基于丝传动技术的乳腺X射线诊断设备的C形臂回转结构设计

刘保华，鞠鹏，谢艳霞，姚建义

1.中国疾病预防控制中心 a.设备条件处；b.应急中心，北京 102206；2.邦盛医疗装备（天津）股份有限公司，天津301726

基于丝传动技术的乳腺X射线诊断设备的C形臂回转结构设计

刘保华1a，鞠鹏2，谢艳霞2，姚建义1b

1.中国疾病预防控制中心 a.设备条件处；b.应急中心，北京 102206；2.邦盛医疗装备（天津）股份有限公司，天津301726

0 前言

乳腺癌是女性常见的恶性肿瘤之一。目前乳腺癌发病率已跃居女性恶性肿瘤首位，且发病年龄趋于年轻化。乳腺癌对人类健康的严重危害引起了世界卫生组织和医疗界人士的高度重视，乳腺癌早期发现、早期诊断、早期治疗是降低乳腺癌死亡率的关键[1-2]。

乳腺癌的诊断方法很多，乳腺癌病变在发生浸润前，其X射线图像就会有比较明显的特征，故乳腺癌X射线诊断被医院广泛采用，是乳腺癌诊断的常用方法[3-5]。用于乳腺癌X射线诊断的医疗器械主要为高频乳腺X射线机，该类产品主要由C形臂和立柱两大部分组成，由转轴将两部分连接在一起。目前大部分高频乳腺X射线机的C形臂旋转机构大概有两种：一种通过“电机-蜗杆蜗轮传动-同步带轮传动”带动C形臂及X射线源组件[6]；另一种通过“蜗杆减速电机-同步带轮传动”带动C形臂及X射线源组件[7]。前者的优点是结构紧凑、支臂宽度小、简洁美观，但蜗杆蜗轮传动对加工和装配的要求较高，因此总的制造成本反而比购买专业厂家大批量生产的标准规格减速器的成本高；后者使用标准蜗杆减速器，对加工和装配的要求较低,总的制造成本也较低，但由于减速器的宽度尺寸比单独的蜗轮宽度尺寸大，因此传动机构总的横向尺寸也大，会造成支臂宽度尺寸大或者支臂的一侧因装减速器而鼓出一大块，使得支臂与整机的组合不协调、不简洁、不美观。

近几年，一种新兴的传动技术——丝传动技术迅速发展起来[8]。丝传动技术相对于传统的机械传动系统具有如下优点：适用于远距离传递动力，能够将动力源布置在远离执行部件的地方，从而简化运动结构；在长距离传动中易于改变传动方向；传动结构简单、紧凑，适用于在小空间内多自由度布置；对结构加工精度误差不敏感；张紧的情况下无回差；可以缓冲减震，使末端工具的运动更平稳等。

本文提出了一种结构紧凑易于安装调节的，用于一种乳腺机C形臂回转的丝传动机构，可实现丝传动系统中的钢丝绳始终在所需预紧力状态下运行；并且可采用粗调和微调两种调节方式对钢丝绳进行调节，从而提高调节精度。

1 乳腺机结构

乳腺机整机结构示意图，见图1。其内部龙骨架主要由方钢焊接而成，用以支撑整个机器的结构；平面导轨用以辅助C形臂垂直运动；筋板部分为C形臂上X射线仪器支撑骨架；检查台即成像托盘是病人检查接触部分；配重块用以保证机器整体的支撑平衡；链轮、平带、张紧轮等组成C形臂整体垂直运动系统；丝传动配合电磁制动器用以控制C形臂回转动作。

图1 乳腺机整机结构示意图

2 C形臂结构方案设计

乳腺机C形臂一般可实现上下运动和左右运动，即从各个方向对乳房进行扫描检测，以便更详细地检测患者病灶所在[9]。为了使受检者以舒适的身姿查体及全方位进行检测，C形臂除了保证传统的上下运动和左右运动，还应实现倾斜体位摄像。故而乳腺机C形臂还需实现垂直运动和回转动作，其中回转动作为等轴回转，即C形臂与成像托盘的整体回转和C形臂独立回转。

对于C形臂垂直运动，相比于带传动和齿轮传动，链传动具有能保持平均传动比不变，传动效率高；张紧小，作用于轴上的压力较小；可用于中心距较大的场合，对制造精度要求较低，成本小等优点。因而本文采用链传动方式辅以平面导轨实现C形臂的垂直运动。

传动链有齿形链和滚子链两种。齿形链是利用特定齿形的链片和链轮相啮合来实现传动的。齿形链制造成本高、重量大。为降低成本，本文采用应用最广泛的套筒滚子链传动，带减速器的交流电机驱动，使C形臂传动小车行驶在平面导轨之间，小车内安装丝传动机构。

传统的C形臂回转运动传动结构不是制造成本较高，就是整体尺寸较大，难以达到理想效果。而丝传动方式传动结构简单、紧凑、安装调节简便，故本文采用钢丝绳传动方式以实现C形臂回转运动。为提高钢丝绳的承载力，防止出现打滑现象，钢丝绳以8字缠绕两轮。同时，采用具有蜗轮蜗杆减速器的直流电机实现成像托盘等轴回转和二级防护。再通过电磁制动器的控制实现C形臂与成像托盘的整体回转和C形臂独立回转两种模式的切换。C形臂结构方案以及整体示意图，见图2～3。

图2 C形臂结构方案图

图3 C形臂整体结构示意图

3 C形臂回转结构

3.1 丝传动组件结构

3.1.1 钢丝绳摩擦传动结构

该结构由驱动轮（主动轮）和从动轮以及连接两轮的钢丝绳组成，两轮上分别开有钢丝绳导向凹槽[10]。8字缠绕方式具体是指钢丝绳在主动轮上缠绕n周，然后交叉固定在从动轮上，使钢丝绳与传动轴的包角近似于4π×nrad。在缠绕时要顺着有绳槽的方向，同时保证钢丝绳在两轮上的旋向是相反的。由于丝传动承载的是C形臂检测台，C形臂的回转扭矩能达到170 Nm，钢丝绳传动机构从动轮直径为160 mm，则作用于钢丝绳上的力即2125 N[11]。因而钢丝绳的最小直径为：

钢丝绳捻向为右捻向，则绳槽应为左旋，由右手定则判定。

3.1.2 钢丝绳固定及张紧调节机构

钢丝绳固定方法较多，如编结法、绳卡固定法、压套法、斜铁固定法等。这些方法虽普遍使用，但是对于C形臂结构来说，方法仍较为繁琐，安装尺寸也偏大，运行安全可靠性无法得到较好保证。本结构对钢丝绳采用三级固定，以最大程度保证系统结构的安全性。钢丝绳固定及张紧力调节机构示意图，见图4。

图4 钢丝绳固定及张紧力调节机构示意图

钢丝绳固定销采用螺纹连接，锁紧固定在丝传动从动轮上，钢丝绳穿过钢丝绳固定销，通过螺栓对钢丝绳进行初步固定。经过初步固定的钢丝绳穿过钢丝绳锁紧块端面处的L形通孔，打结锁紧，进行再次固定。最后钢丝绳还可将末端打结固定于钢丝绳锁紧块上，使钢丝绳末端不至脱离从动轮，导致前端C形臂失控，发生危险。

丝传动系统张紧力调节过程如下：钢丝的起始端打结后压于钢丝绳压板下，由螺栓锁紧固定，将钢丝绳反复缠绕在丝传动从动轮与主动轮外壁的饲槽内，钢丝绳的末端穿过钢丝绳固定销的通孔，经钢丝绳锁紧块侧壁的穿丝孔，由顶端面穿出，打结固定。钢丝绳锁紧块侧壁开有12个定位孔，通过不同孔位的设定，可对钢丝绳进行张紧力粗调节。然后将钢丝绳固定好后，通过转动调节钢丝绳锁紧块的位置，可对钢丝绳的张紧力进行细调节，调节好后由钢丝绳锁紧块定位销将其固定于丝传动从动轮上。

3.1.3 螺旋形绳槽

设主轮螺旋槽螺距为p1，从轮螺旋槽螺距为p2，则主从轮的绳槽螺距关系为：p2=i×p1（其中i为减速比，本文取值为2）。因为大轮转动一圈，小轮转动的圈数是i，这样绳在小轮轴就向上前进了i×p1的距离[12]。

若选择的钢丝绳的直径为6 mm，将主轮螺距p1设置为6 mm，则从动轮的螺距p2为2×6=12 mm。主动轮接在减速器上，本文设置的主动轮转速为35 rpm，则从动轮的转速为35 rpm/2=17.5 rpm，具体转速可通过调速器调节电机实现。螺旋槽典型槽形示意图，见图5。

图5 螺旋槽典型槽形示意图

根据经验，钢丝绳绳槽夹角的最佳角度β为30°～45°，本文采用图5(b)所示深槽的开槽方法。钢丝绳与绳槽底部接触可以有效防止脱槽，同时也不像图5(a)那样容易磨损钢丝绳。

基于上述设计,螺旋升角为：

国家标准规定:α≤1o30 '，对光面卷筒放宽到α≤2o。但在具体传动机构中，为了使机械结构紧凑或因加工制造及工艺问题，有时不能严格保证α≤1o30 '，通常α的角度增大，其后果是钢丝绳上的有害分力Fr增大，钢丝绳的寿命降低。在钢丝绳摩擦传动中的设计中,要严格保证偏角α≤1o30’，必要时可以减小钢丝绳的直径。

3.2 丝传动整体结构

丝传动整体结构示意图，见图6。该结构采用减速齿轮箱对步进电机输出的动力进行减速，具有结构紧凑、输出扭矩大和转动平稳等优点，丝传动主动轮与减速器锁紧固定并且在主动轮外侧壁开有右旋，螺距8 mm，槽深3 mm，螺纹长度32 mm的螺旋圆弧丝槽，将钢丝绳缠绕在丝槽内，起到导向固丝的作用。钢丝绳的另一端缠绕在开有同样丝槽的丝传动从动轮上，丝传动从动轮与丝传动从动回转轴采用双键连接，避免了轮与轴间间隙的产生，提高了轮与轴间的传递扭矩，即使在超过动载载荷的情况下，也不会对动载荷稳定产生影响，延长了整机的使用寿命。丝传动从动回转轴安装在带方形座轴承内，可以提高承载能力。丝传动从动回转轴与C形臂回转轴通过电磁制动器连接在一起，正常工作状态下，电磁制动器吸合，将动力传递到C形臂回转轴，当系统过载或急停按钮按下时，电磁制动器失电，从而可最大限度地保证人身安全。

图6 丝传动整体结构示意图

4 结论

本文介绍了一种基于丝传动技术的C形臂回转结构，并简单阐述了可适用的乳腺机的整体构架。该结构采用丝传动技术，配合电磁制动器，实现了C形臂与成像托盘的整体回转和C形臂独立回转两种模式的切换；采用粗细调结合的调节方式对钢丝绳进行调节中，并采用三级固定对钢丝绳进行固定，安全性能和调节精度较高，且结构紧凑，易于安装调节；相较于传统乳腺机C形臂回转传动机构，简化了传动过程，提高了传动效率，优化了整体结构。

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[4] 张立新,王新明,杜国生．数字乳腺X线摄影中不同靶/滤过组合对影像质量的影响[J]．中国医疗设备,2014,29(8):126-128．

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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

本文针对乳腺X射线诊断设备提出了一种基于丝传动技术的C形臂回转结构。该结构采用具有蜗轮蜗杆减速器的直流电机实现成像托盘等轴回转，通过电磁制动器实现C形臂与成像托盘的整体回转和C形臂独立回转两种模式的切换。丝传动系统中，钢丝绳始终在所需预紧力状态下运行。在对钢丝绳进行调节的过程中，该结构采用三级固定及粗细调结合的调节方式，可确保系统的安全性能，提高系统的调节精度，使得系统结构紧凑，易于安装调节。该结构相较于传统的C臂回转传动机构，具有结构紧凑、传动简单、效率高等优点。

乳腺X射线诊断设备；C形臂回转结构；丝传动技术；等轴回转

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：刘保华，工程师。

姚建义，副研究员。

作者邮箱：liubh@chinacdc．cn