雙C型臂X射線機結構設計

孫瑞峰，張通化，管付銀

雙C型臂X射線機結構設計

孫瑞峰，張通化，管付銀

（長安大學工程機械學院，陜西西安710064）

通過分析當前C型臂X射線機設備的工作形式，提出了一種新型的C型臂機械結構設計方案。采用雙C型臂結構，將大小C臂分別作為兩套獨立的成像機構并存于設備中，通過兩個C型臂獨立的進行同中心回轉，兩套成像系統(tǒng)相結合，可以形成立體診斷圖像，更加直觀便捷。同時設計出了C型臂的驅動和鎖緊結構，并運用SolidWorks軟件中建立結構模型。

C型臂X射線機；驅動機構；鎖緊機構

C型臂X射線機是一種為醫(yī)生使用數字減影技術(DSA)進行介入式手術治療提供載體的醫(yī)療器械[1]?，F有的C型臂X射線機為單C型臂產品，在進行手術時需要頻繁的調整C型臂位置來交替獲得患者手術部位的不同側位的圖像，在調整C型臂的操作過程中容易失去手術部位的影像，重新恢復成像需要繼續(xù)轉動和定位，調整過程費時且成像不穩(wěn)定[2]。目前國內的設計手段主要是經驗設計和附加簡單計算的設計，對制造工藝、制造成本、運輸等方面提出很高的要求，同時，無法實現多角度成像，不利于市場競爭。

本文給出一種雙C臂結構，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臂同回轉中心旋轉的圓周運動，手術時可同時獲得正面和側面影像，減小了設備調整對醫(yī)生手術的干擾，能夠縮短手術的時間。

1 雙C型臂結構

雙C型臂的結構須在保證大小C臂同中心旋轉的前提下，能夠準確的獲得X射線機旋轉極限范圍的內任意位置的X線影像。并且大小C臂能在各自的軌道內做相對自由的滑動，無阻滯現象。

1.1 雙C型臂結構設計

使用TRIZ創(chuàng)新理論[3]對實現大小C型臂的運動結構進行求解，將大小C臂作為兩套單獨的成像機構同時安裝在整個設備中，大小C臂分別固聯(lián)球管和發(fā)射器實現獨立成像。大小C臂截面結構相同，如圖1所示，通過軸承軌道安裝于支撐回轉托架上，并將開口同步帶兩端分別固定于C臂軸承軌道的兩端，利用伺服電機驅動控制C臂沿軸承軌道做圓周方向的旋轉運動。小C臂的結構與運動方式和大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；雙C結構使球管和探測器的安裝和固定變得方便；雙C臂的結構工作時可以進行同中心旋轉成像。

圖1 C型臂截面

1.2 C臂回轉托架結構

C型臂在工作過程中，由于醫(yī)生需要患者手術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C型臂與水平面之間為90°夾角時，C臂應與回轉托架鏈接穩(wěn)定，不發(fā)生垂直于平面的攢動，否則會影響成像的質量，增加C臂的調整時間。為消除攢動在回轉托架上增加浮動軸承組[4]，使C臂型腔側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)地沿回轉托架運動到指定角度位置。

C臂不但能夠沿回轉托架做圓周運動同時還能夠隨回轉托架一起進行轉動和小角度擺動以適應不同的工作位置要求，C臂處于這種位置時會使C臂型腔與回轉托架的垂直方向產生間隙，造成C臂的晃動。通過C臂型腔與回轉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，在回轉托架中安裝可調徑向軸承。通過調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，避免垂直于回轉托架方向的攢動（具體結構如圖2所示）。

圖2 回轉托架結構

這種結構的設計在簡化零部件加工工藝性的同時使設備的結構得到了簡化，而且對大小C臂的支撐具有較好的穩(wěn)定性，避免了C臂與回轉托架之間因間隙產生的晃動。并且大小C臂運動時能夠繞同一個回轉中心做同中心旋轉，保證成像系統(tǒng)在工作時能夠準確的獲得患者任意角度的立體診斷圖像。

2 雙C方案的驅動機構

驅動機構由伺服電機、同步帶驅動輪、同步帶壓輪組成。大小C臂與回轉托架通過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?；剞D托架上裝有同步帶輪，伺服電機通過它驅動固定同步帶的C臂繞著圓弧中心進行旋轉，控制系統(tǒng)通過控制伺服電機驅動力的輸入從而控制C型臂旋轉的速度并保證其位置精度。同步帶輪同時驅動編碼器，將位移信息反饋至控制系統(tǒng)，保證旋轉的精度，提高成像的精確性。見圖3.

圖3 C臂驅動結構

為增大同步帶在同步帶輪上的包角從而增大驅動力，在同步帶輪兩側分別安裝有兩個同步帶壓輪。在回轉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托架發(fā)生摩擦，實現同步帶的正常運轉。同步帶傳動不僅保證了傳動的準確可靠還簡化了設備的結構，降低了設備的整體重量。

3 鎖緊機構

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)狀況導致不能固定C臂的位置，從而出現C臂失控滑動的危險，因此在同步帶驅動輪軸安裝偏心鎖緊機構避免失控滑動的危險。

3.1 鎖緊機構原理

鎖緊機構安裝在同步帶驅動輪軸上，此機構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?，另一端與偏心輪接觸，偏心輪利用自鎖原理進行設計，使偏心機構產生的正壓力始終作用在圓形卡箍上，圓形卡箍與同步帶驅動輪軸之間會產生足夠大的沿卡箍內圓切線方向的摩擦力，圓形卡箍與同步帶驅動輪軸形成的摩擦力作為預緊力作用在同步帶驅動輪軸上，鎖緊摩擦力的大小可以通過調整偏心輪的行程進行調節(jié)，行程越大摩擦力越大。見圖4.

圖4 鎖緊機構

3.2 鎖緊條件

如圖5所示，O為偏心輪回轉軸的中心，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為偏心輪與回轉軸之間的摩擦角。忽略偏心輪與回轉軸之間的摩擦力，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。

本文根據自鎖條件設計出偏心圓的直徑為40 mm，偏心行程為2 mm.經過試驗樣機驗證，鎖緊安全可靠。

4 結束語

結合現有的C型臂X射線機的使用，對現有的C型臂X射線機的不足進行分析，給出了能夠實現立體診斷圖像的雙C型臂X射線機的C臂結構。在此基礎上對雙C型臂結構的驅動和鎖緊機構進行結構設計，對C型臂X射線機的C臂設計有一定的借鑒價值。

[1]陳小松.DSA醫(yī)學圖像的增強技術及應用研究[D].蘇州：蘇州大學，2005.

[2]張正國.C型臂X射線機的研發(fā)設計[D].西安：長安大學，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：西南交通大學出版社，2004.

[4]王夢熊，王家鄞.醫(yī)用X射線定位設備“C”形臂結構的計算與設計[J].機械設計與研究，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），研究方向為機械設計及理論。