新型X射线防护服可支持舱体行走式设计研究＊

袁丰华,胡元凯

（1．陕西工业职业技术学院 化工与纺织服装学院，陕西 咸阳 712000；2．西安凯顿医药科技有限公司，陕西 西安 710065）

1 引言

X 射线为一种波长介于紫外线与γ射线之间的电离辐射，可以在医疗诊断过程中使用。当X 射线对人体进行照射时，会产生一定程度的生物效应，对人体腺体、组织器官、血细胞等造成较大伤害。同时X 射线损伤还会具有累积性能够导致人体发生头晕、乏力、免疫力下降等症状，甚至可能导致内分泌紊乱及造血系统损坏引发相关癌症。现阶段，先进的X 射线诊断、心脑血管造影、血管成形术等被广泛应用，放射性介入治疗也得到了普及，因此越来越多的放射学工作人员需要在X射线场中长时间工作。美国心血管造影和介入学会对从事放射性治疗平均达16年的医务工作人员的职业健康进行调查，调查结果表明超过半数医生患有骨科相关疾病，其中腰椎疾病较多占总体的34．4%，其次为颈椎疾病占比为24．7%，其余各类骨关节疾病占19．6%。报告同时指出有4．8%的医生血液系统存在问题，甚至罹患癌症，并且3%的医护人员患有肾结石。因此，为减少相关人员疾病发生概率，如何对X射线进行防护也成为了重点研究内容。

X射线防护服是通过屏蔽射线，将工作人员受伤害程度降至最低的一种特殊防护服饰。是化工、国防、医院等不可缺少的重要辐射防护工具。目前由于铅的能量吸收性良好，且成本相对较低，容易获得，实际应用价值更高，因此成为现阶段X射线防护服的主要原材料。医学临床较为常用防护服样式主要为铅口罩、铅围脖、铅眼镜、铅内裤、铅围裙、铅背心等，然而由于铅的密度过大，其重量较高、质地较硬等问题导致相关人员直接穿着防护服时，行动的灵活性较差，负重感较强容易产生疲惫，且无法做到全面防护。因此设计一款遮蔽性能更高、着装承重低、灵活性较和舒适性较高的新型防护装备成为了主要研究方向。扬州锦江有限公司以减轻承重、方便活动为理念设计出一种可移动的防护装备，该方案将多块防护板拼接成防护舱，舱的上部配备头盔，下部配备轮子实现灵活运动。启东凤兵服装有限公司设计了一款由耐磨层、透气层多层材料组合而成的衣身和衣袖相互连接的一种铅衣防护服。以上产品在一定程度上为新型防护服提供了设计思路，其遮蔽性和灵活性虽然有所提高但还是没达到理想状态。

因此，为改进现有X射线防护服遮挡不全面、负重较高、灵活性差等问题，通过对临床手术动作的科学分析，提出一种新型X 射线防护服可支持舱体行走式设计研究，创新提出舱体支撑行走器外覆盖铅橡胶铅衣的设计理念，以行动学分析为基础，对人体运动进行模拟，确定各个关节位置完成舱体支撑行走器的建立，并且根据支撑架造型设计包裹铅衣，通过剪裁缝纫等工序完成防护服制作全过程，在仿真实验条件下，新型支撑行走式防护服的防护效果更好，灵活性更高，能够满足X射线临床的基本防护要求。

2 研究路线

传统X射线防护服[1]存在遮蔽面积小、活动困难且负重较为沉重等问题，因此采用舱体支撑行走器加包裹铅衣的配套组合，设计出同时具备视野开阔、穿戴方便、安全防护等性能的更为符合实际应用的X射线防护服。

2.1 舱体支撑行走器

舱体支撑行走器的关键作用为支撑包裹铅衣，并且具有活动功能，主要组成部分包括头盔、躯干、腰部、下身四部分。头盔、躯干及下身设为静态区块，要同时满足活动量和舒适度，腰部设为动态区域，为了能够满足在手术过程中弯腰动作设置了回弹装置。并且为了适合不同身高的使用，设计了可调节支撑架高度的滑轮装置。

通过对人体运动模拟实现舱体的灵活性和适用性，在Bruderlin人体运动分析的基础上进行改进，充分使用各个相关工具使人体运动模拟[2]在减少工作量的前提下使结果更为准确，则X射线防护服如图1所示。

人体行走运动看似简单但是实际是一个复杂的行为过程，是通过腿部转动的带动使身体发生位移[3]。同时行走又可以视为一个循环的周期性运动，对称的两步构成一个步幅如图2所示。

从图2中可以看出，只要行走步态对称则左右腿只是随着时间交替执行相同动作，因此可以针对行走一步的过程对人体行走进行分析[4]。

根据不同行走速度时，总要改变参数达到能力消耗最少原则[5]，可得到规格化公式如下：

式(1)中，sf 表示步频，sl 表示步长，v表示步速，height表示人体身高。式(1)给出了人体行走参数之间的线性关系[6]，也间接给出了步长与行走参数之间关系。在人行走的过程中，每一步都是由一个双脚支撑期及一个单脚支撑期组成，若使用tcycle表示一个期间，则：

在行走的每个周期内，随着步频的增大，双脚支撑期则变短，当支撑期不存在时，行走即为跑步，根据不同的行走步频及支撑期测试，可得下式：

确定tds后，需要注意的是，实际行走过程中，单脚支撑期要大于移动周期，但是以上分析只对一个单步周期进行了研究[7]，则只能仿真出单脚支撑期的其中一部分，即从后脚跟落地开始人体所经历的一个单步过程。

图3描述了钟摆步态行走对称性，可以看出，人体的两腿长度是相同的，且步长相同时两条腿和竖直方向的夹角相同，即角θ1和角θ2的大小只受步长影响，当行走速度变化时，上述条件依旧满足，图3中t2到t3时刻即为行走加速状态。

但是在实际行走的过程中，脚后跟落地时，行走步态是不对称的，步行的真实状态如图4所示，因此，根据拉格朗日方程可推导出人体直立期的运动方程为：

人体行走一个周期的摆动运动方程[8]可以表示为：

假设地面高度为0，l1、l2、l3、l4、l5的长度为已知，则ankle(脚踝位置)可作如下表示：

臀部位置可以表示为：

根据式(4)、式(5)、式(6)可得：

通过上式即可获得人体行走过程中各个关节点位置，完成舱体的建立。

2.2 包裹铅衣

包裹铅衣依附在支撑架上，是能够起到吸收能量、屏蔽射线对人体进行保护的防护铅衣。按照层次划分为两部分，内层为支撑架套，外层为铅衣。由于人体直接接触支撑架套，因此需保证其舒适性；外层铅衣部分又由三层组成，外层起到防尘拒水的作用，中间层为铅橡胶，主要作用为阻挡射线损伤人体，内层在考虑到舒适性的同时防止铅橡胶漏出，则包裹铅衣结构示意图如下所示。

包裹铅衣主要是根据人体各部位形状制作的包裹裁片组合而成，分为头盔、躯干、腰部、下身、袖子5部分。各区块的裁片设计重点为衣片静态造型部分，例如，头盔的设计重点在于球面分片设计，各区域连接部分的设计关键在于活动量的设置，以及衣袖袖门和衣身袖窿处活动量设计。

2.3 防护服特点及达标情况

《X射线防护服》的国家标准及医药行业标准对X射线防护服的制作材料、款式及铅当量给出相关要求，对照中华人民共和国医药行业标准YY 0318-2 000 医用诊断X 射线辐射防护器具第3 部分：防护服和性腺防护器具》防护服设计要求，新型支撑行走式X射线防护产品的特点及达标情况如表1。

从表1中可以看出设计的新型X 射线防护服完全符合相关标准，可以达到医学工作的日常X射线防护要求。

表1 支撑行走式X射线防护服产品特点及达标情况

3 仿真实验

3.1 防护性能测试

为验证设计的新型X 射线防护服的有效性，采用X射线机的高压发生装置，设置管电压为120KV、管电流为50mA、在80ms的稳定输出条件下，对提出的行走式防护服的铅当量进行测试。并与临床常用防护服的铅当量进行对比，其结果如表2所示。

表2 X射线防护服铅当量参照数对照表

3.2 临床试验及灵活性负重测试

在仿真实验下，分别对40名医护人员进行负重测试，测试结果如表3所示。

表3 X射线防护服实验对比测试

从表3中可以看出，在临床手术动作仿真实验中，同一受测者穿着常用防护服长久工作时，承重负担较大，腰部、肩膀、手臂等处均出现不同程度酸痛症状，并且仿真手术的动作灵活性逐渐变差伴随着较为严重的出汗闷热现象，导致受测对象身体乏力出现情绪焦虑等症状；而在穿着设计的新型X 射线防护服后，受测者身体服装负重较弱，几乎不存在着装影响且动作灵活性受负重影响较低，在相同程度的工作条件下，受测者的身体疲惫程度较低，没有出现不适症状。在灵活性方面，受测者分别穿着常用防护服和提出的新型防护服分别进行相同时间的乒乓球托跑及穿针韧线实验，实验对比数据表明，穿着新型X射线防护服的动作灵活性、准确性更优，尤其耐久性方面新型防护服的性能要高于常用防护服。

4 结束语

本设计的创新之处在于模拟了真实人体骨骼构架，并对人体关节的活动性进行分析，在此基础上构建人体外骨骼舱体，完成舱体行走器的设计，支撑器能够承担包裹铅衣的全部重量使着装者在无负重感的条件下实现灵活运动和有效防护。同时包裹铅衣使用柔性衣片组装而成，能够更好地实现对舱体的形态包裹及满足手术动作的灵活性要求，完成四肢、躯干、头部的全方位屏蔽防护，改善了常规防护装备难以实现全防护的弊端。其主要先进程度在于：能够实现全方位防护，最大程度上减少X射线对相关从业者的损伤；起到防护作用的铅衣重量全部由舱体支撑行走器承担，人体无承重负担；相对于常规防护铅衣，更加满足各种手术操作动作，便于着装者行走，能够在一定程度上增加操作的成功率；视野开阔：头部全防护面罩呈透明状，不影响着装者视野，并且在包裹铅衣和身体间的预留空间内设有透气通道，使得防护服内空气流通，体感较为舒适。