XGD型旋转式伽马刀治疗床的设计、调试和改进

李建国，冯德进

0 引言

XGD型旋转式伽马刀设备是我国自主研制开发的高端医疗产品，目前已在国内几十家医院使用。该设备在进行医疗器械注册证取证包括进行动物实验和临床试验前经过了反复的改型或重新设计。本文总结了XGD型旋转式伽马刀治疗床的设计、调试及改进的体会。

1 结构原理

该治疗床的设计，主要考虑将患者水平送到指定的位置，也就是说，准确地将患者的病灶送到旋转的60Co射线聚焦核物理原点处。

如图1所示，治疗床由固定床身和移动床面组成。设计时，固定床身和移动床面均采用焊接件，减轻了床身的质量，固定床身前端与屏蔽门连接，后端用螺杆支撑在地面上。移动床面两侧各装有3个滚轮，在固定床身上的轨道面上滚动。移动床面由滚珠丝杠上的螺母连接，滚珠丝杠尾端通过联轴器连接到T型箱上，再通过联轴器接到伺服电动机（该电动机自身带有一个小减速箱），该连接均在前后水平中心线上。由于是医疗设备，床身左右装有漂亮的扶手，尾部也安装有尾扶手，整个床身还拥有漂亮的造型外壳。整个造型设计采用了PROE设计软件，在美工人员制作了效果图形后，我们进行了每个零件的三维设计，并且在计算机上进行零件装配，使得装配好后的治疗床外形和美工人员的效果图形一致。

图1 改进前的治疗床

移动床面前端安装有定位支架，在治疗时，通过将该定位支架固定戴在患者头上从而确定患者的病灶位置，然后将病灶准确地送到放射源焦点中心。治疗前将保护头罩安装上，保护好患者的头部。

治疗床的传动机构中设有手轮，该手轮连接在T型箱的另一端，治疗过程中，若伽马刀出现故障需中断治疗又不能实现自动操作时或机房失电、不间断电源也出现故障时，可人工将手轮向床方向压紧，同时逆时针方向转动手轮，治疗床移动床面和患者即可退出屏蔽门。正常自动工作时，将手轮向外拉出，手柄倒向内侧，使其在移动床移动时手轮不转动，以保护操作者的安全，如图2所示。

2 安装调试

将主机（射源体）安装到位，进行水平调整后，将治疗床前端的圆锥销插入屏蔽门前的圆销孔位置上，把框式水平仪放在治疗床的导轨面上，调整床身后脚处的2个螺杆，使治疗床保持水平，保证两边的导轨面水平都达到≤0.04/1 000 mm的要求（横向和纵向）。通过螺钉将治疗床连接到屏蔽门上，将床身后脚处的2个螺杆的螺钉也紧固。将手轮向前压，使手轮轴上的齿轮和T型箱内的齿轮啮合，摇动手轮，移动床面前进和后退，此时移动床运行平稳，没有异常的响声。

图2 OUR-XGD旋转式伽马刀

将电动机所需要的参数输入到ACS四轴控制器内，包括放大器和编码器的有关参数，通过电流环调整，电动机顺时针和逆时针交替旋转，使移动床左右来回运动。此时的床两端需要留下足够的安全距离，观察速度与时间的曲线波形，满足所需波形要求后，即调整好电流环的有关参数；通过速度环调整，电动机顺时针和逆时针交替旋转，使移动床左右来回运动。观察速度的波形，满足速度曲线要求后，即调整好速度环的有关参数；通过位置环调整，电动机顺时针和逆时针交替旋转，使移动床左右来回运动。观察位置误差的波形，在误差值内调整好位置环的有关参数。调整伺服电动机的参数，当伺服电动机通电后，移动床面运行时发出很大的响声，但电动机运行的位置误差只在100个脉冲内，满足电动机的调试规范要求，可见伺服电动机的参数调试满足要求，但用噪声仪测试响声，足有95 dB，该响声根本无法通过公司产品70 dB的企业标准要求。

在现场，通过增加或减少垫片调整了T型箱和丝杆上轴承座的安装精度，并且测量各轴的跳动均在设计要求范围内。在左右两侧的滚轮轨道上加注了润滑油，在传动副上也加注了润滑油，虽然整个传动链的安装精度都符合要求，但响声仍然很大。

我们放慢了床的运行速度，响声就降低了，这说明伺服电动机是发出响声的振动源。但该速度无法满足正常需要，这要求我们尽快解决该问题。

经过仔细分析，该噪声源是由伺服电动机和电动机上的减速箱运转发出的，通过一系列刚性连接：联轴器、T型箱、联轴器的连接，再由丝杠上的螺母连接到移动床上，各运动件均发出响声并且一级一级将振动放大，导致所有的运动件均发出很大的响声。由于床身和移动床面均采用焊接结构，不像铸件能够减振和减小响声，反而将响声放大。

3 改进建议和实施

面对上述问题，我们认为最好和最快的解决方法就是将刚性连接改为柔性连接，将一开始的噪声源切断，即将一开始伺服电动机和减速箱发出的响声切断。为此，我们将结构进行了改进，将伺服电动机移到一侧，去掉伺服电动机上的减速箱，通过同步带轮组和滚珠丝杠副驱动伺服电动机。由于电动机通过同步带传动，同步带为柔性的连接，一方面将增大电动机的扭矩，另一方面去掉了电动机上的减速器，大大减小了振动。同时，伺服电动机的振动通过同步带传递而减小，这样就遏制了振动源的响声，整个治疗床的运动响声大大减小。

该设计的改进只需加工一个固定电动机的底板，在固定的床身打3个Φ8的螺纹孔，定做2个同步带轮，小同步带轮的齿数为32，大同步带轮的齿数为60，购买相应规格的同步带220XL037。安装时，调整T型箱的3颗螺钉，保证其连接同轴度精度。具体改进设计如图3所示。

由于结构进行了改进，使T型箱从三轴传递力矩变为二轴传递力矩（有一端为空端，没有连接到其他轴上），而实际治疗时需将手轮脱离T型箱的轴，T型箱其实只有一个轴通过联轴器连接到丝杠尾端，该结构减少了一个刚性联轴器，也使振动源传递减少了一个环节，该结构更为合理。

图3 改进后的治疗床

4 讨论

采用上面的电气调整方法，调整好伺服电动机参数，通电后，移动床运行平稳，按照所需要的脉冲进行进床和退床，移动床面走到了预定的坐标位置，移动床面退床时，每次均回到了设计的电气原点处，误差在几十个脉冲范围内，完全能够满足电气的设计要求。移动床面运行时发出的响声也小很多，采用噪声仪测试，只有60 dB左右，完全满足公司产品70 dB的企业标准要求。

经过一段时间的试运行，该治疗床运行平稳、可靠，响声满足产品的企业标准，XGD型伽马刀钴源安装前的有关技术要求都通过了产品标准，随后设备进行安装钴源。经过核物理参数的测试，设备的焦点位置误差小于0.5 mm，满足设备的定位误差要求，治疗移动床达到了设计要求。