自动控制多变形超声诊断床的结构设计

张 慧，陈胜茹

0 引言

超声检查无创、方便，可动态观察人体器官的情况，是常用的检查方法[1]。然而，目前临床上使用的超声诊断床多采用平板整体结构式，床的高度及面板固定，不可调节，不能适应不同患者的诊断体位及上下床的需要。自动控制多变形超声诊断床能随意调节指定面板的角度，操作者可以通过床边的控制按钮进行操作，实现患者的坐立位姿、侧身位姿等，满足不同检查体位的需求，尤其适用于重症及活动不便的患者，操作方便。本文将就该床的设计构思进行阐述。

1 整体结构设计

诊断床为了实现升降、抬头、抬背及躯体侧翻等动作，须有升降机构、抬头抬背机构、侧翻机构。总体构思：机械结构设计、电动机驱动、传感控制运动及总体位姿协调等[2]。诊断床不同状态的结构如图1所示。

1.1 诊断床结构

该诊断床由床面、床架和电动控制部分组成。床腿配有可调整地脚，床体高度可根据工作需要随意调整，也可选择自动调整床体高度。床体左侧装有一个悬挂式操作按钮控制盒，操作者可手持操控检测床。

1.2 床面结构

床面分为彼此独立的7个面板，分别对应人体头部、背部及臀部和下肢，通过各个面板之间的协调运动，采用单动或联动方式来实现超声检查操作所需的各种体位位姿。

根据医疗检查操作要求和患者的舒适感，各面板摆动角度及标准如下：头部面板摆动角度0～30°，背板摆动角度 0～75°[3]，侧身面板摆动角度 0～75°。头部面板及背板下面设有一套自动装置，由按钮操作，通过此自动装置控制头部面板或背板旋转一定角度。中间可旋转床面两侧各装有一对卡扣，两侧卡扣可分别绕床板两侧的固定轴左右旋转床板0～75°，便于对人体多个层面的检测，而无需患者本人移动身体。在可旋转床面下方也设有一套自动装置，通过按钮操作此装置使床面自动旋转。

图1 诊断不同状态的结构图

参照百分位人体尺寸、根据GB 10000—1988《中国成人人体尺寸》标准，95百分位（百分位表示具有某一人体尺寸和小于该尺寸的人占统计对象总人数的百分比。以第5百分位、人体身高尺寸为例，表示有5%的人身高等于或小于该尺寸）中国成年男子的身高为1 775mm，肩宽为330～415mm[4]。根据需要，整体床面尺寸确定为2 000 mm×900mm；床的中间段面板要尽可能窄，使患者能够实现侧翻这一动作，设计中背板中部可旋转面板宽度为260mm，两侧分别为320mm。查阅手册得人体的坐高大约800mm，所以检测床背板的长度设计为860mm，其中头部面板长300 mm。床面板为五合板，厚度为15mm。五合板表面蒙上一层海面皮革面，柔软、舒适。

1.3 床架结构

床架除了固定的机械机构以外，还包括各个电动机安装模块。床架包括2个端支腿和1个中部支腿[5]，用35mm×35mm高强度方管焊接完成。2个端支腿与中部支腿通过4根中间横撑用六角头螺栓联接。床架表面喷塑处理，使床体美观、耐用。

2 使用调节

2.1 床体高度调节

2.1.1 手动调节

可调地脚与床腿用M16螺纹连接，旋转可调地脚上的螺母便可手动调整床体高度。

2.1.2 自动调节

自动调节装置是执行床体上下调整的机构。它由电动机、减速机、传动齿轮、传动丝杆等部件组成。其工作原理为：电动机带动减速机旋转，减速机驱动左右2对传动斜齿轮，在传动斜齿轮的驱动下使传动丝杠上下运动，从而带动床体上下运动，实现床体的自动调节（如图2所示）。

图2 升降机构原理图

2.2 诊断床各面板的调节

2.2.1 头端床板控制装置结构

头端床板的控制装置由电动机、联轴器、螺杆、铰链等部件组成。电动机转动通过联轴器带动螺杆旋转，螺杆旋转驱使螺杆滑块作往复直线运动使铰链分别产生位移，在铰链的作用下使头部床板旋转一定角度（如图3所示）。

2.2.2 背端床面控制装置结构

与头端床板控制装置结构相同，工作原理同2.2.1所述。

2.2.3 中间床板旋转控制装置

图3 头部床板旋转控制装置原理图

中间床板可通过机械运动系统的控制装置，使面板连接、组合运动，实现由平卧位到左、右侧卧位的转换。控制装置由电动机、联轴器、螺杆、铰链等部件组成。利用连杆传动机构原理完成床板的向左或向右旋转动作（如图4所示）。

图4 中间床板旋转控制装置原理图

2.2.4 承重板

诊断床虽然满足了床板多变形的要求，但却降低了床板的承重性能。为弥补其不足，设计中采取双层床板结构，即在组合床板下安装一层承重床板。

3 力学计算

3.1 床体框架、床架和斜撑板

床体框架、床架和斜撑板是诊断床的主要承载部分，由于床面近似为刚性体，可认为床体框架受垂直载荷的作用。

根据GB 10000—1988，95百分位的中国成年男子体质量为m=75 kg。为简化计算，先将人体质量简化为3个集中载荷，用符号F1、F2、F3表示，分别作用在人体的头部、胸部和臀部。根据人体各部位（头、躯干、四肢等）质量相对于人体总质量的比例关系，可推导出如下关系[3]（F=mg）：

根据我国成人人体尺寸的比例关系，可推导出上述3个集中力的作用位置。以人体头部为基准，分别为：

诊断床在使用时承受分段均布载荷，因此根据诊断床结构的计算模型和力的作用位置，将3个集中力作用均布在3段区域内，施加方法如图5所示。

图5 施加载荷

3.2 强度分析

米塞斯等效强度理论：

式中，σmax表示床架中最大等效应力，单位为MPa；[σ]为许用应力，单位为 MPa；σ0.2为屈服极限；n 为安全系数。

超声诊断床的框架采用35 mm×35 mm方管（Q235），屈服极限由《机械设计手册》查知为σ0.2=235MPa。塑性材料在静载荷下，安全系数n可取1.5～2，从对减轻设备自重和提高设备机动性的要求考虑，取 n=1.5，得[σ]= σ0.2/n=235/1.5=156.7MPa。

查资料知，等效应力值最大为σmax=102.61MPa＜156.7MPa[6]。因此，强度条件 σm≤[σ]成立，诊断床结构符合强度条件要求。

3.3 力学测试

通过承载能力、垂直冲击跌落、端部承载稳定性、背板支撑强度、铰链折叠等各项力学性能试验[7]，考核自动控制多变形超声诊断床的各项性能，均达到临床要求。

4 临床应用

自动控制多变形功能的超声诊断床是临床超声检查必不可少的设备。经临床17 000例患者使用，反应良好，设计尺寸适合患者转体、躺卧，舒适、安全可靠。诊断床一人操作，展收快速，操作灵活方便，明显减轻了操作者的劳动强度，疲劳感下降。

5 结论

自动控制多变形超声诊断床可根据检查需要选择任意体位，适合骨折、外伤、交流困难及重症不能自行转动体位的患者，床体结构及各部件尺寸符合工效学要求。该自动控制多变形超声诊断床提高了超声检查的准确率，降低了操作者的劳动强度，减轻了患者家属的负担，使用方便、安全、可靠，操作简单，值得推广使用。

[1] 李向群.急诊超声检查及诊断[J].中华现代影像学杂志，2007，4（1）：73.

[2] 张慧，陈涛，陈胜茹，等.一种具有自动控制多边形功能的超声诊断床：中国，ZL201120327301.7[P].2012-05-30.

[3] 杜振杰，高万玉，秦英杰.便携式野战急救诊断床的研制[J].医疗卫生装备，2002，23（5）：21.

[4] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T10000—1988 中国成年人人体尺寸[S].北京：中国标准出版社，1988：39.

[5] 杜振杰，高振海，徐新喜，等.利用COSMOS/M完成野外急救诊断床床体结构的有限元分析[J].CAD/CAM与制造业信息化，2001（8）：46.

[6] 闻邦椿.机械设计手册[M].5版.北京：机械工业出版社，2010：232-233.

[7] 胡增强，郭力，江晓禹，等.材料力学[M].5版.北京：高等教育出版社，2009：156.