新型G形臂X光机的结构设计与分析

硕士学位论文MASTERSDISSERTATION论文题目新型G形臂X光机的结构设计与分析作者姓名学位类别指导教师郜鹏工程硕士曾达幸副教授2016年12月中图分类号：TH774UDC：621学校代码：10216密级：公开工程硕士学位论文（应用研究型）新型G形臂X光机的结构设计与分析硕士研究生：郜鹏导师：曾达幸副教授副导师杨小川高级工程师申请学位：工程硕士工程领域：机械工程所属学院：机械工程学院答辩日期：2016年12月授予学位单位：燕山大学ADissertationinMechanicalEngineeringSTRUCTUREDESIGNANDANALYSISOFANEWG-ARMX-RAYAPPARATUSbyGaoPengSupervisor:AssociateprofessorZengDaxingYanshanUniversityDec,2016燕山大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文新型G形臂X光机的结构设计与分析，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字：日期：年月日燕山大学硕士学位论文使用授权书新型G形臂X光机的结构设计与分析系本人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学及本人共有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可以公布论文的部分内容。保密，在本学位论文属于不保密。（请在以上相应方框内打“”）年解密后适用本授权书。作者签名：导师签名：日期：日期：年年月月日日摘要摘要X光机已经成为现代医院手术室中不可或缺的临床医疗设备，但目前应用于临床的X光机还存在运动自由度少、工作空间小、移动不便、立体成像效率低等不足，为解决现有X光机存在的上述弊端，本文对临床X光机提出了新的、更高的技术要求。通过调研国内外相关产品的本体结构，本文在分析了现有临床X光机优缺点的基础上，设计了新型G形臂X光机的本体结构，并应用相关软件完成了关键零部件的静力学与运动学仿真。新型G形臂X光机克服了传统C形臂X光机和单G形臂X光机的缺点，增大了临床X光机工作空间、能够显著提高手术的效率和质量，为临床X光机的发展提供了新的方向。本文首先系统地调研了国内外现有的C形臂X光机和单G形臂X光机的本体结构，针对现有设备存在的问题，提出了一种新型G形臂X光机，设计方案主要包含并联双C形臂构成的G形臂机构和全向移动载体机构。根据确定的构型方案，运用软件建立新型G形臂X光机的三维模型，并完成各部分机构的工程设计、选型、校核工作。然后，分析G形臂机构的工作空间，通过建立机构的静力学模型和ADAMS虚拟样机，分析承载车的全向驱动性能、仿地形驱动性能、减震性能和整机的平衡稳定性，并制作了承载车的缩小比例样机。最后，根据实际受力情况分别对初始姿态和极限姿态的竖直C形臂、水平C形臂进行有限元仿真，对L形臂受横向力最大的状态和转轴受扭转力矩最大的状态进行有限元仿真，在横滚臂前移50mm的状态下，对方轴、升降柱和车体底盘进行有限元仿真，仿真结果表明，零件强度和刚度满足设计要求，验证了结构设计的合理性。关键词：X光机；G形臂；全向移动承载车；全向驱动；仿地形驱动-I-燕山大学工学硕士学位论文AbstractX-rayapparatuseshavebecomearequisitepartofmodernmedicalequipmentsinthehospitaloperationroom,buttherearesomedefectsincurrentclinicalX-rayapparatuses,likethatlessdegreeoffreedom,smallworkingspace,convenientmobility,lowstereoimagingefficiencyandsoon.InordertosolvethedefectsoftheexistingX-rayapparatuses,updatedandhigherrequirementstotheclinicalX-rayapparatusesareputforward.Thestructureandtechnologyofdomesticandforeignrelatedproductsareinvestigatedinthispaper.AnewtypeofG-armX-rayapparatusisdesignedafteranalysingtheadvantagesanddisadvantagesoftheexistingclinicalX-rayapparatuses.Thestaticandkinematicsimulationofthekeycomponentsarecompletedbyrelatedsoftware.ThenewG-armX-rayapparatusovercomesthedefectsoftraditionalC-armX-rayapparatusesandsingleG-armX-rayapparatusestoincreasetheX-rayapparatussworkingspaceandimprovetheoperationefficiencyandquality,whichprovidinganewdirectionforthedevelopmentofclinicalX-rayapparatuses.FirstlythestructureofthedomesticandforeigntechnologyofC-armX-rayapparatusesandsingleG-armX-rayapparatusesisresearchedsystematically.InordertosolvetheproblemstotheexistingX-rayapparatuses,anewG-armX-rayapparatusisputforward,whichcomprisesaGshapedarmmechanismcomposedbytwoparallelCshapedarmsandanomnidirectionalmobilevehiclemechanism.Accordingtothedeterminedconfiguration,thedetailedthree-dimensionalmodelisestablishedbyrelatedsoftware.Andthedesign,selectionandcheckofthevariouspartsoftheX-rayapparatusarecompletedaccordingtothethree-dimensionalmodel.ThentheworkingspaceofthenewG-armX-rayapparatusisanalysed.Andtheomnidirectionaldrivingperformanceofvehicle,theimitation-terrainperformance,dampingperformanceandthebalancedstabilityofthewholemachineareanalysedbyestablishingthestaticmodelandADAMSvirtualprototypeofthenewG-armX-rayapparatus.Andonereducing-proportionprototypeofthevehiclehasbeenmade.Finallyaccordingtotheactualforcecondition,thestiffnessandstrengthofthe-II-AbstractverticalC-armandthehorizontalC-armarecalculatedbyfiniteelementwhentheyareintheinitialattitudeandultimateattitude.ThestiffnessandstrengthoftheLshapedarmandtherotatingshaftarecalculatedbyfiniteelementwhentheyareunderthemaximumlateralforceorunderthemaximummoment.Thestiffnessandstrengthofthesquareshaftandtherotatingshaftaresimulatedbyfiniteelementwhenthecrossarmmovesforward50mm.Thesimulationresultsshowthatthestrengthandstiffnessofthepartsmeetthedesignrequirements,verifyingtherationalityofthestructure.Keywords:X-rayapparatus;Garm;omnidirectionalmovingvehicle;omnidirectionaldriving;imitation-terraindriving-III-目录目录摘要.IABSTRACT.II第1章绪论.11.1课题来源及研究背景.11.1.1课题来源.11.1.2研究背景.11.2临床X光机的国内外发展现状.31.2.1臂形结构.41.2.2载体全向移动结构.81.2.3国内外X光成像技术发展前景.111.3我国X光机面临的问题及解决方向.121.4研究目的和意义.121.5论文的主要研究内容.13第2章新型G形臂X光机的构型分析.142.1引言.142.2G形臂的构型分析.142.3G形臂X光机的原理分析.162.4基本参数的确定.192.5G形臂机构工作空间分析.192.6本章小结.20第3章新型G形臂X光机的结构设计.213.1引言.213.2新型G形臂X光机的设计原则.213.3G形臂机构的设计.223.3.1竖直C形臂的设计.223.3.2水平C形臂的设计.243.3.3L形臂的机构设计.253.4载体机构的设计.273.4.1横滚臂机构的设计.273.4.2升降柱机构的设计.283.4.3承载车机构的设计.293.5整机模型.303.6本章小结.31-V-燕山大学工程硕士学位论文第4章传动系统的计算与选型.324.1引言.324.2同步带的计算与选型.324.3伺服电机的计算与选型.364.4圆锥滚子轴承的选型与校核.364.5横滚摆动电机的计算与选型.384.6转台轴承选型与校核.394.7举升推杆选型.434.8本章小结.43第5章新型G形臂X光机性能分析.445.1引言.445.2承载车机构全向平动性能分析.445.3承载车机构仿地形驱动性能分析.475.4承载车减震性能分析.495.5整机平衡稳定性分析.515.6制作承载车样机.535.7本章小结.54第6章关键部件有限元分析.566.1引言.566.2有限元分析的步骤.566.3G形臂机构有限元分析.576.3.1竖直C形臂有限元分析.586.3.2水平C形臂有限元分析.616.3.3L形臂有限元分析.636.4横滚臂机构有限元分析.656.4.1转轴有限元分析.666.4.2方轴有限元分析.676.5升降柱有限元分析.686.6承载车底盘有限元分析.706.7整体挠度分析.716.8本章小结.72结论.73参考文献.74攻读硕士学位期间承担的科研任务及主要成果.78致谢.79-VI-第1章绪论第1章绪论1.1课题来源及研究背景1.1.1课题来源本课题来源于燕山大学和北京东方惠尔图像技术有限公司的横向合作研究项目。首先经由北京东方惠尔图像技术有限公司对国外的一些中高档私立医院和国内的三甲医院进行广泛的市场调查研究，然后统计、分析医生对现有临床X光机产品的优缺点评价以及他们对未来产品的设想，之后进行整理和规划，提出本课题中新型X光机的各项技术要求，将技术要求交付燕山大学，并由燕山大学将概念转化为具体技术方案，本课题即来源于此校企合作项目。1.1.2研究背景在一些骨科矫正和椎弓根螺钉植入手术中，传统的手术条件下，医生的裸眼可观察区域非常有限，而应用传统临床X光机需要频繁地采集患处的X光图像，不仅使患者和医生受到的X光辐射量增加，还延长了手术时间，使得患者手术感染的风险增加，在此情况下，即便临床经验丰富的医生也难以对最终的手术质量轻易作出保证。计算机辅助手术技术（ComputerAidedSurgeryTechnology，CAST）的出现，为这些问题的解决带来了曙光1,2。CAST是随着新一代的计算机智能辅助技术、医疗影像学、计算机图形图像技术、定位跟踪技术等的发展而兴起的一门多学科交叉、多技术融合的新兴学科3,4。而图像引导手术系统（Image-guidedSurgery，IGS）是CAST的重要组成部分5,6。IGS是以X光图像等为载体，运用高精度的定位系统实时跟踪显示手术器械与患处的位置关系，以帮助医生进行手术操作。早在1907年，手术导航技术被Horsley和Clarke用于小动物身上进行实验研究7。采用体外标志点来定位体内位置是该项技术的主要特点，其精度差，因而不适用于人体手术。而到1947年，Spiegal采用“气脑造影术”对软组织的标志在空间中进行定位，第一次将手术导航技术应用到人体8。50年代至60年代，在丘脑切开手术中开始普遍应用基于平面影像的导航技术。20世纪80年代末，IGS技术首先被应用在神经外-1-燕山大学工程硕士学位论文科手术，之后逐渐推广到整形外科、骨科、耳鼻喉科、脊柱等手术领域9,10。IGS技术的应用拓宽了医生在手术中的视野范围，突破了传统手术手段的限制，更新了外科手术及其器械的概念11，为医生提供了一个先进的平台，使医生能够更加便利地发挥自己的专业水平，这对于提高手术的定位精度、减少手术创伤、减短手术的时间、提高手术质量有十分重要的意义，同时降低了患者所需的治疗费用，也为保全患者的生命健康提供了更大的保障12。作为IGS的主要组成部分的C形臂X光机（如图1-1示）和单G形臂X光机（如图1-2示）具有使用简单、移动方便的特点，因而逐渐被广泛应用于临床诊断和手术操作中。相对基于CT(ComputedTomography)（如图1-4示）或MRI(MagneticResonanceImaging)（如图1-5示）的手术导航而言，基于C形臂X光机和单G形臂X光机的导航系统省略了手术前的规划和术前、术中繁琐的配准过程。CT、MRI提供的是术前的断层图像，而手术中患处组织难免会发生变形或位移，导致术前采集的图像失去意义，并且CT辐射剂量较大13，而体内存在金属物品的患者不能使用MRI，基于C形臂X光机或单G形臂X光机的手术导航则不同，它能够通过X光成像系统和光学定位技术，在手术过程中实时获取患处图像14，通过图像直观形象地帮助医生完成手术工具的精确定位和导向，因此，基于C形臂X光机或单G形臂X光机的手术导航被广泛应用于骨科矫正、血管造影、栓塞介入等各类手术中。对于一些中小型的医院，由于技术和财力的限制，可能不具有安装CT、MRI等昂贵设备的能力，但通常都会采购C形臂X光机或单G形臂X光机，因而，C形臂X光机和单G形臂X光机成为医院在临床诊断和手术导航中应用最普遍的设备之一。基于C形臂X光机的手术导航系统如图1-5所示。图1-1C形臂X光机图1-2单G形臂X光机-2-第1章绪论图1-3CT光学定位参考架光学定位系统手术工具图1-4MRI手术实体在X线图像中的可视化C形臂校准靶C形臂患者图1-5C形臂X光机手术导航系统1.2临床X光机的国内外发展现状临床X光机在使用过程中，针对不同患处需要拍摄不同视向的X光图像，或针对同一患处、相同时间，需要拍摄多张不同视向的图像，也可以对同一患处、相同视向，拍摄不同时间的图像，因此要求X光机的C形臂或G形臂能够以尽可能多的自由度进行转动和移动。X光机在运输过程中需要有一定的移动能力，同时也使X光机在手术开始时能够及时移动到合适的工作位置，手术完成后能够及时撤离，因此，要求X光机的载体机构要具有良好的移动操控性和通过性。本节对国内外X-3-燕山大学工程硕士学位论文光机的臂形结构和移动载体结构进行了调研归类分析，并做出相应介绍。1.2.1臂形结构(1)C形臂结构经过将近半个世纪的发展，C形臂X光机的发展大致经历了四个发展阶段：第一代产品大多为频率低于400Hz的工频机，X射线穿透能力低（小于90kV），图像分辨率低，体积庞大，视野范围狭小，仅能够用于创伤骨科的术中定位。单相工频X光机所使用的X射线发生器产生的X射线中含有成分较多的软射线，使病人吸收的射线剂量较大，因此，欧美等发达国家已经明令禁止生产此类设备。第二代产品多为频率在400Hz-20kHz之间的中频机，X射线穿透能力一般小于110kV，图像分辨率欠佳，且辐射剂量较大，直接威胁医生和患者的生命健康；第三代产品多为视窗化操作的电视系统，频率超过20kHz，X射线穿透力较强（不小于120kV），医学图像永久存储，且能够做到病案管理、自动透视跟踪。第四代产品具有高智能全数字化控制与图像处理、自动脉冲透视、导航定位等功能，是具有开展微创介入和血管外科手术能力的世界先进机型。在临床上医用X光机的应用已经非常普及，并成为用于影像诊断和治疗最主要的医疗设备。但在国内高频的X光机占有率依然非常低，并且依赖进口，工频机仍然被广泛地使用。为改善这种状况，国家非常重视高频X射线发生器的技术研制工作，在“七五”“八五”和“九五”期间，均把高频X光机的技术研发工作列入重点科技攻关项目。C形臂X光机结构简单、售价较低、操作方便、静音性好、可靠性高，因此成为普及最广泛的一种临床X光机。C形臂又可分为大型C形臂和小型C形臂。各自都有许多成熟的产品。本文根据产品价格、品牌信誉、产品可靠性、售后服务质量等情况收集了一些相对较好的国内外厂家。国外比较著名的品牌有：GE（通用电气）、TOSHIBA（东芝）、SHIMADZU（岛津）、PHILIPS（飞利浦）、HITACHI（日立）、ZIEHM（奇目）等，国内比较著名的公司有：南京普爱医疗器械有限公司、卡姆医疗器械有限公司、北京东方惠尔图像技术有限公司、西安杰雄医疗装备有限公司、北京大恒医疗器械有限公司、虎丘影像科技有限公司等。以KoninklijkePhilipsElectronicsN.V.的FD20大平板C形臂15,16为代表的第四代大型C臂X光机功率较大，成像清晰，自动化程度高，多用于血管造影、微创介入、心脏搭桥等手术中，如图1-6所示。-4-第1章绪论图1-6FD20大平板C形臂X光机以GeneralElectricCompany的OEC9800型17,18（如图1-7所示）为代表的小型C形臂X光机具有质量轻、价格相对便宜、移动方便的特点，因而被广泛应用于骨科矫正、椎弓根螺钉植入等手术中。但是其位置、角度的调整，不能通过统一控制界面完成，必须有人协助操作，在一定程度上延长了手术时间19，且功率较小，尚不能满足长时间、大强度照射的手术需求。图1-7OEC9800型X光机虽然单C形臂具有结构简单、可靠性高的优点，但是在实际应用中也暴露出一些问题。由于单C形臂只有一组成像通路，每定位一次，仅能得到一个方向的影像，-5-燕山大学工程硕士学位论文为了在手术中实时得到正侧位的影像，医生需要频繁转动C形臂，这样不但拖延手术时间，还增加了手术目标位置的不确定性，增大交叉感染的几率。(2)单G形臂结构在一些脊柱手术中，手术人员较多，空间紧张，因而不能给C形臂留出充裕的的运动空间，而手术中又不得不实时观察正侧位两个视向的X光图像，因此需要采用两台C形臂X光机在水平方向和竖直方向交叉布置，同时工作，如图1-8所示。以色列的Y.S.Brin等20研究在股骨转子间骨折手术中使用双C形臂X光机同时透视的作用时，发现使用两台C臂X光机同时从竖直方向和水平方向透视患处较一台C臂X光机依次从竖直方向和水平方向透视患处可减少30%的手术时间和29%的透视时间。Li等21也认为手术中同时应用两台C形臂X光机有利于增加安全性，减少操作时间及对患者的X射线照射量。虽然术中同时使用两台C形臂X光机有一定的优点，不过这样不仅使有限的手术空间更加局促，还增大了医院的采购成本。图1-8两台C形臂X光机竖直、水平交叉布置C形臂X光机的结构弊端给医生带来了不小困扰，为此医生希望解决以下三个问题：怎样能够随时快速地看到手术部位的正侧位影像？怎样减少术中影像设备的频繁移动和转动？怎样减少医生和手术室人员所受的辐射剂量？为此一些厂商提出了单G形臂结构的X光机。单G形臂是由两套相互垂直布置的X光球管和影像增强器安装于单个G形导轨架上组成。比较成熟的G形臂X光机产品有SwemacMedicalAppliancesAB22,23的Biplanar500型产品（如图1-9示）和北京东方惠尔图像技术有限公司24,25的Pilot、BELUGA等产品（如图1-10、1-11示）。-6-第1章绪论图1-9Biplanar500型X光机图1-10Pilot型X光机图1-11Beluga型X光机单G形臂克服了C形臂耗时费力的弊端，但两条X摄像通路只能保持90夹角，不能做出改变，并且G形臂不能绕纵向水平轴线摆转，如图1-12所示。结构形式的制约使其工作空间受到限制，导致单G形臂X光机不能满足一些需要摆转角度的手术需求。因而并不能完