳動過程，提高了傳動效率，優化了整體結構。

[1] 劉杰．全數字化乳腺機風光幾何[J]．中國醫院院長,2007,(22):63-64．

[2] 邢海鳳,張秀云,程波,等．計算機乳腺攝影診斷乳腺疾病的價值[J]．現代醫用影像學,2011,(2):84-86．

[3] 張勇,張富濤．數字乳腺機在臨床中的應用特點[J]．中國醫療器械信息,2012,(10):55-56．

[4] 張立新,王新明,杜國生．數字乳腺X線攝影中不同靶/濾過組合對影像質量的影響[J]．中國醫療設備,2014,29(8):126-128．

[5] 郭良棟,魏賢英,周恒根,等．新型乳腺機X線攝影技術臨床應用探討[J]．醫學影像學雜志,2006,(1):15-17．

[6] 高文祥．全自動C型臂X光機C型臂雙軸向旋轉結構,中國: 201227280[P]．2009-04-29．

[7] 李勁生,葛紅梅．一種C形臂在軌道內既可電動也可手動的醫用X線機,中國:201328818[P]．2009-10-21．

[8] 張彥華．一種模塊化雙輥多絲傳動機構[J]．國際紡織導報,2010,(10):16-22．

[9] 吳喆．基于DICOM的數字式乳腺機圖像工作站設計[D]．長沙:湖南大學,2009．

[10] 王曉菲．基于柔性絲傳動的腹腔微創手術器械設計方法研究[D]．天津:天津大學,2012．

[11] 李群智．面向喉部微創外科手術的機器人系統設計與實驗研究[D]．天津:天津大學,2007．

[12] 梁錫昌,蔣建東,李潤方,等．特種螺旋傳動機構的研究[J]．機械工程學報,2003,39(10):106-110．

Design of the C-arm Structure Based on the Wire Transmission for Mammography X-Ray Diagnostic Equipment

LIU Bao-hua1a, JU Peng2, XIE Yan-xia2, YAO Jian-yi1b
1.a.Department of Equipment; b.Emergency Center, Chinese Center for Disease Control and Prevention, Beijing 102206, China; 2.Bangsheng Medical Equipment (Tianjin) Stock Limited Corporation, Tianjin 301726, China

本文針對乳腺X射線診斷設備提出了一種基于絲傳動技術的C形臂回轉結構。該結構采用具有蝸輪蝸桿減速器的直流電機實現成像托盤等軸回轉，通過電磁制動器實現C形臂與成像托盤的整體回轉和C形臂獨立回轉兩種模式的切換。絲傳動系統中，鋼絲繩始終在所需預緊力狀態下運行。在對鋼絲繩進行調節的過程中，該結構采用三級固定及粗細調結合的調節方式，可確保系統的安全性能，提高系統的調節精度，使得系統結構緊湊，易于安裝調節。該結構相較于傳統的C臂回轉傳動機構，具有結構緊湊、傳動簡單、效率高等優點。

乳腺X射線診斷設備；C形臂回轉結構；絲傳動技術；等軸回轉

A C-arm-swinging structure is proposed in this paper for the mammography X-ray diagnostic equipment based on the wire transmission. The DC (Direct Current) motor with a worm gear speed reducer is deployed in this structure so as to realize shaft rotation of imaging trays. Moreover, the electromagnetic brake is used to make a switchover between the overall swinging of the C-arm and imaging trays and the independent swinging of the C-arm. The wire rope is always running at the state of desired preload in the wire drive system. Since combination of three-level fixation and rough and fine adjustment are applied in the structure, which ensures the safe performance and raises the adjustment accuracy of the system. As a consequence, this system has become tightly-structured and easy-to-adjust. The structure has demonstrated its advantages in the tightened structure, simple drive and high efficiency over conventional C-arms.

mammography X-ray diagnostic equipment; C-arm swinging structure; wire transmission; shaft rotation

TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.04.005

1674-1633(2015)04-0018-04

2015-01-07

本文作者：劉保華，工程師。

姚建義，副研究員。

作者郵箱：liubh@chinacdc．cn